서 론

최근 전 세계적으로 이상강우의 빈발과 국지적 집중호우가 증가하면서 사면 붕괴와 토석류 발생이 빈번히 보고되고 있다. 이러한 강우유발 사면 불안정성은 주로 간극수압(pore-water pressure)의 상승에 기인하며, 이는 사면 내 유효응력 감소와 전단강도 저하를 초래하여 붕괴로 이어진다. 따라서 간극수압 변화에 따른 사면의 안정성 거동을 정밀하게 평가하는 것은 재해 예방 및 위험도 예측에서 핵심적 과제라 할 수 있다. 실무에서는 일반적으로 전문가의 현장조사 결과를 기반으로 한 2차원 단면(2D cross-section)을 설정하여, 한계평형법(limit equilibrium method, LEM)을 적용한 안전율 평가를 수행한다. 이러한 2D 해석은 분석 절차가 단순하고 계산 속도가 빠르다는 장점이 있으나, 실제 지형의 복잡한 3차원 형상, 사면 방향성, 지층의 비균질성을 충분히 반영하지 못한다는 근본적인 한계를 지닌다. 특히, 사면이 굴곡지형·절개사면·곡면 형태로 구성된 경우, 단면 위치에 따라 해석 결과가 크게 달라지며, 실제 붕괴 양상을 정확히 재현하기 어렵다. 이러한 한계를 극복하기 위해 미국 USGS (United States Geological Survey)에서 개발한 Scoops3D (3-Dimensional Slope Stability Analysis for Open and Closed Slopes)는 3차원 한계평형법(3D LEM)에 기반하여 개발된 무료 공개형(open-access) 사면 안정성 해석 소프트웨어로, 전 세계 연구 및 실무 현장에서 널리 활용되고 있다. Scoops3D는 디지털고도모델(DEM)을 직접 입력받아 사면의 실제 지형을 3차원 공간에서 해석하며, 수천 개의 구면(spherical slip surface)을 자동 탐색하여 최소 안전율을 도출한다. 또한, 토층별 물성치나 지하수위 조건을 공간적으로 부여할 수 있어, 간극수압 변화나 지질 불균질성의 영향을 정밀하게 반영할 수 있다는 장점을 가진다. 이처럼 Scoops3D는 기존 2차원 해석의 단면 의존성을 극복하고, 실제 사면의 공간적 안정성 분포를 평가할 수 있는 효율적 대안으로 자리매김하고 있다. Qiao et al. (2019)은 강우–불안정토 결합 메커니즘을 반영한 3차원 결정론적 사면 안정성 모델을 제안하고, Scoops3D를 통해 강우 침투에 따른 간극수압 상승과 토석류 발생의 연계성을 분석하였다. Chen et al. (2020)은 대만 화롄 지역의 온천 사면을 대상으로 3차원 안정성 해석 사례연구를 수행하여, 현장 지형 반영에 따른 모델 신뢰성을 입증하였다. Palazzolo et al. (2021)은 Scoops3D에 유전 알고리즘(genetic algorithm)을 결합하여 공간적 취약성 예측 성능을 향상시켰으며, Li et al. (2021)은 지진 하중을 고려한 사면 안정성 평가를 통해 동적 조건에서도 Scoops3D의 유효성을 검증하였다. Kumar et al. (2023)은 Scoops3D와 인공지능 기반 ANN–Firefly 하이브리드 모델을 결합하여 확률론적 사면 안정성 평가를 수행하고, 불확실성을 반영한 신뢰도 지수(β)와 붕괴확률(POF)을 산정하였다. 최근 Mao et al. (2024)은 TRIGRS와 Scoops3D를 결합한 T–S Coupling Model을 통해 강우 시 간극수압의 시공간적 변화를 모사하고, 단일모델(TRIGRS) 대비 예측 정확도를 대폭 개선하였다. 이처럼 Scoops3D 기반 연구는 초기의 결정론적 3차원 해석에서 출발하여, 최근에는 AI 및 수리학적 결합모델을 통한 확률론적 시공간 예측체계로 발전하고 있다. 본 연구는 이러한 흐름을 바탕으로, 간극수압 변화가 3차원 사면 안정성에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고, 실무에서의 2차원 해석 한계를 보완할 수 있는 Scoops3D 기반 고정밀 안정성 평가 기법을 제시하고자 한다.

연구 지역

KIGAM에서 발행한 1:50,000 도폭(Oh and Yoon, 1972)에 따르면, 연구지역(Fig. 1)은 선캠브리아기 흑운모편마암(biotite gneiss)을 기반암으로 하며, 일부 지역에는 규장화 작용에 의해 형성된 규장편마암(quartzofeldspathic gneiss)이 분포하는 것으로 나타난다(Fig. 1a). 도폭 상에서 이들 변성암류는 주로 암회색 내지 암녹색을 띠며, 석영, 장석, 흑운모, 각섬석, 백운모 등으로 구성된 것으로 분류되어 있다. 흑운모편마암은 성분비와 조직 차이에 따라 호상편마암(banded gneiss), 화강암질편마암(granitic gneiss), 괴상편마암(massive gneiss) 등으로 구분된다. 이들 기반암을 관입한 중생대 쥐라기 흑운모화강암(biotite granite) 이 연구지역의 북서부에 분포하며, 지질도 상에서 편마암류를 절단하는 형태로 표시되어 있다. 접촉부에서는 동화작용이나 점이인 변질작용의 흔적이 뚜렷하지 않으며, 전반적으로 중립질 조직을 갖는 것으로 기록되어 있다. 또한 연구지역 남동부에는 규장화 작용이 뚜렷한 규장편마암이 분포하며, 이는 본 지역의 편마암류 중 규장화 정도가 상대적으로 높은 것으로 해석된다. 도폭에 따르면, 이 암석은 석영과 장석을 주로 하고, 흑운모와 백운모가 부성분으로 존재하며, 암색은 회색 내지 흑회색으로 다양하게 나타난다.

Fig. 1.

Geologic and topographic characteristics of the study area (Oh and Yoon, 1972). (a) Regional geology showing the distribution of Precambrian biotite gneiss, Jurassic biotite granite, and Quaternary alluvium; The red rectangle indicates the study area. (b) Elevation (m) derived from the digital elevation model (DEM). (c) Slope map (°) illustrating the distribution of slope gradients. (d) Aspect, indicating the dominant slope orientations within the study area.

신생대 제4기 충적층(quaternary alluvium) 이 과거 수계를 따라 상기 기반암류를 부정합으로 피복하고 있으며, 이는 주로 하천 및 저지대 일대에서 분포하는 것으로 도폭 상에서 확인된다. 또한 일부 지역에는 교대작용(alteration)에 의해 형성된 석영맥(quartz vein)이 관찰되며, 폭 수 센티미터에서 수 미터 규모로 표시되어 있다. 요약하면, 연구지역은 선캠브리아기의 변성암류를 기반으로 중생대 화강암이 관입하고, 신생대 충적층이 이를 피복하는 복합 지질구조대를 이루고 있다. 이러한 지질적 구성은 다양한 변성 및 관입 작용의 영향을 반영하며, 사면의 지반특성과 안정성 평가에 중요한 기초 정보를 제공한다.

지형은 전체적으로 완만한 구릉지형과 부분적인 급경사 사면이 혼재하는 형태를 보인다. 고도는 52.08 m에서 108.11 m 사이의 분포를 보이며, 평균 고도는 약 80.04 m, 표준편차는 13.13 m로 나타났다(Fig. 1b). 이러한 결과는 연구지역이 해발 약 50–110 m 범위의 저구릉지형에 해당하며, 국지적으로 미세한 고도 차가 존재함을 의미한다. 사면경사는 최소 0.0°, 최대 77.24°, 평균 19.85°, 표준편차 7.72°로 나타났다(Fig. 1c). 이는 연구지역 대부분이 완만한 경사(10–25°)를 이루고 있으며, 일부 절개지나 인공 사면에서 70° 이상의 급경사 지역이 분포함을 의미한다. 특히 경사도가 높은 지역에서는 지표수가 중력 방향으로 빠르게 배출되어 배수는 상대적으로 양호하지만, 물이 사면 내부로 머무르는 시간이 짧아져 침투는 제한적으로 일어난다. 그럼에도 급경사부에서는 강우 시 표면 유출이 집중되고 전단응력이 크게 작용하므로, 국지적인 포화대 형성이나 얕은 미끄러짐이 발생할 가능성이 높다. 방위각의 분포는 0.07°에서 359.97° 범위로 나타났으며, 평균값은 약 239.74°(서남서 방향)에 해당한다. 표준편차가 84.32°로 나타나 방위각 분포가 전반적으로 고르게 분산되어 있음을 보여준다(Fig. 1d). 이는 연구지역이 인위적 절개사면과 자연사면이 복합적으로 구성되어 있어, 특정 방향에 편중되지 않은 다양한 사면 방향성을 가지고 있음을 시사한다. 종합하면, 연구지역은 저고도 완경사 지형을 기반으로 하면서도, 부분적으로 급경사와 다양한 방위각을 가진 복합 사면 형태를 보인다. 이러한 지형적 특성은 강우 시 간극수압 상승, 표면 유출 집중, 침투 유동 경로 변화 등에 직접적인 영향을 미친다. 한편, 본 연구의 Scoops3D 해석은 2 m 해상도의 DEM을 이용하여 연구지역 전체 지형을 대상으로 수행하였다. 굴절법 탄성파 탐사를 통해 토사층–풍화암층–기반암층의 3층 구조를 반영하였으며, 특정한 토사사면이나 암반사면만을 이상화한 것이 아니라, 일반적인 산지 사면 조건을 포함하는 실제 복합사면 특성을 3차원적으로 고려하였다는 점에서 의미가 있다.

연구방법

굴절법 탄성파 탐사를 통한 지반 구조 해석

사면 하부의 지반 구조를 정량적으로 분석하고, 토사층–풍화암–기반암의 출현심도 및 경계면 분포를 파악하기 위하여 굴절법 탄성파 탐사를 수행하였다. 연구지역의 지표면 고도 정보를 정밀하게 반영하기 위해 측량을 통해 구축된 2 m 해상도의 DEM을 활용하였으며, 탐사선 구간은 동일한 간격으로 2 m 단위로 지오폰(geophone)을 설치하여 계측 정밀도를 확보하였다. 탐사에는 이탈리아 PASI사의 GEA-24 탄성파 탐사기를 사용하였다. 본 장비는 24 bit A/D 변환기와 24채널 수신 기능을 갖추고 있으며, 샘플링 속도(sampling rate)는 32 µs–2 ms, 주파수 대역은 2 Hz–150 / 14,000 Hz, 동적 범위(dynamic range)는 144 dB로, 고해상도의 신호 수집이 가능하다. 수신기(receiver)는 Land Geophone String (PASI, Italy)을 사용하였으며, 정격 주파수(frequency range)는 14 Hz, 주파수 허용오차(frequency tolerance)는 ±5%이다. 발파원(energy source)은 해머링(hammering) 방식으로 동일 위치에서 반복 타격을 수행하여 신호의 일관성을 확보하였다. 취득된 탄성파 자료는 필드 데이터의 노이즈를 제거한 후, 정정(correction)–1차 파동 도착시간(p-wave first arrival time) 판독–속도해석(velocity analysis) 과정으로 지반의 층상구조를 역산(inversion)하였다. 그 결과, 연구지역 지반은 상부의 토사층, 풍화암대, 그리고 하부의 비교적 강한 기반암층으로 구분되었으며, 이는 이후 수행된 사면 안정성 해석의 입력 자료로 활용되었다.

Scoops3D를 활용한 간극수압 변화에 따른 사면 안정성 평가

Scoops3D는 DEM 기반의 지형정보를 입력자료로 사용하며, 사면 내에서 가능한 수천 개 이상의 원형 또는 비원형 파괴면 후보를 자동으로 탐색하여 각 면에 대한 안전율을 계산하는 3차원 한계평형 해석 도구이다. Fig. 2는 Scoops3D가 단일 단면 기반의 2차원 해석과 달리, 실제 지형 형상을 반영한 3차원적 안정성 평가를 수행함으로써, 복합 지형에서 발생 가능한 미끄럼체의 형상과 위치, 그리고 전역 최소 안전율을 정량적으로 산출할 수 있음을 개념적으로 보여준다. Fig. 2a는 구면 회전 기반의 미끄럼면 형상을 모식도로 표현한 것으로, 디지털표고모델(DEM) 상에서 가상의 구면이 지표면과 교차함으로써 잠재적 파괴체(potential failure mass)가 정의되는 과정을 보여준다. 그림에는 회전 중심(center of sphere), 회전축(axis of rotation), 그리고 미끄럼 방향(azimuthal direction of slip)이 함께 표시되어 있으며, 각 열(column)은 회전축으로부터의 수직 거리와 반경에 따라 서로 다른 안정성 조건을 가진다. 이때 각 열은 사면을 미소 단위로 분할하여 전단저항력과 활동력을 계산하는 기본 단위로, Bishop 3차원 한계평형법의 해석 논리에 따라 전체 사면의 안정성을 평가하는 데 사용된다. Fig. 2b는 Scoops3D 해석을 통해 계산된 전역 최소 안전율(global minimum safety factor, FOS)의 분포 결과를 DEM 위에 중첩(drape)한 예시이다. 붉은색으로 표시된 영역은 전역 최소 안전율이 나타나는 잠재 파괴면에 해당하며, 이는 사면 전체 중 가장 불안정한 영역을 의미한다. 반면, 파란색 계열의 구간은 상대적으로 안정성이 높은 영역으로, 안전율이 2.6 이상인 부분에 해당한다. 이러한 시각화는 사면 내 불안정 영역의 공간적 분포를 직관적으로 파악할 수 있게 하며, 간극수압, 강우침투, 지반 물성 변화 등 다양한 조건 변화에 따른 안전율 민감도 분석의 기초 자료로 활용될 수 있다.

Fig. 2.

Conceptual illustration and example results of a three-dimensional slope stability analysis using Scoops3D. (a) Geometric configuration of a spherical trial surface within a digital elevation model (DEM), where the potential failure mass is defined by the intersection of the slip surface and the terrain. The axis of rotation, center of the sphere, and azimuthal direction of slip are shown. (b) Example of the computed factor of safety distribution draped over the DEM, where red zones represent the global minimum safety factor corresponding to the most critical potential failure surface.

Scoops3D는 전체 지형을 일정한 격자로 분할하고 각 격자 내에서 가능한 구면(spherical) 파괴면을 가정하여, 중력, 간극수압, 전단저항력의 평형조건을 고려한 3차원 한계평형식을 이용해 안전율을 산정한다. 사면 안전율은 미끄럼면을 따라 발생하는 저항력(shear resistance)과 구동력(driving force)의 비로 정의되며, Scoops3D의 지배방정식은 다음과 같이 표현된다.

여기서, FOS3D는 3차원 사면 안전율, c'는 유효점착력, ϕ'는 유효내부마찰각, Wi는 i번째의 자중(weight of slice), Ai는 슬립면의 면적, ai는 슬립면의 경사각, ui는 간극수압(pore-water pressure), xi/ri는 각 블록의 모멘트 암(moment arm) 비율을 나타낸다. 본 식은 파괴면에 작용하는 유효전단저항력과 전단응력의 비로서, 값이 1보다 작을 경우 사면이 불안정한 상태를 의미한다.

한편, 간극수압(r)은 강우침투 및 지하수위 상승으로 인해 증가하며, 이는 토체 내 유효응력(σ'=σ-u)을 감소시켜 사면 안정성을 저하시킨다. Scoops3D에서는 이러한 간극수압 조건을 비무차원 간극수압비(ru)로 단순화하여 해석에 반영하며, 그 정의식은 다음과 같다.

여기서, ru는 간극수압비(pore-water pressure ratio), 𝛶는 토사의 단위중량, z는 파괴면까지의 깊이이다. 본 연구에서는 간극수압비를 변화시켜 단계별로 해석을 수행하였다. ru 값이 증가할수록 유효응력이 감소하여 전단강도 저하가 발생하며, 그 결과 사면 안전율이 점진적으로 낮아지는 경향을 모의하였다. 해석 입력자료로는 2 m 해상도의 DEM을 사용하였으며, 굴절법 탄성파 탐사를 통해 확인된 토사층, 풍화암, 기반암의 분포를 바탕으로 각 지층의 공학적 물성치를 차등 적용하였다(Table 1). DEM은 QGIS에서 sink filling 및 평활화(smoothing) 과정을 거쳐 ASCII 형식으로 변환하여 Scoops3D 입력 파일로 구축하였으며, 프로그램 내에서 자동탐색 알고리즘을 이용하여 수천 개의 잠재 파괴면을 설정하였다. 이후 각 ru 조건별로 해석을 수행하여 사면 전역의 최소 안전율 및 공간적 분포를 산정하였다. 특히 간극수압비(ru)가 0.3 이상으로 증가할 경우, 지형적으로 낮아 지하수위가 상승하기 쉬운 저지대(low-lying zone)와 국지적으로 경사가 집중되어 전단응력이 크게 작용하는 경사집중부(slope-converging zone)에서 안전율이 1.0 이하로 저하되는 것으로 나타났다. 여기서 저지대란 DEM 기반 지형분석에서 주변 지형 대비 상대적으로 고도가 낮아 지하수 상승, 포화대 형성, 지하수압 축적이 쉽게 발생하는 구간을 의미하며, 경사집중부는 사면의 기하학적 요철이나 사면 곡률 변화로 인해 응력 집중과 유출 집중이 동시에 발생하는 국지적 급경사 지점을 의미한다. 안전율이 1.0 이하로 저하된다는 것은 해당 구간에서 저항력보다 활동력이 커져 사면이 한계상태 또는 붕괴 직전에 도달했음을 의미하며, 강우 상황에서 실제 초기 파괴가 발생할 가능성이 높은 취약부임을 나타낸다. 본 연구에서는 이러한 공간적 취약영역을 기반으로 사면 안정화를 위한 우선 보강 단면을 추출하였으며, 더 나아가 이러한 취약부의 공간 범위와 기하학적 특성은 토석류 체적 산정, 초기 유입량 설정, 사면붕괴–토석류 연계 거동 예측 등 강우 시 재해 시나리오 분석에도 활용될 수 있음을 확인하였다.

연구결과

굴절법 탄성파 탐사 결과

굴절법 탄성파 탐사 결과(Fig. 3), 표층부에서는 700 m/s 이하의 속도를 보이는 제1속도층(토사층) 이 분포하며, 이는 풍화토 및 충적토로 구성된 연약층에 해당한다(Fig. 3a). 그 하부에는 700–1,200 m/s의 속도를 보이는 제2속도층(풍화암층) 이 분포하며(Fig. 3b), 이는 부분적으로 풍화된 기반암으로 구성된 천이대이다. 풍화된 기반암 하부에는 1,200 m/s 이상의 속도를 보이는 제3속도층(기반암층) 이 존재하며(Fig. 3c), 연암 내지 경암의 특성을 갖는 지반으로 확인되었다.

Fig. 3.

Three-dimensional visualization of seismic refraction results, illustrating the spatial distribution of subsurface velocity structures and stratigraphic continuity across survey lines S-1 to S-8, showing the gradual deepening of the bedrock interface from south to north.

S-1 단면에서는 토사층 두께가 최소 2.24 m, 최대 12.79 m로 나타났으며, 풍화암층은 최소 3.49 m, 최대 10.52 m 두께로 분포하였다. 1,200 m/s 이상의 속도를 나타내는 기반암은 GL-10.19–20.64 m 깊이에서 확인되었다. S-2 단면에서는 토사층 두께가 최소 4.62 m, 최대 9.10 m, 풍화암층 두께가 최소 7.68 m, 최대 15.49 m로 나타났다. 기반암은 GL-13.09–20.67 m 깊이에서 출현하여 S-1에 비해 심부로 발달하였다. S-3 단면에서는 토사층 두께가 최소 6.15 m, 최대 12.75 m, 풍화암층은 최소 5.84 m, 최대 12.22 m로 분석되었으며, 기반암은 GL-15.28–21.33 m에서 나타났다. S-4 단면은 상대적으로 심부까지 풍화가 진행된 구간으로, 토사층 두께가 최소 11.20 m, 최대 20.31 m, 풍화암층은 최소 4.73 m, 최대 11.66 m로 나타났다. 1,200 m/s 이상의 기반암은 GL-20.40–30.58 m에서 출현하였다. S-5 단면에서는 토사층 두께가 최소 4.91 m, 최대 11.59 m, 풍화암층은 최소 3.12 m, 최대 16.04 m로 확인되었다. 기반암은 GL-10.46–25.68 m에서 나타났다. S-6 단면에서는 토사층 두께가 최소 3.72 m, 최대 18.96 m, 풍화암층은 최소 3.60 m, 최대 15.25 m로 분포하였으며, 기반암은 GL-8.60–24.61 m 깊이에서 확인되었다. S-7 단면에서는 토사층 두께가 최소 6.49 m, 최대 19.74 m, 풍화암층 두께는 최소 2.68 m, 최대 13.05 m로 나타났다. 기반암은 GL-13.91–25.74 m 깊이에서 분포하였다. S-8 단면에서는 토사층 두께가 최소 5.83 m, 최대 22.28 m, 풍화암층은 최소 3.45 m, 최대 13.89 m로 확인되었으며, 기반암은 GL-13.74–26.38 m에서 나타났다. 종합적으로, 조사 지역의 탄성파 속도는 깊이에 따라 일정한 증가 경향을 보이며, 토사층은 평균 5–15 m, 풍화암층은 8–14 m 두께로 분포하였다. 사면 상부에서는 토사층이 상대적으로 두껍게 발달하였고, 하부로 갈수록 기반암의 출현 심도가 얕아지는 경향이 뚜렷하였다(Table 2).

3차원 사면 안정성 결과

간극수압비(ru) 변화에 따른 사면 안정성 분석은 Scoops3D의 Bishop 3차원 한계평형법(Bishop’s 3D limit equilibrium method)을 이용하여 수행되었으며, 각 조건에서 산정된 전역 최소 안전율과 이에 해당하는 미끄럼체(sliding mass)의 체적(volume), 수평면적(horizontal surface area), 미끄럼면적(slip surface area)을 정량적으로 비교하였다(Fig. 4). 건조 상태(ru = 0.0)에서 Scoops3D가 탐색한 전역 최소 안전율은 1.325로 나타났으며, 이에 대응하는 미끄럼체의 체적은 501.078 m³, 수평면적은 252.315 m², 미끄럼면적은 346.444 m²로 산정되었다(Fig. 4a). 이 결과는 사면이 외력이나 수압의 영향을 받지 않는 조건에서도 비교적 안정적인 상태를 유지하고 있음을 보여준다. 간극수압비가 0.2로 증가하면 안전율은 1.062로 감소하였으며, 미끄럼체의 체적(501.078 m³)과 면적(수평면적 252.315 m², 미끄럼면적 346.444 m²)은 동일하게 유지되었다(Fig. 4b). 이는 초기 간극수압 상승 구간에서 미끄럼면의 위치 변화가 거의 없음을 의미한다. ru = 0.3에서는 FOS가 0.928로 급격히 감소하였으며, 이에 대응하는 미끄럼체의 체적은 717.519 m³, 수평면적은 312.772 m², 미끄럼면적은 426.753 m²로 증가하였다(Fig. 4c). 이 단계에서 미끄럼면의 중심이 z = 95.000 m로 심부로 이동하며, 사면 내부의 불안정 구간이 확장된 것으로 분석된다. ru = 0.4의 경우 FOS는 0.796, 체적은 717.519 m³, 수평면적은 312.772 m², 미끄럼면적은 426.753 m²로 유지되었다(Fig. 4d). 이는 간극수압의 지속적인 증가에도 불구하고, 기존 파괴면이 그대로 활성화되는 상태임을 의미한다. ru = 0.5에서는 FOS가 0.665로 추가 감소하였으며, 동일한 체적(717.519 m³)과 면적(312.772 m², 426.753 m²)이 유지되었다(Fig. 4e). 이 구간에서는 간극수압 상승에 따라 유효응력이 지속적으로 감소하면서, 사면 전체의 전단저항이 저하되고 있음이 뚜렷하다. 가장 포화된 상태인 ru = 0.6에서는 FOS가 0.536으로 감소하였으며, 미끄럼체의 체적은 1,304.880 m³, 수평면적은 467.411 m², 미끄럼면적은 622.891 m²로 급격히 증가하였다(Fig. 4f). 이는 간극수압의 상승으로 인해 미끄럼면이 심부로 확장되고, 더 큰 규모의 토괴가 전단 파괴에 참여함을 의미한다. 이상의 결과를 종합하면, 간극수압비가 0.0에서 0.6으로 증가함에 따라 사면의 안전율은 1.325, 1.062, 0.928, 0.796, 0.665, 0.536으로 점진적으로 감소하였으며, 이에 대응하는 미끄럼체의 체적은 501.078 m³에서 최대 1,304.880 m³까지 증가하였다. Fig. 5(a–f)는 간극수압비 ru 증가에 따라 사면의 3차원 안정성 공간 분포가 어떻게 변화하는지를 연속적으로 보여준다. 건조 조건인 ru = 0에서는 대부분의 지역이 FOS ≥ 1.5의 안정 구간에 해당하며, FOS < 1.0의 불안정 영역은 거의 나타나지 않는다. ru = 0.2로 증가하면 풍화대가 두껍거나 경사가 큰 일부 구간에서 FOS가 1.2 미만으로 감소한 영역이 국지적으로 나타나기 시작한다. ru = 0.3에서는 FOS < 1.0의 붉은색 영역과 1.0–1.2 구간의 주황색 영역이 본격적으로 확대되며, 이 시점이 사면 안정성 악화가 급격히 진행되는 임계 구간임을 확인할 수 있다. ru = 0.4에서는 대부분의 사면에서 FOS가 1.2 미만으로 떨어지고, 불안정 영역이 상부 및 중부 사면을 중심으로 빠르게 확장된다. ru = 0.5에서는 안정 영역(FOS ≥ 1.5)이 거의 사라지며 사면 전역이 한계안정 상태 또는 불안정 상태로 전환된다. 최종적으로 ru = 0.6에 이르면 전체 지역이 사실상 FOS < 1.0으로 분류되어 전역적 붕괴 가능성이 지배적인 매우 불안정한 상태가 된다. 이러한 변화는 간극수압 증가가 유효응력을 감소시키면서 사면의 전단저항을 급격히 저하시킨다는 점을 명확히 보여주며, 특히 풍화암이 깊거나 기반암 경계가 불규칙한 구간에서 불안정 영역이 더욱 민감하게 확대되는 특징을 확인할 수 있다. 즉, 간극수압의 상승은 사면 내 유효응력을 감소시켜 전단강도를 저하시키고, 결과적으로 파괴면의 심화 및 파괴체의 확장을 유도하는 것으로 판단된다. 이러한 결과는 강우 침투나 지하수위 상승에 따른 간극수압 증가가 사면 안정성에 미치는 영향이 지배적임을 뚜렷하게 보여주며, 향후 토석류 확산 해석 및 사면 방재 설계 시 주요 입력 인자로 활용될 수 있다.

Fig. 4.

Global minimum factor of safety (FOS) obtained from Scoops3D analysis under varying pore-water pressure ratios (ru). As ru increases, the FOS progressively decreases, indicating an overall reduction in slope stability and a transition toward failure-prone conditions. Contours represent the critical slip surfaces corresponding to each ru condition.

Fig. 5.

Spatial distribution of the global minimum factor of safety (FOS) across the study area derived from Scoops3D under varying pore-water pressure ratios (ru). FOS values were classified into four stability levels (FOS < 1.0, 1.0–1.2, 1.2–1.5, and ≥1.5) to visualize changes in potential failure zones. Increasing ru leads to the expansion of low-FOS (unstable) regions and a contraction of high-FOS (stable) areas, demonstrating the strong influence of pore-water pressure on three-dimensional slope stability.

토 론

보강 단면 설정에 대한 고찰

현행 사면 안정성 평가는 전문가의 현장조사 결과를 바탕으로 대표 단면을 설정하고, 이에 대해 2차원 한계평형 해석을 수행하는 방식으로 이루어진다. 그러나 이러한 접근법은 단면 설정의 주관성, 잠재적 파괴면의 공간적 다양성 반영 한계, 전역적 안정성 파악의 어려움이라는 한계를 가진다. 반면 Scoops3D는 Bishop 3차원 한계평형법을 기반으로 전체 지형을 해석하여, 전역 최소 안전율을 자동 탐색할 수 있으므로, 보다 객관적이고 공간적으로 일관된 사면 안정성 평가가 가능하다는 점에서 기존 방법과 뚜렷한 차별성을 가진다. Bishop 3D 한계평형법을 적용한 Scoops3D 해석 결과, 간극수압비의 증가에 따라 사면 안정성이 비선형적으로 저하되는 현상이 명확히 나타났다. 건조 상태(ru= 0)에서 전역 최소 안전율은 1.325로 비교적 안정적인 상태를 유지하였으나, ru가 0.3 이상으로 증가하면서 급격히 1.0 이하로 감소하였다. 특히 ru= 0.5 이상에서는 미끄럼체의 체적이 약 717.519 m³에서 1,304.880 m³로 약 1.8배 증가하였으며, 미끄럼면적 역시 426.753 m²에서 622.891 m²로 확대되었다. 이는 강우나 지하수 상승에 따른 간극수압 증가가 사면 내부의 유효응력을 감소시켜, 잠재 파괴면이 심부로 확장됨을 의미한다. 이러한 결과는 시추조사가 어려운 지역에서도 굴절법 탄성파 탐사와 간극수압 변화 모사를 통해 취약 단면을 효과적으로 식별할 수 있음을 시사한다. 예를 들어, S-4와 S-8 단면의 경우 풍화암층이 깊고 기반암 경계가 불규칙하게 형성되어 있으며, ru가 0.4 이상일 때 FOS가 급격히 감소하는 양상을 보여 잠재적인 붕괴 위험 구간으로 판단된다. 반면, S-1과 S-2 구간은 토사층이 얇고 기반암이 상대적으로 천부에 위치하여 동일한 수압 조건에서도 안정성이 높은 것으로 나타났다. 이러한 결과를 토대로 보강 단면 설정 시 다음과 같은 원칙을 적용하는 것이 타당하다. 첫째, 기반암 경계가 심부에 존재하고 풍화대가 두꺼운 구간(S-4, S-6, S-8)은 강우 시 간극수압이 집중될 가능성이 높으므로, 배수공(수평 배수공, 집수정 등) 설치 및 배수로 확충을 통해 수압 저감 대책을 우선 고려해야 한다. 둘째, 풍화암이 불균질하게 분포하는 천이대 구간(S-5, S-7)에서는 토류벽 및 앵커 보강을 병행하여 전단저항을 증가시킬 필요가 있다. 셋째, 얕은 사면 미끄러짐이 우려되는 표층부(S-1, S-2)에서는 토사층 안정화(식생공, 토목섬유 등)와 함께 지표수 유입 차단을 위한 사면 배수 정비가 효과적이라 판단된다.

토석류 체적 산정에 대한 제언

기존 문헌에서 제시된 토석류 체적 산정 방법을 검토하고, 사면 붕괴 이전 단계에서 토석류 발생 가능성을 예측하기 위한 접근법으로 Scoops3D의 활용 가능성을 제안한다. 기존 연구들은 대부분 이미 토석류가 발생한 지역을 대상으로 하여, 사상 후 지형정보나 유출 특성을 기반으로 토석류 체적을 산정하였다. 예를 들어, Kim et al. (2017)은 현행 실무에서 널리 사용하는 우수유출 합리식을 이용해 유역별 유출량을 계산하고, 체적 유사농도 및 벌킹계수를 적용하여 토석류 체적을 간접적으로 산정하였다. 이러한 접근법은 강우·지형·유역특성을 반영할 수 있으며, 실제 토석류 발생 이전 단계에서도 설계강우 또는 시나리오 강우를 적용하면 잠재 유출량과 토석류 발생 가능 체적을 예측할 수 있다는 장점을 가진다. 다만, 유출량 중심의 간접 추정이므로 사면의 불안정성, 토체의 전단강도, 그리고 실제 붕괴 체적을 직접적으로 반영하기 어렵다는 한계가 있다. Kim and Jun (2022)은 UAV 사진측량으로 구축한 사상 후 고해상도 DSM과 수치지형도 기반 DEM을 비교하여 지형 고도차를 적분함으로써 붕괴 토사량 약 21,336 m³를 산정하였고, 이를 FLO-2D의 초기 입력체적으로 사용하였다. 그러나 토석류가 실제로 발생한 이후에만 적용 가능한 사후적 분석이라는 한계가 있다. 한편, Lee et al. (2025)은 travel angle–체적의 경험식을 이용하여 과거 피해지의 토석류 규모와 이동거리를 통계적으로 분석함으로써 도달범위를 예측하였지만, 이는 동일하게 사상 후 자료에 기반한 결과로 사면 붕괴 전 단계에서의 체적 예측에는 적용이 어렵다. 이에 반해 본 연구는 사면 붕괴 이전의 예측 단계에서 Scoops3D를 활용하여 토석류의 발생 잠재체적을 산정하고자 하였다. Scoops3D는 사면의 3차원 형상, 지반물성, 간극수압 조건을 통합적으로 고려하여 전역 최소 안전율을 탐색하고, 이에 대응하는 미끄럼체의 실제 체적을 계산할 수 있다. 따라서 토석류가 발생하기 전이라도, 잠재적으로 불안정한 사면의 미끄럼체 체적을 산정함으로써 토석류의 최소 발생체적을 합리적으로 예측할 수 있다. 또한 이러한 미끄럼체 체적에 벌킹계수 또는 체적농도를 적용하여 수분 혼입 및 연행 효과를 보정하면, FLO-2D와 같은 토석류 수치모델에 활용 가능한 초기 입력체적을 사전적으로 설정할 수 있다. 이는 기존 연구들이 사후적 분석에 의존했던 한계를 보완하고, 사면 안정성 평가와 토석류 위험 예측을 연계한 사전 경보형 분석체계로 확장할 수 있는 가능성을 제시한다. 결론적으로, 본 연구의 접근법은 토석류가 실제로 발생하기 이전 단계에서 Scoops3D 해석을 통해 발생 잠재 체적을 정량적으로 예측함으로써, 사면 붕괴-토석류 연계 거동의 사전 위험평가 및 방재설계에 기여할 수 있다.

결 론

본 연구는 간극수압비(ru) 변화가 사면의 3차원 안정성에 미치는 영향을 정량적으로 규명하고, 사면 붕괴 이전 단계에서의 불안정성 예측 가능성을 제시하였다. Scoops3D 기반 해석 결과, ru 증가에 따라 안전율은 비선형적으로 감소하며, 특히 ru ≥ 0.3에서는 전역 최소 안전율이 1.0 이하로 급격히 저하되고 미끄럼체 체적이 약 1.8배까지 확대되는 등 사면이 한계 안정 상태에 도달함을 확인하였다. 이는 집중호우나 지하수위 상승으로 인한 간극수압 증가가 사면 내부 유효응력을 크게 감소시켜 잠재 파괴면을 심부로 확장시키는 주요 요인임을 실증적으로 보여준다. 굴절법 탄성파 탐사를 통해 확인된 토사층–풍화암층–기반암층의 3층 구조는 시추조사가 제한적인 지역에서도 지반 경계면과 취약대 분포를 효과적으로 반영하는 기반자료로 활용될 수 있음을 확인하였다. 특히 풍화대가 두껍고 기반암 경계가 불규칙한 S-4, S-6, S-8 구간에서는 ru 상승 시 FOS가 급격히 감소하는 공간적 취약성이 나타났으며, 반면 토사층이 얇고 기반암이 천부에 분포하는 S-1, S-2 구간은 동일한 수압 조건에서도 상대적으로 높은 안정성을 유지하였다. 이러한 결과는 향후 보강 단면 설정 시 공간적 취약성에 따라 차등적인 설계가 필요함을 시사한다. 즉, 풍화대가 두껍고 심부 기반암이 분포하는 구간에서는 배수공·집수정·수평배수관 등의 간극수압 저감 대책이 우선 고려되어야 하며, 풍화암의 불균질한 천이부는 앵커 및 토류벽을 통해 전단저항을 보강할 필요가 있다. 또한 얕은 표층부 미끄러짐이 우려되는 구간에서는 식생공, 배수정비 등을 통한 표층 안정화가 효과적임을 확인하였다. 한편 본 연구는 Scoops3D로 산정된 미끄럼체 체적이 토석류 발생 이전 단계에서도 최소 붕괴체적의 근사값으로 활용될 수 있음을 제시하였다. 이는 기존 연구들이 주로 사상 후 자료(고도차 분석, 경험식, 유출량 기반 체적 산정 등)에 의존해 왔던 한계를 보완하는 결과로, 시나리오 강우 또는 설계강우 조건에서 사전에 토석류 발생 가능 체적을 제시할 수 있다는 점에서 실제 방재 해석(FLO-2D 등)과의 연계성 및 실무적 활용성을 높인다. 특히 벌킹계수 또는 체적농도를 적용하면 Scoops3D 기반 미끄럼체 체적을 실질적인 토석류 초기체적으로 변환할 수 있어, 사면 붕괴–계류부 유입–토석류 거동의 연계 시나리오 구축에도 직접적으로 기여할 수 있다. 종합하면, 본 연구는 간극수압의 동적 변화가 사면 안정성 저하와 잠재적 미끄럼체 확장에 미치는 영향을 3차원적으로 분석하여 사면 붕괴 위험의 공간적 패턴을 제시하였으며, 이를 기반으로 보강 단면 설계 방향과 토석류 발생 체적 예측의 실무적 적용 방안을 제안했다는 점에서 의의가 크다. 향후에는 실제 강우 관측자료와 지하수위 변동을 반영한 시·공간적 ru 모델을 구축하고, Scoops3D 결과와 실측 계류부 유출자료를 연계한 실시간 사면–토석류 예·경보 체계로의 확장이 요구된다.