토석류 특성을 고려한 유도수로 검토
Induction Waterway Review by Debris Flow’s Characteristics
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Abstract
최근 이상기후로 인한 산사태 및 토석류 발생으로 도심지 피해가 급증하고 있어 재해 발생시 이에 대한 대책이 요구되는 실정이다. 따라서 도심지 형성시 발생되는 공원, 유수지, 유보지, 나대지 및 주차장 등의 비활용 공간을 활용하여 토사재해 피해를 감소시키고 토석류 및 유송잡물을 인위적으로 집적시켜 즉시복구를 가능하게 하여 추가적인 피해를 줄일 수 있는 유도기술 개발이 필요하다. 현재 산사태 및 토석류를 유도제어하는 시설물 및 기술은 없으며, 일본에서 용암류로 인한 피해 저감 방법으로 용암류 흐름의 진로를 바꾸는 도류제를 설치하여 시행중이나, 국내에서는 계획적으로 시행된 시설은 없는 상태이다. 그러나 산사태 및 토석류는 매년 그 규모 및 횟수가 증가되고 있는 실정이므로 산지부에 인접한 구도심지나 인접하여 도심지가 형성될 경우 향후 발생할 수 있는 산사태 및 토석류에 의한 피해를 줄이기 위한 유도제어기술 개발이 필요하다. 또한 유도제어기술 중 토석류를 인위적으로 위험도가 낮은 지역으로 유도할 수 있는 유도수로에 대한 검토가 필요하여 본 연구에서 토석류 특성을 고려한 유도수로에 대한 연구를 실시하였다.
Trans Abstract
Owing to a recent abnormal weather, landslide and debris flow’s occurrence causes that damage of the urban increases rapidly. Therefore, when the disaster occurres, the disaster prevention method should be required. So, utilization of inactive space, such as a park, retarding basin, reservation area, the ground and parking lot when the urban forms reduces the damage of sediment disaster. It needsdevelopment of induction technology. Now facilities and the technology guiding control to landslide and debris flow do not exist. InJapan training wall about reduction method from the damage of lava flow is being installed, but that kind of facilities does not exist inKorea. However, a scale and frequency of landslide and debris flow increases year after year. In the case that the urban forms nearmountainous district, technical development of guide control should be needed for reducing damages from landslide and debris flow.Furthermore, it is necessary to review of an induce waterway that is artificially induced debris flow to low-risk area. Induction waterwaystudy by debris flow’s characteristics were carried out in this study.
1. 서론
2011년 7월 경기중부에 발생한 폭우로 인하여 서울 우면산 및 춘천 천전리 등 14개 지역에서 대규모 산사태가 발생하였으며, 이 과정에서 막대한 재산 및 인명피해가 발생하였다. 특히 최근 발생하는 산사태의 피해현황을 살펴보면 인적이 드문 산지지역에서 발생하는 빈도보다 도시화가 발달되는 지역에서의 빈도가 늘어나고 있는 실정이다. 또한 산업의 발달 및 도시의 확장으로 인한 택지개발, 산업부지 확충 등이 활발하게 진행되고 있어 산지에 인접하여 대규모 산업시설이나 주택시설이 건설되고 있다.
이에 따라 집중호우에 따른 토석류 발생시 인명 및 재산피해가 늘어나고 있어 토석류 및 산사태가 발생하는 원인 및 거동 등에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 토석류 및 산사태 발생시 피해를 저감하고 억제하는 방안을 마련하고 있다. 그러나 억제나 저감 방안만으로는 대규모 토석류에 대한안정성 확보가 어려운 현실이다.
따라서 본 연구에서는 발생된 토석류를 도시에서 활용빈도가 낮은 비활용 공간으로 유도할 수 있는 유도제어기술 중 토석류의 특성을 고려하여 유도수로 규모를 검토하였다.
2. 유도제어기술 연구
2.1 토석류 및 유송잡물 분류
산사태 발생시 토석류와 유송잡물의 규모가 일정하지 않고 지형 및 지역에 따라 다르기 때문에 이들의 규모를 일정하게 규명하여 유도제어기술을 적용하고자 한다.
토석류 및 유송잡물을 구성하는 재료는 기존 피해발생 지역의 도로에 퇴적된 내용을 토대로 확인하였으며, 발생 위치별로 재료구성에는 큰차이를 나타낸다. 이는 파괴위치와 이동경로 상에서 토석류에 포함되는 재료의 차이에 기인한다 퇴적된 토석에는 최대 2.0 m에 이르는 거석들이 다량 포함되어 있고 평균 10~20 cm 정도의 자갈과 암편 그리고 1 cm미만의 토사가 다량 포함되어 있다. 토석재료에는 수령이 10~30년 정도의 아카시아나무, 소나무 및 잡목도 포함된 경우도 있다. 대규모 부유물(3 m 이상의 유송) 및 표석(직경 1 m 이상의 거석)의 경우 유도제어시 수로의 흐름을 방해하므로 사방댐 및 사방시설 등 1차 억제를 통하여 유도수로로의 유입을 억제하여야 한다.
유도제어기술의 대상은 0.075 mm~1 m 까지의 토석류와 3 m 이하의 유송을 대상으로 한다.
2.2 토석류의 이동경로
지형학적, 지질학적, 토질공학적 요소 등이 모두 결합되어 나타나는 토석류의 이동 메커니즘을 유동학적 모델만으로 해석하기에는 많은 어려움이 있다(Iverson, 2003). 또한 토석류는 이동속도가 빠르고 이동거리가 길어 피해 범위가 넓은 것이 특징이며, 피해 지역을 예측하는 것 또한 어렵다.
토석류는 초기파괴(failureinitiation) → 이동(transport) → 퇴적(depostion)의 이동특징을 가지는 것으로 알려져 있다.
파괴된 쇄설물은 표면수와 섞여 토석류로 발전하여 이동하며, 이동 경로상의 계곡 바닥과 측면은 심한 세굴로 인하여 바닥에서는 암반이 노출되고 측면은 급한 경사로 깍여있는 상태를 나타낸다. 이러한 상태는 계곡바닥의 지형경사가 약15°이상인 경우 나타나며 이보다 경사가 완만한 구간에서는 큰암석부터 퇴적이 발생하기 시작한다. 지형경사가 약 10°정도가 되면 세굴보다는 퇴적의 양상이 뚜렷해지며, 계곡 바닥에는 모래·자갈이 쌓여있는 구간이 많이 나타난다.
2.3 토석류 규모산정의 이론적 배경
기존에 발생한 산사태 토석류의 발생 규모는 이수곤 외(2004년)를 비롯한 많은 연구자들에 의해서 조사되어 왔으며, 크게 이동거리, 폭, 깊이로 구별하여 기술할 수 있다.
산사태 토석류의 이동거리는 수십 미터에서 수십 킬로미터까지, 폭은 5 m에서 30 m까지 다양하게 관측되었다. 반면에 산사태의 붕괴 깊이는 최대 3 m 미만으로 깊지 않은 것이 공통된 특징이다. 이는 이수곤 외(2004)가 주장한 바와 같이 대부분의 산사태가 우기시 토사층과 암반의 경계면에서의 과도한 수압으로 인하여 산사태가 발생하기 때문이다.
우면산 산사태 또는 춘천 산사태와 같이 주변의 주택구조물에 타격을 줄 수 있는 대규모 토석류에 맞는 상관관계를 찾기 위하여 2006년 및 2011년에 발생한 산사태의 발생사례 130개소를 추출하였으며, 상관관계식은 Eqs. (1)과 같다.
여기서, A는 유실면적(m2)이고, L은 토석류의 이동거리(m)이다.
본 상관관계는 이동거리 최대 800 m 이내에서 실제 적용성이 우수할 것으로 판단되나 이동거리가 길수록 분산정도가 크므로 신뢰도는 다소 떨어지는 것으로 나타난다.
토석류의 이동속도와 관련된 경험식 중 가장 많이 인용되는 식은 Rickenamnn (1999)이 제안한 Eqs. (2)와 같다.
여기서 v는 토석류의 이동속도(m/s), Qp는 첨두 토출량(m3/s), S는 사면의 경사비로서, 이 경험식은 전 세계 여러나라의 관측치를 토대로 토석류의 전체 체적(M)에 따른 첨두토출량(Qp)과 발생지와 퇴적지 사이의 경사(S)에 따른 토석류의 이동속도를 도출한 경험식들을 사용하여 토석류의 이동속도가 산정되었다.
Fig. 2는 계산되어진 토석류의 이동속도와 실제 관측된 토석류의 이동속도와의 상관관계를 나타낸 그래프로, 비교적 높은 상관성이 있음을 나타낸다.
Correlation between the moving speed and the actual moving speed in accordance with the empirical formula (Rickenamnn, 1999)
Correlation between debris moving distance and Loss area
Fig. 3은 Rickenamnn이 제시한 전체체적(M)에 따른 첨두토출량(Qp)의 관측치를 나타낸 것이고, 이를 통하여 Eqs. (3)과 같은 전체 체적(M)에 따른 첨두토출량(Qp)의 관계식을 도출하였다.
Correlation between peak flow rate(Qp) and total volume (M) of the debris(Rickenamnn, 1999)
3. 토석류 특성을 고려한 유도수로 검토
3.1 토석류 특성 검토
2006년에서부터 2011년도에 비교적 발생규모가 큰 산사태 토석류 현장 17개소를 선정하여 이를 검토하고 분석하여 유도제어기술 중 유도수로의 규모 산정을 실시하였다.
2006년부터 2011년도에 발생한 산사태 토석류 현장에 대한 현황을 조사한 결과 유실면적 300~51,195 m2, 유실부피가 600~62,521 m3, 첨두토출량이 20.6~988 m3/s로 나타났다.
또한 토석류 분류의 신뢰성을 높이고자 토석류 유실면적별로 발생현황을 분석한 결과 유실면적을 3,000 m2이하, 3,000~10,000 m2, 10,000 m2이상으로 분류하였을때 일정한 패턴을 보인것을 확인하였으며, 유실면적별로 분류한 후 경사와 이동속도의 상관관계를 분석한 결과는 Fig. 4, Table 2와 같다.
Correlation between rake ratio and debris flow’s velocity by loss area
Correlation between inclination and movement speed by Loss area
The type of soil according to particle size
3.2 유도수로 개념안 도출 및 적용
3.2.1 유도수로 개념안 도출
토석류 발생구간(산지부)인 경사 15°이상의 경우 유도제어기술을 적용하지 않았으며, 토석류가 하부로 자연 유하하는 유하부(10~15°)와 토석류를 비활용공간으로 유도제어하기 위한 유도부(10~15°)의 경우 유도수로 적용 구간으로 하였다. 또한 토석류 발생현황에 따른 유도수로 규모는 유실면적에 따른 상관관계를 이용하여 산정하도록 하였다.
3.2.2 유도수로 적용 수치해석
Fig. 5와 같은 유도제어기술의 현장 적용성 및 효율성을 검토하기 위하여 세종시 괴화산 하부에 위치한 기반시설 시공지역을 선정하였다. 토석류 발생 예상지점에서부터 단지까지의 경사비는 0.35, 토석류 이동거리는 200 m이며, “2.3 토석류 규모산정의 이론적 배경”의 Eqs. (1) 를 통하여 토석류 이동거리에 따른 유실면적 약 3,300 m2로 산정하였으며, 유실심도는 기존 토석류 발생 현황을 토대로 1.0 m로 가정하여 Table 3과 같이 유도수로 규모를 산정하였다.
Guiding control technology’s key concepts and schematic diagram
Induction waterway wide decision
토석류 이동거리에 따른 토석류 규모 및 유도수로의 규모(폭, 깊이)를 Table 3과 같이 산정하였다.
해당 지역의 3차원 정보를 지형정보 입력 프로그램인 ACR GIS에 수치지형도를 이용하여 Fig. 7과 같이 지형정보를 추출하고, 이를 토석류 모의 시뮬레이션 프로그램인 FLO-2D에 입력하였으며, 토석류의 비활용공간으로의 유도를 모식하기 위하여 구조물 구간을 우회하는 단지외 유도와 구조물 인근을 통과하는 단지내 유도 2가지 경우를 모의 하였다.
Verified Location’s Geographic Information
Guiding control technology’s verified location
모의 결과 Fig. 9와 같이 단지내부를 통과하여 유도하는 경우 단지의 경사가 10°미만으로 이루어져 수로내부에서 전량 퇴적되는 경향을 보였으며, Fig. 10과 같이 단지 외부를 우회하는 경우는 수로 좌측부(단지측)의 지형이 낮고, 토석류 유속의 영향으로 수로 외부로 일부 토석류가 월류하여 유출되는 것으로 검토되었다.
Induction results in the inner region
Induction results in the outer region
Natural debris flow
프로그램 모의 결과 유도제어 개념안에 대하여 지형 등을 고려하여 배치하였을 경우 토석류를 기설정된 지역으로의 유도 및 유도수로 중간에 도중 퇴적이 가능하여 위험지역에 대한 위험도를 크게 낮출 수 있을 것으로 판단된다.
4. 결론
토석류 및 유송잡물을 비활용 공간으로 유도하기 위한 유도제어기술로는 유도벽과 유도수로를 적절하게 배치하고자 한다.
그 중 토석류 및 유송잡물에 대한 유도제어기술 개념안을 도출하기 위하여 토석류와 유송잡물에 대하여 분류하고, 토석류의 이동특성을 조사하였다. 또한, 2006년부터 2011년까지 산사태 토석류 현장 17개소를 선정하여 유실면적과 토석류의 이동속도의 상관관계를 정리하였다. 토석류 발생구간(산지부)인 경사 25°이상의 경우 유도제어기술을 적용하지 않았으며, 토석류가 하부로 자연 유하하는 유하부(15~25°)와 토석류를 비활용공간으로 유도제어 하기 위한 유도부(10~15°)의 경우 유도제어기술 적용 구간으로 하였다. 또한 토석류 발생현황에 따른 유도수로 규모는 시공성 및 효율성 등을 고려하여 선정하여야 할 것으로 판단된다.
유도제어기술에 대한 개념안을 근거로 실제지형을 모델로 유도제어기술 중 유도수로에 대한 프로그램 검증을 실시한 결과 기설정된 지역으로의 유도가 가능한 것으로 검토되었으며, 지형 및 토석류의 흐름 등을 고려하여 유도제어기술을 최적 배치하였을 경우 위험지역의 토석류에 대한 위험도를 크게 낮출 수 있을 거라 판단된다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 연구사업의 연구비지원(도시특성을 고려한 도심지 토사재해 예측·평가 및 통합관리기술개발 연구사업)에 의해 수행되었습니다.