토사재해 방어⋅제어장치 모니터링 기법에 관한 연구

A Study on the Monitoring Technique of Mud-debris Disaster Defense and Control System

Article information

J. Korean Soc. Hazard Mitig. 2017;17(5):331-336
Publication date (electronic) : 2017 October 31
doi : https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2017.17.5.331
정인주, 이정민**, 김선국***, 신성철****
** Member, Land & Housing Institute
*** Ph.D. Candidate, Department of Civil Engineering, INHA University
**** Director, EDO Ltd.
*Corresponding Author, Member, CEO, EDO Ltd. (Tel: +82-70-4048-7887, Fax: +82-55-356-7415, E-mail: jij0468@daum.net)
Received 2017 September 06; Revised 2017 September 12; Accepted 2017 October 10.

Abstract

최근 국지성 집중호우로 산사태 발생에 의한 인명 및 재산피해가 빈번하게 발생하고 있다. 산사태 발생시기는 예측하기 어려우며 산사태 발생시 토사재해 제어장치의 대응시점을 결정하는 것 또한 현실적으로 매우 어려운 실정이다. 따라서 본 연구에서는 산사태 발생시 토사재해 제어장치의 작동 여부를 파악할 수 있는 모니터링 기술이 탑재된 EDO-X SS-200(T-300)을 개발하였다. 개발된 모니터링 장치는 지표경사 및 미세진동을 실시간 관측하여 토석류의 도달시간을 산정할 수 있으므로 대응시설물의 작동시간 등을 실시간 모니터링 할 수 있다. 이에 토석류의 물리적 매개변수를 산정 및 예측하는데 도움을 주어 토사재해로 인한 인명 및 재산피해를 최소화 하는데 도움이 될 수 있을 것으로 기대된다.

Trans Abstract

Recent changes in local torrential rainfalls are evident due to frequent occurrences of human life and property damage caused by landslides due to localized heavy rainfall caused by the extreme global weather phenomena. It is difficult to predict when the landslides occurs, and it is actually very difficult to determine the time when the mud-debris disaster defense and control system is applied when the landslides occurs. Therefore, in this research, we developed the EDO-X SS-200 with on-board the monitoring technology that can verify the operation of the mud-debris disaster defense and control system when the landslides occurs. Monitoring Method can be used to calculate the time to reach mud-debris flow and the operation time of mud-debris disaster defense and control system can be monitored in real time and the physical parameters of mud-debris flow can be calculated to help improve the prediction technology. It is expected that it can help to minimize the loss of lives and property caused by disasters.

1. 서론

최근 집중호우는 국지성이 더욱 두드러지게 나타나고 있으며, 강우지속기간이 매우 짧고 강우강도가 큰 강우가 발생하고 있다. 이로 인해 도심지 저지대 침수발생 뿐만 아니라 산사태가 발생하여 토석류가 하류부로 흘러내려 피해규모를 확대시키고 있다. 특히 도시지역과 인접하고 있는 산지부의 산사태에 의한 토석류는 우수관로 유입부를 차단하여 유역내의 유출량 대부분을 지표면으로 유하시켜 도시침수피해를 가중시키고 있다.

우리나라의 산사태 발생은 집중호우 및 태풍이 발생하는 시기인 매년 7~9월에 집중적으로 발생되고 있으며, 국립산림과학원의 조사내용에 의하면 연 평균 산사태 발생면적은 372 ha로 알려져 있다.

토석류는 토석이 물과 함께 하류로 세차게 밀려 떠내려가는 현상으로 보통 지형경사가 10~50º 범위내 계곡부에서 발생한다(Kim, 2008). 계곡부에 발생한 토석류는 구거를 통해 에너지를 증대시켜 소하천, 소류지, 지방하천 등의 순서로 피해규모를 확대하며 하류로 흘러내린다. 이때 발생하는 토사 및 유송잡물은 하천으로 유입하여 흐르다가 교량 등 시설물에 걸려서 통수단면적을 잠식하여 제내지 침수를 발생시키고 있다.

이에 국내외에서는 토사재해 관련하여 산사태나 토석류 수리모형실험, 3차원 수치모델링 연구가 주로 수행되고 있으며 그간 연구가 미비했던 토사방어 및 제어장치에 대한 연구도 최근에는 활발하게 이루어지고 있다. 그러나 산지부에 통신 및 전기공급에 대한 제약조건으로 토사방어 및 제어장치 운영에 대한 모니터링 기법에 대한 연구는 미비한 실정이다.

따라서 본 연구에서는 센서 기반의 미세진동 및 미세변위를 활용하여 토사재해 방어 및 제어장치의 모니터링 기법을 연구하고자 한다.

2. 토사재해 방어⋅제어기술

2.1 연구대상지역

연구대상지역은 부산광역시 북구에 위치하고 있는 만덕실증1지구이다. Fig. 1과 같이 한신아파트 뒤편으로 유역이 형성되어 있으며 유역면적은 0.072 ㎢ (7.2 ha)이고 3갈래의 유로가 형성되어 있다. 만덕실증1지구는 한신아파트와 인접하여 옹역(H≑7 m) 위에 급경사 산이 위치하고 있다. 지난 2014년 8월 25일 집중호우에 의해 토사피해(약 0.2 ha)가 발생하였다. 토석류가 옹벽측구를 넘어서 아파트 단지내로 유입되고 포화된 급경사지 위에 나무들이 흔들려 대규모 산사태 피해가 발생할 수도 있었다. 이에 긴 나무들은 제거하고 사면 안정을 위해 토사재해 방어 및 제어기술을 적용한 저감대책을 수립하였다.

Fig. 1

Research Watershed

2.2 토사제어시설 적정조합 배치기술

연구대상지역에 토사제어시설은 5가지의 제어기술을 적용하였다. Fig. 2에서 보는 바와 같이 상류부에서부터 링네트 시스템, 바이오폴리머 에코코팅, 낙석방지망, 낙석 및 토사방지 목책, 낙석방지 울타리 순으로 설치하였다. Fig. 2. Landslide Disaster Defense and Control System

Fig. 2

Landslide Disaster Defense and Control System

토사제어시설은 적정조합 평가를 실시하여 배치하며 Fig. 2와 같다.

2.3 토사재해 방어⋅제어기술

2.3.1 Ring Net System

링네트 시스템은 가변 투과형 토사재해 방어시스템으로 자연적으로 형성된 수로에 설치하여 20~30 cm 이상의 토석을 그물망으로 제어하는 기술이다. 본 연구대상지역에 설치한 모습은 Fig. 3과 같으며, 계곡 상류부에 설치하였다.

Fig. 3

Ring Net System

2.3.2 Biopolymers ECO Coating

바이오폴리머 에코코팅 차수판은 현장 맞춤형 바이오폴리머 신재료로 개발하였다. 바이오폴리머의 특징은 토양의 침식에 대한 저항을 증진시키고 바이오폴리머를 이용한 식생 발아를 촉진시키고 생장을 증진시킨다. 바이오폴리머 에코코팅 차수판은 수로에 토사유입 예상지에 설치하여 수로 주변을 강화시켜 유실을 예방하는 기술이다(Fig. 4).

Fig. 4

Biopolymers ECO Coating Design

2.3.3 Rockfall Prevention Network

낙석방지망은 불안정 사면 및 급경사 사면(낙석 및 경사면 붕괴 예상지역)에 설치하여 낙석 및 사면 유실을 예방하는 기술이다(Fig. 5).

Fig. 5

Rockfall Prevention Network

2.3.4 Soilfall Wood Pile

낙석 및 토사방지 목책은 자연적으로 형성된 급경사 수로에 설치하는 기술이며 설치목적은 경사면에서 주거지역으로 유입될 수 있는 토석류를 차단하는 기술이다(Fig. 6).

Fig. 6

Soilfall Wood Pile

2.3.5 Rockfall Fence

낙석방지 울타리는 가변형 토석류 방어기술로서 고정부와 유동부로 구분되며, 평시에는 고정부만 구조물 형태로 존재하여 시각적, 미적기능을 부여하는 기술이다. 특히 낙석방지 울타리 기술은 예⋅경보와 연계하여 운영하고 있다(Fig. 7).

Fig. 7

Rockfall Fence

3. 토사재해 방어⋅제어기술 모니터링 기법 개발

3.1 센서기술 개발

3.1.1 3D Accelerometers and 3D Gyroscope Sensor

본 연구에서 센서기술은 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems, 미세전자기계시스템)기반의 Always-on 3D accel- erometers and 3D gyroscope Chip (Module: LSM6DS3, STMicroelectronics)을 사용하여 목적물의 미세진동 및 변위를 감지하기 위하여 센서를 개발하였다.

토사재해에 대한 예⋅경보는 여러 자연 상태의 조건 등에 의해 현실적으로 매우 어렵다. 이에 본 연구에서는 목적물의 미세진동과 변위를 관측하여 하류부에 정보를 전달하기 위해 기술개발을 연구하였다. 예측 불가능한 미세진동과 변위는 한 개의 점(point)에서 관측되지 않을 수 있다. 이를 보완하기 위해서 미세진동을 감지할 수 있는 센서를 적용하게 되었다. 토사재해 방어⋅제어장치 모니터링 센서의 구성은 Fig. 8과 같다. SS-200은 태양광에 의해 전기를 생산하고 미세진동과 미세변위를 관측하고 RF통신을 통하여 센터로 데이터를 전송하는 역할을 한다. RF통신거리는 지장물이 없을 경우 최대 반경 2 km이며, 나무 등의 지장물이 많을 경우는 반경 약 500 m인 것으로 확인되었다. 특히 산사태에 의해 훼손 및 분실을 고려하여 저가로 제작될 수 있도록 설계하였다.

Fig. 8

Sensor Configuration (EDO-X SS200)

3.1.2 모니터링 운영체계

상기 SS-200은 사면의 한 지점에 대하여 관측하는 시스템이다. 본 연구에서와 같이 넓은 사면의 경우 수십 개의 SS-200이 설치되어야 하며, 이에 따라 모니터링 운영체계가 복잡해진다. 본 연구에서는 이를 개선 극복하기 위하여 현장에 중앙센터의 역할을 할 수 있는 T-300을 제작 및 설치하였다(Fig. 9).

Fig. 9

Monitoring Method of Landslide Disaster Defense and Control

T-300 시스템은 각각의 SS-200의 데이터 처리부, 전기부, 통신부, 구조부로 구성되었다. 특히 많은 데이터를 1분단위 간격으로 처리하기 때문에 많은 전기가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 지속적인 전기공급을 위해서 태양광 뿐만 아니라 소형 수직형 풍력발전기(100 W)를 개발하여 적용하였다. 장기간 강우발생시 태양광 발전의 효율저하로 전기공급이 차단되는 단점을 보완하였으며 실험결과 매우 안정적인 것으로 확인 되었다. 특히 T-300에는 강우량계가 탑재되어 있으며 설치가 간편하도록 구조를 간략화하기 위하여 수직형 풍력발전기 상부에 강우량계를 연결하였다(Fig. 9).

미세진동 및 미세변위 감지 장치는 유역의 상류부에 설치하여 토사재해 발생여부 및 시간을 확인하고자 하였다. 이에 Fig. 10에서와 같이 Ring Net System의 첫 지점에 도달했을 때 목적물의 미세진동 또는 미세변위를 관측하여 도달시간(ΔT)를 확인할 수 있으며 방어⋅제어장치의 운영여부도 확인할 수 있도록 하였다. Fig. 10에서 보는바와 같이 지형을 고려한 거리를 측정하여 시스템에 입력하였으며, SS-200에 의해 관측된 도달시간을 실시간 적용하면 토석류 흐름의 유속을 산정할 수 있다.

Fig. 10

Overview of Monitoring Technology

υmin=(ΔLiΔTi)

여기서, vmin는 토석류의 평균유속(m/s)이고ΔLi는 구간별 거리(m)이고, ΔTi는 구간별 도달시간(sec)이다.

3.2 모니터링 기술 개발

토사재해 방어⋅제어장치 모니터링 기술은 Fig. 11과 같이 유역내 산사태 발생 우려 시점부에 설치하였다. 그리고 각 방어⋅제어장치가 설치되어 있는 곳에 SS-200을 설치하여 장치의 미세 진동 및 변위를 감지할 수 있도록 하였다. 관측 데이터는 1분 간격으로 데이터를 관측하여 T-300 시스템에 전송하며, 순간변화(event)가 발생했을 경우 실시간 정보를 T-300에 전송하고 T-300은 실시간 데이터를 상황실에 전송하여 토사재해에 대하여 대응하는데 도움이 될 수 있도록 하였다.

Fig. 11

Development of Monitoring Technology

토사재해 방어⋅제어기술 모니터링 기술의 검증을 위하여 Fig. 12와 같이 현장에 설치하였다. Fig. 12와 같이 각각의 토사재해 방어⋅제어장치에 SS-200을 설치하였으며, 장치의 미세진동과 미세변위를 관측하도록 하였다. 특히 대형 토사면 붕괴의 경우 장치의 미세변위가 없을 수도 있기 때문에 미세진동을 동시에 관측 가능하도록 개발하였다.

Fig. 12

Attaching SS-200 to Landslide Disaster Defense and Control System

Table 1은 노드별 설치되어 있는 SS-200의 구성별 세부규격을 나타내었다. 특히 소형 태양광 발전을 이용하여 전기를 공급하여 관측된 데이터를 전송하는 기술을 개발하였다. 특히 T-300 주변에 다수 설치되어 있는 SS-200에서 1분 간격으로 데이터를 전송시 데이터 손실이 발생하지 않도록 통신보완 기술을 탑재하여 관측데이터의 정확도 및 신뢰성을 확보하였다.

Specification of Slave-Node

4. 결론

최근 국지성집중호우 발생 특성이 두드러지게 나타남에 따라 산사태의 피해가 급증하고 있다. 그러나 산사태에 의해 발생하는 토석류는 이동속도가 매우 빠르고 비교적 국내의 경우 이동거리가 짧아서 토사재해에 대한 예⋅경보체계를 구축하는데는 한계가 있다. 본 연구에서는 이를 극복하기 위해서 지표면의 경사와 미세진동을 관측할 수 있는 간단한 계측장치를 개발하여 기 설치된 토사재해 방어⋅제어기술 운영에 대한 모니터링 기법을 개발한 결과 다음과 같이 결론을 도출할 수 있었다.

첫째, 토석류를 관측하기 위해서 훼손 및 분실가능한 저가(Low-Cost)의 관측시스템을 구축하였다. 3D accelerometers and 3D gyroscope 센서를 을 활용하여 토사면의 미세진동과 미세변위를 동시에 관측할 수 있는 시스템을 개발하였다.

둘째, 대규모 토사사면을 관측하기 위하여 RF통신기술을 적용한 T-300에서 반경 1 km내(통신 안정권)에는 RF통신을 이용하여 통신료를 절감시켜 유지관리의 효율성을 증대시켰으며 T-300의 통신거리는 제한이 없어서 지역제한이 없이 설치가 용이하다.

셋째, RF통신기술을 적용함에 따라 토사재해 방어⋅제어장치 설치위치에 제한이 없었으며 장치의 운영여부를 실시간 판단할 수 있으므로 토사재해 방어기술의 신뢰성을 확보하는데 도움을 줄 수 있었다.

향후 토사재해 방어⋅제어기술 모니터링 기술과 사면변위 감지기술과 연계하여 현장에서 직접 실시간으로 예경보 발령이 가능한 체계를 구축하여 주민 대피시간을 확보하여 인명피해를 최소화 하는데 도움을 주고자 한다.

감사의 글

본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원 건설기술연구사업의 연구지원(13건설연구S04)에 의해 수행되었습니다.

References

Kim K.T. 2010;Development of a USN-Based Monitoring Scenario for Slope Failures. Korean Journal of Construction Engineering and Management 11(6):122–130. 10.6106/KJCEM.2010.11.6.122.
Kim H.W. 2008;Landslide Monitoring Using Wireless Sensor Network. Proceedings of 2008 Spring Annual Conference. Korean Geotechnical Society :1324–1331. PMC2518007.
Ma H.S, Jeong W.O, Park J.W. 2008;Development of Prediction Technique of Landslide Hazard Area in Korea National Park. Journal of Korean Forest Society 97(3):326–331.
Yoo K.T, Kim J.R, Yoon H.G. 2015;Development of Self-Integrated Debris Flow Monitoring System based on IoT. The Magazine of Korean Soc. Hazard Mitig 15(6):70–75.

Article information Continued

Fig. 1

Research Watershed

Fig. 2

Landslide Disaster Defense and Control System

Fig. 3

Ring Net System

Fig. 4

Biopolymers ECO Coating Design

Fig. 5

Rockfall Prevention Network

Fig. 6

Soilfall Wood Pile

Fig. 7

Rockfall Fence

Fig. 8

Sensor Configuration (EDO-X SS200)

Fig. 9

Monitoring Method of Landslide Disaster Defense and Control

Fig. 10

Overview of Monitoring Technology

Fig. 11

Development of Monitoring Technology

Fig. 12

Attaching SS-200 to Landslide Disaster Defense and Control System

Table 1

Specification of Slave-Node

No Time (min)  Standard deviation
1 RTU - CPU: ARM-Based 32-bit MCU
- Memory: 65/256 Kbyte of Flash Memory Upto64Kbyte of general-purpose SRAM
- Storage: 16 GByte (USB)
2 RF modem - Operating frequency: 2.4056 GHz
- Channel spacing: 600 KHz
3 Solar power generation - Maximum electrical output: 6 V or more
- Maximum electrical output: 5 W or more
4 Mems Sensor - 3D Accelerometer and 3D gyroscope
- measurement of 3D (X, Y, Z) rotation angle 0.1°
- measurement of 3D (X, Y, Z) micro vibration