KCID VOL. 22 No. 1 ISSN 1225-8253 (Print) ISSN 2383-5044 (Online) 사면안정도분석에기반한산사태토석류모의 안현욱 * Debris Flow Simulation based on Slope Failure Analysis An Hyunuk * There has been an increase in the land slide areas and restoration expenses due to frequent occurrence of localized heavy rainfall events along with climate change. Especially, 2011 Umyeon Mt. debris flow gave devastating damages to the society in Korea. Since debris flow usually occurs very quickly, it is almost impossible to forecast in real time. One of the plausible way to reduce the debris flow damage is to predict damage area before the debris flow occur based on scenario, which should have a scientific basis. In this paper, debris flow simulation is performed based on a scenario, which is given by a slope stability analysis. According to the result of scenario-based debris flow simulation, the residence of the target area has a potential risk of debris flow. The simulation result can be used for making hazard map of debris flow. Key words: debris flow, landslide, slope stability analysis, numerical simulation Ⅰ. 서론기후변화의경향성은차치하고, 현재기후변화가일어나고있는것은분명해보인다. 우리나라의경우강우가보다시간적 / 공간적으로집중되는경향이나타나고있으며이로인해여름철도시홍수, 산사태와같은재해에더욱취약해질것으로예상된다. 산사태로인한토석류는좁은범위에피해가집중되고일단 발생하면인적 / 물적으로치명적인피해가발생하며, 빠른시간에피해가발생하는특징이있다. 따라서토석류의발생을실시간으로예측하여주민을대피시키거나대응책을마련하는것은거의불가능하며, 이를대비하기위해서는토석류가자주발생하는지역을대상으로대응책을미리마련해둘필요가있다. 국내토석류는집중된강우로인해발생하며물, 흙, 자갈등의혼합물로서그유동특성이정확하게밝혀 * 충남대학교농업생명과학대학지역환경토목학과 (hyunuk@cnu.ac.kr) Copyright c 2015, Korean National Committee on Irrigation and Drainage This is an Open-Access article distributed under the terms of the Commons Attribution Non-Commercial Licence which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
안현욱 져있지않다. 토석류의유동을표현하는모형은하천또는홍수범람모형들과마찬가지로주로연직방향의유동특성을적분하여유도한천수방정식형태 (shallow water type) 의 1차원또는 2차원의수리모형이사용되고있다. 토석류해석모형을크게구분하면물, 흙, 자갈의혼합물을하나의유체로고려하는단상류모형 (one phase flow model) 과유체와고체를개별적으로고려하여해석하고자하는이상류 (two phase model) 모형으로나눌수있다. 이상류모형은토석류에관한선도그룹들이현재개발중으로간단한실내실험의재현에는적용된바있으나실제토석류의재현에는적용된바없으며 (Bozhinskiy and Nazarov, 2000; Iverson and Denlinger, 2001), 그이유로는모형의복잡성, 다수의매개변수, 수치적인불안정성을들수있다. 따라서연구목적또는실무적인목적으로사용되고있는토석류모형은주로토석류를하나의혼합유체로고려해서모형화한단상류모형들이다. 이러한모형들은유럽을중심으로다수의토석류모형이개발되어져있으며국내에서는 2차원토석류모형은개발된바없고 vollemy유동모형을기초로 1차원모형을개발하려는시도가있었다. 이과같이토석류모형은국내외에서개발된다수의모형들이있으며그적용성은여러논문들 (Rickmann et al., 2006; Kim et al., 2013) 에서검증된바있다. 하지만이들모의는대부분기존에발생한토석류를재현하고있으며피해예방을위한모의에그대로활용되기에는한계가존재한다. 피해예방을위해서는사면안정성을조사하고, 그결과에근거하여토석류의피해범위를예측할필요가있다. 이러한한계를극복하기위해서본논문에서는사면안정해석과토석류모의를연계하여사면안정도가낮은지역을대상으로토석류모의를수행하였다. Ⅱ. 사면안정모형과토석류모형일반적으로산사태발행위험도를예측하는사면안정해석기법은크게가중치를이용하여점수를산정하는지수적기법 (index method), 통계적해석기법 (statistical method) 과역학적해석기법 (physical method) 으로구분가능하다 (Fig. 1 참조 ). 산림청에서운영하고있는산사태위험지관리시스템은지수기법의한예로써수치지형도, 수치임상도, 수치입지도, 수치지질도등을기반으로산사태위험지판정기준및인자별점수표를이용하여산사태발생위험등급을 1등급에서 4등급까지구분하여사면안정도를평가하고있다. 국외의경우 1980년대후반부터지수기법을이용한연구 (Wagner et al., 1988; Gupta and Joshi, 1989) 가다수수행된바있으며. 이러한기법은광범위한공간정보들을신속하게처리할수있는반면, 가중치점수의결정에있어과학적인근거가명확하지않은단점이있다. 통계적해석기법으로는로지스틱회귀분석 (logistic regression analysis) 이있으며, 이기법은종속변수를산사태발생유무로하고, 독립변수를산사태발생영향인자로적용하여종속변수와독립변수간의관계를추정하는방법이다. 한국지질자원연구원에서는로지스틱회귀분석을이용하여확률론적산사태예측지도를작성한바있다. 이러한기법 04
사면안정도분석에기반한산사태토석류모의 Fig. 1. Classification and feature of slope stability model Fig. 2. Concept of infinite slope stability model (Lee et al., 2012) Korean National Committee on Irrigation and Drainage 05
안현욱 은실제산사태가발생한지역의자료를대상으로구 축되어지므로대상유역에대해서비교적신뢰도가높 은산사태발생확률정보를제공할수있지만, 지수기 법과마찬가지로산사태를발생시키는외적요인 ( 비, 지진 ) 이반영되기어려우며, 타지역으로적용시예 측결과에불확실성을초래할수있다. 물리적기반의 모형을이용한결정론적산사태위험해석기법의경 우, 산사태발생메카니즘의물리적과정을모형에반 영함으로써외적요인의변동, 특히강우에따른사면 안전율 (safety factor) 을산정할수있다는장점이있 다. 이러한단점들을극복하기위해역학적해석기법 을활용하여다수의모형들이개발되어졌고 (Baum et al., 2002, Simoni et al., 2008; Lee et al., 2012), 이 들모형대부분은무한사면안정해석모형을기반으로 하고있다. Fig. 2 에무한사면안정모형의개념도를나 타내었다. 본논문에서는 Lee et al. (2012) 에서제시 한사면안정해석기법을바탕으로사면안정도를해석 하였다. 기법의상세한내용은 Lee et al. (2012) 를참 고하기바란다. 설명의편의를위해 1 차원단상류토석류모형의구 조를살펴보면다음과같다 (Naef et al., 2006). (1) cos (2) 여기서, 는토석류깊이, 는단위폭당유출량, 는유로의폭, 는평균유속, 는하상고, 는경 사각, 는주동토압및수동토압이며, 는내부 저항의항이다. (1) 식은토석류의연속식이며 (2) 식 은운동량보존식이다. (2) 식의우측두번째와세번째항을제외하면위미분방정식은 St. Venant식으로불리는물의유동을해석하는일반적인천수방정 식과동일한식이된다. 결국 를어떻게고려하는지 에따라토석류모형의유동특성이결정되는것을알수있다. 토석류는토석류를구성하는입자들에따라유동특성이달라지고크게 mud flow, stony debris flow로나눌수있다 (Takahashi, 1991). 이들의유동특성은종종 Bingham fluid, Herschel-Bulkely flid 또는 Coulomb식등으로근사되어모형에반영된다. 대표적인내부저항모형을정리하면 Table 1과같다. Voellmy 관계식은난류유동마찰을 Chezy의식으로근사하고 Coulomb의바닥마찰력을토석류가멈추는매커니즘으로고려한모형이다. Voellmy 관계식은토석류모의 (Revellino et al, 2004) 에성공적으로적용된바있다. 그외 Turbulant & Coulomb, Turbulant & Yield, Turbulant, Coulomb & Yield식등도 Voellmy식과비슷한매커니즘으로구성되어진다. 세계적으로널리사용되는상용모형인 FLO-2D 모형은 Julian and Lan (1991) 이제안한 Quatratic 식에기반해서구축된모형이다. Quatratic식은항복응력, 점성, 입자간부ㆍ힘, 난류마찰성분으로구성되며 Table 1에서나타낸관계식중가장매개변수가다수이다. 본논문에서는참고자료가다수존재하며매개변수의수가비교적적은 Voellmy모형을이용하여 06
사면안정도분석에기반한산사태토석류모의 Table 1. Flow resistance realation (Naef et al., 2006) 토석류모의를수행하였다. 구축된모형은유한체적법 (Finite Difference Method) 로쿼드트리격자 (Quadtree grid) 상에서이산화되었고상세한수치해법은 An and Yu (2012) 를참고하기바란다. Ⅲ. 해석결과및논의낙동강전유역을대상으로전장에서서술한사면안정모형을적용하였다. 국토지리정보원에서제공되는 1:5000수치지도를바탕으로대상유역을 30m 30m격자로분할하고, 각격자에해당하는두가지형태의사면경사를추출하였다. 지질학적매개변수산정을위해농촌진흥청에서배포하는 1:25000 정밀토양도 ( 표토토성, 배수등급, 토양통 ) 자료를이용하여토양형을구분하고투수계수, 유효토심, 흙의단위중량, 점착력및내부마찰각등을산정하였다. 산림청에서 운영하는산림공간정보시스템의정보를이용하여 24 개의식생군을기준으로국내식생분류기준표에맞 게학명별로대체수목을결정하고, 임상별인장강도 를재분류하여뿌리점착력을산정하였다 (Lee et al., 2012). 모의결과, Fig. 3 과같이사면안정성이취약한 금호강유역의지류를모의대상영역으로선정하였다. 선정지역의 DEM 과사면안정도 (FS) 를겹쳐 Fig. 4 에 도시하였다. Fig. 4 에서사면안정도가특히낮은지역은검게표 시되며그중, 하류지역에영향을미칠수있는 7 개지 역을선정하였다. Voellmy 모형은다음과같은형태 로표현되기도한다 (Hussin et al, 2012). (3) Korean National Committee on Irrigation and Drainage 07
안현욱 여기서, 와 는지질특성과관계된매개변수이다. 정확한모의를위해서는대상유역의지질특성및과거토석류발생이력등을조사하여매개변수를산정하여야하나, 본연구에서는실측자료의부족으로 Hussin et al (2012) 을참조하여, 로매개변수를산정하였다. 시나리오는최악의경우를가정하여 7개지역이동시에붕괴하며, 7개지역인근의사면안정도가 0.8이하인지역은모두 0.5m깊이로토석류가발생하는것으로하였다. 토석류모의결과를 Fig. 5에도시하였다. 산지에서발생한토석류가 5분이내에주거지또는농경지에도달하는것을알수있다. 민가중심부를관통하는도로를따라토석류가이동하는것을알수있었다. 첨두부분의수심은깊지않으나중심부의수심은 2m이상으로논밭또는건물에심각한피해를입힐수있는것으로나타났다. Fig. 6에토석류모의결과를항공사진상에도시하였다. 피해예상지역의거주세대는많지않으나대부분의주거지및농경지가도로에인접해있으며피해지역에포함되는것을알수있었다. 현재 모의에서는건물및하우스등의영향력은포함하지않고있으므로추가적으로이들의영향을고려하면토석류가지체되는효과가발생하여하류지역의피해는크지않을것으로고려된다. 하지만주거지가모여있는중앙지역은토석류가발생했을시인명피해및재산피해가발생할수있을것으로예상된다. Ⅳ. 결론본논문에서는낙동강유역을대상으로사면안정해석과토석류모의를연계하여사면안정도가낮은지역을대상으로토석류모의를수행하였다. 비록보다정확도를높이기위해서추가적인자료조사가필요할것으로예상되나기존의연구들이사면안정해석또는토석류한부분만을해석한것과달리사면안정해석의결과가토석류모의로이어지는토석류피해예방을위한기본적인프레임을제시했다는것에본논문의의의가있다. 시나리오를기반으로토석류모의를수행한연구는현재까지거의없으며, 이는토석류발생 사면안정취약지역 낙동강유역 낙동강본류 금호강유역 대구시 사면안정모의선정지점 Fig. 3. A vulnerable area of Nakdong River basin 08
사면안정도분석에기반한산사태토석류모의 Fig. 4. DEM and factor of safty (FS) in target area Fig. 5. Result of debris flow simulation with time Korean National Committee on Irrigation and Drainage 09
안현욱 량산정의어려움과발생장소선정의어려움에기인한것으로판단된다. 본연구에서는사면안정모의를토석류모의와연계함으로서토석류발생장소를선정하고있으나토석류발생량에있어서매우큰불확실성이존재한다. 이를극복하기위해서몬테카를로모의를향후수행할계획이다. 낙동강유역을대상으로역학적해석기법에기반한사면안정해석을적용한결과금호강유역의지류가사면안정도가전반적으로낮은것으로해석되었으며, 그중국소적으로사면안정도가특히낮은지역에서사면붕괴가발생하여토석류가발생할것으로 시나리오를작성하여토석류모의를수행하였으며다수의지역에서동시다발적으로토석류가발생하는극단적인상황을가정하였다. 모의결과주거지역에서인명피해가발생할수있으며토석류발생후피해지역도달까지는 4분정도의시간이걸리는것으로나타났다. 추가적으로보다정확한토석류모의를위해서인근지역에서발생한토석류의특징들을종합하여토석류예측모의에반영하는방법을고려하고있으며, 본연구의방법론은토석류피해예측및도시계획시, 기존의방법론보다신뢰성높은자료를제공할수있을것으로기대된다. Fig. 6. Result of debris flow simulation on aerial photograph 10
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