ISSN (Print) 1226-5268 ISSNS (Online) 2287-7169 The Journal of Engineering Geology, Vol.24, No.3, September, 2014, pp. 383-396 http://dx.doi.org/10.9720/kseg.2014.3.383 사면기호시스템을이용한사면의평가및분류시스템제안 장현식 1 김지혜 2 장보안 1 * 1 강원대학교지구물리학과, 2 ( 주 ) 지오엔소프트 Evaluation and Classification System of Slope using the Slope Code System (SCS) Hyun-Sic Jang 1, Ji-Hye Kim 2, and Bo-An Jang 1 * 1 Department of Geophysics, Kangwon National University 2 GeonSoft co., LTD. Received 26 August 2014; received in revised form 10 September 2014; accepted 12 September 2014 사면붕괴에따른재해에효과적으로대응하기위해서는사면의상태, 특성, 안정성과사면붕괴시의피해도에대한분석이필요하다. 이연구에서는사면관리에필요한다양한항목을포함하고있는사면기호시스템 (Slope Code System, SCS) 을제안하고있다. SCS 는사면의상태, 지질특성, 공학적안정성, 피해도등을평가하여사면의특성을구체적으로표현할수있으며, 평가방법도비교적쉽게할수있다. SCS 는 5 가지의평가요소로구성되어있는데, 요소 -1 은사면의구성물질을나타내며, 요소 -2 는사면의지질학적특성을성인에따른암종 (rock type) 과지질구조로나타낸다. 요소 -3 은사면의공학적안정성평가하며, 요소 -4 는보호 보강상태를나타낸다. 마지막으로 요소 -5 는사면붕괴시발생될수있는피해의정도를나타낸다. SCS 의 5 가지평가요소들은각각평가결과를나타내는고유한분류기호들을가지고있으며, 각요소별평가결과로부터부여된 5 개의기호들을조합하여사면의종합적인상태를나타낸다. SCS 는사면의상태, 특성, 공학적안정성, 피해도등을종합적으로평가하므로사면의유지관리에효율적으로사용될수있을것으로판단된다. 주요어 : 사면안정성, 피해도, 사면기호시스템 The condition, characteristics, and stability of slopes, as well as the consequences of slope failure, need to be understood for the proper stabilization of slopes and preclusion of potential disasters arising from slope failure. Here, a slope code system (SCS) that succinctly and accurately reflects the various conditions of a slope is proposed. The SCS represents the condition, characteristics, and geotechnical stability of slopes, as well as the consequences of slope failure, and the method is quickly and easily applied to a given slope. The SCS comprises five elements: 1) the slope material; 2) the genetic origin (rock type) and geological structure of the slope; 3) the geotechnical stability of the slope; 4) the probability of failure and remedial works made upon the slope; and 5) the consequences of failure. A letter code is selected from each element, and the result of the evaluation and classification of the slope is given as a five-letter code. Because the condition, characteristics, and geotechnical stability of a slope, as well as the consequences of slope failure, are provided by the SCS, this system will provide an effective mechanism for the maintenance and management of slopes, and will also allow more informed decision-making for determining which slopes should be prioritized for remedial measures. Key words : slope stability, consequences, slope code system (SCS) *Corresponding author: bajang@kangwon.ac.kr c 2014, The Korean Society of Engineering Geology This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons. org/ licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 383
384 장현식 김지혜 장보안 서론국토의 70% 이상이산지로구성되어있는우리나라는도로와철도를따라수많은절토사면이존재한다. 또한매년해빙기와여름철집중강우시기에수십에서수백건의사면붕괴가발생하여막대한인명과재산피해가발생하고있다. 사면재해로인한인명피해는전체자연재해로인한인명피해중에서약 25% 에달하며 (Park et al., 2005), 연평균 18명 (2001~2010년) 의인명피해를발생시키는것으로알려져사면재해에대한철저한관리가절실히요구되고있다 (Park et al., 2011). 사면재해의원인이되는사면붕괴또는산사태는사면을따라암석이나흙등이원위치에서하부로이동되는현상으로정의될수있으며 (Cruden, 1991), 집중강우, 지진, 지하수위변동, 해일, 급류에의한침식현상등과같은다양한외부자극에의해전단응력이증가되거나사면구성물질의전단강도가감소되어발생되는것으로알려져있다 (Dai et al., 2002). 사면재해를줄이기위해서는사면의올바른설계와효율적인관리가필요하며, 이를위해서는사면의상태를정확하게평가하는것이중요하다. 현재까지국내외의여러연구자들이다양한방법론과이론에기초하여사면평가법들을제시하였다. 호주에서는빅토리아주에위치한한지역에서자연사면및인공사면의안정성을평가하기위한개략적인사면안정성평가법을제안한바있으며 (Joyce and Evans, 1976), 산지의활용비율이매우높은홍콩의경우에는홍콩토력공정처 (Civil Engineering and Development Department) 에서약 8천개이상의절토사면과옹벽사면의보호 보강시설설치에대한우선순위를부여하기위해사면안정성평가법을개발하여사용하고있다 (Koirala and Watkins, 1988). 미국에서는도로절토사면의낙석에따른위험을방지하기위해도로연방국 (Federal Highway Administration, FHWA) 에서낙석위험평가법 (Rockfall Hazard Rating System, RHRs) 을개발하였으며 (Pierson and Van Vickle, 1993), 일본에서도일본국토교통성 (Ministry of Land, Infrastructure, Transport and Tourism), 일본도로공단 (Japan Highway Public Corporation), 일본국유철도 (Japanese National Railways) 등에서낙석 붕괴와산사태및토석류에따른각관할도로나철도절토사면의위험도를평가하기위한평가법들을개발하여사용하고있다 (Park, 2001). 그밖에도 Romana (1985) 는 Bieniawski (1979) 가제안한암반분류기법인 RMR (Rock Mass Rating) 에사면의방향에따른불연속면의방향과관련된조정계수와굴착방법에대한수정계수를적용하여암반사면의안정성을평가할수있게만든 SMR (Slope Mass Rating) 을제안하였다. SRM은현재까지도암반사면평가법으로가장널리사용되고있다. 국내에서도여러기관들과연구자들에의해다양한사면평가법들을제안되어왔다. Choi (1986) 은사면붕괴에따른피해가비교적큰 10개시 군지역에서 317 개의사면을조사한후, 이를바탕으로사면안정성평가법을제안하였다. Choi (1986) 의평가법은횡단면형, 경사길이, 모암, 경사위치, 경사도, 임분경급, 종단면형의 7개의요인을고려하여각요인에주어진배점의합으로사면의붕괴가능성을평가한다. 한국건설기술연구원 (Korea Institute of Construction Technology, KICT) 은일반국도변에위치한도로절토사면을유지관리하기위해홍콩의사면안정성평가법 (Koirala and Watkins, 1988) 을국내사면조사에적합하도록수정한평가법을개발하여사용하고있다. 한국건설기술연구원의평가법은토사사면의경우에는사면의형상이평가에가장큰비중을차지하고암반사면의경우에는 RMR, 안정성해석결과등과관련된안정성항목이가장큰비중을차지한다. 또한한국건설기술연구원의평가법은도로사면의특성을반영하여미국도로연방국 (FHWA) 의낙석위험평가법 (RHRs) 에서사용하고있는도로예상피해도항목을평가요소에포함하고있다 (KICT, 1989; Song et al., 2012). 한국도로공사 (Korea Expressway Corporation, EX) 도고속도로변절토사면을관리하기위한평가법을개발하여사용하고있다. 한국도로공사의평가법은토사와암반사면모두동일한기준을적용하고있으며, 불연속면에대한평가가가장큰비중을차지하고있다 (EX, 2004; Song et al., 2012). 한국시설안전공단 (Korea Infrastructure Safety and Technology Corporation, KISTEC) 에서는 시설물의안전관리에관한특별법 ( 법률제12254호 ) 에의해관리되는대규모절토사면의상태를평가하기위하여 안전점검및정밀안전진단세부지침 ( 절토사면 ) 을작성하여사용하고있다. 안전점검및정밀안전진단세부지침 ( 절토사면 ) 의사면평가법은사면을토사사면, 연약암반사면, 파쇄암반사면, 절리암반사면으로구분하고각사면유형별로평가기준을달리적용하는것이특징이다. 또한평가항목을사면의손상상태를나타내는항목과파괴요인에해당하는항목으로구분하고있으며, 평가총점을평가최대점수 (76) 으로나누어결함지수를구하고결함지수에따라사면을상태
사면기호시스템을이용한사면의평가및분류시스템제안 385 가가장좋은 A 등급부터가장낮은 E 등급까지 5개등급으로분류한다 (KISTEC, 2012). 국립방재연구소 (National Institute for Disaster Prevention, NIDP) 은 2001년에발생된붕괴사면에대한조사결과를바탕으로재해영향평가를위한사면안정성평가법을제시하였다 (Park, 2001). 국립방재연구소의평가법은토사사면에서는사면의형상과토질상태에큰비중을두었고암반사면의경우에는불연속면특성을가장중요한평가항목으로설정하였으며, 사면붕괴의주원인인강우의평가를위해강우강도와배수상태항목을평가항목에포함시켰다. 또한 Song et al. (2012) 은앞서설명한국내의 5가지평가법의장단점을분석하여사면관리주체담당자들이현장에서쉽게적용할수있는평가항목으로이루어진개선된평가표를제안하였다. 지금까지설명된국내외의사면평가법들은사용목적에따라평가방법이조금씩다르지만대부분은사면의공학적안정성을평가하는데큰비중을두고있으며, 평가결과에따른사면의상태를종합점수또는점수에의한등급으로나타낸다. 비록사면의공학적안정성이사면재해를관리하는데있어가장중요한요소이지만공학적안정성만으로사면재해를효과적으로관리할수는없다. 이는사면붕괴원인이매우다양하고사면붕괴에따른피해정도가사면의안정성과는무관한경우도있기때문이다. 따라서사면재해를보다효과적으로관리하기위해서는공학적안정성뿐만아니라사면의유형이나피해특성등과같이보다다양한정보들을수집하여종합적으로관리해야할필요가있다. 이연구에서는사면의상태를종합적으로파악하면서도쉽게평가할수있는개선된사면평가체계를제안하고자하였다. 이를위해사면의특성을사면의구성물질, 지질학적특성, 공학적인특성, 보호 보강상태, 피해도등 5가지특성요소로구분하고, 각요소마다의평가기준을정립하였으며, 평가결과를평가요소별기호 (Code) 의조합으로표현하는사면기호시스템 (Slope Code System, SCS) 를제안하였다. 사면기호시스템 (SCS) 의평가요소사면은다양한목적을위해만들어지며, 그특성도지질, 형태, 용도, 위치에따라매우다양해진다. 그러므로사면의상태를하나의점수나등급만으로표현할경우사면이가지고있는여러정보를활용할수없게된다. 이연구에서는이러한문제를해결하고자사면의특성 Fig. 1. Elements of the slope code system. 을 Fig. 1과같이사면의구성물질, 지질특성, 공학적안정성, 보호 보강상태, 피해도등 5가지요소로나누어각요소별로평가하고자하였다. 구성물질 ( 요소-1) 과지질특성 ( 요소-2) 은사면의가장기본적인상태를나타내는요소들이고공학적안정성 ( 요소-3) 과사면의보호 보강상태 ( 요소-4) 는사면의안정성을나타내는요소들이다. 마지막요소인피해도 ( 요소-5) 는사면붕괴발생시예상되는인적, 물적피해정도를나타내는요소로서사면의안정성과더불어사면재해관리시중요한정보로활용될수있는요소다. 요소-1 : 사면의구성물질자연적인재료로이루어진사면은그구성물질에따라정확한분류가어려우나한국시설안전공단의 절토사면유지관리매뉴얼 에서는유지관리상의편의를위해사면을크게암반사면, 토사사면, 혼합사면, 복합사면으로분류하고있다 (KISTEC, 2013). 이연구에서도한국시설안전공단의 절토사면유지관리매뉴얼 에따라사면의구성물질을구분하고 Table 1과같이구성물질별분류기호를정의하였다. 토사사면은사면의구성물질이대부분흙으로이루어진사면을지칭하며분류기호는 S 다. 토사사면의경우포화시와불포화시의단위중량의변화량이크기때문에, 강우나지하수에의한영향을크게받는특징을가진다. 토사사면의대표적인붕괴유형으로는세굴, 표층유실, 원호파괴등이있다. 암반사면은사면의구성물질이암석으로구성된사면을지칭하며분류기호는 R 이다. 암반사면에서의사면붕괴는주로불연속면에서발생되므로불연속면의상
386 장현식 김지혜 장보안 Table 1. Codes for slope material. Material Soil slope Rock slope Mixed slope Complex slope Code S R M C 태와방향성등에따라사면의안정성이결정되게된다. 암반사면의대표적인붕괴유형으로는낙석, 쐐기파괴, 평면파괴등이있다. 혼합사면은암반층과토사지반이상하로구성되어있는사면을지칭하며분류기호는 M 이다. 혼합사면은강우시지하수의흐름은불투수층인암반층과투수층인토층의경계인토층심도선을따라흐르게되고, 토층심도선을따라지하수의이동이활발해지면서토사유실과마찰저항저하로잠재적인파괴면을형성하게되며집중강우시활동력증가로붕괴되는특징을가지고있다. 복합사면은암반층과토사지반이좌우방향으로반복되는사면을지칭하며분류기호는 C 다. 보통지질적인요인에의한단층대나전단대의영향으로차별풍화가진행되어암반층과토사지반이반복되는경우가있으며이외에도지형적인요인이나지하수영향에의해서도관찰된다. 요소-2 : 사면의지질학적특성요소-2는사면을구성하는암석의종류 (rock type) 와사면에분포하는지질학적구조를나타내는부분이다. 일반적으로암종별로불연속면의발달상태, 풍화속도, 붕괴유형등이다르므로암종은사면의상태평가에고려되어야한다. Kim et al. (2001) 의연구결과에따르면암종에따른붕괴유형은다음과같은특징이있다. 화성암으로이루어진사면은낙석또는평면파괴와토층유실및풍화에의한원형파괴등다양한붕괴양상을나타낸다. 특히화강암의경우에는핵석형의풍화로인해토층이유실되어암괴가떨어지기도하며, 토층이얕은가파른사면의경우에는상부토층이붕괴되는경우도많다. 퇴적암에서의붕괴원인은지질구조선에의한붕괴와풍화로인한붕괴로대별할수있다. 또한붕괴양상은평면파괴유형이가장높은빈도를나타내며, 차별적인풍화로인한낙석과세굴문제및풍화에의한표면부에서의원형파괴양상이우세하다. 변성암은대부분선캄브리아기에형성된암석으로지질구조가매우복잡하게발달하였으므로조사할때세심한주의가필요하며, 특히사면내에단층파쇄대, 단층점토등연약대의존재여부를주의깊게관찰하여야한다. 변성암중편마암으로이루어진사면은사면안정문제에특히취약한사 면으로평면파괴, 쐐기파괴, 원형파괴등다양한붕괴양상을나타낸다. 이는편마암에주로발달하고있는지질구조선인단층과엽리의절리면거칠기가매우작고단층점토나점토질이절리면에충진되어있는경우가많아붕괴빈도가높은것이다. KISTEC (2013) 은 절토사면유지관리매뉴얼 에서다양한지질학적구조는사면의붕괴에직 간접적으로영향을미친다고하였으며, 지질학적구조가사면의안정성에미치는영향을다음과같이설명하였다. 단층또는단층에의한파쇄대는지하수의이동경로이고, 지반의풍화가급속히진행되어연약해지므로사면의불안정요인으로작용한다. 특히단층에의해생성된단층점토는물에의한팽창성이있으며강도가약하므로, 단층의방향이사면의안정에불리한방향일경우붕괴면으로작용할가능성이높아서특별한주의가필요하다. 지층이심한지중압력에의한변형작용으로휘거나접힌습곡은심한전단작용과변형작용으로인해서암반이약화되므로사면의붕괴원인이되기도한다. 기반암에관입된암맥의경우에는차별풍화과정을거쳐주위의암반과풍화정도가달라질수있으므로사면의불안정요인으로작용될수있다. 퇴적작용에의해생성된층리는연속성이매우좋아사면안정성에불리한방향으로발달된경우에는대규모의평면파괴가발생될가능성이있다. 풍화에약한철과마그네슘성분을많이포함한유색광물이많은암석의사면내에존재할경우에는빠른풍화속도로인한차별풍화현상과암반의강도저하현상이발생되므로사면의안정성에문제가발생되기도한다. 또한이암, 석회암, 편암, 셰일, 천매암등과같이풍화가빨리진행되거나쪼개짐이쉽게발생되는연약한암석의경우에도암반이불안정을유발시키는경우가많다. 이외에도거의모든암반에존재하는절리역시연장성이좋고절리의방향이사면의안정에불리한방향으로발달되어있는경우에도사면붕괴의주된원인으로작용하기도한다. 이처럼사면을구성하고있는암석의종류와지질학적구조는사면의안정성에영향을미치는중요한요소이지만, 이들이사면의안정성에영향을미치는정도를정량적으로파악하기는매우어렵다. 따라서이연구에서는암종과지질학적구조를점수나등급으로평가하는대신
사면기호시스템을이용한사면의평가및분류시스템제안 387 Table 2. Codes for geological characteristics. Rock type Igneous Sedimentary Metamorphic Complex Code I S M C Subscript Example None-0 Fault-1 Fold-2 Dyke-3 Joint-4 Foliation-5 Stratification-6 Weak zone (mafic minerals)-7 Weak rock-8 Complex-9 I 3 : slope consisting of granite with dyke (s) Table 3. Parameters and ratings for RMR basic (Bieniawski, 1979). Parameter Compressive strength of intact rock (MPa) Rock quality designation (RQD) Spacing of discontinuities Condition of discontinuities Slickensided wall rock surface or 1-5 mm thick gouge or 1-5 mm wide continuous discontinuity Groundwater condition General conditions Inflow per 10 m tunnel length (l/min) Joint water pressure/major principal stress Rating > 250 100-250 50-100 25-50 5-25 1-5 < 1 15 12 7 4 2 1 0 90-100 75-90 50-75 25-50 < 25 20 17 13 8 3 > 2 m 0.6-2 m 20-60 cm 6-20 cm < 6 cm 20 15 10 8 5 Very rough and unweathered, wall rock tight and discontinuous, no separation Rough and slightly weathered, wall rock surface separation <1mm Slightly rough and moderately to highly weathered, wall rock surface separation <1mm 5 mm thick soft gouge, 5 mm wide continuous discontinuity 30 25 20 10 0 completely dry Damp Wet Dripping Flowing None < 10 10-25 25-125 > 125 0 0.0-0.1 0.1-0.2 0.2-0.5 > 0.5 15 10 7 4 0 기호를사용하여암종과지질학적구조의상태를표현하는방법을선택하였다. 암종은성인에따라서화성암, 퇴적암, 변성암과여러암종이혼재하는경우를추가하여 4가지로구분하였고, 이에따른고유기호를 Table 2와같이부여하였다. 지질학적구조의경우 KISTEC (2013) 의연구결과를바탕으로단층, 습곡, 암맥, 절리, 엽리, 층리, 유색광물, 연약암으로구분하며, 지질학적구조가나타나지않는경우와여러가지지질구조가혼재하는경우를추가하여 10가지로구분하였고, 이에따른고유번호를 Table 2와같이부여하였다. 최종적으로지질학적특성을나타내는요소 2는암종에해당하는기호에지질학적구조에해당하는번호를아래첨자형태로결합하여나타내며, Table 2의예로나타낸 I 3 은암맥이분포하는화강암으로구성된사면을표시한것이다. 요소-3 : 사면의지질공학적특성요소-3은사면의공학적인안정성을평가하는부분으로, 암반사면과토사사면에각각다른평가법을사용하였다. 암반사면의경우에는사면평가에가장널리사용되고있는 SMR을사용하였다 (Romana, 1985). SMR은식 (1) 과같이대표적인암반분류기법인 RMR에불연속면과사면과의방향성관계에대한조정계수를빼주고굴착방법에따른계수를더하여점수를구한다. SMR = RMR basic +(F 1 F 2 F 3 )+F 4 (1) 여기서, RMR basic 은무결암의일축압축강도 (UCS), 암질지수 (RQD), 불연속면의간격, 불연속면상태, 지하수상태등총 5개항목을 Table 3의평가기준에따라평가한후항목별점수를합산하여구한다 (Bieniawski,
388 장현식 김지혜 장보안 Table 4. Values of adjustment factors (F 1, F 2, F 3 ) for different joint orientations (Romana, 1985). P T W P W P W Case of Slope Failure F 2 Value α j α s α j α s 180 α j α s Very favourable Favourable Fair Unfavourable Very unfavourable >30 o 30 o -20 o 20 o -10 o 10 o -5 o <5 o F 1 Value 0.15 0.40 0.70 0.85 1.00 β j β i β j β s β i β s <20 o 20 o -30 o 30 o -35 o 35 o -45 o >45 o P/W 0.15 0.40 0.70 0.85 1.00 T 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 >10 o 10 o -0 o 0 o 0 o -(-10 o ) <-10 o T β j + β s <110 o 110 o -120 o >120 o F 3 Value 0-6 -25-50 -60 NOTATIONS : P-Planar failure; T-toppling failure; W-wedge failure; α s -slope strike; α j -joint strike; α i -plunge direction of line of intersection; β s -slope dip; β j -joint dip; β i -plunge of line of intersection. Table 5. Values of the F 4 adjustment factor for the excavation method (Romana, 1985). Method of excavation Natural slope Pre-splitting Smooth blasting Regular blasting or ripping Deficient blasting F 4 Value 15 10 8 0-8 Table 6. Parameters and ratings for the geotechnical stability of soil slopes. Parameter Gradient Soil condition Groundwater condition Vegetation condition Rating < 1:1 1:1 to 1:1.2 1:1.2 to 1:1.5 1:1.5 to 1:2 1:2 0 0 8 8-16 16-24 24 Sandy soil very loose loose medium dense very dense 0-6 6-12 12-18 18-24 24-28 Cohesive soil very soft soft firm stiff hard 0-6 6-12 12-18 18-24 24-28 flowing dripping wet damp dry 0-5 5-10 10-15 15-20 20-24 none poor medium good 0-6 6-12 12-18 18-24 1979, 1989). F 1, F 2, F 3 는사면의방향에대한불연속면의방향과관계된조정계수들이고 F 4 는굴착방법에대한수정계수로서 Table 4와 Table 5의평가기준에따라결정된다 (Romana, 1985). 토사사면의평가는사면의경사, 토질조건, 지하수상태및식생상태의 4가지항목으로평가하도록하였으며, 평가기준은한국시설안전공단에서작성한 안전점검및정밀안전진단세부지침 ( 절토사면 ) 에서제시하고있 는기준에따라 Table 6과같이설정하였다 (KISTEC, 2012). 토사사면에대한최종평가점수는각항목별평가점수의합으로계산된다. 토사사면의최종평가점수의범위는 0부터 100점까지이고암반사면의평가에사용된 SMR 점수의범위도기본적으로는 0부터 100점까지로설정되어있어두평가법의평가점수의범위는같다. 따라서이연구에서는토사사면과암반사면의평가점수에따른사면의안정성등
사면기호시스템을이용한사면의평가및분류시스템제안 389 Table 7. Codes for the geotechnical stability of rock and soil slopes. Rating 100-81 80-61 60-41 40-21 < 20 Condition Very Good Good Fair Poor Very Poor Code A B C D E Table 8. Probability of failure and condition of protection. Probability of failure Failure history Failure indication Rating Condition of protection Rating No No 4 unnecessary or good condition 4 Yes No 3 partially damaged 3 No Yes 2 needs additional work 2 Yes Yes 1 totally damaged 1 necessary but no work done 0 Total rating = Probability of failure + condition of protection Rating 8 6-7 4-5 2-3 1 Condition Very Good Good Fair Poor Very Poor Code A B C D E 급을 Table 7과같이갖은기준에따라 5단계로분류하고 A부터 E까지기호를할당하였다. 이연구에서는 SMR과 안전점검및정밀안전진단세부지침 ( 절토사면 ) 의평가기준을적용하여사면의공학적안정성을평가하도록제안하고있으나기타다른안정성평가법 ( 한계평형해석, 수치해석, 확률해석등 ) 등도적용할수있을것으로판단된다. 요소-4 : 파괴가능성과보호 보강상태요소-4는사면의파괴징후와보호 보강시설에의한사면의안정성증가상태를나타내는부분이다. 사면의파괴가능성은붕괴이력과인장균열의발달, 수목의전도, 지반의변형및구조물의변형등의파괴를나타내는징후나불연속면의방향성을이용한평사투영해석을통하여판단할수있다. 그러나비록사면의파괴가능성이있다하더라도적절한보호 보강시설이설치되면사면의안정성은현저히증가한다. 사면의파괴가능성및보호 보강상태를평가하기위한요소는크게두가지로, 첫번째는파괴이력과파괴징후의유무를고려한파괴가능성이고, 두번째는보호 보강시설의상태와능력을고려한보호 보강상태이다 (Table 8). 이연구에서는파괴가능성에 1~4점을배점하였고, 보호 보강상태에는 0~4점을배점하였다. 최종적인평가점수는파괴가능성과보호 보강상태의합으로나타내어 1~8점이되며, Table 8에서와같이최종평가점수에 따라서 A~E의 5개의기호를부여하였다. 결과적으로기호 A에가까울수록보호 보강시설이양호한상태를나타내고, 기호 E에가까울수록보호 보강시설이불량한상태를나타낸다. 요소 -5 : 사면붕괴에따른피해도 요소-5는피해도 (consequence) 로서사면이붕괴할경우발생할수있는인명이나, 재산상의피해정도를표현하기위한것이다. 피해도는사면붕괴로인하여발생할수있는피해를수치적이거나묘사적으로표현하는것으로서사면에대한위험도분석이완료된후에수행되며사면붕괴위험에노출된피해요소 (elements at risk) 와피해 (vulnerability) 에대한분석이포함된다 (Jang et al., 2007). Figure 2는이연구에서적용된피해도분석계통도로서사면붕괴에따른피해도를피해규모 (scale of damage) 와피해발생확률 (probability of damage) 로부터결정되도록설정하였다. 피해의규모에는붕괴규모 (scale of failure, S (SF) ) 와간접손실 (indirect loss, S (IL) ) 을고려하였고피해발생확률은차량이나시설물등과같은피해요소가시공간적으로피해에노출될확률 (temporal spatial probability of the element at risk, P (ST) ) 과붕괴물질이피해요소까지도달할확률 (probabilty of landslide reaching the element at risk, P (TL) ) 을고려하였다. 피해규모에서고려된사면의붕괴규모 (S (SF) ) 는 Song
390 장현식 김지혜 장보안 Fig. 2. Framework for consequence analysis. and Hong (2008) 의사면붕괴규모기준을활용하였다. Song and Hong (2008) 은기존의사면활동체적에따른기준들 (JNR, 1974; Okada et al., 1992; Sugiyama et al, 1995; Asian Technical Committee on Geotechnology for Natural Hazards in ISSMFE, 1997) 을토대로붕괴규모가 150 m 3 이하는소규모로, 150 m 3 ~900 m 3 는중규모로, 900 m 3 이상은대규모로분류하였다. 즉, 사면붕괴이후활동토괴의제거작업기간이 1일이하인경우소규모파괴, 2일에서 7일인경우중규모파괴, 7일이상인경우대규모파괴로간주하였다. 이연구에서는붕괴규모에따라점수를 0 부터 0.7점까지부여하였다 (Table 9). 간접손실 (S (IL) ) 은접근성 (proximity) 과연락성 (connection) 을고려한 Jang et al. (2007) 의간접손실결정법을활용하였다. Jang et al. (2007) 은접근시간과우회도로의여부에따라접근성을평가하였는데사면붕괴가발생할경우, 이를처리하기위해접근하는시간이 30분이내이고우회도로가있어통행이원활하다면접근하기 쉬움 (easy) 으로구분하였고, 접근시간이 30분이내이지만우회도로가없어통행에불편을가져올수있거나또는접근시간이 30분이상이고우회도로가있는경우는 보통 (normal) 으로구분하였다. 또한접근시간이 30분이상이고우회도로가없어사면붕괴시통행이불편하거나, 접근시간이 60분이상일경우에는 어려움 (difficult) 으로구분하였다 (Table 9). 연락성은사면붕괴가발생할경우, 그에대한인지여부를평가하는것이다. 사람의시야거리에서사면붕괴를판단할수있는경우연락성이쉽다고구분하였고, 판단할수없는경우연락성이어렵다고구분하였다. 접근성은 쉬움, 보통, 어려움 에따라가 0, 0.1, 0.2 점을부여하며, 연락성은쉬울때는 0, 어려울때는 0.1 점을부여하게된다 (Table 9). 간접손실점수는접근성과연락성점수의합으로계산되고 0 부터 0.3점의범위를갖는다. 종합적으로피해규모점수는붕괴규모와간접손실점수를합하여계산되며피해규모가전혀없는 0점부터최대피해규모인 1 점까지의범위를갖는다. 피해발생확률은사면붕괴시시간과공간적으로차량이나주거시설등과같은피해요소들이피해에노출될확률 (P (ST) ) 과붕괴물질의피해요소까지도달할확률 (P (TL) ) 을함께고려하였다. 먼저피해요소가피해에노출될확률의경우에는 Fell et al. (2005) 가제안한방법을적용하였다. Fell et al. (2005) 은산사태위험도평가와관리를위한체계개발연구에서사면붕괴시차량과주거시설이시간적, 공간적으로피해에노출될확률 (P (ST) ) 을식 (2) 와식 (3) 과같이제안하였다. N V P ( ST)_road = T B P ( ST)_building = L 1 ----- ----------- ----- 24 1000 ----- D B ----- 24 7 V V 여기서, N V 는일일평균차량통과대수, L은차량의평균길이 (m), V V 는차량의평균속도 (km/h), T B 는 1일당거주시간그리고 D B 는 1주일당거주일이다. 피해에노출될확률, P (S : T) 는 0부터 1까지의범위를가지며, 피해에노출될가능성이전혀없을경우에는 0이되고가능성이 100% 일때는 1이된다. 붕괴물질이피해요소에도달될확률 (P (TL) ) 은붕괴물질의이동거리 (travel distance of slope failure) 와붕괴물질의이동을저지시키는도랑 (ditch) 의효과를함께고려하였다. 붕괴물질의이동거리는 Heim (1932) 이제안한식 (4) 와 Straub (1997) 의연구에따른식 (5) 을활용하여구할수있다. L max H max = --------- µ app Log µ app = 0.18Log( V) 0.89 (2) (3) (4) (5)
사면기호시스템을이용한사면의평가및분류시스템제안 391 Table 9. Parameters and ratings for the consequence of failure. Scale of damage Parameter Description Rating Scale of failure [S (SF) ] Indirect loss [S (IL) ] Temporal spatial probability of the element at risk [P (ST) ] Working time for removal S M L 1 day 2-7 days 7 days Proximity easy access to failure average access to failure difficult access to failure Connection easy contact with someone difficult contact with someone Road N V P ( ST)_road L 1 = ----- ----------- ----- 24 1000 Building Scale of failure 150 m 3 150-900 m 3 900 m 3 0-0.2 0.2-0.7 0.7 0 0.1 0.2 0 0 0.1 T P ( ST)_building ----- D B B = ----- 24 7 Probability of damage Travel distance of slope failure out of the element at risk 0.3 neighboring the element at risk 0.3-0.7 Probability of landslide on the element at risk 0.7-1 reaching the element at Effectiveness of ditch risk [P (TL) ] efficient 0.25 medium 0.25-0.5 inefficient 0.5-0.75 none 1 Total consequence Consequence = [ S ( SF) + S ( IL) ] [ P ( ST) P ( TL) ] Code A B C D E Rating 0-0.2 0.2-0.4 0.4-0.6 0.6-0.8 0.8-1 V V 0-1 식 (4) 에서 L max 은붕괴물질의최대수평이동거리 (m), H max 는붕괴물질의발생이가능한최대높이 (m), µ app 는붕괴물질이수평이동하여도달하는끝지점과붕괴물질의발생이가능한최대높이와의비를의미한다. µ app 는 Straub (1997) 이제안한식 (5) 을이용하여계산할수있다. 식 (5) 에서 V는붕괴물질의체적 (km 3 ) 이다. 식 (4) 와 (5) 로부터계산된붕괴물질의최대수평이동거리 (L max ) 로부터붕괴물질과피해요소와의간격을추정할수있는데, 이연구에서는이동된붕괴물질이피해요소와수미터 (m) 이상의충분한간격이있을경우붕괴물질이 피해요소에도달하지않음 (out of the element at risk) 으로, 붕괴물질이피해요소에 1m 이내로근접하는것으로분석되었을경우에는 피해요소에근접 (neighboring the element at risk) 로, 붕괴물질의이동거리내에피해요소가위치할경우에는 피해요소에도달 (on the element at risk) 로분류하고전현도달하지않는 0 부터붕괴물질이완전히피해요소에도달하는 1 까지점수를배점하였다 (Table 9). 도랑의효능은붕괴물질의이동을제어할수있는능력에따라 충분 (efficient), 보통 (medium), 불충분 (inefficient), 없음 (none) 으로구분하고완전히붕괴물질을제어할수있는충분한능력이있을경우 0부터전혀제어할수없는경우인 1까지점수를배점하였다 (Table 9). 종합적으로붕괴물질이피해요소에도달될확률 (P (TL) ) 은붕괴물질의이동거리에따른배점과도랑 (ditch) 의효능에따른배점의곱으로나타낸다.
392 장현식 김지혜 장보안 Table 9는피해도평가를위한평가기준과배점, 그리고최종평가점수에따른기호를나타낸다. 평가기준에따라붕괴규모 (S (SF) ), 간접손실 (S (IL) ), 시공간적으로피해에노출될확률 (P (ST) ), 붕괴물질이피해요소에도달할확률 (P (TL) ) 이결정되면최종적인피해도점수는식 (6) 으로부터구할수있다. Consequence = [ S ( SF) + S ( IL) ] [ P ( ST) P ( TL) ] (6) 피해도의평가결과로얻어지는점수는 0~1의값을가지며, 점수에따라 A~E의기호를부여하였다 (Table 9). 기호 A에가까울수록사면이붕괴할시에발생하는피해가작다는것을의미하고, E에가까울수록피해가크다는것을의미한다. Fig. 3. Diagram showing the slope code system. 사면기호시스템 (Slope code system, SCS) 사면기호시스템 (SCS) 은 5가지의평가요소들에대한평가와분류결과로부터결정된요소별로기호 (code) 를조합하여사면의특성을나타내게된다. Fig. 3은 SCS 의전반적인기호체계를모식도로나타낸것으로서 code 1 은구성물질에따라서사면을토사사면 (S), 암반사면 (R), 혼합사면 (M), 복합사면 (C) 의 4종류로분류한다. code 2 는사면을구성하는암종 (rock type) 과내포된대표지질학적구조를표현하기위한것으로성인에따른암종기호와지질구조특성기호를결합하여나타낸다. code 3 은사면의공학적인안정성을표현하고있으며, code 4 는사면의파괴가능성에따른보호 보강상태를나타낸다. code 3 과 code 4 는사면의전반적인안정성을나타내며평가에점수에따라 A 부터 E까지 5개의상태등급으로표현된다. code 5 는사면붕괴시발생할수있는피해도를나타내며, code 3 과 code 4 처럼평가점수에따라 A부터 E까지 5개의등급으로표현된다. 만약 Fig. 3의예처럼 SCS 평가로부터사면의기호가 RI 4 DDB로부여되었다면, 이사면은절리가발달된화성암으로이루어진 (code 2 I 4 ) 암반사면 (code 1 R ) 이고 SMR 평가결과공학적안정성이불량한 (code 3 D ) 상태라는것을알수있다. 또한이사면은과거붕괴이력과인장균열과같은붕괴징후가관찰되며보호 보강상태가거의효과를발휘하지못하는상태 (code 4 D ) 이므로사면의안정성확보를위한빠른조치가필요하는것을알수있다. 그러나사면붕괴규모가작고피해발생확률이작아실질적인인명이나재산상의피해가발생될가능성이크지않다 (code 5 B ) 는것을알수있다. Fig. 4. Photograph of slope-1. SCS 현장적용사례 SCS의실효성을검토하기위하여실제절토사면을대상으로 SCS 평가법을적용하였다. 평가적용된사면은경상남도울주군에위치한사면-1과강원도화천군에위치한사면-2로서일반적인규모의도로절토사면이다. 사면-1 사면-1은경상남도밀양과언양을잇는국도 24호선상에위치하고있으며행정구역상으로경상남도울주군상북면덕현리에속한다. 사면은길이 87 m, 높이약 30 m 규모이며평균약 60 정도의경사를보이는암반사면이다 (Fig. 4). 사면을구성하고있는암석은불국사화성암류에해당되는화강암이며, 풍화정도는약간풍화에서보통풍화의양상을보인다. 사면내에는 80/120, 15/323, 60/337의방향성을갖는 3조의절리군이발달해있으며, 3개이상의단층이관찰되었다. Table 10은사면-1에대한 SCS 평가결과를종합적으로나타낸것이며, 요소별평가내역은다음과같다. 사면-1의주된구성물질은암반이므로요소-1의기호는암반사면에해당하는 R 를부여하였다. 또한사면-1의구성암성은화강암으로서화성암에해당하고지질구조특성에는 3개이상의단층이존재하는것을고려하여요
사면기호시스템을이용한사면의평가및분류시스템제안 393 Table 10. Result of SCS evaluation of slope-1. Element of SCS Summary of assessment Rating Code Element 1 Rock slope R Element 2 Geological characteristics Element 3 Element 4 Element 5 Final Code Rock type : Igneous rock (granite) Geological structure : Fault UCS : 85 MPa RQD : 55% Joint spacing : about 0.1 m Condition of discontinuities Persistence : about 8.0 m Aperture : about 5 mm Roughness : slightly rough weathering : Moderately weathered Ground water condition : wet F1 F2 F3 = -0.15 F4 = 0 (mechanical excavation) Failure history : Yes Failure indication : Yes Condition of protection : Partially damaged Scale of failure : about 900 m 3 Indirect loss Proximity : average access to failure Connection : easy contact with someone Temporal spatial probability, P (ST) : 0.026 Probability of landslide reaching, P (TL) : 0.75 Travel distance : on the road Effectiveness of ditch : inefficient I 1 52 C 4 C 0.007 A RI 1 CCA 소-2의기호는 I 1 를부여하였다. 암반사면인사면-1의공학적안정성평가에는 SMR 이사용되었고사면-1의 SMR 점수는 52로보통정도의공학적안정성을갖는것으로분석되어요소-3의기호는 C 를부여하였다. 사면-1에서는소규모의쐐기파괴이력이관찰되었고, 추가적인쐐기파괴나낙석이발생될수있는다수의이완암블럭이관찰되었다. 또한사면-1에는낙석방지울타리와낙석방지망이설치되어있으나사면의규모나암반상태를고려할때현재의낙석방지시설로는도로의안정성을충분히확보하기어려운상태로판단되며, 낙석방지울타리의경우기존에발생되었던낙석으로인해일부구간이파손되어있는상태다. 이러한조사결과를바탕으로분석된요소-4의평가점수는 4점이며, 이에따른요소-4의기호는 C 가부여되었다. 사면-1에서관찰된쐐기파괴위험암반구간을바탕으로추정된최대붕괴규모는약 900 m 3 정도이며, 붕괴발생시접근성은 보통 으로연락성은 쉬움 으로가정하였다. 식 (2) 로계산된차량의시공간적피해노출될확 률 (P (ST) ) 은약 0.022이다. 이때, 평균차량길이는 5m, 평균주행속도는 60 km/h로가정하였고일일평균차량통행량 (N V ) 는국토교통부의교통량정보제공시스템 (www.road.re.kr) 에서 2013년통계자료를조회하여 6476 대로적용하였다. 붕괴물질이도로에침범할확률 (P (TL) ) 을분석하기위해필요한붕괴물질의최대이동거리는약 19 m로계산되었고붕괴물질최대이동거리와보호 보강상태를조합하여계산된사면-1의 P (TL) 은 0.75이다. 이때, 최대붕괴높이는 30 m, 붕괴물질의체적은 900 m 3 로가정되었다. 최종적으로식 (6) 으로부터계산된사면-1의피해도는약 0.007 이고요소-5의기호는 A 가부여하였다. 사면-1에대한 SCS 평가결과를종합하면사면-1의사면기호는 RI 1 CCA 이다. 이사면기호는사면-1이암반사면이고화성암으로이루어져있으며, 단층이발달되어있다는것을알려준다. 또한사면의공학적안정성과보수보강상태는보통정도수준이며, 사면붕괴시예상되는피해도는미미하다는것을알려준다.
394 장현식 김지혜 장보안 사면-2 사면-2는강원도춘천과화천을잇는 407번지방도상에위치하고있으며행정구역상으로강원도춘천시사북면에속한다. 사면은길이 50 m, 높이약 14 m 규모이며약 52 ~62 정도의경사를보이는토사, 암반혼합사면이다 (Fig. 5). 사면을구성하고있는암석은중생대쥬라기에생성된복운모화강암이며, 사면의중앙을기준으로좌측하단부분은약간풍화에서보통풍화의정도이고그외의부분들은보통풍화에서심한풍화양상을보인다. 사면내에는 51/070, 82/090, 61/347의방향성을갖는 3조의절리군이발달해있으며, 3개의뚜렷한단층이존재하고단층주변으로절리가매우조밀하 Fig. 5. Photograph of slope-2. 게발달되어있다. Table 11은사면-2에대한 SCS 평가결과를종합적으로나타낸것이며, 요소별평가내역은다음과같다. 사면-2의주된구성물질은암석이나사면의 1/3 정도는심한풍화상태이고사면의상부을중심으로토층이발달되어있는것을고려하여요소-1의기호는혼합사면에해당하는 M 을부여하였다. 사면-2의구성암성은화강암으로서화성암에해당하고지질구조특성에는 3개의뚜렷한단층이존재하는것과절리밀도가높다는것을고려하여요소-2의기호를 I 9 으로부여하였다. 사면-2의공학적안정성평가에는 SMR이사용되었고사면-2의 SMR 점수는 38로공학적안정성이불량한것으로분석되어요소-3의기호는 D 를부여하였다. 사면-2에서는사면우측과상부의토사부분에서표층유실이발생되는것으로관찰되었고단층주변의암반구간에서는낙석이발생될수있는다수의이완암블럭이관찰되었다. 사면-2에는 1m 높이의 L형측구외는특별한보호 보강시설이없어사면붕괴발생시도로의안정성을확보하기어려운상태로판단된다. 따라서요 Table 11. Result of SCS evaluation of slope-2. Element of SCS Summary of assessment Rating Code Element 1 Mixed slope (soil and rock) M Element 2 Geological characteristics Element 3 Element 4 Element 5 Final Code Rock type : Igneous rock (granite) Geological structure : Fault and heavy joint UCS : 61 MPa RQD : 47% Joint spacing : about 0.1 m Condition of discontinuities Persistence : about 6.0 m Aperture : about 5 mm Roughness : smooth weathering : MW~HW Ground water condition : damp F1 F2 F3 = -4.2 F4 = 0 (mechanical excavation) Failure history : Yes Failure indication : Yes Condition of protection : Needs additional work Scale of failure : about 200 m 3 Indirect loss Proximity : average access to failure Connection : easy contact with someone Temporal spatial probability, P (ST) : 0.016 Probability of landslide reaching, P (TL) : 0.75 Travel distance : on the road Effectiveness of ditch : inefficient I 9 38 D 3 D 0.004 A MI 9 DDA
사면기호시스템을이용한사면의평가및분류시스템제안 395 소 -4 의평가점수는 3 점이며, 이에따른요소 -4 의기호는 D 가부여되었다. 사면-2에서추정된최대붕괴규모는약 200 m 3 정도이며, 붕괴발생시접근성은 보통 으로연락성은 쉬움 으로가정하였다. 식 (2) 로계산된차량의시공간적피해노출될확률 (P (ST) ) 은약 0.016이다. 이때, 평균차량길이는 5m, 평균주행속도는 60 km/h로가정하였고일일평균차량통행량 (N V ) 는국토교통부의교통량정보제공시스템 (www.road.re.kr) 에서 2013년통계자료를조회하여 4558대로적용하였다. 붕괴물질이도로에침범할확률 (P (TL) ) 을분석하기위해필요한붕괴물질의최대이동거리는약 6.8 m로계산되었고붕괴물질최대이동거리와보호 보강상태를조합하여계산된사면-2의 P (TL) 은 0.75이다. 이때, 최대붕괴높이는 14 m, 붕괴물질의체적은 200 m 3 로가정되었다. 최종적으로계산된사면- 2의피해도는약 0.004이고요소-5의기호는 A 가부여하였다. 사면-2에대한 SCS 평가결과를종합하면사면-2의사면기호는 MI 9 DDA 이다. 이사면기호는사면-2가토사와암반이혼합된사면이고화성암으로이루어져있으며, 절리외에단층과같은지질구조들이복합적으로발달되어있다는것을알려준다. 또한사면의공학적안정성과보수보강상태는불량한수준이지만사면붕괴시예상되는피해도는미미하다는것을알려준다. 요약및결론 사람들이일상에서접하는사면을안전하게관리하는것은매우중요한과제이다. 이는사면붕괴로인해인명과막대한재산피해가발생될가능성이크기때문이다. 사면을안전하게관리하고사면재해에효과적으로대응하기위해서는사면의공학적안정성, 지질특성, 붕괴에의해유발될수있는피해특성등과같이다양한정보가필요하다. 이러한필요성을충족시키고자이연구에서는기존에제안되었던사면평가법들보다더많은평가요소들을갖고있고사면의상태를구체적으로표현할수있는사면기호시스템 (SCS) 을제안하였다. SCS의주된목적은관리 ( 또는평가 ) 대상사면의종합적인상태를쉽고빠르게이해할수있도록다양한평가를실시하고그결과를종합적이고단순한형태로표현하는것이다. 이를위해 SCS는 5가지의평가요소로구성되어있다. 요소 1 은사면의구성물질을나타내고있으며, 요소 2 는사면의지질학적특성을성인 에따른암종 (rock type) 과지질구조특성의조합으로나타내고있다. 요소 3 은사면의공학적안정성평가하여사면의안정성을등급으로나타내며, 요소 4 는사면의안정성을증대시킬수있는보호 보강상태를나타내고있다. 마지막으로 요소 5 는사면붕괴시발생될수있는피해의정도를나타낸다. SCS의 5가지평가요소들은각각평가결과를나타내는고유한분류기호들을가지고있으며, 평가의최종단계는각요소별평가결과로부터부여된기호들을조합하여사면의종합적인상태를나타내는최종기호를만들어내는것이다. SCS는사면의공학적인안정성점수도출에치중되어있던기존의평가법들과달리공학적안정성뿐만아니라사면관리에유용한여러가지정보를간략한기호의조합으로종합적으로표현할수있어사면재해관리에효율적으로사용될수있을것으로판단된다. 그러나더욱효율적인관리를위해서는인터페이스를결합한체계적이고향상된데이터베이스프로그램을개발할필요성이있으며, 여러연구자들과사면관리실무자들의의견을수집하여평가결과가객관적이고정확할수있도록각평가요소별평가기준에대한추가적인연구가필요할것으로판단된다. 감사의글 이논문은 ( 주 ) 지질유산환경연구소의지원으로수행하였습니다. References Asian Technical Committee on Geotechnology for Natural Hazards in ISSMFE, 1997, Manual for zonation on areas susceptible to rain-induced slope failure, Japanese Geotechnical Society, Tokyo, 81p. Bieniawski, Z. T., 1979, The geomechanics classification in rock engineering applications, In : Proc. of the 4 th Congress of the International Society for Rock Mechanics, Montreux, 2, 41-48. Bieniawski, Z. T., 1989, Engineering rock mass classifications, New York, Wiley, 365p. Choi, K., 1986, Landslides occurrence and its prediction in Korea, Ph.D. Thesis, Kangwon National University, Korea, 45p (in Korean with English abstract). Cruden, D. M., 1991, A simple definition of a landslide, Bulletin of the International Association of Engineering Geology, 43, 27-29. Dai, F. C., Lee, C. F., and Ngai, Y. Y., 2002, Landslide risk assessment and management: an overview, Engineering Geology, 64, 65-87. EX (Korea Expressway Corporation), 2004, A study on
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