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재난예방 및 대응기술 융합클러스터 세션 : 도시지역 사면 모니터링 및 사전경보 기법
채병곤,송영석,최정해,김경수,이춘오,오현주,박의섭,김현우 대한지질공학회 2016 대한지질공학회 학술발표회논문집 Vol.2016 No.1
본 연구는 국내 도시지역의 사면붕괴 및 산사태로 인한 피해를 저감하기 위한 방안의 하나로 사면붕괴와 산사태재해의 모니터링을 통한 사전경보기법을 제안한 것이다. 우리나라의 사면이나 산지에는 얕은 심도의 토층이 발달하고 있기 때문에 대부분 천층산사태(shallow landslide)가 발생하고 있다. 일반적으로 천층산사태는 지하수위 상승에 따른 지층의 포화로 인한 붕괴보다는 지표로부터 강우의 침투에 따른 토층의 포화로 인해 발생하는 것으로 다양한 사전연구에 의해 알려져 있다. 또한, 최근의 국내 강우 패턴은 과거와는 달리 짧은 시간에 집중적인 강우가 발생하고 강우강도의 지속성은 1시간 미만인 것으로 관측되고 있다. 이와 같은 강우 및 지질조건에 따라 국내의 사면붕괴와 산사태는 전통적 개념의 붕괴메커니즘이 아니라 새로운 관점에서 접근할 필요가 있다. 본 연구에서는 이와같은 조건을 고려하여 강우강도의 시간적 변화에 따라 사면붕괴 또는 산사태 발생을 예측할 수 있는 RTI (Rainfall Triggering Index) 기법을 적용하여 국내 강우패턴에 따른 사면붕괴 및 산사태재해의 사전경보 기법을 제안하였다. 그동안 국내에서 산사태 발생시 강우강도를 분석한 결과에 따르면, 일반적인 시간당 강우강도에서는 짧은 시간동안의 강우강도 변화를 제대로 인지할 수 없으나, 10분 또는 30분 단위의 강우강도에서는 강우강도의 변화를 반영할 수 있음을 알 수 있었다. 이를 바탕으로 RTI 값에 따른 산사태 사전경보시간을 산정한 결과 60분 또는 30분당 강우강도에서는 사전경보의 오류가 발생하는 반면, 10분당 강우강도에서는 산사태 발생이전에 최소 2회의 사전경보를 발령할 수 있음을 확인하였다. 따라서, 국내 강우 패턴의 특성을 고려할 때, 향후 사면붕괴 및 산사태재해의 사전경보를 위해서 기존의 60분당 강우강도의 개념보다는 10분당 강우강도 등 짧은 시간단위의 강우강도를 적용할 필요가 있다. 한편, 지표로부터 강우침투에 따른 사면붕괴 또는 산사태 발생메커니즘을 고려할 때, 강우침투에 따라 토층의 수리적, 역학적 특성변화를 민감하게 측정하는 것이 필요하다. 이를 위해 본 연구에서는 강우침투를 빠르고 용이하게 관측하기 위하여 체적함수비와 흡입응력의 변화를 모니터링 한 후, 이 값의 변화를 무한사면안전율 산정식에 반영하여 사면안전율(factor of safety)의 변화를 계산하고 이를 통해 사면붕괴나 산사태 발생을 사전에 경보할 수 있는 방법을 제안하였다. 이 방법을 현장과 실내실험에 적용한 결과 체적함수비의 단위시간당 변화율과 흡입응력의 변화에 따라 산사태 발생의 사전예측이 가능하며, 경보발령을 위한 기준(threshold) 설정이 가능함을 확인할 수 있었다. 이러한 연구는 향후 지속적으로 수행하여 국내 지역별 강우 및 지질특성에 따라 사전경보의 기준을 설정할 필요가 있을 것으로 판단된다.
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채병곤 한국지하수토양환경학회 2004 지하수토양환경 Vol.9 No.1
암석 내 균열을 따른 수리전도도는 균열의 기하학적 요소, 즉 방향, 간극, 거칠기 그리고 상호 연결도에 주로 좌우된다. 따라서, 균열 내 투수계수를 정확하게 계산하기 위해서는 이와 같은 기하 요소들을 최대한 계산모델에 반영할 필요가 있다. 이 연구에서는 균열 기하양상을 최대한 정확히 반영한 균열모델에서 기존 수치해석과는 다른 새로운 방법인 균질화 해석법(homogenization analysis method)을 이용하여 균열을 따른 투수계수를 구하기 위해 수치해석을 수행하였다. 먼저, 공초점 레이저 스캔 현미경(Confocal Laser Scanning Microscope)을 이용하여 암석시료의 균열 조도와 균열에 가한 수직압축력의 변화에 따른 간극 변화량을 직접 측정하고, 이와 같이 획득한 자료는 균열모델 재현을 위한 입력자료로 사용되었다. 재현된 균열모델을 토대로 한 균질화 해석법은 미시규모(microscale) 매질특성과 거시규모(macroscale) 매질특성을 동시에 고려하여 투수계수를 계산할 수 있는 것이다. 즉, 균질화 해석법은 주기적 미세구조(microstructure)를 갖는 미소 불균질 물질의 거동특성을 구명하기 위해 개발된 새로운 형태의 섭동(perturbation) 이론이다. 이는 균질한 미시규모에서 미시 투수특성을 계산한 후, 거시규모에서의 균질화 투수계수를 계산하게 된다. 그러므로, 이 방법은 균열 기하양상의 국부적 영향을 고려한 투수특성을 정확히 해석할 수 있다. 균질화법을 이용한 투수계수 산정결과를 기존 연구에서 제안한 경험식과 비교하여 그 타당성을 검증하기 위해 전술한 2차원 균열모델을 이용한 투수계수 계산을 수행하였다. 균열모델은 거칠기(roughness)를 반영하고 동일한 간극을 할당한 평행판 모델을 가정하였다. 계산결과에 의하면, 균질화 해석법에 의해 계산한 C-투수계수는 실내투수시험에 의해 구한 투수계수와 같은 범위의 값을 가지거나 $10^1$ 정도의 차이를 보여, 그 계산결과는 타당하다고 볼 수 있다. 그러나, 균질화 해석법은 국부적으로 불균질한 균열 기하양상과 물질특성이 미시규모와 거시규모에서 모두 고려되므로, 이들 특성을 정확히 알고 있을 경우 기존에 제안된 경험식들에 의한 계산결과 보다 균질화 해석법의 결과가 훨씬 정확함을 주목하여야 한다. Hydraulic conductivity along rock fracture is mainly dependent on fracture geometries such as orientation, aperture, roughness and connectivity. Therefore, it needs to consider fracture geometries sufficiently on a fracture model for a numerical analysis to calculate permeability coefficient in a fracture. This study performed new type of numerical analysis using a homogenization analysis method to calculate permeability coefficient accurately along single fractures with several fracture models that were considered fracture geometries as much as possible. First of all, fracture roughness and aperture variation due to normal stress applied on a fracture were directly measured under a confocal laser scaning microscope (CLSM). The acquired geometric data were used as input data to construct fracture models for the homogenization analysis (HA). Using the constructed fracture models, the homogenization analysis method can compute permeability coefficient with consideration of material properties both in microscale and in macroscale. The HA is a new type of perturbation theory developed to characterize the behavior of a micro inhomogeneous material with a periodic microstructure. It calculates micro scale permeability coefficient at homogeneous microscale, and then, computes a homogenized permeability coefficient (C-permeability coefficient) at macro scale. Therefore, it is possible to analyze accurate characteristics of permeability reflected with local effect of facture geometry. Several computations of the HA were conducted to prove validity of the HA results compared with the empirical equations of permeability in the previous studies using the constructed 2-D fracture models. The model can be classified into a parallel plate model that has fracture roughness and identical aperture along a fracture. According to the computation results, the conventional C-permeability coefficients have values in the range of the same order or difference of one order from the permeability coefficients calculated by an empirical equation. It means that the HA result is valid to calculate permeability coefficient along a fracture. However, it should be noted that C-permeability coefficient is more accurate result than the preexisting equations of permeability calculation, because the HA considers permeability characteristics of locally inhomogeneous fracture geometries and material properties both in microscale and macroscale.
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