1. 서론
2. 준설퇴적물 관리시스템 개발
2.1 준설퇴적물 하중변화 측정유닛 선정
2.2 준설퇴적물 관리시스템 구성
3. 준설퇴적물 관리시스템 관리기준 제안
4. 준설퇴적물 관리시스템 설치위치 선정 및 현장설치
4.1 현장개요
4.2 설치위치 선정
4.3 준설퇴적물 관리시스템 현장설치
5. 측정결과 및 분석
5.1 측정결과
5.2 관리기준 적용
6. 결론
1. 서론
토석류란 집중호우로 인하여 자연사면이나 절개지의 흙과 암석이 우수와 함께 하부로 흘러내리는 현상을 말한다. Pierson and Costa(1987)에 의하면 토석류는 흙과 암석과 같은 퇴적물과 우수로 구성된 유동체로서 구성물질, 운동속도 및 퇴적물의 농도에 따라 특성이 다르게 나타난다.
최근 기후변화로 인하여 여름철 발생되는 국지성 집중호우가 증가하고 있으며, 이러한 집중호우는 산사태 및 토석류를 유발하는 주요 원인이다(Godt et al., 2006; Kim et al., 2004; Song et al., 2012). 특히 우리나라와 같이 토층의 심도가 낮은 자연사면의 경우 집중호우로 인한 얕은파괴 형태의 산사태가 주로 발생되고 있다(Kim and Song, 2015; Song et al., 2016; Viet et al., 2016; Yun et al., 2017). 산림청의 통계자료에 의하면 지난 2008년부터 2017년까지 10년간 산사태로 인한 피해면적은 2,304ha에 달했고, 인명피해는 55명, 이에 따른 복구액만 약 4,504억이 소모됐다.
이와 같은 산사태 및 토석류를 예방하거나 복구하기 위하여 1950년대부터 다양한 사방 시설물이 설치되었고, 2006년 이후에는 사방댐 설치 개수가 급격하게 증가하였으며, 2009년부터는 매년 800개 이상의 사방댐이 설치되고 있다(Korea Forest Service, 2015).
그러나 사방댐은 현재까지 현장점검 및 육안검사를 토대로 관리되고 있으며, 사방댐에 대한 체계적인 관리와 효과적인 유지관리시기 선정에 대한 기준이 명확하지 않은 상태이다. 현재 사방댐의 관리는 인식 및 인력의 부족으로 인하여 일반적으로 1년 중 단 한번의 점검을 통하여 진행되며, 작업자의 경험과 주관적 관점에서 의하여 수행된다. 사방댐 혹은 사방시설은 설치 이후 사방댐에 대한 적절한 유지관리가 진행되지 않을 경우 사방댐 본연의 목적이 상실되고 균열 및 누수의 발생 등 사방댐의 구조적인 안정성에서도 기능이 약화될 수 있다.
그러므로 사방댐의 기능을 최적으로 유지하기 위하여 사방댐 배면의 준설 퇴적물을 지속적으로 관측하고 이를 토대로 적절한 유지관리시점을 선정하는 유지관리시스템의 개발이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 사방댐 배면의 퇴적물에 대한 준설시기를 객관적, 정량적, 과학적으로 결정할 수 있도록 사방댐 배면의 준설퇴적물 측정장치를 개발하고 실제 현장에 시범 구축하였다. 그리고 대상 현장에 적용하기 위하여 사방댐 준설퇴적물의 관리기준을 마련하고 이를 토대로 유지관리 방안을 제시하고자 한다.
2. 준설퇴적물 관리시스템 개발
2.1 준설퇴적물 하중변화 측정유닛 선정
본 연구에서는 먼저 사방댐 배면 준설퇴적물의 하중 변화를 모니터링하기 위한 측정유닛을 선정하고 이를 설계하였다. Fig. 1은 사방댐 준설퇴적물의 하중 변화를 모니터링하기 위한 측정유닛의 설계 개략도를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 강우를 측정하기 위한 강우계, 사방댐 배면의 준설퇴적물 하중을 측정하기 위한 하중측정계, 사방댐 배면 수위를 측정하기 위한 수위계로 구성되어 있다. 특히 산사태로 인하여 사방댐 배면에 쌓이는 준설퇴적물의 하중을 측정하기 위하여 본 연구를 통하여 개발된 하중측정계를 설치하였다.
Table 1은 본 연구에서 선정된 측정항목과 이를 측정하기 위한 측정유닛, 그리고 실제로 적용될 제품을 나타낸 것이다. 본 연구에서는 총 3가지의 측정항목을 선정하고 각 항목을 측정할 수 있는 센서를 적용 및 개발하였다. 표에서 보는 바와 같이, 강우측정을 위한 강우계는 tipping bucket 타입으로 선정하였고, 사방댐 배면의 수위를 측정하기 위하여 수위계를 설치하였으며, 준설퇴적물의 중량을 측정하기 위하여 본 연구에서 하중측정계를 자체 제작하였다. 현장에서 측정된 강우자료를 이용하여 산사태 발생가능성을 예측할 수 있으며, 사방댐 배면의 준설퇴적물 하중을 측정하여 사방댐에 대한 유지관리가 가능하다.
Table 1. Measurement units of the dredged sediment management system
2.2 준설퇴적물 관리시스템 구성
준설퇴적물 관리시스템은 전술한 각종 측정유닛으로부터 특정된 자료를 저장, 관리 및 전달하는 시스템을 말한다. 본 시스템에서는 사방댐 배면의 준설퇴적물 하중변화를 측정하기 위하여 설치된 측정유닛으로부터 실시간으로 자료를 수집하고 무선통신을 통하여 자료를 전송한다.
준설퇴적물 관리시스템은 Data Acquisition System(DAS), Solar System 및 준설퇴적물 하중변화 측정유닛으로 구성되어 있다. Fig. 2는 준설퇴적물 하중변화 관리시스템의 계통도를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 각종 측정유닛으로부터 측정된 자료는 Multiplexer를 통하여 DAS 내의 Data Logger에 저장된다. Multiplexer는 다양한 신호를 받아서 Data Logger에 송신이 가능한 자료로 변경 및 제공해주는 장치이다. 또한 DAS에 전력을 공급하기 위하여 태양광을 이용한 발전시스템인 Solar system을 활용하였다. 이와 같이 측정 및 저장된 자료는 CDMA 통신시스템을 이용하여 사무실에서 전송되어 진다.
3. 준설퇴적물 관리시스템 관리기준 제안
산사태 발생으로 인하여 사방댐 배면에 쌓이는 준설퇴적물의 하중을 실시간으로 관리하기 위하여 준설퇴적물 하중측정계를 개발하였으며, 이를 이용하여 준설퇴적물 관리기준을 제안하고자 한다.
먼저 사방댐 배면에 퇴적될 수 있는 준설퇴적물의 양을 계산한다. 식 (1)은 사방댐 배면에 퇴적될 수 있는 준설퇴적물의 하중에 대한 계산식을 나타낸 것이다.
| $$W_{all}=S_1\times h_d\times\gamma_t$$ | (1) |
여기서, Wall은 사방댐 배면에 퇴적될 수 있는 최대 준설퇴적물의 양(ton), S1은 하중측정계의 단위면적(m2), hd는 사방댐 높이(m), γt는 준설퇴적물(흙)의 전체단위중량(t/m3)이다.
대상 사방댐의 경우 현장조사 및 시험결과 S1= 1m2, hd=2.55m, γt=2.0t/m3이므로 사방댐 배면에 퇴적될 수 있는 최대 준설퇴적물의 양은 식 (1)을 이용하여 계산하면 10.2ton이 된다.
또한, 사방댐 배면에 쌓이는 준설퇴적물을 효율적으로 관리하기 위하여 관심, 주의 및 경보의 세단계로 구분하여 관리기준을 제안하였다. 관심단계의 경우 사방댐 배면에 퇴적될 수 있는 최대 준설퇴적물의 50%로 선정하였으며, 주의단계의 경우 70%, 경보단계의 경우 90%로 선정하였다. 즉, 대상 사방댐의 경우 관심단계의 경우 5.1ton, 주의단계의 경우 7.14ton, 경보단계의 경우 9.18ton이 된다. 주의단계가 되면 대상 사방댐에 대한 준설퇴적물 제거작업이 즉각적으로 진행되어야 할 것이다.
4. 준설퇴적물 관리시스템 설치위치 선정 및 현장설치
4.1 현장개요
본 연구에서는 준설퇴적물 측정장치 시험시공 위치로 강원도 인제군 인제읍 덕산리 산 14-2 일대의 1개 유역을 선정하였다. 대상지역은 2006년과 2007년 집중호우로 인하여 대규모 토석류 산사태가 발생된 현장이다. Fig. 3(a)는 선정된 시험시공 구간의 유역을 위성사진으로 나타낸 것으로서 시점부에서 2개의 산사태가 발생되어 계곡부에서 합쳐졌으며, 이후 하부로 사태물질이 흘러내린 토석류 산사태이다.
Fig. 3(b)는 대상지역에서 발생된 산사태의 전경을 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 대상지역에 발생된 산사태는 토석류 산사태로서 사태물질이 계곡부를 따라 아래로 흘러 하부에 위치하고 있는 마을에 피해를 입혔다.
4.2 설치위치 선정
대상현장은 강원도 인제군 인제읍 덕산리 일대 1개의 유역으로 시점부에서 2개의 산사태가 발생되어 계곡부에서 합쳐졌으며, 이후 하부로 사태물질이 흘러내린 토석류 산사태 발생 현장이다. 현장조사결과 대상지역의 경우 4개의 사방댐이 계곡의 중하류부에 설치되어 있는 것으로 나타났다. 특히 하류부에는 1개의 대형 슬릿댐과 콘크리트 사방댐이 설치되어 있다. Fig. 4는 대상지역에 설치되어 있는 사방댐의 위치를 나타낸 것이다.
대상지역 토질의 공학적 특성을 파악하기 위하여 연구지역으로 선정된 인제군 인제읍 덕산리 일대 1개 유역에 대하여 토층시료를 채취하였다. 대상지역의 토질은 편마암 풍화토에 해당하는 것으로 조사되었다. 본 연구에서는 총 3개소에서 토층시료를 채취하였으며, 현장의 지형조건 및 토층분포 등을 고려하여 토층의 특성이 균등하게 반영될 수 있도록 하였다. 원지반의 토층시료는 표토를 제거한 후 40∼60cm 정도의 깊이에서 채취하였는데, 불교란 시료는 스테인레스로 제작된 원통형 샘플러를 이용하여 채취하였으며, 교란시료는 비닐팩을 사용하였다. 모든 시료는 현장조건이 최대한 유지되도록 밀봉한 상태로 실험실로 운반하였다. 그리고 채취한 토층시료를 이용하여 비중, 함수비, 액성한계 및 소성한계, 입도분석 등의 물성시험을 실시하고, 실내 밀도시험을 통해 건조 및 습윤단위중량을 산정하였으며, 직접전단시험을 실시하여 연구지역 토층의 강도정수를 구하였다. 한편 변수위투수시험을 통하여 연구지역 토층의 투수계수를 산정하였다. 위에서 언급된 제반 토질시험방법은 KS의 관련기준에 준하여 실시하였다.
Table 2는 대상지역의 토질에 대한 공학적 특성을 나타낸 것이다. 대상지역의 토질은 비중은 평균 2.637이며, 평균 습윤단위중량은 1.769t/m3, 평균 건조단위중량은 1.525t/m3이고, 함수비는 평균적으로 약 16%인 것으로 나타났다. 그리고 입도분석시험결과 입도가 양호한 모래(SW)로 분류되었으며, 유효입경은 0.1mm이다. 또한 직접전단시험결과 점착력은 0.95t/m2이고 내부마찰각은 34.6o인 것으로 나타났으며, 변수위투수시험결과 투수계수는 0.0168m/hr로 조사되었다. Fig. 5는 대상지역 토질대표적인 입도분포곡선을 나타낸 것이다.
Table 2. Engineering properties of soil obtained from the study area
이상의 결과를 토대로 연구지역 대상 유역에서 준설퇴적물 측정장치의 설치위치를 최종 선정하였다. 최종 선정시 준설퇴적물의 변화, 측정장치의 시공성, 측정장치 및 시스템의 유지관리 등을 고려하였다. Fig. 6은 준설퇴적물 측정장치가 설치될 사방댐 및 사방댐 배면의 사진을 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 콘크리트 사방댐으로서 배면에 준설퇴적물이 쌓여 있는 것으로 나타났다. 준설퇴적물 측정장치가 본 사방댐 배면에 설치될 경우 사방댐 배면의 준설퇴적물의 유지관리가 원활하게 수행될 것으로 판단된다.
4.3 준설퇴적물 관리시스템 현장설치
준설퇴적물 관리시스템은 강원도 인제군 인제읍 덕산리에 위치한 사방댐의 배면에 설치하였다. 개발된 준설퇴적물 관리시스템은 강우량을 측정할 수 있으며, 강우시 수위변화 및 사방댐 배면의 준설퇴적물 하중변화를 측정할 수 있다.
사방댐 배면에 쌓이는 준설퇴적물 하중을 측정하기 위하여 사방댐의 배면의 중앙에 개발된 하중측정계를 설치하였다. Fig. 7(a)는 대상 사방댐의 배면에 설치되는 하중측정계의 모습을 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 2개의 하중측정계를 인접하여 설치하였다. 하중측정계를 설치하기 위하여 지반을 굴착하고 지지층에 하중측정계를 설치한다. 설치가 완료된 이후 준설퇴적물이 쌓여 변화되는 하중을 실시간으로 측정할 수 있다.
사방댐 배면의 수위변화를 측정하기 위하여 사방댐 배면의 중앙에 수위계를 설치하였다. Fig. 7(b)는 사방댐의 배면에 설치된 수위계를 나타낸 것이다. 수위계를 설치하기 위하여 천공하고 수위계 관을 설치한다. 이후 수위계를 설치하여 실시간으로 지하수위의 변화를 측정할 수 있도록 하였다.
각종 측정유닛으로부터 특정된 자료를 저장, 관리 및 전달하는 Data Acquisition System(DAS)과 DAS의 전원공급을 위한 Solar System을 설치하였다. Fig. 7(c)는 대상사면의 강우를 측정하기 위하여 설치된 강우계를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 강우계는 사방댐의 보호펜스에 설치하였다. 한편, Fig. 7(d)은 DAS의 내부를 나타낸 것으로 각종 측정유닛으로부터 측정된 자료를 저장 및 전송을 위한 로거, CDMA 통신장치, 배터리 등이 있다. 그리고 DAS의 상부에는 전원공급을 위한 Solar System과 피뢰침이 설치되어 있다.
5. 측정결과 및 분석
5.1 측정결과
현장에 설치된 사방댐 배면의 준설퇴적물 관리시스템으로부터 측정된 결과를 분석하여 개발된 시스템의 적용성을 검증하고, 이를 통하여 현재 사방댐 배면의 준설퇴적물에 대한 현황 및 특성을 고찰하고자 한다.
Fig. 8은 현장에 설치된 다양한 센서로 부터 측정된 자료를 관리하기 위하여 개발된 유지관리 프로그램을 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 현장에서 측정된 결과를 확인할 수 있으며, 준설퇴적물에 대한 관리가 실제로 가능함을 알 수 있다. 또한 제시한 관리기준을 적용하여 실시간으로 사방댐 배면의 준설퇴적물에 대한 상태를 확인할 수 있다.
Fig. 9는 현장에 설치된 강우계를 통하여 측정된 강우자료이다. 그림에서 보는 바와 같이 측정기간은 2017년 5월 17일부터 10월 12일까지이며, 산사태가 많이 발생되는 우기철인 6월부터 9월 사이의 측정자료를 포함하고 있다. 그림에서 보는 바와 같이 대상지역의 경우 최대강우량은 80mm가 넘는 것으로 나타났으며, 40mm이상의 강우가 발생된 경우는 4회인 것으로 나타났다. 전체적인 강우자료를 살펴보면 6월 말부터 8월 말 사이에 급격하게 강우량이 증가함을 알 수 있다.
Fig. 10은 현장에 설치된 수위계를 통하여 측정된 사방댐 배면에서의 수위를 나타낸 것으로 측정기간은 2017년 5월 17일부터 10월 12일까지이다. 그림에서 보는 바와 같이 사방댐 배면의 수위는 4회에 걸쳐 급격하게 증가하는 것으로 나타났다. 사방댐의 배면의 수위는 급격하게 증가하는 경우 1.5m에서 2.3m범위에 존재하는 것으로 나타났다. 그러나 평상시 사방댐 배면의 수위는 0.5m이하를 나타내고 있다.
Fig. 11은 본 연구를 통하여 개발된 하중측정계를 이용하여 사방댐 배면의 준설퇴적물의 하중을 측정한 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 사방댐 배면의 준설퇴적물의 하중은 시간이 지남에 따라 지속적으로 증가하는 것으로 나타났다. 특히 4회에 결쳐 준설퇴적물의 하중이 급격하게 증가하였다가 감소하는 것으로 나타났다.
Fig. 12는 사방댐 배면의 하중측정계 설치깊이에서 부터 측정한 준설퇴적물의 높이를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 준설퇴적물의 높이는 시간이 지남에 따라 지속적으로 증가하고 있으며, Fig. 12에서 측정된 준설퇴적물의 하중증가 양상과 유사함을 알 수 있다.
Fig. 13은 대상지역에 설치된 하중측정계를 이용하여 사방댐 배면에서 측정된 준설퇴적물의 하중변화를 강우자료와 함께 도시한 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 40mm이상의 강우가 발생된 경우 사방댐 배면에서 측정된 준설퇴적물의 하중은 급격하게 증가하였다가 다시 감소하는 것으로 나타났다.
5.2 관리기준 적용
본 연구를 통하여 제안된 사방댐 배면의 준설퇴적물의 관리지준을 적용하여 현재 사방댐의 상태를 확인하고자 한다. 먼저 강원지역의 강우강도와 강우지속시간을 이용한 산사태 발생기준을 적용하여 대상지역에서의 산사태 발생여부를 검토하였다.
Fig. 14는 대상지역 사방댐 배면의 준설퇴적물 하중에 대한 관리기준을 적용한 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 현재 측정된 준설퇴적물의 하중은 1,000kg이하이므로 관심단계인 5,100kg보다 아래에 있는 것으로 조사되었다. 따라서 현재 사방댐 사방댐에 대한 특별한 관리가 필요 없는 상태임을 알 수 있다. 대상지역에 설치되어 있는 사방댐 배면의 준설퇴적물 관리시스템을 활용하여 현재 준설퇴적물의 하중을 실시간으로 측정할 수 있으며, 이를 토대로 준설퇴적물에 대한 현재 상태와 준설시기 등을 선정할 수 있을 것으로 판단된다.
6. 결론
본 연구에서는 사방댐 배면의 퇴적물에 대한 준설시기를 객관적, 정량적, 과학적으로 결정할 수 있도록 사방댐 배면의 준설퇴적물 측정장치를 개발하고 실제 현장에 시범 구축하였다. 그리고 대상 현장에 적용하기 위하여 사방댐 준설퇴적물의 관리기준을 마련하고 이를 토대로 유지관리 방안을 제시하였다. 이상의 결과를 정리하면 다음과 같다.
(1) 사방댐 배면의 준설퇴적물 하중을 측정하기 위하여 준설퇴적물 관리시스템을 설계 및 개발하였다. 본 관리시스템은 Data Acquisition System(DAS), Solar System 및 준설퇴적물 하중변화 측정유닛으로 구성되어 있다. 또한 사방댐 배면의 준설퇴적물 하중, 수위 및 강우량을 실시간으로 측정하고 무선통신을 통하여 자료를 전송할 수 있다.
(2) 준설퇴적물 하중변화 측정유닛은 강우를 측정하기 위한 강우계, 사방댐 배면의 준설퇴적물 하중을 측정하기 위한 하중측정계, 사방댐 배면 수위를 측정하기 위한 수위계로 구성되어 있다.
(3) 사방댐 배면의 준설퇴적물 관리기준은 사방댐 배면의 준설퇴적물 하중을 기준으로 제안하였다. 사방댐 배면에 퇴적될 수 있는 최대 준설퇴적물의 양(Wall = S1 × hd × γt)을 산정하고, 이를 토대로 최대 준설퇴적물의 50%, 70% 및 90%가 쌓인 경우 관심, 주의 및 경보의 단계로 구분하여 관리기준을 마련하였다.
(4) 연구지역 사방댐 배면의 준설퇴적물 관리시스템에 측정된 자료를 분석한 결과 준설퇴적물의 하중은 시간이 지남에 따라 지속적으로 증가하고 있으나 준설퇴적물 하중은 1,000kg이하이므로 관심단계인 5,100kg보다 아래에 위치하고 있으므로 사방댐에 대한 특별한 관리가 필요 없는 상태임을 알 수 있다.
(5) 사방댐 배면의 준설퇴적물 관리시스템을 활용하여 현재 준설퇴적물의 하중을 실시간으로 측정할 수 있으며, 이를 토대로 사방댐의 상태와 준설퇴적물의 준설시기를 결정할 수 있을 것으로 판단된다.
