1. 서 론
2. 재료 및 방법
2.1 센서의 검정
2.2 발파실험용 사면 조성
2.3 지중변위센서 설치
3. 암반 발파시험을 통한 지중변위센서의 적용성
3.1 암반사면 붕괴 실험
3.2 결과 및 고찰
4. 결 론
1. 서 론
최근 여름철 자연재해 중 산사태 등 사면 재해가 전체의 41%를 차지하며, 2011년에는 우면산 산사태로 3,768억원의 재산피해와 58명의 인명 피해를 초래하는 등 지반 붕괴에 따른 피해가 많이 발생하고 있는 실정이다.
기존의 사면 계측 시스템들은 설치 및 유지관리가 어려운 문제가 있고 가격이 비싸며, 여러 센서와 네트워크를 채택하여 시스템 구조가 단순하지 않고 관리자가 계측된 자료를 기초로 1차 분석한 후 경보 여부를 판단하므로 위기대응도 느리게 되어 비효율적 체계를 지닌다.
지자체에서 운용중인 급경사지 계측시스템은 지표변위계, 지하수위계, 강수량계 등 여러 센서를 복합적으로 설치하고 있으며 각각의 센싱된 값을 기초로 붕괴위험을 판단하므로 분석에 장시간이 소요되고 정확하게 예·경보하는데 제한적인 경우가 발생하게 된다.
지반분야 센서시스템과 관련한 국내 연구 현황을 살펴보면 산림청에서는 기상청 강우자료(동네예보) 기반 권역별 산사태 토양함수 지수(예측기준)를 생산하고 지자체 읍·면·동 단위로 예측정보 제공하고 있으며 자연산지 중 임야에 한하여 산사태 예측 및 예·경보를 위한 산사태 정보 시스템을 개발하여 운영 중이다(Lee et al., 2015).
국립재난안전연구원에서는 강우량 및 지형조건을 기반으로 한 실시간 급경사지 붕괴위험도 판단시스템을 개발하였으며 국토연구원에서는 도심지 토사재해 통합관리시스템 개발로 토사재해 예방형 도시계획을 위한 가이드라인을 제공하고 있다(Jang et al., 2016).
국토교통부에서는 전국 일반국도 주변 절토사면을 대상으로 도로비탈면유지관리시스템을 운영하고 있으며 기상청에서는 기존 AWS 시스템과 연계한 USN 자동기상관측장비를 도입하여 기상데이터를 수집 및 분석하는 네트웍을 구성하고 제주 남부일원 50곳에 GPS 기반의 7종류(온도, 습도, 기압, 강우, 강우감지, 풍향, 풍속)관측 센서를 설치하여 기상 및 산사태 계측시스템을 구축하였다(Kim et al., 2016; Chae, 2014).
국외 연구 현황을 살펴보면 미국은 지질조사국(USGS) 국립산사태정보센터가 주축이 되어 미국 전역을 대상으로 광역적인 산사태 취약성 평가, 산사태 위험지도 작성 및 실시간 모니터링 등 수행 중이며, 유럽에서는 산사태 재해예방을 목적으로 공동협력 프로젝트를 통하여 산사태 감지 및 모니터링 시스템을 구축하기 위한 노력을 지속적으로 하고 있다(Park et al., 2017).
일본의 경우 낙반재해를 사전에 감지하여 피해를 예방하기 위해 건설성 토목연구소에서 암반사면 감시시스템을 개발, 암반사면의 계측을 지속적으로 수행하고 있으며, 미국에서는 산악지대에 있는 도로에 낙석위험 경보를 발령할 수 있는 계측시스템을 설치하여 운용하고 있고, 홍콩의 경우 사면붕괴 발생 전 경고를 위해 주로 강우와 지하수위 변화에 대한 국지적인 계측을 수행하고 있다(Kim, 2020).
일본에서는 와이어 센서, 진동센서, 음향센서, 감시카메라 등을 활용하여 산사태 발생을 감지하고 있으며 중국에서는 지반환경 모니터링 연구소에서 중국 전지역을 크게 7개 권역 28개 소지역으로 나누어 산사태/토석류 발생 이전 15일간의 강우량 통계를 활용한 사전 예·경보 시스템을 관리‧운영 중에 있다(Chae, 2015)
이탈리아에서는 광섬유케이블 센서(Predicting landslides with light)를 개발하였으며, 러시아에서는 연방기관(Scientific Center “HYDGEO”)이 8개 지역과 76권역으로 나뉜 러시아 전역의 사면 계측 자료를 수집, 처리 및 분석하는 사면 방재 시스템을 구축하였고, 홍콩은 산사태가 자주 발생하는 지역에 GNSS 와 간극수압계를 이용 급경사지 모니터링 시스템을 구축하고 실시간 감시 중에 있다(Yoon, 2011).
기존의 센서네트웍시스템은 센서노드가 거리가 짧아 사용망에 연결되어 사용하게 되므로 통신비용이 발생하는 문제가 있으며, 네트워크 시스템 구조가 복잡하고 설치와 유지보수에 많은 비용이 발생하는 문제가 있다. 현재 현업에서는 사면거동 계측 및 붕괴 예측에 이용되는 계측기의 80% 이상을 해외 수입제품을 사용하여 지속적으로 많은 부대비용을 지출할 뿐 아니라 해당 원천기술을 확보하지 못한 상태이므로 고효율 저비용의 스마트 센서 시스템의 국내 개발이 시급한 실정이다.
본 연구에서는 사면 붕괴 위험을 사전에 신속히 감지하고 정확한 판단으로 예·경보를 발령할 수 있는 비교적 저렴하고 효율적인 사면 붕괴 예측 시스템을 개발하기 위하여 암반 발파시험을 통한 지중변위센서의 적용성을 고찰하였다. 본 연구를 통해 반복되는 사면붕괴, 건설 공사장 붕괴사고와 같은 지반재해로부터 국민이 체감할 수 있는 안심사회를 만드는데 활용될 수 있는 사면 붕괴 예측 기법에 필요한 기초 자료를 제시할 수 있을 것으로 사료된다.
2. 재료 및 방법
본 연구에서는 지중변위센서의 성능을 검증하기 위해 강원도 횡성에 위치한 암반사면에 지중변위센서를 설치한 후 사면붕괴 실험을 수행하였다. 지중변위센서의 주재료는 GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastic) type의 록볼트를 사용하였으며(Fig. 1 참조), 외경 25mm, 길이 3,000mm의 GFRP 재료 표면에 길이 10cm, 폭 1cm 정도의 직사각형 영역을 매끄럽게 연마한 후, GFRP 전체 길이의 1/2, 3/4 지점에 센서를 부착하고 절연 테이프로 센서 보호, 방수 및 절연이 되도록 하였다(Table 1, Fig. 2 참조). 지중변위센서의 외부는 사면 매설 시 센서 케이블이 끊어지지 않도록 하기 위하여 센서 부착 후 코팅제로 마감 처리하였다(Fig. 3 참조).
Table 1.
Product specification
| Item | Unit | Standard Specification |
| Breaking Load | mm | 25 |
| Tensile strength | MPa | 850 |
| Shear strength | MPa | 150 |
| Glass content | % | 75 |
| Dia, Top (Da) | mm | 25.0×0.5 |
| Dia, Top (Db) | mm | 22.6×0.5 |
2.1 센서의 검정
본 연구에서는 GFRP 록볼트형 지중변위센서를 제작하였으며, 변위-스트레인 응답을 검정하였다. 지중변위센서의 오른쪽 끝단에서 1/4지점 부근을 고정단으로 하고, 자유단의 일정지점에 하중을 부가하여 변위와 스트레인을 측정하는 캔틸레버보 검정방법을 사용하였으며, 하중 부가 시 발생하는 변형과 응답변형을 측정하였다.
Fig. 4는 센서의 중앙 지점(S1), Fig. 5는 센서의 1/4 지점(S2)에서의 검정결과를 그래프로 나타낸다.
검정결과의 추세선은 실제 계측 값을 효율적으로 활용하기 위하여 식 (1), 식 (2)와 같이 간단한 1차함수로 표현하였다. 하중 부가 시 GFRP 자유단의 변형에 따른 응답변형이 비교적 명확하게 판별되어, 지반 변형거동의 계측에 적용이 가능할 것으로 사료된다.
2.2 발파실험용 사면 조성
암반사면에서 지중변위센서의 성능 검증을 위해 Fig. 6과 같이 강원도 횡성에 위치한 암반사면에 천공 후 지중변위센서 설치 후 암반붕괴 실험을 수행하였다.
실험 대상 암반사면은 높이 8.0~9.0m 경사는 50°~80°정도이고 전체적인 암반의 풍화도는 보통풍화(M.W)가 우세하며, 비탈면 상부는 임도가 위치하여 수평으로 완만한 형상이다. 발파시험을 위해 Fig. 7과 같이 장약 설치용 홀 높이 0.5m, 센서 설치용 홀 높이 5.1m, 4.2m, 3.6m 위치에 3m 깊이로 천공을 실시하였다.
2.3 지중변위센서 설치
Fig. 8과 같이 센서 설치용 홀 높이 5.1m, 4.2m, 3.6m 위치에 IoT Client가 장착된 GFRP 지중변위센서(무선)와 통신케이블이 연결 가능한 GFRP 지중변위센서(유선)를 수평간격 0.6m, 수직간격 0.6m, 0.9m로 배치하였다(Fig. 9 참조).
시멘트밀크를 1m3당 물 730L, 시멘트 880kg의 비율로 제작하고 침전 및 소성수축 현상 방지를 위해 시멘트 중량의 1% 비율로 팽창제를 첨가한 뒤 암반과 지중변위센서가 일체 거동하도록 Fig. 10과 같이 센서 설치된 홀에 시멘트밀크를 주입하였다.
Fig. 11와 같이 케이블로 Data logger에 연결하여 계측데이터를 수집하는 유선 type과 IoT Client와 Lora통신망을 통해 게이트웨이로 계측데이터를 송신하는 무선 type으로 나누어 실험을 수행하였다. 발파에 따른 사면 거동시 센서로부터의 Fig. 12와 같이 데이터로거를 통해 데이터를 수집하여 비교·분석하였다.
3. 암반 발파시험을 통한 지중변위센서의 적용성
3.1 암반사면 붕괴 실험
본 연구에서는 Fig. 13과 같이 암반 하부에서 0.5m 높이에 천공하여 장약을 한 후 암반사면 내측부에서 발파 시 사면의 거동을 관찰하였다. 암반발파는 같은 천공 위치에서 총 3번으로 나눠 발파하였고 각 발파마다 30분 동안 사면 거동 데이터를 수집을 하였다.
Fig. 14에서 1차 발파 시 충격으로 실험 대상지 우측부 암반이 발파의 영향으로 붕락되었으나, 지중변위센서의 계측 데이터는 이상없이 관측되었다. 그러나 2차 발파에서는 지중변위센서가 설치 된 하부측 암석이 Fig. 15에서 보는 바와 같이 붕락되면서 우측 하부의 지중변위센서 1개의 케이블선이 끊어져 그 센서는 실험에서 제외하였다.
Fig. 16은 3차 발파후 전경으로 실험 대상지 좌측 암반이 붕락되면서 센서가 설치된 대상사면 좌측에 크랙이 발생하였고 발파 에네지로 인해 3열 중앙부 IoT Client가 망실되어 실험에서 제외하였다. Fig. 17은 발파실험 후 전경을 나타내는 것으로 일부 암반이 붕락되었으나 여러 개의 지중변위센서가 계측 가능한 암반에 위치하고 있음을 볼 수 있다.
3.2 결과 및 고찰
Fig. 18은 데이터로거를 통해 계측된 발파 실험 시 시간 경과에 따른 사면 거동 양상을 나타내며, 발파 이후 큰 변형 거동을 나타내며, 매 발파 시 장약량의 차에 따른 발파 에너지 차이로 변형 거동량은 다르게 나타남을 볼 수 있다.
1차 발파에서는 좌중앙부 및 좌하부측인 Sensor2 및 Sensor3에서 변위량이 약 81mm 및 75mm를 기록하여 비교적 큰 변형량을 기록하였으며, 발파원과 가까운 곳 Sensor2 및 Sensor3이 발파에 따른 암반 파쇄로 인해 큰 변위값을 나타내고 발파원과 떨어진 상부측에 위치한 Sensor1은 비교적 작은 변형량을 나타내었다. 1차 발파 후 변위값은 Sensor1 s1, s2는 모두 –1mm이하로 나타났으며, Sensor2 s1, s2는 약 10mm, 81mm, Sensor3 s1, s2는 약 75mm, 4mm정도의 변위가 발생하였다.
1차 발파 이후 계측 후 변위가 더 이상 발생하지 않는 것을 확인하고 30분간 대기 후 2차 발파를 실시하였으며, 2차 발파 및 3차 발파시 Sensor의 변위값을 제로셋 시킨 후 변위를 관측하였다. 2차 발파에서도 좌하부측인 Sensor3에서 약 55mm를 기록하여 비교적 큰 변형량을 기록하였으며, Sensor3은 1차 발파와 유사한 양상을 나타냈으나 Sensor2는 1차 발파 시 보다는 비교적 작은 변형량인 12mm정도의 변위값을 기록하였다. 2차 발파 후 변위값을 보면 Sensor1 s1, s2는 약 18mm, 2mm, Sensor2 s1, s2는 약 1mm, 12mm, Sensor3 s1, s2는 55mm, 12mm의 변위가 발생하였다.
3차 발파 후 변위값은 Sensor1 s1, s2는 약 110mm, 62mm, Sensor2 s1, s2는 약 14mm, 65mm, Sensor3 s1, s2는 약 35mm, 9mm의 변위가 발생하였다. 2차 발파 및 3차 발파 시 지중변위센서에 기록된 변위 방향은 1차 발파 시와 유사한 패턴으로 변위 방향이 형성되었음을 확인할 수 있다.
3차 발파에서는 우상부측인 Sensor1에서 약 110mm를 기록하여 비교적 큰 변형량을 기록하였으며, 1차에서부터 3차까지 연속되는 발파로 인해 사면 내부측에 균열 및 파쇄로 인한 내측 암반 거동으로 비교적 큰 변형이 기록된 것으로 사료된다. 또한 암반 불연속면의 분포 양상과 발파로 인한 사면 내부의 암반의 거동이 지중변위센서에서 계측되는 변위 값에 밀접한 영향을 미치는 것으로 판단된다.
Table 2는 각 발파 실험에서의 센서별 변위값 분포 현황을 나타낸다.
Table 2.
Displacement value data obtained through blasting experiment
Fig. 19는 무선 type 지중변위센서 시스템의 발파 실험에서 얻어진 시간 경과에 따른 변위값을 나타낸다. 1차 발파에서는 중앙상부 및 중앙부측인 Sensor1 및 Sensor2에서 변위량이 약 28mm 및 51mm를 기록하였으며, 발파원과 가까운 곳 Sensor2가 발파에 따른 암반 내부 파쇄로 인해 큰 변위값을 나타내고 발파원과 떨어진 중앙상부측에 위치한 Sensor1은 Sensor2에 비해서는 비교적 작은 변형량을 나타내었다. 1차 발파 후 변위값은 Sensor1 s1, s2는 약 12mm, 28mm 변위가 발생하였으며, Sensor2 s1, s2는 약 51mm, 15mm의 변위가 발생하였다.
2차 발파에서는 Sensor1 및 Sensor2에서 유선 type보다는 비교적 작은 변형량을 기록하였는데 무선 type의 지중변위센서가 중앙부에 위치하여 암반하부측에 위치한 유선 type의 센서보다 비교적 덜 발파에너지의 영향을 받은 것에 기인하는 것으로 판단된다. 2차 발파 후 변위값을 보면 Sensor1 s1, s2는 약 0.1mm, 2mm, Sensor2 s1, s2는 약 9mm, 11mm의 변위가 발생하였다.
3차 발파에서는 중앙상부측인 Sensor1에서 약 13mm를, 중앙부측인 Sensor2에서는 약 38mm를 기록하여 비교적 큰 변형량을 기록하였으며, 1차에서부터 3차까지 연속되는 발파로 인해 사면 내부측에 균열 및 파쇄로 인한 내측 암반 거동으로 비교적 큰 변형이 기록된 것으로 사료된다. 3차 발파 후 변위값은 Sensor1 s1, s2는 약 13mm, 3mm, Sensor2 s1, s2는 약 7mm, 38mm의 변위가 발생하였다.
유선 type 지중변위센서 시스템과 무선 type 지중변위센서 시스템을 통한 계측데이터가 다소 차이를 나타내지만 이는 계측 위치가 다르고 발파로 인한 사면 내부의 거동 양상이 다름에 기인한 것으로 판단된다. 또한, 두 계측 방식의 계측량이 유사한 패턴을 나타내어 유선 및 무선 type의 지중변위센서 시스템은 암반사면 거동 계측에 활용 가능한 시스템임을 확인하였다.
4. 결 론
본 연구에서는 사면 붕괴 위험을 사전에 감지하고 신속 정확한 판단으로 경보를 발령할 수 있는 효율적이며 비교적 저렴한 사면 붕괴 경보시스템 개발을 위해 암반 발파시험을 통한 지중변위센서의 적용성을 연구하였다. 본 연구에서 얻어진 결론은 다음과 같다.
(1) 유선 type의 발파실험 결과 3차 발파에서 1차 및 2차 발파에 비하여 비교적 큰 변형량을 기록하였으며, 1차에서부터 3차까지 연속되는 발파로 인해 사면 내부측에 균열 및 파쇄로 인한 내측 암반 거동으로 비교적 큰 변형이 기록된 것으로 판단된다.
(2) 무선 type의 발파실험 결과, 발파원과 가까운 곳에 위치한 센서가 발파에 따른 암반 내부 파쇄로 인해 큰 변위값을 나타내고 발파원과 떨어진 곳에 위치한 센서는 비교적 작은 변형량을 나타내었으나 계측기의 위치보다는 암반 불연속면의 분포 양상과 발파로 인한 사면 내부의 암반의 거동이 보다 더 지중변위센서에서 계측되는 변위 값에 영향을 미치는 것으로 사료된다.
(3) 암반 발파 시험을 통해 지중변위센서 시스템의 적용성을 고찰한 결과 유선 및 무선 type의 지중변위센서 시스템은 암반사면 거동 계측에 활용 가능한 시스템임을 확인하였다.
