1. 서 론
국내에서 대부분의 사면붕괴는 우기철에 집중적으로 발생되므로 강우가 사면붕괴를 일으키는 주요 원인임을 알 수 있다. 일반적으로 강우로 인한 사면붕괴의 원인은 지하수위 상승으로 인하여 사면지반 내 간극수압의 증가로 알려져 왔다. 그러나 실제로는 지하수위 상승으로 인한 사면붕괴보다는 강우침투로 인하여 형성된 습윤전선이 임계깊이까지 하강하여 발생되는 얕은 사면파괴가 주를 이루고 있다.
사면지반내 강우침투시 모관흡수력이 감소되고 이로 인하여 전단강도가 감소되어 사면붕괴가 발생하게 된다(Ng and Shi, 1998; Cho and Lee, 2001; Oh and Lu, 2015). Fredlund and Rahardjo (1995)는 집중강우가 발생되더라도 지하수위의 높이는 대부분 수미터의 범위에서만 상승하므로 깊은 곳에 위치하고 있는 지하수위의 상승은 얕은 사면파괴에 큰 영향을 미치지 못한다고 보고한 바 있다.
따라서 강우침투로 인하여 사면지반내 불포화 특성이 변화함을 알 수 있으며, 이를 고찰하기 위해서는 사면지반에서의 강우침투로 인한 모관흡수력과 체적함수비 변화에 대한 현장 측정자료가 필요하다.
본 연구에서는 부산 임기광산 광산폐기물 사면을 대상으로 강우침투에 따른 지반내 불포화 특성변화를 살펴보기 위하여 불포화토 특성변화 측정유닛 및 시스템을 설계 및 구축하였다. 먼저 국내외 강우시 불포화토내 특성변화에 대한 모니터링과 관련된 자료를 조사하고, 이를 토대로 사면에 적용할 불포화토 특성변화 측정유닛 및 시스템을 설계하였으며, 광산폐기물 적치사면에 측정유닛 및 시스템을 설치하였다. 이와 같이 설치된 불포화토 특성변화 측정유닛 및 시스템을 이용하여 강우침투에 따른 모관흡수력 및 체적함수비 변화를 측정하고, 강우시 광산폐기물 적치사면의 불포화 특성을 고찰하고자 한다.
2. 현장계측 사례조사
국내의 경우 현장계측을 통하여 강우시 지반내 불포화 특성변화에 대한 연구는 미흡한 편이다. Lee et al. (2003)은 풍화토 사면을 대상으로 Jet-fill 타입의 tensiometer와 함수비 센서를 설치하여 강우에 따른 풍화토 사면내 지반의 모관흡수력 변화와 체적함수비 변화를 측정한 연구가 있다. 그리고 Song et al. (2016)은 자연사면 토층내 TDR 센서를 설치하고 강우에 따른 토층내 체적함수비 변화를 측정하여 불포화 사면의 안정성을 평가한 연구가 있다.
국외의 경우 자연사면 뿐만 아니라 인공사면을 대상으로 다양한 계측센서를 설치하여 강우침투에 따른 사면지반내 응력 및 사면안정성 변화에 대한 연구가 수행되었다. Damiano et al. (2012)는 이태리 Naples에서 약 50km 떨어져 있는 Apennine지역의 화산쇄설토 사면을 대상으로 간극수압계, 모관흡수력계, 강우계 등을 이용하여 강우에 따른 지반내 모관흡수력의 변화와 대상사면에 대한 안정성 변화를 분석하였다. Godt et al. (2009)은 Seattle의 해안절벽에서 발생되는 얕은 사면파괴를 대상으로 함수비 센서와 tensiometer, 그리고 piezometer를 설치하여 2년 동안 모니터링을 하였으며, 사면파괴시 각 센서에서의 변화를 측정하였다. Tu et al. (2009)은 중국 북서부지역에 Loess로 구성된 고속도로 절취사면에 대하여 tensiometer, 함수비 센서, 지하수위계, vaccum sensor, piezometer를 다른 심도에 그룹별로 다양하게 설치하여 강우에 따른 지반내 불포화 특성을 측정하고 이를 토대로 강우시 침투특성과 강우에 따른 파괴메카니즘을 연구한 바 있다. Rahardjo et al. (2008)은 Nayang Technical University(NTU)의 2개 캠퍼스에 위치한 4개의 사면을 대상으로 jet-fill 타입의 tensiometer와 piezometer, 함수비 센서를 이용하여 선행강우에 따른 잔류토 사면에서의 간극수압분포에 대한 영향을 검토하였다. Rahardjo et al. (2005)은 Nayang Technical University(NTU)의 토목구조공학관에 인접한 절개사면에 인공강우장치와 표면유출수 측정장치를 하였다. 그리고, 대상사면에 약 50개의 tensiometer와 piezomneter, TDR 센서를 설치하여, 강우에 따른 침투능과 간극수압을 측정하여 강우에 따른 침투특성을 분석한 바 있다. Mofiz et al. (2005)은 말레이시아 쿠알라룸푸르의 한 대학병원 배후에 위치한 화강암 풍화토 사면을 대상으로 jet-fill 타입의 tensiometer와 piezometer를 다른 심도에 그룹별로 설치하여 강우에 따른 침투 특성 및 모관흡수력의 변화를 관찰하였다. Gasmo et al. (1999)은 Nayang Technical University(NTU)의 토목구조공학관 서측에 위치한 절개사면을 대상으로 tensiometer, piezometer, 경사계 등을 적용하여 강우시 지반내 수분변화를 측정하고, 이를 토대로 강우침투와 증발에 따른 사면의 안정성 변화와, 현장에 설치된 수평배수재의 역할을 검증한 바 있다. Lim et al. (1996)은 싱가포르의 퇴적 Jurong층에 위치한 잔류토 사면을 대상으로 jet-fill 타입의 tensiometer와 piezometer를 다른 심도에 그룹별로 설치하여 강우에 따른 침투 특성 및 모관흡수력의 변화를 관찰하였다.
3. 불포화 특성변화 측정유닛 및 시스템 설계
국내외에서 연구된 기존 자료에 대한 분석을 토대로 본 연구에 적용할 불포화토 특성변화 측정유닛을 선정하고 이를 설계하였다. Fig. 1은 부산 임기광산 광산폐기물 사면에 설치될 불포화토 특성변화 측정유닛의 설계 개략도를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 강우를 측정하기 위한 강우계, 지반내 모관흡수력을 측정하기 위한 tensiometer, 체적함수비를 측정하기 위한 TDR 센서, 지하수위를 측정하기 위한 지하수위계, 지반의 변위를 측정하기 위한 자동경사계로 구성되어 있다.
특히 강우침투에 따른 지반내 응력 및 불포화 특성을 관찰하기 위하여 tensiometer와 TDR 센서는 깊이별로 3개 위치에 설치하였다. 이를 이용하여 강우시 깊이별 모관흡수력 및 체적함수비의 변화를 알 수 있게 된다.
Table 1은 본 연구에서 선정된 측정항목과 이를 측정하기 위한 측정유닛을 나타낸 것이다. 본 연구에서는 총 5가지의 측정항목을 선정하고 각 항목을 측정할 수 있는 센서를 선정하였다. 표에서 보는 바와 같이, 강우측정을 위한 강우계는 tipping bucket 타입으로 선정하였고, 모관흡수력 측정을 위한 tensiometer는 jet-fill 타입으로 선정하였으며, 체적함수비 측정을 위하여 TDR 센서로 선정하였다. 현장에서 측정된 모관흡수력과 체적함수비와 기 산정된 임기광산 광산폐기물 폐석미분에 대한 흙-함수특성곡선(SWCC) 및 흡입응력특성곡선(SSCC)를 이용하여 지반내 불포화 특성에 대한 분석이 가능하다.
불포화토 특성변화 측정시스템은 각종 측정유닛으로부터 특정된 자료를 저장, 관리 및 전달하는 시스템을 말한다. 본 시스템에서는 불포화 지반의 특성변화를 측정하기 위하여 설치된 측정유닛으로부터 자료를 자동으로 측정하고 무선통신을 통하여 자료를 전송한다.
불포화토 특성변화 측정시스템은 Data Acquisition System (DAS), Solar System 및 불포화토 특성변화 측정유닛으로 구성되어 있다. Fig. 2는 불포화토 특성변화 측정시스템의 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.
4. 불포화 특성변화 측정유닛 및 시스템 현장설치
불포화토 특성변화 측정시스템은 부산광역시 기장군 철마면 임기리에 위치한 임기광산의 광산폐기물 적치사면에 설치하였다. 대상사면은 폐광이후 특별한 광해방지대책 없이 장기간 노출되어 지표면에서 침식 및 세굴로 인한 유실이 심하게 발생되고 있는 상태이다. 불포화토 특성변화 측정시스템을 이용하여 강우시 대상사면의 침투 및 변형거동을 측정하고자 한다.
대상사면을 구성하고 있는 광미의 공학적 특성을 조사하기 위하여 실내시험을 수행하였으며, 이들 결과는 Table 2와 같이 나타낼 수 있다(Song et al., 2014). 시험결과에 따르면 대상 시료는 통일분류법(USCS) 상에서 실트질 모래(SM)에 해당하며, 현장건조단위중량은 1.59t/m3으로 조사되었다. 또한 포화투수계수는 1.71×10-3cm/sec로 측정되었다.
Fig. 3은 대상 사면에 대한 불포화토의 특성변화 모니터링을 위하여 설치된 각종 계측장치를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 광산폐기물 적치사면에 강우에 따른 모관흡수력 및 체적합수비의 변화를 측정하기 위하여 사면부의 중앙에 Tensiometer와 TDR을 설치하였다. 특히 강우시 침투로 인한 침윤전선의 거동과 깊이별 모관흡수력 및 체적합수비의 변화를 측정하기 위하여 Tensiometer 및 TDR을 지표면으로부터 0.5m, 1.0m 및 1.5m에 각각 설치하였다. 그리고 사면지반의 변형거동과 지하수위의 변화를 측정하기 위하여 광산폐기물 적치사면의 소단부에 자동 경사계(Inclinometer)와 지하수위계를 설치하였다. 또한 대상사면에 대한 강우량을 측정하기 위하여 강우계를 설치하였으며, 각종 측정유닛으로부터 특정된 자료를 저장, 관리 및 전달하는 Data Acquisition System(DAS)과 DAS의 전원공급을 위한 Solar System을 설치하였다.
Fig. 4는 대상사면에 설치되는 Tensiometer와 TDR의 모습을 나타낸 것이다. 대상현장의 광산폐기물에서 나오는 침출수의 pH가 3이하로 강산성을 띄고 있으므로 광산폐기물 또한 매우 강산성임을 알 수 있다. 따라서 TDR은 일반 센서 보다 내구성 및 내부식성이 우수한 IMKO사의 TRIME PICO 64를 현장에 설치하였다.
5. 측정결과 및 분석
임기광산의 광산폐기물 적치사면에 설치된 불포화토 특성변화 측정시스템으로 측정된 각종 자료를 분석하였다. Fig. 5는 대상사면에 설치된 강우계로부터 측정된 일강우량과 강우강도를 나타낸 것이다. 측정된 기간은 2013년 7월 9일부터 11월 9일까지 4개월간이다. 그림에서 보는 바와 같이 최대일강우량은 2013년 10월 8일 발생된 105.2mm이며, 50mm이상 1회, 20mm이상 1회, 10mm이상 6회가 발생되었다. 한편 최대강우강도는 2013년 9월 29일 발생된 23mm/hr이며, 15mm/hr이상 3회, 10mm /hr이상 4회가 발생되었다. 그리고 4개월 동안 총 누적강우량은 322.3mm로 측정되었다.
Fig. 6은 TDR센서로 부터 측정된 깊이별 체적함수비의 변화를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 체적함수비의 변화는 강우강도에 의해 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 즉 강우시 강우침투로 인하여 체적함수비는 증가하다가 이후 건기시 다시 감소하며, 강우시 다시 증가하는 경향을 보인다. 한편 강우시 체적함수비는 지표면에서 크게 발생되며 하부로 갈수록 작게 발생됨을 알 수 있다. 그러나 건기시에는 지표면으로부터 1.0m위치에서 가장 크게 나타나며, 1.5m 및 0.5m 순서로 체적함수비가 크게 발생되고 있다. 이러한 원인은 지표면으로부터 0.5m의 경우 건기시 증발로 인하여 체적함수비가 감소된 것으로 판단된다. 즉 강우시와 건기시의 체적함수비 변화폭은 지표면으로부터 0.5m위치에서 가장 크게 발생되며, 강우시와 건기시의 체적함수비 최대변화량은 약 10% 정도인 것으로 나타났다.
Fig. 7은 Tensiometer로 부터 측정된 깊이별 모관흡수력의 변화를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 모관흡수력의 변화는 강우강도에 의해 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 즉 강우시 강우침투로 인하여 모관흡수력은 감소하다가 이후 건기시 다시 증가하며, 강우시 다시 감소하는 경향을 보인다. 한편 강우시 모관흡수력은 지표면에서 가장 작게 발생되며 하부 깊이로 갈수록 크게 발생됨을 알 수 있다. 그러나 건기시에는 지표면으로부터 1.0m위치에서 가장 크게 나타나며, 1.5m 및 0.5m 순서로 모관흡수력이 작게 발생되고 있다.
이러한 결과와 발생원인은 전술한 강우강도에 따른 체적함수비의 변화와 동일함을 알 수 있다. 한편 모관흡수력의 변화폭은 지표면으로부터 0.5m, 1.0m 및 1.5m의 깊이의 순서로 크게 발생됨을 알 수 있다. 강우시와 건기시의 모관흡수력 변화폭은 지표면으로부터 0.5m위치에서 가장 크게 발생된다. 그리고 강우시와 건기시의 모관흡수력 최대변화량은 약 40kPa 정도인 것으로 나타났다.
일반적으로 토층내 강우침투 및 증발에 대한 영향은 깊이가 증가함에 따라 감소한다. Fig. 6 및 Fig. 7에 나타난 계측결과에서 보는 바와 같이 체적함수비에 따른 모관흡수력의 변화는 지표면으로부터 0.5m 깊이에서 가장 크게 발생되는 것으로 나타났다. 이러한 측정결과를 토대로 자연상태에서 지표면에 가까운 토층의 경우 강우침투 및 증발로 인한 보다 민감한 반응을 나타냄을 확인할 수 있다.
Fig. 8은 GL(-)4m 및 8m에 설치된 지중경사계로부터 측정된 지반의 변위를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 GL(-)4m 및 8m에서의 지반변위는 증가하는 경향을 보이는 것으로 나타났으나 변화량이 매우 미소한 것으로 나타났다. 따라서 대상 사면의 경우 현재 안정한 상태인 것으로 판단되며, 강우에 따른 지반변위가 매우 미소하므로 강우에 따른 영향이 크지 않은 것으로 나타났다.
Fig. 9는 지하수위계로부터 측정된 대상사면의 지하수위 변화를 나타낸 것이다. 계측설치이후 측정초기에 지하수위가 감소되는 것은 지하수위계 설치를 위한 시추시 주입된 물이 빠져나간 것으로 판단되며, 이후 안정화된 지하수위가 실제 지하수위라고 할 수 있다. 대상지역의 지하수위는 지표면으로부터 약 7m 아래에 존재하는 것으로 측정되었다. 그림에서 보는 바와 같이 지하수위는 강우에 민감하게 반응하지 않으나 일강우량 100mm 발생 시 지하수위가 약 0.3m 정도 증가한 것으로 나타났다. 이때 지하수위는 강우발생 직후 바로 증가하는 것이 아니라 2-3일의 시간이 경과한 뒤 증가함을 알 수 있다. 즉 강우량이 큰 경우 에만 강우는 지하수위에 영향을 미치게 되며, 2-3일 정도의 지연시간을 두고 반응함을 알 수 있다.
6. 결 론
본 연구에서는 부산 임기광산 광산폐기물 사면을 대상으로 강우 침투에 따른 지반내 불포화 특성변화를 살펴보기 위하여 불포화토 특성변화 측정유닛 및 시스템을 현장에 설치하였다. 현장에 설치된 각종 측정유닛으로부터 측정된 강우, 체적함수비, 모관흡수력 등의 자료를 정리하여 분석하였으며, 이를 정리하면 다음과 같다.
(1)불포화토 특성변화 측정시스템은 각종 측정유닛으로부터 수집된 자료를 저장, 관리 및 전달하는 시스템으로 Data Acquisition System(DAS), Solar System 및 불포화토 특성변화 측정유닛으로 구성되어 있다.
(2)연구지역에 적합한 불포화토 특성변화 측정유닛으로 강우를 측정하기 위한 강우계, 지반내 모관흡수력을 측정하기 위한 tensiometer, 체적함수비를 측정하기 위한 TDR 센서, 지하수위를 측정하기 위한 지하수위계, 지반의 변위를 측정하기 위한 자동경사계를 선정하였다.
(3)강우시 체적함수비와 모관흡수력의 변화는 강우강도에 의해 크게 영향을 받으며, 강우시와 건기시 지표면 부근에서 가장 크게 변화하였다. 즉 강우침투로 인하여 체적함수비와 모관흡수력은 증가하다가 이후 건기시 다시 감소하며, 강우시 다시 증가함을 알 수 있다. 한편 연구지역에서 측정된 모관흡수력은 5-35kPa, 체적함수비는 0.12-0.24 범위에 존재함을 알 수 있다.
(4)지하수위는 강우에 민감하게 반응하지 않으나 일강우량 100mm이상인 경우 지하수위가 증가한다. 이때 지하수위는 강우발생 직후 바로 증가하는 것이 아니라 2-3일의 시간이 경과한 뒤 반응함을 알 수 있다.
