1. 서 론
2. 원심모형실험용 강우재현장치 개발 및 검증
2.1 원심모형실험 시스템
2.2 강우재현장치 설계 및 제작
2.3 강우재현장치 보정
3. 극한강우 시 무한사면 침투 거동 평가
3.1 실험 조건
3.2 소수화 기법을 활용한 침투 저항성 증진
3.3 지반 조성
4. 원심모형 극한강우 침투 거동 평가
4.1 강우에 따른 토압 변화
4.2 극한 강우시 체적함수비 변화
4.3 간극수압 변화
5. 결 론
1. 서 론
20세기부터 증가된 이산화탄소 배출량은 지구 평균 기온을 상승시켜 이상기후의 발생 빈도를 증가시키고 있다. 국내 기상 분석 결과, 최근 20년간 연평균 기온은 2024년도 기준 직전 20년 대비 약 1.6°C 상승하였으며(KMA, 2025), 서울 지역의 105년 관측자료에서는 연강수량과 하계 강수량 또한 각각 33.1mm/10yr, 23.5mm/10yr의 증가 폭을 보였다(Lee et al., 2012b). Park and Suh(2023)는 30년과 50년 재현기간을 기준으로 강우 경향성을 분석한 결과, 강우 지속시간은 짧아지고 강우강도가 증가하는 경향을 보인다고 보고하였다. 이러한 고강도 강우는 사면의 배수 능력을 초과하는 침투를 유발하여 지반에 급격한 간극수압 상승을 유발하고, 이는 안정성 저하로 이어져 막대한 재산 손실과 인명피해를 발생시킬 수 있다. 따라서, 극한강우시 사면의 침투거동을 규명함과 동시에 급격한 간극수압 상승을 억제할 수 있는 방재공법 개발이 필요한 실정이다.
강우시 비탈면 거동과 안정성 평가 연구는 실대형실험, 축소모형실험, 수치해석 등을 이용해 다양하게 수행되었다(Kang et al., 2007; Kim et al., 2007a; Kim et al., 2007b; Moon et al., 2015; Song et al., 2019; Lee et al., 2007; Lee et al., 2012a; Jeong et al., 2009; Jeong et al., 2011; Jeong et al., 2019). 여기서, 실대형실험은 현장 거동이 그대로 반영되나 반복 실험 및 변인통제가 어려우며, 축소모형실험은 반복 실험은 용이하나 현장응력조건 반영이 어려운 문제가 있다. 수치해석은 모델기법에 따라 정확성이 담보되지 않고, 지반-물 상호작용 모델의 신뢰성 문제로 인해 실제 거동을 모사하기 어려운 문제가 있다. 반면, 원심모형실험은 현장응력조건을 현실적으로 모사하면서 실험 조건 설정이 용이하고 반복적인 실험이 가능하여 강우시 비탈면 안정성 평가에 유용하게 활용될 수 있다(Kim et al., 2013).
그러나 원심모형실험을 활용한 강우실험은 강우강도, 강우분포, 강우지속시간, 물방울 입자크기, 지면에 닿는 물방울의 충격량 등을 상사성(scaling law)에 따라 적절히 모사할 수 있는 강우장치가 필요하다. 특히, 강우장치는 원심모형실험기 회전에 의한 상사성과 전향력 효과(coriolis effect) 등을 고려하여 설계되어야 한다.
국외에서는 다양한 형태로 원심모형실험용 강우재현장치를 개발하여 비탈면 안정성 평가에 활용되고 있다. Tamate et al.(2012)은 50g의 중력가속도 환경에서 강우강도(r) = 30mm/h 강우를 구현하기 위해 강우재현장치의 노즐 설계 정수를 정량화하고, 환산 사면 총 높이 10m의 유한사면에서 물과 점성 유체 강우시 사면의 전단 변위와 파괴 양상을 분석하였다. Bhattacherjee and Viswanadham(2019)은 30g, r = 20mm/h 조건에서 강우재현장치를 통해 지오그리드의 적용에 따른 보강 효과를 SLOPE/w와 비교를 통해 정량적인 분석을 진행하였다. Wang et al.(2021)은 30g 조건에서의 강우재현장치를 개발하여 r = 4.9 ~ 29mm/h의 강우강도 조건에서 임계 강우 지속시간을 결정하는 강우강도-강우시간 임계 곡선을 제안하였다. 이렇듯 국외에서는 원심모형실험 환경에서의 강우재현장치 개발과 이를 활용한 거동 평가는 활발하게 이루어지고 있다. 반면, Lee et al.(2014)은 국내에서 원심모형실험 시 집중호우에 따른 지반 거동을 모사하기 위해 균일한 강우 분사와 적절한 재하압력을 구현할 수 있는 조절형 강우장치를 개발한 사례가 있으나, 극한강우와 같은 극한상황에서의 강우모사 성능검증은 부족한 실정이며, 후속 연구 또한 미진한 편이다.
본 연구에서는 중력가속도 환경에서의 극한강우 모사가 가능한 강우재현장치를 설계/개발하고, 1g 및 원심모형실험을 통해 강우재현장치의 성능을 검증하였다. 또한, 개발된 강우재현장치의 성능을 검증하고, 사면으로의 침투거동을 평가하기 위해 주문진표준사로 구성된 무한사면에서 극한강우시 침투거동과 표면에 소수성(hydrophobic)을 부여한 무한사면의 침투 지연효과를 실험적으로 평가하였다.
특히, 기존의 지반소수화 기법에 대한 선행연구들은 주로 실내실험을 통해 소수화된 지반의 물성을 분석하거나 적용성을 간접적으로 평가하는데 집중되었다. Beckett et al.(2016)과 Movasat and Tomac(2021)은 산불로 인해 자연 발생된 소수화 현상의 특성을 평가하고자 실란계 화학재로 처리된 인공 소수화지반을 대상으로 침투 거동을 분석하였으며, Guo et al.(2025)과 Uduebor et al.(2023)은 지반의 동결융해 저항성 향상을 목적으로 지반 내 수분 차단층 형성을 위한 소수화 기법의 적용 가능성을 실내실험을 통해 검토하였다. 또한 Kim et al.(2021)은 강우 시 사면 안정성 확보를 위한 방안으로 소수화 기법의 적용성을 평가하기 위해 인공 소수화 지반의 적용성과 소수화 기준정립에 관한 연구를 수행하였다. 그러나 이는 소수화기법의 강우시 사면보호 성능평가보다 재료적 성능평가에 국한되어 있다. 본 연구에서는 사면보호재로써의 소수화처리기법 적용성을 평가하기 위해 원심모형실험에서 강우실험을 수행하고, 소수화기법의 적용효과를 직접적으로 평가하였다.
2. 원심모형실험용 강우재현장치 개발 및 검증
2.1 원심모형실험 시스템
본 연구에 사용된 장비는 강원대학교에 구축된 원심모형실험기를 사용하여 극한강우 조건을 모사한 실험을 실시하였다. 본 장비의 회전 반경은 1,350mm 이며, 1,000mm에서 100 ~ 200g의 중력 범위를 모사 가능 하며 최대 20g·ton의 Basket 용량을 가진다(Yoo et al., 1994). 본 연구에서는 40g의 중력가속도 조건에서 295mm × 500mm × 200mm(Width × Length × Height)의 내부용적과 0.1m2의 면적을 가지는 토조를 대상으로 강우재현장치를 개발하여 실험에 활용하였다.
2.2 강우재현장치 설계 및 제작
일반적으로 극한강우는 1시간 누적 강우량 50mm 이상으로 규정하고 있다. 극한강우시 사면 침투거동을 평가하기 위해서는 현장실험, 실대형 실험, 축소모형실험 등이 활용하여 평가가능하며, 이를 모사할 수 있는 실대형 실험의 경우 구축비용이 높으며, 축소모형실험은 현장응력을 적절히 반영하지 못하는 문제가 있다. 반면 축소모형실험은 현장응력 조건을 반영하기 어려워, 강우 침투에 따른 응력 변화가 실제 구조물과 상이하게 나타나는 한계가 존재한다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 원심모형실험과 같이 현장응력을 모사할 수 있으면서 축소된 모형실험이 가능한 실험 환경이 필요하다. 원심모형실험은 축소모형에 중력가속도를 재하하여 실구조물과 유사한 응력 상태를 모사하는데, 원심모형실험기 가속 중 실제와 유사한 강우를 모사하기 위해서는 상사성(scaling law)이 고려된 강우장치 개발이 필요하다.
Tamate et al.(2012)은 Table 1과 같이 원심모형실험 환경에서 강우를 모사하기 위해서는 강우강도(r), 강우시간(t), 물방울 입자 직경(D), 종단속도(U)를 설계시 고려해야 한다고 명시하였다. 이때, 종단속도(U)는 중력가속도(n)와 물방울 입자 직경(D)이 클수록 지표면으로 낙하하는 물방울의 충격압이 증가해 지표면을 손상시키고, 침투 성능에도 영향을 미친다. 또한, 원심모형실험에서는 전향력 효과(coriolis effect)도 고려되어야 한다. 이는 원심 장비 내 회전 운동 중 물체가 회전 반대 방향으로 곡선 운동을 하며 분사 편향이 발생하는 현상으로, 회전속도 및 원심가속도의 증가, 회전 반경 감소에 따라 편향성이 커지기 때문에 이를 고려한 노즐 설계가 필요하다.
Table 1.
Scaling law for rainfall (Tamate et al., 2012)
| Properties | Permeability coefficient | Rainfall amount | Rainfall intensity | Rainfall duration | Terminal velocity | Droplet diameter |
|
Scale factors (model/prototype) | 1 | n | 1/n | n2 | n1/2 | n |
본 연구에서는 Tamate et al.(2012)이 제시한 강우시 상사성과 전향력 효과를 고려해 강우장치를 개발하였다. 강우재현장치는 중력가속도 40g 조건에서 실험이 가능하도록 설계되었으며, 내부 치수 295mm × 500mm × 200mm(W × L × H)의 토조에 설치할 수 있도록 제작하였다. 토조의 유효 면적은 0.1m2이며, 모든 강우 분사 조건은 해당 면적 기준에 따라 설정되었다.
강우재현장치의 최소 성능 목표를 설정하기 위해 2002년 태풍 ‘루사’의 강릉 지역에서 기록된 일최대 강우량인 870.5mm/day 또는 36.27mm/s(KMA, 2011)를 참고하였으며, 보다 보수적인 조건을 고려하여 최소 목표 강우강도(rp)를 40mm/h로 설정하였다. 이와 같은 설정을 바탕으로, 중력가속도 상사법칙에 따라 모형실험에서 적용될 최소 목표 강우강도(rm) )로 설정하였다.
강우 지속시간(tp)은 장기 강우 조건을 재현할 수 있도록 실사면 기준으로 10 h로 설정하였다. 따라서, 상사성에 따라 모형사면 강우 지속시간(tm)은 40g 조건에서 로 산정하였다. 또한, 앞서 산정된 모형 강우강도 rm = 0.44mm/s를 적용하여 최소 분사 유량을 산정하였다. 토조의 유효 면적 0.1m2를 기준으로 계산한 결과, 최소 분사 유량이자 물탱크의 최소 요구 용량(Qm)은 로 산정되었다.
빗방울이 사면 표면에 충돌할 때 발생하는 충격압은 낙하속도에 의해 결정되며, 이를 산정하기 위해 원심모형실험 조건에서의 물방울 종단속도(Um)를 계산하였다. 본 연구에서는 Mizuno(2003)가 제시한 Eq. (1)을 참고하여 종단속도를 산정하였다.
여기서, = Cunningham 상수(= 1.02, Wright, 1995), = 축소모형 기준 물방울 직경(20μm), n = 중력가속도(40g), = 물의 밀도(1000), = 공기의 밀도(1.2), = 공기의 점성계수(1.81 × 10-5, 20℃ 기준), g = 중력가속도(9.8) 를 나타낸다.
본 실험에서는 모형사면 목표 입자 직경을 20μm로 가정하였으며, 이를 적용하여 계산된 종단속도(Um)는 0.49m/s이다. 산정된 속도는 이후 침투압력 산정 및 노즐 분사압력 설정의 기준값으로 활용하였다. 모형사면 조건에서 설정된 물방울 직경 Dm = 20μm는 Table 1의 상사성에 따라 중력가속도 40g를 곱하여 실사면의 물방울 직경(Dp) = Dm × n = 20μm × 40 = 800μm(0.8mm)로 산정되었다. 이때, 실사면 조건에서의 물방울 종단속도 Up는 Up = 3.27m/s가 된다.
한편, 원심모형실험 조건에서 모형사면에 강우발생시 원형사면과 동등한 충격압이 발생해야 한다. Atlas and Ulbrich(1977)는 물방울 입자 크기에 따른 원형사면의 물방울 종단속도를 Eq. (2)와 같이 제시하였으며, 본 연구에서와 같이 원형 물방울 입자 크기(Dp)가 0.8mm인 경우, 종단속도(Up)는 3.27m/s가 된다. 따라서, 모형과 원형 물입자의 종단속도비(Up/Um) = (3.27m/s)/(0.49m/s) = 6.37가 된다. 이는 목표 중력가속도(40g)에서 낙하속도에 대한 상사비 와 유사하므로 상사성이 유효하다고 판단하였다. Table 2에는 원형사면과 원심모형실험 간 강우 조건 비교 결과를 정리하였다.
Table 2.
Rainfall characteristic for simulator development
| Prototype | Model | |
| G level (g) | 40 | |
| Rainfall intensity (mm/h) | 40 | 1,600 |
| Rainfall duration (s) | 36,000 | 23 |
| Droplet diameter (mm) | 0.8 | 0.02 |
| Terminal velocity (m/s) | 3.27 | 0.49 |
한편, 원심모형실험 조건에서 균일한 강우분포를 구현하기 위해서는 일정한 크기의 물방울을 안정적으로 분사하는 것이 필요하다. 이를 위해 본 연구에서는 공기와 물을 혼합하여 균일한 입자 크기의 물방울을 생성할 수 있는 공기-물 혼합식 노즐을 적용하였다. 본 연구에서는 Fig. 1에 제시된 Ikeuchi사의 BIMV 45075 노즐을 사용하였다. 해당 노즐은 공압과 수압의 조절을 통해 다양한 강우 조건 모사가 가능하다.
균일한 강우 분사 조건을 만족시키기 위해, 노즐의 작동 압력은 제조사에서 제공한 카탈로그 제원을 참고하여 물방울 입자 직경 20μm 기준을 충족하도록 설정하였다. 이에 따라 공압 Pa는 0.30MPa, 수압 Pw는 0.15MPa로 설정하였다. 설정된 분사 압력을 기반으로 원심모형 조건에 필요한 총 노즐 수량을 산정하였다. 먼저 모형사면 기준 강우강도(rm) = 1,600mm/h와 토조 면적(Am) = 0.1m2를 곱하여 최소 분사량(R) = rm × Am = 160L/h를 도출하였다. 이를 제조사에서 제시된 해당 압력조건에서의 분사유량(9L/h)으로 나눈 결과, 필요한 노즐 수는 약 17.8개로 계산되었다. 본 실험에서는 총 18개의 노즐을 설치하여 목표 강우 조건을 충족하도록 구성하였다.
산정된 노즐 수량을 기준으로 강우재현장치를 제작하였다. Fig. 2는 강우재현장치의 전체 시스템 구성도와 이를 바탕으로 제작된 실험 장비를 각각 나타낸다. 원심모형실험에서는 외부 공기압축기를 통해 공급된 공압이 로터리 조인트를 거쳐 강우장치에 공급되며, 이후 두 개의 공압 레귤레이터(pressure regulator)를 통해 분기되어 각각 노즐(Pa)과 물탱크에 공급된다. 이때, 물탱크에 채워진 물에 압력을 가해 수압(Pw)을 조절하였다. 레귤레이터로 제어된 공압 및 수압은 솔레노이드 밸브(solenoid valve)를 통해 노즐에 각각 물과 공기를 공급하도록 하였다. 한편, 각 노즐은 분사 높이 및 분사 각도를 조절할 수 있도록 설계하여, 실험 조건에 맞는 강우 범위 및 분포 조정이 가능하도록 하였다. 토조 하부에는 강우가 집수 될 수 있도록 집수 탱크를 설치하였으며, 집수 탱크 상단에 모형사면을 조성하여 강우시 지반을 통해 침투한 물이 배수구를 통해 집수 탱크에 모일 수 있도록 하였다.
2.3 강우재현장치 보정
1) 단일 노즐 분사범위 평가
강우 실험에서 토조 내 균일한 강우 분포를 재현하기 위해 1g 조건에서 실험을 통해 단일노즐의 분사범위를 확인하였다. 이를 위해 공압(Pa) = 0.30MPa, 수압(Pw) = 0.15MPa 조건에서 분사 거리에 따른 분사범위를 평가하였다. 분사 거리는 75mm, 175mm, 275mm로 설정하였으며, Fig. 3과 같이 염료를 혼합한 물을 종이에 분사하여 염색된 영역을 관측하여 분사범위를 확인하였다. 각 실험은 조건당 3회 반복 실험을 수행하였다(Table 3).
Table 3.
Conditions of single nozzle spray range test
| Pa (MPa) | Pw (MPa) | Spray height (mm) |
| 0.30 | 0.15 | 75, 175, 275 |
Fig. 4와 Table 4는 노즐 분사 높이에 따른 강우 분사 범위를 나타낸다. 실험 결과, 분사 높이 H = 275mm 조건에서 분사 범위의 평균 너비는 237.5mm, 평균 길이는 78.75mm로 측정되었다. 특히, 분사 높이가 감소함에 따라 분사 범위의 표준편차도 함께 증가하는 경향을 보였으며, 특히 너비 방향에서의 표준편차가 길이 방향보다 더 큰 폭으로 증가하였다. 이는 분사 높이의 증가가 분사 범위 확대에는 유리하나, 동시에 강우 분포의 변동성도 증가시킨다는 것을 의미한다. 한편, 단일 노즐의 분사범위 확인을 통해 18개의 노즐을 배치하였으며, 이를 통해 강우의 공간적 균일성을 확보하였다.
Table 4.
Results of single nozzle spray range test
| H (mm) | Width | Length | ||
| Average (mm) | Std. Dev. (mm) | Average (mm) | Std. Dev. (mm) | |
| 275 | 237.5 | 6.46 | 78.75 | 6.29 |
| 175 | 206.0 | 4.08 | 57.5 | 2.89 |
| 75 | 158.75 | 2.5 | 63.25 | 2.36 |
2) 복수 노즐 분사분포 평가 및 보정
단일 노즐 분사범위 검증 결과를 바탕으로, 18개의 노즐이 설치된 조건에서 강우 분포를 평가하였다. 실험은 노즐의 토출구와 토조 바닥 간 거리는 275mm로 고정하였고, 분사 조건은 설계값과 동일하게 공압(Pa) = 0.30MPa, 수압(Pw) = 0.15MPa, 분사 시간 23s로 설정하였다. 강우 분포 계측은 Fig. 5와 같이 토조 바닥에 4 × 9 배열로 계량컵을 등간격으로 배치하여 각 위치의 분사량을 측정하였다.
Fig. 6과 Table 5는 1g 조건에서 노즐의 분사 높이별 강우 분포 특성을 평가한 결과를 나타낸다. 분사 높이를 275mm에서 175mm로 감소시킬 경우, 계량컵별 분사량의 표준편차는 36.4% 증가하였으며, 평균 분사량은 감소하는 경향을 보였다. 이는 분사 높이 감소에 따라 분사 범위가 급격히 축소되며 토조 상부에 균일한 분포가 형성되지 못해 발생한 것으로 판단된다.
Table 5.
Results of multiple nozzle spray range test
| H (mm) | 275 | 175 |
| Average spray volume per cup (mL) | 19.70 | 18.37 |
| Std. Dev. of spray volume (mL) | 2.72 | 4.28 |
원심모형실험 환경에서는 기기의 회전으로 인한 전향력 효과(coriolis effect)로 인해 분사된 물방울의 궤적이 굴절되며, 이로 인해 토조 바닥에서의 강우 분포가 불균일하게 나타난다. Fig. 7은 각속도 ω로 회전하는 원심모형실험기 내에서 θ의 각도로 설정된 노즐에서 물방울이 y축 방향의 관성력에 의해 곡률을 갖는 궤적으로 굴절되는 현상을 나타낸다.
이러한 편향을 보정하기 위해 본 연구에서는 반복실험을 통해 분사각을 조절하여 강우분포를 제어하였다. 40g의 중력가속도에서 수행된 강우실험은 공압(Pa) = 0.30MPa, 수압(Pw) = 0.15MPa 조건에 노즐 각도를 단계적으로 변경하며 강우 분포를 측정하였고, Fig. 8과 같이 분사 표준편차가 최소가 되는 각도를 도출하였다. 실험 결과, 최적 분사각은 전면부 47.5°, 후면부 35°로, 해당 조건에서 가장 균일한 강우 분포를 나타냈다(Table 6).
Table 6.
Rainfall distribution with nozzle angle under 40g conditions
| Nozzle angle (°) | 15 | 30 | 45 |
47.5 (F*) 35 (B**) |
| Average spray volume per cup (mL) | 25.51 | 33.05 | 28.20 | 27.99 |
| Std. Dev. of spray volume (mL) | 28.88 | 33.64 | 25.64 | 20.85 |
이 조건에서 계량컵 기준 평균 표준편차는 20.85mL로, 1g 조건의 2.72mL 대비 약 7.67배 증가하였고, 컵당 평균 분사량은 27.99mL로 1g 조건의 19.70mL보다 약 1.42배 높았다. 이는 중력가속도 40g 조건에서 물탱크에 채워진 물의 압력수두가 상사성 법칙에 의해 증가함에 따라 수압이 상승하고, 그로 인해 분사량이 증가한 것으로 판단된다.
3. 극한강우 시 무한사면 침투 거동 평가
3.1 실험 조건
본 연구의 원심모형실험 조건의 사면은 「하천설계기준·해설」(Ministry of Land Infrastructure and Transport, 2009)의 제방 설계편을 참고하여 설계되었다. 사면의 비탈경사는 1(V) : 2(H)로 설정하였으며, 극한강우의 시간적 변화에 따른 침투양상을 확인하기 위해 무한사면 조건으로 설계되었다. 또한, 사질토층 하부에 불투수층 역할을 하는 암반층을 설치하여 토층 두께를 일정하게 유지하였다. 사면 전체 높이는 8m이며, 토층 두께는 3.2m, 암반층 두께는 4.8m로 설정하였다. 경사면은 아크릴 블록으로 제작되었고, 암반-토사 간 전단저항 확보를 위해 요철을 설치한 뒤 #200 사포를 부착하여 지반과 아크릴 블록 간 마찰을 향상시켰다.
실험은 비보강 조건 Case 1과 소수화 보강 조건 2종류(Case 2, Case 3)로 구성되었다. Case 2는 소수화층이 지표면에 노출된 형태이며, Case 3은 소수화층 위에 원 토사를 사용한 피복층(보호층)을 설계한 조건이다. Kim et al.(2021)은 차수효과를 나타내는 소수화재료의 최소두께를 4.5mm로 제시하였으며, 이를 근거로 본 연구에서는 소수화층의 두께를 모형기준 10mm와 20mm(40g 조건에서 원형기준 각각 0.4m와 0.8m에 해당)로 설정하였다. 세 가지 조건의 모식도는 Fig. 9에 도시되어 있다. 토층 재료는 반복실험시 재현성 확보와 실험조건 통제의 용이성을 고려하여 주문진 표준사를 사용하였다. 표준사의 입도 분포와 물성은 Fig. 10 및 Table 7에 제시되어 있으며, 조밀한 상태를 모사하기 위해 상대밀도(Dr)는 80%로 조성되었다.
Table 7.
Basic soil properties of Jumunjin sand
| Properties | Values |
| Specific gravity (Gs) | 2.65 |
| Uniformity coeffcient (Cu) | 1.48 |
| Curvature coeffcient (Cg) | 0.96 |
| D10 (mm) | 0.42 |
| D60 (mm) | 0.62 |
| Max dry density (g/cm3) | 1.66 |
| Min dry density (g/cm3) | 1.33 |
| Internal friction angle (°)* | 43.7 |
| Internal friction angle of water repellents (°)* | 37.9 |
강우조건은 극한강우 상황을 재현하기 위해 50, 80년 빈도 서울지역 관측 수치인 강우강도 97.78mm/h 및 103.38mm/h를 고려하여 목표 강우강도를 100mm/h로 설정하였다(Ministry of Environment, 2025). 또한 극한의 강우조건을 모사하기 위해 장기 강우를 고려하여 강우 시간은 8시간으로 설정하였다. 한편, 실제 원심모형실험에 적용된 강우강도는 강우 전후 물탱크의 무게와 분사시간을 고려하여 산정하였다. Table 8은 지층 구성, 경사 조건, 보강 조건, 강우 조건 등 각 실험 조건을 나타낸 정리한 도표이다.
Table 8.
Testing conditions for centrifuge model tests
극한 강우 조건에서 사면 침투 거동을 평가하기 위해, 사면 내부의 토압, 체적함수비, 간극수압을 계측하였다. Fig. 11은 사면 내 센서 배치를 도시한 것으로, 센서는 사면 저면으로부터 120mm 이격된 위치부터 사면 길이 방향으로 80mm 간격으로 설치하였다. 이를 원형으로 환산할 경우, 사면 저면으로 길이 방향 기준 4.8-, 8.0-, 11.2-, 14.4-m 지점에 설치된 것과 같다. 또한 각 센서가 근입된 깊이는 모형사면 기준 0-, 20-, 60-, 100-mm로 이를 원형으로 환산 시 각각 0-, 0.8-, 2.4-, 4.0-m에 해당된다.
센서의 높이는 침투 영향을 받는 사질토층을 중심으로 설정하였으며, 암반층 상부에 설치하였다. 토압계(Earth pressure sensor, EP), 체적함수비계(Soil moisture sensor), 간극수압계(Pore pressure transducer, PPT)는 Fig. 11b와 같이 위치별로 Group 1(사면 상부)부터 Group 4(사면 하부)까지 그룹화하여 배치하고, 각 그룹 내 센서는 동일 위치에서 동시에 데이터를 수집하도록 구성되었다.
3.2 소수화 기법을 활용한 침투 저항성 증진
소수화(hydrophobic) 기술은 골재 표면에 왁스계 또는 실란계 화학제를 코팅하여 물-입자 간 접촉각을 증가시키고 공극 내 수분 포화를 억제하여 침투 저항성을 향상시키는 보강 기법이다.
시료 제작은 Kim et al.(2021)의 방법을 바탕으로 수행되었으며, 사질토 특성을 대표하는 주문진 표준사를 재료로 사용하였다. 시료의 생산과정은 Fig. 12에 도시되었으며, 크게 시료 세척, 시료 침지 및 포화, 건조의 4단계로 구성된다. 시험에 사용된 시료는 세척(Fig. 12a)을 통해 오염물을 제거 후 상온 건조를 실시하였다. 이후, N-옥틸트리에톡시실란(C14H32O3Si)과 이소프로필알코올(IPA)을 1:99의 부피 비율로 혼합하였으며, 500g의 골재에 대해 N-옥틸트리에톡시실란 5mL, IPA 495mL를 혼합하여 제작하였다. 다음으로 혼합액에 시료를 72시간 침지한 뒤(Fig. 12b), 110°C에서 24시간 건조하여 소수성 실란 박막을 형성하였다(Fig. 12c).
완성된 소수화 시료는 원심모형실험 적용 전 발수 성능을 정량적으로 평가하기 위해 Fig. 13과 같이 접촉각 시험(Contact angle test)과 물 침투 시간 시험(Water drop penetration test, WDPT)을 수행하였다(Kim et al., 2021). 시료는 직경 45mm, 깊이 30mm의 원통형 유리 용기에 낙사로 조성하였으며, 상대밀도는 80%로 설정하였다. 표면은 평탄화하여 두 시험을 연속적으로 진행하였다.
접촉각 측정은 시료 표면에 스포이드로 물방울을 떨어뜨린 직후 카메라로 촬영하였으며, 이미지 분석 프로그램인 Angle meter를 통해 접촉각(θ)을 산정하였다. 실험 결과, Fig. 13과 같이 접촉각은 111.4°에서 115.5° 범위로 나타났다. 이는 선행연구(Bauters et al., 2000; Beckett et al., 2016; Kim et al., 2021; King, 1981; Movasat and Tomac, 2021)에서 제시된 소수성 시료의 최소 접촉각(θ > 90°)을 초과하여 시료에 소수성이 부여된 것을 확인하였다.
WDPT는 시료 표면에 떨어진 물방울이 완전히 침투되거나 사라질 때까지의 시간을 측정하는 실험이며, 침투 시간이 3600s(1h)를 초과할 경우 소수성 시료로 간주된다(Bauters et al., 2000; Beckett et al., 2016; Kim et al., 2021; King, 1981; Movasat and Tomac, 2021). Fig. 13의 결과에서, 시료는 1시간 경과 후에도 물방울의 형태와 부피 변화가 나타나지 않았으며, 이를 통해 WDPT가 3600s를 초과하는 것을 확인하였다. 실험을 통해 확인된 소수화 시료의 특성은 최소 접촉각 111.4°, WDPT 3600s 이상으로 측정되어 충분한 소수화 성능을 갖춘 것으로 판단된다.
3.3 지반 조성
실험 사면은 사면 전 구간에 균일한 밀도 분포를 확보하기 위해 점 낙사법(point pluviation)을 이용해 조성하였다. 낙사기는 모래 배출구의 노즐 직경이 3.5mm, 노즐 간격이 10mm인 점낙사기를 사용하였으며, 노즐을 수동으로 이동시켜 토조에 모래가 고르게 쌓이도록 했다. 모형지반 조성 전, 목표하는 밀도의 모래지반을 조성하기 위해 토조 내부에 부피가 측정된 계량컵을 여러위치에 배치시키고 다양한 높이에서 낙사를 실시하였으며, 계량컵에 쌓인 모래의 무게를 통해 낙사높이-지반밀도 관계를 도출하였다. 모든 실험은 3회 이상 반복하여 낙사높이-지반밀도 간 반복성을 확인하였다.
실험에 적용된 모형지반은 선행 실험에서 도출된 낙사높이-지반밀도 간 관계로부터 도출된 낙사높이를 이용해 모형지반을 조성하였다. 본 실험에서는 매 50mm가 쌓일 때 까지 낙사를 실시한 뒤 가이드를 통해 표면을 평탄화 하였으며, 낙사높이를 조절한 뒤 낙사를 반복적으로 실시하였다. 최종적으로는 낙사를 50mm씩 총 4회 반복하여 200mm 높이의 모형사면을 조성하였다. 조성된 모형지반의 상대밀도는 80.19%로 확인되었다(Fig. 14).
사면조성 완료 후, 1(H) : 2(V) 경사의 목재 가이드를 이용해 실제 실험 사면의 경사와 일치하도록 절취하였다. 소수화 처리된 지반이 적용된 조건(Case 2, Case 3)에서는 보강층과 일반 토사층 사이에 Filter paper를 설치하여 토사 혼입을 방지하였다. 또한, 사면 경계부로 강우가 집중되는 현상을 막기 위해 토조 측벽과 사면 사이에 빗물받이를 설치하였다. Fig. 15는 원심모형 강우재현장치 시스템을 나타낸다.
4. 원심모형 극한강우 침투 거동 평가
비보강(Case 1), 보강조건(Case 2, Case 3)에 따른 원심모형실험 토압, 체적함수비, 간극수압의 변화 양상은 시간 경과에 따라 시계열로 정리한 뒤 도표화 하였다. 이때 강우 시작 시점을 기점으로 하여 t = 0h로 정의하였고, 강우 종료 시점(t = 8h)은 도표상의 시간축에 대해 실선으로 표기하였다.
4.1 강우에 따른 토압 변화
Fig. 16a에서 사면 상부(Group 1)의 토압은 Case 1 및 Case 2 조건 모두 강우 시작과 함께 증가하여 강우 종료 시점(t = 8h)에 최대 2kPa에 도달하였다. 반면, Case 3 조건에서는 강우 기간 동안 유의미한 토압 변화가 나타나지 않았다.
Fig. 16b의 사면 중상부(Group 2)에서는 Case 1 조건에서 토압이 미미하게 감소하였으며, 이는 간극수압 상승에 따른 유효응력 감소로 인해 토압이 저하된 것으로 판단된다. 동일 위치에서 Case 2과 Case 3 조건은 유의한 토압 변화가 나타나지 않았다. Fig. 16c의 사면 중하부(Group 3)에서는 Case 1 조건에서 -2kPa까지 토압이 감소하였고, Case 2 조건에서는 강우 종료 후 토압 상승이 관측되었다. 이는 소수화층에 의한 침투 지연으로 배수 과정 중 토압이 발생한 것으로 분석된다. Fig. 16d에서 사면 하부(Group 4)의 최대 토압은 Case 1(비보강)~Case 2,3(보강)에서 각각 3.9-, 2.3-, 1.2-kPa이 나타났다. 이때, 소수화층이 지표면에 노출된 Case 2는 보호층이 존재하는 Case 3보다 낮은 보강 효과를 보였다. Beckett et al.(2016)은 노출된 소수화시료는 강우 시 표면 흐름이 발생하게 되어 이로 인한 침식 및 파괴에 취약하다고 보고하였으며, 본 실험 결과 또한 선행연구의 결과와 동일한 경향성을 보인다.
4.2 극한 강우시 체적함수비 변화
체적함수비는 모든 위치에서 강우가 시작된 후 침투 발생 시점부터 급격히 증가한 뒤 수렴하며, 강우 종료시점(t = 8h)에 빠르게 소산되는 거동을 보였다. 이는 주문진 표준사로 구성된 모형사면의 높은 투수계수에 기인한 것으로, 일반적인 풍화토 대비 강우 침투 및 배수가 빠르게 진행되어 나타난 결과로 판단된다.
Fig. 17a의 사면 상부(Group 1)에서는 Case 1(비보강)과 Case 2(보강) 조건은 강우 시작 후 각각 t = 0.44-, 0.53-h에서 체적함수비가 급격히 상승한 뒤 수렴하였다. 그러나, 소수화된 지반층 위에 피복층이 설계된 Case 3 조건은 강우 시작부터 종료 시점까지 유의한 체적함수비의 변화가 나타나지 않아 침투가 억제된 것이 확인되었다. Fig. 17b의 사면 중상부(Group 2) 또한 유사한 경향을 보였으며, Case 3 조건의 경우 체적함수비는 발현되었지만, 최대값은 Case 1(비보강, 24.7%) 및 Case 2(보강, 24.4%) 조건 대비 약 50% 낮은 12.4%의 수치를 나타냈다. 이는 표면 보호층의 설치로 인해 Case 2 대비 표면 유출과 침식에 대해 저항성을 가져 보강성능을 유지하였기 때문으로 판단된다.
Fig. 17c~17d의 사면 중하부(Group 3) 및 하부(Group 4)에서는 세 조건 모두 침투가 발생하였으나, Case 3은 사면 중하부에서 침투 시점이 t = 1.96h로 Case 1(t = 0.98h) 및 Case 2(t = 0.93h)대비 침투시간이 약 2배 지연되었고, 사면 하부의 체적함수비 발현 시점은 유사했으나 체적함수비 최대값 도달 시점이 t = 4.04h로 Case 1(비보강, 2.71h), Case 2(보강, t = 2.76h) 대비 약 1.5배 지연되는 결과를 나타냈다.
특히, 표면 보호층이 적용된 Case 3 조건은 소수화 지반이 지표면에 노출된 Case 2 조건 대비 높은 침투 억제 및 지연 효과가 있음을 확인되었다. 반면, 소수화 지반이 표면으로 노출된 Case 2 조건은 비보강 조건인 Case 1과 유사한 침투 거동을 보였으며 제한적인 보강효과를 보였다.
4.3 간극수압 변화
체적함수비 증가에 따른 포화도 상승은 사면 내부에 침투수에 의한 간극수압을 발현시킨다. 간극수압의 발현은 지반의 유효응력을 감소시켜 전단저항력을 저하시키는 직접적인 원인으로 간극수압 변화는 침투 안정 해석에 중요한 역할을 한다.
Fig. 18은 강우시 시간에 따른 간극수압을 나타낸다. 그 결과, Fig. 18a,b와 같이 은 강우시 시간에 따라 지반에 작용하는 간극수압을 나타낸다. 그 결과, Fig. 18a,b와 같이 사면 상부(Group 1)와 중상부(Group 2)에서는 간극수압 변동이 발생하지 않았다. 이는 강우에 의해 유입된 물이 사질토의 높은 투수계수로 인해 간극수압이 발현되기 전 하부로 빠르게 배수되었기 때문으로 해석된다. Fig. 18c의 중하부(Group 3) 또한 유사한 경향을 보였으며, 간극수압은 Fig. 18d와 같이 사면 하부(Group 4)에서 집중적으로 발현되었다.
Case 2(보강)의 사면 하부(Group 4)에서는 약 t = 1.42h 시점에서 간극수압이 가장 먼저 발현되었으며, 2.3kPa의 최대 간극수압을 나타냈다. 이후 강우 종료 시점(t = 8h)과 동시에 간극수압이 급격히 소산되었고, 이후에도 0 ~ 0.5kPa 수준으로 안정적으로 유지되었다. Case 1 조건(비보강)의 경우 간극수압은 약 t = 2.13h 이후부터 빠르게 상승하여 최대 약 8.4kPa까지 도달하였으며, 강우 종료와 동시에 급격히 소산되었다. 한편, Case 3 조건에서는 약 t = 3.16h 이후 간극수압이 발현되며 가장 지연된 수치를 나타냈으며, 최댓값은 5.7kPa로 비보강 조건인 Case 1(8.4kPa) 대비 감소하였으며, 강우 종료 이후 간극수압은 급격히 소산되는 것을 확인하였다.
Case 2는 Case 3보다 두꺼운 소수화 보강층(0.8m)이 적용되어 차수 성능은 우수하였으나, 표면 노출로 인해 유출수 및 침식에 취약하여 간극수압이 더 빠르게 발현되었다. 반면, Case 3은 표면 보호층으로 인해 Case 2 대비 얇은 보강층 두께(0.4m)에서도 과잉간극수압 발현시간을 추가적으로 지연(1.42h → 3.16h, 1.74h 지연)시켰다. 하지만, 사면 하단에서의 배수 저항 증가로 인해 강우 종료 후에는 Case 2 보다 다소 높은 간극수압을 나타냈다.
본 연구를 통해 소수화된 지반이 적용된 사면에 극한 강우 발생 시 사면 내부로 침투되는 강우를 지연시킬 수 있는 것을 확인하였다. 하지만, 소수화된 지반이 지표면에 보호층 없이 설치된 경우 세굴을 발생시켜 사면 파괴를 발생시킬 수 있으며, 소수화된 지반층을 과도하게 두껍게 포설할 경우 사면 내부로 침투한 강우가 외부로 배출되는 것이 지연되는 문제가 있으므로 적절한 소수화층 적용이 필요할 것으로 판단된다. 한편, 본 연구에서는 제한된 횟수의 원심모형실험이 수행되어 실험결과의 반복성을 확인하지 못하였으므로 정성적 결과로 활용할 필요가 있다.
5. 결 론
본 연구에서는 원심모형실험 환경에서 극한강우에 대한 침투거동을 평가하고자 강우재현장치를 개발하고, 강우시 무한사면의 침투거동을 실험적으로 평가하였다. 또한, 소수화 처리된 지반을 무한사면에 적용할 경우 강우 침투 지연효과를 실험적으로 평가하였다. 본 연구의 주요 결과는 다음과 같다.
(1) 원심모형실험 환경에서의 강우 모사가 가능한 강우재현장치를 제작하기 위해 중력가속도 40g 조건에서 최소 40mm/h의 강우강도, 최대 10h의 강우시간이 재현가능한 강우장치를 개발하였다.
(2) 강우장치 성능검증을 위해 1g 조건에서 단일 노즐의 분사범위를 확인하였으며, 이를 토대로 모형토조 내부에 균일한 강우가 발생할 수 있도록 노즐을 배치하고 강우분포를 확인하였다. 또한, 원심모형실험 조건에서 강우장치 검증실험을 수행하였으며, 토조 전체에 균등한 강우가 발생할 수 있는 노즐각도를 선정하였다.
(3) 소수화 처리된 지반으로 보강된 무한사면에 강우강도 100mm/h, 강우시간 8h의 강우 발생시 무보강 사면대비 침투시간이 1.5~2배 지연되는 것을 확인하였다. 이를 통해 극한강우 발생 시 소수화된 지반이 침투를 지연시켜 무한사면을 단기간 보호할 수 있음을 확인하였다.
(4) 소수화 처리된 지반이 지표면에 위치하는 경우, 강우가 지표면으로 흘러 세굴을 유발할 수 있으며, 두꺼운 소수층은 지반 내부로 침투된 강우가 외부로 배출되는 것을 지연시키는 효과가 있음을 확인하였다.
본 연구는 원심모형실험 조건에에 적합한 강우모사장치를 개발하고 실제 실험을 통해 검증한 데 큰 의의가 있다. 하지만 원심모형실험 상사법칙이 고려된 점성 유체를 적용하지 못하였으며, 강우장치 제작시 타원형 형태로 분사되는 노즐을 선정하여 공간적인 강우 불균형이 일부 발생하였다. 따라서, 추가 개발 및 연구를 통해 강우장치 성능을 개선할 필요가 있다. 또한, 강우에 의한 침투거동시 소수화시료의 시간변화에 따른 보강효과 지속성과 이에 따른 장기거동에 대한 추가적인 검토가 필요하며 이를 위한 다양한 조건에서의 강우실험이 요구된다.
