1. 서 론
2. 모형 토조 시험
2.1 시료의 물리적 특성 및 불포화 특성
2.2 시험 장비 및 방법
3. 모형 토조 시험 결과
4. 수치해석을 통한 모세관 방벽의 침투 거동
4.1 해석 단면 및 경계 조건
4.2 모형토조와 침투해석에 따른 체적 함수비의 변화 비교
5. 결 론
1. 서 론
최근 기후변화와 온난화로 인해 극단적인 강우 패턴이 빈번하게 나타나고 있다. 국내의 경우 2024년 여름철 강우량의 약 78.8%가 장마철에 집중되었으며, 일부 지역에서는 1시간 동안 100mm 이상의 강우량이 기록되기도 하였다(KMA, 2024). 이러한 집중호우를 넘어선 ‘극한호우’로 인해 불포화 상태의 비탈면에 대규모 강우 침투가 발생하며, 이후 비탈면의 전단강도를 급격히 감소시켜 붕괴의 주요 원인으로 작용하고 있다. 이러한 강우 유발 붕괴를 방지하기 위해 다양한 비탈면 보호 공법이 적용되고 있지만, 강우가 지반 내부로 침투하는 과정을 효과적으로 제어하는 방법에 대한 연구는 여전히 중요한 과제로 남아있다(Qiao and Zhou, 2017; Rahardjo et al., 2018; Rahardjo et al., 2023). 따라서 강우 침투 제어에 특화된 대안 공법의 공학적 성능을 평가하고 적용성을 검토할 필요가 있다.
포화 및 불포화 상태에서 토양의 투수 계수는 모관 흡수력에 따라 변화하며, 이에 따라 특정 조건에서는 세립토층(finer-grained layer)과 조립토층(coarser-grained layer) 간의 투수 계수 역전 현상이 발생한다. 포화 상태에서는 조립토의 투수 계수가 세립토보다 높지만, 불포화 상태에서는 모관 흡수력이 증가함에 따라 조립토의 투수 계수가 점진적으로 감소하며, 일정 흡수력 이상에서는 세립토보다 낮아지는 역전 현상이 나타난다(Stormont, 1996). 이에 따라 비탈면이 높은 모관 흡수력 상태로 유지될 경우, 강우 때문에 침투된 수분은 상대적으로 낮은 투수 계수를 가진 세립토층 내에서 주로 이동하며, 조립토층으로의 침투는 제한된다.
이러한 원리를 기반으로 한 모세관 방벽 시스템(Capillary Barrier System, CBS)은 Fig. 1과 같이 세립토층을 조립토층 위에 배치하는 구조로 설계되며, 모관 흡수력 차이에 따른 불포화 상태에서의 수리학적 거동을 활용해 강우 침투를 제어한다(Stormont and Anderson, 1999; Rahardjo et al., 2004). 결과적으로 세립토층과 조립토층 간의 수리학적 특성 차이는 수분의 이동 경로를 자연스럽게 제어하며, CBS는 이를 통해 강우 침투를 효과적으로 차단하는 기능을 수행한다(Ross, 1990; Stormont, 1996). 이러한 침투 제어 특성 덕분에 CBS는 폐기물 매립지, 저수지, 댐 등에서 강우 및 지하수의 침투를 방지하는 용도로 적용되고 있다(Evans et al., 2010; Rahardjo et al., 2012; Chetri and Reddy, 2021).
CBS의 거동을 예측하기 위한 수치해석 연구들은 주로 초기 조건과 경계 조건을 중심으로 구성되며, 공통으로 실험 데이터를 기반으로 한 이상화된 조건 설정을 통해 침투 해석을 수행해 왔다. 대부분의 연구는 세립토와 조립토의 초기 수분 상태나 모관 흡수력을 설정하고, 상부에는 강우 침투를 모사하기 위한 유량 경계 또는 침투 경계를 적용하였다(Sawada et al., 2017; Kim, 2023; Ragavan et al., 2022). 측면 경계는 불투수 조건을 적용한 경우가 대부분이며(Havisanth and Kulathilaka, 2021; Li et al., 2023), 하부는 연구 목적에 따라 배수 경계, 불투수 경계, 또는 자유 배수 경계로 다르게 구성되었다. 특히 Kim(2023)은 모델 내 점 배수구를 추가함으로써 실제 배수 효과를 고려한 점이 특징적이며, Li et al.(2023)은 해석 전 지하수위 설정을 통해 정상 상태 조건에서 시작하는 해석을 수행하였다. 이러한 수치해석들은 CBS의 침투 제어 기능을 분석하는 데 유용한 정보를 제공하고 있으나, 전체적으로 초기 조건과 경계 조건이 실험실 환경에 맞춰 이상화된 경우가 많고, 극한 강우와 같은 기후변화 요소를 반영한 해석은 부족하다는 한계를 지닌다. 따라서 다양한 강우 시나리오와 실제 지반 조건을 반영한 고도화된 수치해석 기법의 개발이 필요하다.
본 연구는 극한 강우 조건에서 모세관 방벽 시스템(CBS)의 침투 제어 성능을 평가하고, 실제 적용 가능성을 검토하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 세립토층과 조립토층 간의 불포화 투수계수 곡선이 교차하도록 입도 분포가 비교적 명확하게 구분되는 주문진 표준사(세립토)와 규사 1호(조립토)를 사용하여 모형 토조 시험을 수행하고, 강우 침투 억제 효과를 실험적으로 검증하였다. 아울러, 수치해석을 통해 모형 시험을 재현하고, 체적 함수비 및 경계면 모관 흡수력 분포에 따른 불포화 투수계수 변화를 분석함으로써 CBS의 작동 메커니즘과 해석 기법의 타당성을 고찰하였다. 또한, 이상화된 경계 조건 설정이나 기후변화 요소의 미반영 등 기존 수치해석 연구의 한계를 실험–해석 연계 접근을 통해 보완하였으며, CBS의 설계 및 적용을 위한 기초 자료를 제시하였다.
2. 모형 토조 시험
2.1 시료의 물리적 특성 및 불포화 특성
CBS의 설계 원리를 고려할 때, 강우 침투를 효과적으로 차단하기 위해서는 세립토층과 조립토층 간에 충분한 투수계수 차이가 존재해야 하며, 특히 모관 흡수력 증가에 따라 불포화 투수계수 곡선이 교차하는 특성이 나타나야 한다. 그러나 세립토층의 입도 분포가 지나치게 작을 경우, 모형 토조 시험에서 이러한 침투 거동을 단시간 내에 명확히 관찰하기 어렵다는 한계가 있다. 이에 본 연구에서는 모형 실험의 관측 효율성과 재현성을 고려하여, 실제 현장 재료보다 상대적으로 입도가 크고 수리 특성이 명확히 구분되는 주문진 표준사와 규사 1호를 실험 재료로 선정하였다. 주문진 표준사는 입도 분포가 0.4mm에서 2.0mm 사이에 분포하며, 규사 1호는 2.0mm에서 20.0mm의 넓은 입도 범위를 갖는다(Fig. 2). 이 두 재료는 포화 및 불포화 상태에서 투수계수 특성이 뚜렷이 구분되어 CBS의 핵심 설계 요건인 불포화 투수계수 곡선의 교차 조건을 충족할 수 있다. 특히, 규사 1호는 조립토층의 거동을 모사하기에 적합한 굵은 입도 특성을 가지며, 주문진 표준사는 세립토층의 상대적 저투수성 재료로 적합하다. 본 연구에서는 세립토층과 조립토층의 상대적인 밀도 차이를 통해 재료 간 간극률 및 초기 수분 함량 차이를 유도하고, 모관 흡수력 및 수분 이동 경로의 차이를 보다 명확히 관찰하기 위하여, 주문진 표준사와 규사 1호의 상대 밀도는 각각 71.5%, 88.2%로 적용되었다.
Table 1.
Physical properties and hydraulic conductivities of the soil samples
모형 토조 시험에 사용된 주문진 표준사와 규사 1호의 수리적 거동을 정량적으로 평가하고, CBS 설계의 핵심 변수인 모관 흡수력 및 불포화 투수계수 특성을 규명하기 위해 불포화 함수특성 시험을 수행하였다. 본 시험에는 METER사의 HYPROP 장치를 사용하였으며, 이 장치는 시료 상부를 개방한 상태에서 자연적인 증발을 유도하고, 증발 과정 동안 시료 내부의 매트릭 흡수력과 수분 손실량을 시간에 따라 연속적으로 측정할 수 있는 증발법 기반의 시험 장비이다. 이를 통해 포화 상태에서 불포화 영역까지의 함수 특성을 정밀하고 안정적으로 측정할 수 있어, 모형 시험 및 수치해석에 필요한 주요 입력값을 확보하는 데 유용하다. 측정된 데이터는 Fredlund-Xing 모델(Fredlund et al., 1994)을 적용하여 함수특성곡선으로 맞춤화하였으며, 이를 바탕으로 동일 모델을 활용해 불포화 투수계수곡선을 추정하였다.
여기서, 는 체적함수비, 는 상관 함수, 는 포화 체적함수비, a, n, m은 토양의 특성을 나타내는 맞춤 변수이다.
여기서, 는 특정 함수비 또는 음의 간극수압에 대하여 계산된 투수계수, 는 포화 투수계수, 는 체적 함수비, 는 자연상수(= 2.718), 는 음의 간극수압의 로그를 나타내는 적분의 가상 변수, 는 에서 까지의 범위 내 간격, 는 최종 함수로 설명될 가장 낮은 음의 간극수압, 은 최종 함수로 설명될 최대 음의 간극수압, 는 번째 간격에 해당하는 흡수력, 은 방정식의 첫 번째 미분이다.
불포화 함수특성곡선에서 주문진 표준사와 규사 1호의 공기함입치(Air Entry Value, AEV)는 각각 1.516kPa와 0.381kPa로 나타났으며, 공기함입치 이후 모관 흡수력이 증가함에 따라 체적 함수비는 급격히 감소하였다. 특히 주문진 표준사는 규사 1호에 비해 함수곡선의 기울기가 더 급하여, 수분함량 변화에 대한 민감도가 높은 것으로 분석되었다. 불포화 투수계수곡선에서는 두 재료의 투수계수가 0.8kPa에서 교차하였으며, 이 값을 초과하는 모관 흡수력 영역에서는 주문진 표준사의 투수계수가 규사 1호보다 더 크게 나타났다. 이러한 결과는 CBS의 성능이 모관 흡수력 0.8kPa 이상에서 효과적으로 발휘될 수 있음을 알 수 있다. Table 2에는 초기 체적 함수비, 공기함입치, 그리고 Fredlund-Xing 모델(1994)의 맞춤화 파라미터를 정리하였으며, 이를 통해 두 재료의 함수특성과 투수특성의 차이를 정량적으로 비교할 수 있다.
Table 2.
Fitting parameters for Fredlund-Xing model (1994)
2.2 시험 장비 및 방법
CBS의 수리적 거동과 침투 차단 성능을 평가하기 위해, 길이 2.0m 이상의 대형 토조를 활용한 대규모 모형 실험이 널리 수행되어 왔다(Bussiere et al., 2003; Zhan et al., 2014). 이러한 실험은 실제 강우 및 비탈면 조건을 재현함으로써 신뢰성 있는 데이터를 확보할 수 있다는 장점이 있지만, 실험 준비와 분석에 많은 시간과 비용이 소요되며, 환경 조건의 영향을 고려해야 하는 한계도 존재한다. 특히, 세립토층에서 조립토층으로의 침투가 불규칙하게 발생하면 수분 이동 경로가 예측하기 어려워, 해석 과정이 복잡해지는 문제가 있다.
이러한 한계를 극복하기 위해 Kim(2021)은 소규모 모형 기반의 SSCB(Small-Scale Capillary Barrier) 실험을 제안하였으며, 해당 방법은 강우 강도나 경사 조건 변화에 따른 CBS의 수리적 거동을 단시간에 효과적으로 평가할 수 있음을 확인하였다. SSCB 실험은 대규모 실험에 비해 시간과 비용의 부담이 적고, 극한 강우 조건에서도 침투 거동을 효율적으로 분석할 수 있는 장점이 있다. 따라서 SSCB 기반의 소규모 토조 실험을 적용하여 강우 강도 및 세립토층 두께 변화에 따른 CBS의 성능을 평가하고, 대규모 실험의 대안으로서 그 활용 가능성을 검토하였다.
모형 토조 시험 장비는 크게 강우 장치와 모형 토조(가로 46cm, 세로 48cm, 폭 15cm)로 이루어져 있으며, 구성은 Fig. 4와 Fig. 5에 제시되어 있다. 강우 장치는 강우를 재현하기 위해 토조 상부에는 수위 조절 장치를 설치하여 수조 내 수위를 일정하게 유지하도록 하였다. 수조로 유입되는 물은 설정된 수위에 도달하면 자동으로 차단되며, 반대로 강우 장치를 통해 물이 배출되어 수위가 낮아지면 다시 유입되도록 구성하였다. 수조에서 유출되는 물은 강우 조절용 밸브를 통해 유량이 조절되며, 이를 통해 목표 강우 강도에 맞춰 강우량을 제어하였다. 조절된 유량은 강우 장치를 통해 모형 토조에 공급되었으며, 강우 장치는 Fig. 5(a)에서와 같이 직경 1.0mm의 주사바늘 161개를 7행 23열로 배열하여 인공 강우를 발생시켰다. 이러한 주사바늘 배열은 물방울 형태의 강우를 효과적으로 모사하기 위해 설계되었으며, 본 연구에서는 재현된 강우가 토조 전체 면적에 균일하게 공급되는 것으로 간주하였다. 또한, 강우 낙하에 의한 표층 교란을 방지하고자 토조 최상부 표면에 부직포를 설치하여 충격 에너지를 최소화하였다.
모형 토조는 강우 침투에 따른 모형 토조 내부의 함수량 변화를 확인하기 위한 미국 METER 사의 EC-5 토양 수분 센서를 조립토층에 2개(C1, C2), 세립토층에 2개(F1, F2)를 Fig. 5(b)와 같이 설치하였으며, Fig. 5(a) 하단과 같이 토조 하부에 경사 조절이 가능한 각도 조절 장치를 설치하여 사면의 경사가 조절될 수 있도록 하였다. 토조 조성은 하부에 조립토인 규사 1호를 먼저 배치한 후, 상부에 세립토인 주문진 표준사를 적층하는 방식으로 구성하였다. 규사 1호는 최하단에 3.0cm 두께로 1층을 먼저 조성하고, 이후 5cm씩 4층으로 나누어 다짐하여 총 18cm 두께로 조성하였다. 세립토층은 목표 두께 조건(10cm, 15cm, 20cm)에 따라 5cm씩 적층하였으며, 각 층은 목표 상대 밀도에 맞게 다짐하였다. 또한, 조립토층과 세립토층의 경계면에는 입자 간 혼입과 표면 유실을 방지하기 위해 부직포를 설치하였다. 이때 사용된 부직포는 물의 침투를 방해하지 않아 CBS 성능에는 영향을 미치지 않는 것으로 사용하였다(Kobayashi et al., 2013).
토양수분 센서는 세립토층과 조립토층의 경계면에서 수직 방향으로 5cm 간격을 두고 설치되었으며, 설치 전에는 Soil column 시험을 통해 센서 보정 작업을 수행하였다. 보정 결과, Fig. 6에서와 같이 체적 함수비 증가에 따라 일부 과대 측정되는 경향은 있었으나, 모든 센서에서 결정계수(R2)가 0.99 이상으로 나타나 높은 일관성을 확보하였으며, 해당 센서는 모형 토조 시험에 적합한 것으로 판단되었다.
CBS의 성능 및 구조적 특성 변화의 영향을 평가하기 위해, 강우 강도, 사면 경사, 세립토층 두께를 주요 변수로 설정하였다. 강우 강도는 서울, 부산, 대전의 연별 1시간 최다 강수량을 기준으로 20mm/hr, 60mm/hr, 100mm/hr의 세 단계로 구분하였다. 사면 경사와 세립토층 두께는 실험 장비의 물리적 제한과 실제 사면 조건을 고려하여, 경사는 0°, 5°, 10°, 15°, 세립토층 두께는 10cm, 15cm, 20cm로 설정하였다. 모형 시험은 이론적으로는 총 36가지 조합이 가능하나, 대표적인 조건을 선정하여 총 10개의 실험을 수행하였다. 각 실험에서는 세립토층 내 함수비 변화, 세립토와 조립토 경계면에서의 침투 지연 현상, 초기 침투 발생 시점을 계측하여 침투 차단 성능 및 구조적 변수의 영향을 평가하였다. 실험에 적용된 강우 강도, 경사, 세립토층 두께의 조합은 Table 3에 정리하였다.
Table 3.
Test condition of small scale capillary barrier model test
3. 모형 토조 시험 결과
Case a는 세립토(주문진 표준사)의 두께가 15cm이고, 경사도가 10°인 경우에서 강우 강도가 20mm/hr, 60mm/hr, 그리고 100mm/hr로 변화할 때 체적 함수비와 침투 거동의 변화를 비교하였다. Fig. 8은 Case a에 대한 체적함수비의 변화를 나타낸다. 주문진 표준사에 설치된 F1 센서에서는 강우 강도가 변화해도 체적 함수비에 거의 변화가 나타나지 않았다. 이는 F1 센서는 상대적으로 안쪽에 설치되어 수분의 침투가 작아 체적 함수비의 변화가 거의 발생하지 않은 것으로 판단된다. 이와 반대로 F2 센서는 상대적으로 바깥쪽에 설치되어 수분의 침투가 상대적으로 많아 체적함수비의 변화가 두드러지게 발생하였다. 또한, 강우 강도가 증가함에 따라 체적 함수비가 34.3에서 36.6% 사이의 값으로 수렴하는 경향을 보였으며, 강우강도가 20mm/hr에서는 강우 발생 이후 40분이 경과한 시점에서 체적함수비가 수렴하였다. 반면에 강우강도가 100mm/hr인 강우에서는 강우 발생 이후 12분이 경과한 시점에서 체적함수비가 수렴하는 결과를 확인할 수 있었다.
규사 1호에 설치된 C1과 C2 센서에서도 강우 강도 증가에 따라 침투가 크게 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 강우강도가 20mm/hr일 때, C1과 C2 센서에서 체적 함수비의 변화는 측정되지 않았으며, 강우강도가 60mm/hr 이상일 때에는 체적 함수비의 변화가 측정되었다. 하지만, 체적함수비의 변화가 0.05 이하로 그 크기가 작아 강우 강도에 따른 변화가 크다고 볼 수 없다. 이와 같은 현상은 비탈면의 표면에서 침투된 강우가 대부분 세립토층에서 침투된 이후에 조립토층으로 침투되지 않고 배수되었기 때문이라고 볼 수 있다.
Case b는 강우강도와 세립토층의 두께가 각각 60mm/hr와 15cm로 일정한 상태에서 비탈면의 경사도가 0°, 5°, 10°, 15°로 변화할 때의 체적함수비의 변화를 Fig. 9와 같이 비교하였다. F2 센서는 모든 경사에서 측정되었으며, F1은 경사도 변화에 따라 크기가 달라졌다. 특히, 5° 이하에서는 F2에서 체적함수비가 F2와 유사한 값으로 수렴하는 경향을 나타내었다. 이는 경사도가 상대적으로 낮아 F1 센서 부근에서도 침투가 발생하였다고 판단된다. 반면에, 경사도가 증가함에 따라 측정된 체적함수비는 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 경사도가 15°일 때에는 체적함수비가 0.05 이하로 거의 측정되지 않은 것을 확인할 수 있다.
반면에, 조립토층에서 경사도가 10° 이하에서는 C1의 체적함수비가 일부 측정되었으나, 15°에서는 측정되지 않은 것을 볼 수 있다. 또한, C2의 경우에도 전체적인 경사도에서 체적 함수비가 측정되었으나, 0.05 이하로 매우 낮은 체적함수비를 유지하는 것을 확인할 수 있다. 세립토층에 비해 조립토층에서는 체적함수비의 변화가 거의 발생하지 않은 것을 확인할 수 있으며, 이는 표층에서 침투된 강우가 조립토층에 도달하지 못하고 대부분 배출한 것으로 판단할 수 있다. 따라서, 경사도의 크기와 관계없이 조립토 층으로 강우 침투가 발생하지 않으며, 경사도가 증가함에 따라 세립토층에서 강우의 이동이 두드러지게 발생한다고 판단된다. 또한, 경사가 커질수록 경사 하단에 물이 집중되며 침투가 더 빠르게 이루어졌고, 이는 경사 증가에 따라 CBS의 하단 배수 성능이 더 효율적으로 작동함을 보여준다.
끝으로 Fig. 10과 같이 Case c에서는 강우강도와 비틸면의 경사가 각각 60mm/hr와 10°일 때, 세립토층의 두께를 10cm에서 20cm로 5cm씩 증가시켜 체적함수비의 변화를 확인하였다. 앞서 결과와 유사하게 F2 센서에서는 세립토층의 두께와 관계없이 체적함수비가 수렴하는 경향을 나타내었다. 또한, C1과 C2의 경우도 유사하게 0.05 이하의 낮은 체적함수비를 나타내었다. 반면에, F2 센서의 체적함수비가 수렴하는 시기는 세립토층의 두께가 증가함에 따라 13분에서 16분으로 늦춰지는 경향을 나타내었다. 또한, F1 센서의 체적함수비는 세립토층의 두께가 증가함에 따라 체적함수비가 감소하는 경향을 나타내었다. 세립토층의 두께가 변화함에 따라 체적함수비의 변화가 크지는 않았지만, 체적함수비의 변화가 존재하는 것을 확인하였다. 이러한 세립토층의 두께 변화로 인하여 보수성 및 배수 용량이 증가하면서 침투된 물의 분포 면적이 넓어졌기 때문에 체적함수비의 차이가 발생한 것으로 판단된다.
4. 수치해석을 통한 모세관 방벽의 침투 거동
4.1 해석 단면 및 경계 조건
침투 해석을 통해 모형 토조의 수리학적 특성을 평가하기 위해 GeoStudio의 SEEP/W 프로그램(2021)을 사용하였다. 주문진 표준사와 규사 1호의 불포화 함수특성곡선 및 투수계수곡선은 Table 2에 제시된 값을 사용하였으며, 해석 단면은 Fig. 11(a)와 같이 모형 토조와 동일한 크기로 설정하였다. 해석 요소의 크기는 5mm로 설정하였으며, 모형 토조 시험에서의 센서 위치와 동일한 지점에 체적 함수비 데이터를 수집하기 위한 관측점을 F1, F2, C1, C2로 동일하게 배치하였다. 또한, Fig. 11(b)와 같이 모형 토조 상단에는 ‘Water Flux’를 사용하여 강우 조건을 적용하였고, 하단 배수구는 ‘Potential Seepage Face Review’ 기능을 사용하여 지반으로 침투하지 못한 강우를 자동으로 배제되도록 설정하였다. 토조의 초기 건조 상태를 설정하기 위해 토조 바닥에 -5m의 수압을 가정하고, 1시간의 정상류 해석(steady-state flow)을 통해 비탈면의 초기 상태를 조성하였으며, 정상류 해석이 종료된 이후 비정상류 해석(transient flow)을 통하여 강우 강도를 구현하였다.
4.2 모형토조와 침투해석에 따른 체적 함수비의 변화 비교
침투 해석은 모형 토조 시험과 동일한 조건에서 강우 강도, 경사, 세립토층 두께를 변경하며 수행하였으며, 센서 위치와 동일한 지점에서 체적 함수비 데이터를 추출하여 비교하였다. Fig. 12는 종료시 모형 토조와 수치해석에서 측정된 최종 체적 함수비, 즉 6시간이 경과한 뒤의 체적 함수비를 비교한 그림이다. 모든 Case에서 F2 센서의 경우 해석과 모형토조 시험의 결과가 거의 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. F2 센서 위치에 대한 포화 체적함수비의 차이는 평균적으로 1.1배 정도 차이가 발생하였으며, 이는 거의 비슷한 값을 나타낸다고 할 수 있다. 또한, C1과 C2 센서에서 측정된 체적 함수비와 수치해석을 통하여 획득한 체적함수비는 평균적으로 2.7배 정도의 차이를 보여 수치해석과 모형 토조 시험의 결과가 거의 유사함을 확인할 수 있다.
반면에, F1의 경우 5.3배로 가장 큰 차이가 발생하였다. 특히, Case c에서 나타나는 것과 같이 세립토층의 두께가 증가함에 따라 그 크기는 증가하는 것을 확인할 수 있다. 반면에, Case a의 경우 강우 강도가 증가함에 따라 체적함수비의 차이가 증가하였으나, 강우강도가 100mm/hr로 증가함에 따라 차이가 좁혀지는 것을 확인할 수 있다. 또한, Case b의 경우, 경사도가 0°와 5°인 경우에서는 해석과의 차이가 거의 없는 것을 확인할 수 있다. 이를 통하여, F1 센서의 위치가 상대적으로 좌측에 위치하고 있으며, 경사가 증가함에 따라 그 차이가 증가하는 것을 확인하였을 때, 해석보다 모형 토조 시험에서 표층으로 물의 흐름이 더 크게 발생하여 사면 내부로 침투가 더 작게 발생한다고 볼 수 있다. 또한, Fig. 13은 침투시 모형 토조의 단면을 나타낸다. 그림과 같이 모형 토조 시험에서는 토조의 표층에서부터 지층의 하부로 침투가 균질하게 발생하지 않고 특정 구간에서 침투가 집중적으로 발생하는 선호 흐름(Preferential Flow)이 발생하고 있다는 것을 확인할 수 있다. 이러한 선호 흐름에 의해서 상대적으로 사면의 좌측 방향으로 강우의 침투가 작게 침투되고, 이에 따라 침투된 강우가 해석보다 더 많이 배출된다고 볼 수 있다.
이러한 CBS 효과의 지속성을 확인하기 위해서 Fig. 14와 같이 주문진과 실리카 모래의 투수계수를 비교하여 세립토층과 조립토층 경제면에서의 모관 흡수력 분포를 분석하였다. 초기에는 약 50kPa의 모관 흡수력이 분포하였으며, 강우 침투가 진행됨에 따라 약 0.9kPa까지 감소하였다. 불포화 투수계수곡선에서 주문진 표준사와 규사 1호의 교차점은 0.8kPa로, 약 0.9kPa에서는 주문진 표준사의 투수계수가 더 크게 나타나므로, 강우로 인한 모관 흡수력 감소에도 불구하고 CBS의 효과가 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
5. 결 론
본 연구는 모세관 방벽 시스템(Capillary Barrier System, CBS)의 강우 침투 방지 효과를 모형 토조 시험과 수치해석을 통하여 검증하고, 주요 설계 변수(강우 강도, 경사각, 세립토층 두께) 에 따른 CBS의 성능을 비교-분석하였다.
(1) 강우 강도가 20, 60, 100mm/hr로 증가함에 따라 CBS의 성능은 다소 저하되는 경향을 보였으나, 조립토층과 세립토층 간의 불포화 특성 차이로 인한 강우 침투 방지 효과는 지속적으로 유지됨을 확인하였다. 이를 통하여 강우 강도가 높아지더라도 CBS가 침투 방지 역할을 할 수 있음을 알 수 있다.
(2) 사면경사가 0°, 5°, 10°, 15°로 증가할수록 비탈면의 수평 배수 효과가 강화되어 침투수가 조립토층으로 전달되는 양이 감소하였다. 또한, 세립토층의 두께가 증가할수록 강우 침투수가 경계면에 도달하기까지의 시간이 지연되는 효과가 나타났다. 이러한 결과는 CBS 설계 시 세립토층 두께와 경사를 주요 설계 변수로 고려해야 하며, 현장 조건에 적합한 경사와 층 두께를 최적화함으로써 강우 침투를 더욱 효과적으로 방지할 수 있음을 나타낸다.
(3) CBS에 대한 침투 해석과 모형 시험 결과 비교를 통하여 침투해석을 통하여 모형 시험을 모사할 수 있음을 확인하였다. 다만, 수치해석의 균질 매질 가정과 달리 실제 모형 시험에서는 선호 유동이나 시료 조성 시 발생한 불균질한 밀도 등의 영향으로 강우의 측면 배수가 더 촉진되어, 내부 침투를 차단하는 효과가 더 크게 나타나는 것을 확인하였다.
(4) 위와 같이, 본 연구에서는 CBS 설계 및 최적화를 위한 기초 데이터를 제공하였으며, 실제 비탈면에 강우 침투 방지 시스템으로서 CBS 적용에 대한 가능성을 제시하였다.
