1. 서 론
해마다 지자체별 관광시설이나 도심 내 산책로와 같은 편의시설을 증설하고, 지역마다 증가하는 도시화와 산업화로 인해 사람들이 인지하지 못하면서 임야개발의 면적이 지속적으로 개발되고있다. 임야개발의 증가는 도로의 개발에만 집중된 것이 아니라 도심지내의 옹벽이나 깍기비탈면과 같은 급경사지의 수를 증가시키고 있는 상황이며, 이러한 개발은 산사태와 같은 피해를 일으키는 중요한 요인으로 작용하고 있다. 이런 인지하지 못하고 있는 개발들로 인해 해마다 6∼8월의 장마철 시기에 얕은 비탈면 붕괴와 토석류로 인한 산사태 발생 확률이 매우 높아지며 수많은 인명피해와 재산상의 손실이 갑작스럽게 발생하고 있는 상황이다.
국내에서 최근 GIS기법을 이용한 산사태 재해위험지역 분석 연구를 수행하고 있다. 이러한 지반재해위험지도 제작은 산사태 및 급경사지 주변지역의 안전을 확보할 수 있는 기초자료로 활용이 가능하다는 점에서 의미가 있다(MPSS, 2012). 현재까지 진행된 토석류 위험도 및 산사태에 연관된 연구는 산사태가 발생할 확률이 높은 사면의 위치를 찾아내는 기술에 집중되어 있다. 이 기술은 산지에 위치한 붕괴될 확률이 높은 위치를 식별할 수는 있으나 피해가 예상되는 지역의 식별과는 거리가 있어 활용성이 제한된다.
최근에는 도심지내 산지의 위험성을 효과적으로 대처하기 위해서 접근하기 어려운 지역을 무인항공기(드론)와 같은 최근 기술을 활용하는 것이 필요하다. 무인항공기는 면적이 넓은 지역을 대상으로 접근하기 힘든 곳에서의 측량작업을 수행할 수 있고, 합리적인 예산 범위 안에서의 기술도입이 가능하며, 소수의 인력으로도 운영이 가능한 지형측량의 기술이다. 또한, 무인항공기를 기반으로 하는 측량은 연구대상 지역의 고해상도의 공간정보를 원하는 시기에 저렴하고 신속하게 얻을 수 있으며 기하학적 정보 등 이외에도 질감 또는 색과 같은 정성적 자료 또한 함께 획득할 수 있는 장점이 있다. 무인 항공사진 측량을 이용한 모니터링은 짧은 시간 동안 대규모 지형에서 미세한 지형변화를 분석하기에 매우 유용한 기법이다.
Fig. 1은 동해안 포항-삼척 철도건설 제OO공구 노반건설공사에서의 붕괴원인 분석을 수행하고자 드론을 이용하여 붕괴 현장을 촬영한 것이며, Fig. 2는 집중호우로 곡성군 도로가 유실된 현장에서 드론으로 촬영한 data를 활용해 3차원 좌표로 붕괴현장의 깊이나 토사량을 계산하는 사진을 보여준다. 현재 국내에서는 다양한 분야에서 드론을 활용한 연구를 진행하고 있는 상황이며, 드론 사진측량을 활용하여 2차원 면적 분석 및 DEM을 이용한 경사도 분석, 산사태 및 붕괴 위험도 분석이 가능함에 따라 무인항공기(드론)의 지도제작 이나 재해지역분석 등 효과적 활용 가능성을 확인할 수 있었다. 이에 본 연구에서는 도심지 내에 위치한 학교 및 아파트 단지 등에 위치한 접근하기 힘든 지반구조물들의 재해 위험성을 검증하기 위해 드론을 활용하여 비탈면 붕괴 지역을 영상촬영 분석 후 비탈면 붕괴에 대한 안정성 평가를 수행하고자 한다. 또한, 불포화지반의 침투해석을 활용하여 접목한다면 장마철에 빈번하게 발생하고 있는 비탈면 얕은파괴의 원인을 보다 효율적으로 밝혀낼 수 있으며, 사전에 대비할 수 있는 예방책을 제안할 수 있을 것이다(Kim et al., 2013).
2. 벌목된 비탈면 붕괴 현장조사
2.1 비탈면 붕괴 지역의 개요
비탈면 안전성을 확인하기 위해 무인항공기가 촬영한 장소는 광주광역시에 위치한 OO고등학교 주변 비탈면 지역이다. 학교 건물 뒤편 비탈면이 2018년 8월 31일에 집중호우로 인해 붕괴되었다. 일반적으로 해마다 장마철이면 비탈면 주위로 배수가 원활하게 진행되었지만, 붕괴 시 비탈면 표층에서 침투수의 다량 용출되었고, 또한 지표면을 따라 흐르는 강우가 과다하게 배수되면서 발생하였다.
Fig. 3은 비탈면 붕괴가 발생한 광주광역시 OO고등학교 위치와 그 인근 지역을 촬영한 사진이며, Fig. 4는 고등학교 건물 뒤편 옹벽 비탈면에서 붕괴가 발생한 구간을 보여준다. 비탈면에 파란색 방수포로 덮혀진 부분이 강우로 붕괴된 지역이다(Fig. 5). 옹벽 구조물에 대한 피해나 거동은 없으며 토사층에서 파괴가 발생한 사례이다. Fig. 6은 비탈면 보강을 위한 설계 단면을 보여준다. 현장 비탈면은 표준경사(1:1.2~1.5)보다 급한 1:1.7~1.4 기울기로 형성되어 있었고, 집중호우로 얕은파괴 형태로 세굴 흔적들이 다수 발견되었다.
2.2 드론 촬영을 이용한 비탈면 붕괴의 원인 조사
해마다 집중강우로 인한 옹벽 주변의 배수가 원활하게 진행되었는데, 2018년 장마철에 갑작스런 비탈면 붕괴가 유발된 원인분석을 위해 사면 주변 지역을 드론으로 촬영하였다. 그 결과 비탈면 상부 여러 지역에서 수풀과 나무들이 벌목되어 있는 구간들을 발견하였다. Fig. 7~Fig. 9는 일반적인 지도맵 인터넷 사이트에서 쉽게 확인할 수 있다. 그림에서 보듯이 2년마다 항공사진을 촬영하여 기록되는 사진들을 확인해보면 벌목된 구간들은 적어도 1년 전 2017년에 존재하고 있는 것으로 촬영기록들이 확인되었다. Fig. 8에서 노란색 점선으로 표시한 4곳의 비탈면들은 2015년 사진과 비교할 때 수풀과 나무들이 벌목되어 있다. 2019년 사진에서도 알 수 있듯이 여전히 벌목된 구역을 확인할 수 있다.
해마다 장마철에는 학교 건물 뒤편 옹벽 비탈면으로 물이 흐르고 배수가 되면서 안정적인 토목구조물로서 유지되고 있었지만, 2018년 8월에 비탈면 붕괴는 최소한 1년 전에 벌목되어 지반이 노출된 구간에서 많은 강우침투와 지반내의 지하수위 상승, 그리고 표층의 토석류 흐름에 대한 지형 변화가 가능할 수 있다. 파괴에 대한 원인을 좀 더 구체적으로 분석하기 위해서 드론과 유인항공기로 찍은 국토지리정보원의 영상자료를 이용하여 수치표고모델(DEM)을 통하여 경사도 분석을 하였다. Fig. 10은 붕괴가 발생한 OO고등학교 건물 뒤편 지역을 고도 200m에서 드론으로 촬영한 사진을 보여주고 있다. Fig. 11은 붕괴지역의 상부에 벌목된 구간들의 넓이와 비탈면 횡단면 길이를 계산하기 위해 프로그램을 사용한 사진이다. 여기에서 붕괴된 비탈면에서 가장 가까운 ①번 벌목지역의 긴폭 길이는 54m, ②번 벌목지역의 긴폭 길이는 81m로 계산되었다(QGIS, 2020).
Fig. 12에서 보여주는 경사도 그림은 영상촬영으로 비탈면의 좌표를 이용하여 경사방향에 따라 다른 색깔로 표시하여 강우시 표층에서 물의 흐름 방향을 알기 위해서 수치표고모형(DEM)을 제시하였다. Fig. 11에서 보여준 것과 같이 벌목지역 ①과 ②지역의 긴폭 구간을 Fig. 12 안에 같은 위치에 빨간색 직선으로 표시하였다. Fig. 12 오른쪽 상단에 보여주는 숫자와 방향표시는 왼쪽에 색깔별 방향과 상응된다. 비탈면에서 빨간색으로 표시된 구간은 8번 방향(7시 방향)으로, 분홍색 구간은 4번 방향(6시 방향)으로 강우로 인해 표층을 따라 물이 흐른다고 예측할 수 있다. 노란색으로 구분된 비탈면 구간은 16번 방향(9시 방향)으로 기울기가 형성되어 있기 때문에, 앞에서 언급했던 3가지 방향의 비탈면 기울기는 붕괴 지점으로 물의 흐름이 집중되고 있음을 확인할 수 있다.
3. 강우량 분석에 따른 불포화 침투해석 및 안정해석
광주광역시 OO고등학교 건물 뒤편의 옹벽비탈면 붕괴에 대해 시간별 강우량과 불포화 침투해석을 적용하여 단계적으로 진행되는 붕괴시점을 파악하기 위해서 안전성 해석을 수행하였다. 초기 붕괴발생시 지반조사를 통하여 얻은 지층별 물성값들은 Table 1에서 보여준다. Fig. 6에서 보여준 것과 같이 풍화토, 풍화암, 그리고 연암으로 구성된다.
Table 1.
Soil properties
| Soil type |
Unit weight (kN/m3) |
Cohesion (kPa) |
Friction angle (°) |
E modulus (MPa) | Poisson’s ratio |
| Weathered soil | 19.0 | 4.59 | 30 | 35 | 0.33 |
| Weathered rock | 20.0 | 30.0 | 30 | 200 | 0.3 |
| Bedrock | 23.0 | 50.0 | 35 | 300 | 0.25 |
각 지층별 불포화 침투해석을 수행하기 위해 함수특성곡선(soil-water characteristic curve) 실험상수들(a, n, m)을 적용하기 위해서 기존 논문에서 발표된 실험 값들을 평균적으로 적용하여 침투해석을 수행하였다(Kim et al., 2014; Kim et al., 2013; Kim et al., 2021). Table 2는 불포화 침투해석을 하기 위해 함수특성곡선의 평균값들과 각 지층별 포화투수계수를 보여주고 있다.
Table 2.
Hydraulic properties of unsaturated soil
| Soil type | a (kPa-1) | n | m | Permeability (m/s) |
| Weathered soil | 1.18 | 1.601 | 0.375 | 1.48 × 10-5 |
| Weathered rock | 10.0 | 1.601 | 0.375 | 5.68 × 10-7 |
| Bedrock | 30.0 | 1.601 | 0.375 | 1.05 × 10-8 |
2018년 8월 31일에 붕괴되었기 때문에 그 시점 전으로 내렸던 강우는 비탈면의 불안정성을 야기시키는 요인으로 작용한다. Fig. 13은 2018년 8월 한달 동안의 강우량 data를 보여주며, 이러한 자료들은 기상청 웹 사이트에서 쉽게 얻을 수 있다(data.kma.go.kr). Fig. 13에서 빨간색 점선으로 사각형으로 그려진 구간은 비탈면 붕괴가 발생하는 31일 전 10일 동안을 표시하고 있다. 이 기간동안에 지속적인 강우가 내렸음을 확인할 수 있었고 마지막 날인 31일에 옹벽비탈면이 붕괴되었다. Fig. 14는 붕괴가 되기전 10일 동안 일강우량을 자세히 정리하여 보여준다. 강우가 내린 최대강우량을 기록한 날은 5일째되는 날이지만, 붕괴가 확인된 날 31일과 차이가 있음을 확인할 수 있다. 불포화 침투해석을 수행하기 위한 강우자료는 Fig. 14에서 보여준 일강우량을 기준으로 침투해석 강우조건으로 적용하여 사면안정해석을 연계하여 수행하였다.
일반적으로 수치해석 초기조건에서 강우조건은 수풀이나 나무가 우거진 비탈면에서 투수계수 이상의 강우가 내릴 경우, 초과하는 강우는 지표면으로 흘러 ponding 효과를 고려하지 않는다. 그러나 본 연구에서는 Fig. 15에서 빨간색 점선으로 표시된 부분을 벌목구간(Fig. 11에서 1번구간)으로 규정하고 ponding 효과를 고려하여 포화투수계수보다 큰 강우가 내릴 경우, 모든 일강우량이 지반내로 침투하여 비탈면 안정성에 영향을 주고 있는지 시간별로 분석하였다. Fig. 16은 옹벽설계가 시공되어 있는 조건대로 경계조건을 설정하여 침투해석과 연계하여 10일 동안의 비탈면 안정성에 대해 검토하였다.
Fig. 14 일강수량에 맞게 강우조건을 적용하여 침투해석을 수행한 결과를 Fig. 17~Fig. 24까지 보여주고 있다. 모든 날짜별로 제시하지 못하고 강우가 내리기 시작하면서 1, 3, 5, 10일째 지반내의 간극수압 분포와 표층으로부터 포화되는 깊이, 그리고 각각의 사면의 안전율을 보여주고 있다. 강우가 일정하게 내리지 않기 때문에 하루하루 변화하는 비탈면 안전율을 확인하여 불안정성을 평가할 수 있다.
Table 3은 10일 동안의 일강우량에 따른 사면의 안전율을 정리하여 보여준다. 침투해석과 안정해석을 연계하여 확인한 결과 수치해석상의 파괴는 5일이 경과된 시점에서 이미 파괴가 발생하였다. 현장에서는 10일째 되는 8월 31일에 붕괴가 발견되었지만, 비탈면 상부에서는 이미 사면의 붕괴가 5일이 경과하면서 시작되었다는 것을 예측을 할 수 있다. 벌목이 되어 지반내로 침투가 많이 발생하여 표층의 포화깊이 역시 빨리 진행되었으며, 간극수압이 증가하고 모관흡수력의 감소가 빨라지면서 지반의 강도가 비교적 빨리 약해졌음을 판단할 수 있다.
Table 3.
Change of factor of safety during 10 days
4. 결 론
본 연구에서는 비탈면 붕괴의 원인을 직접적으로 확인할 수 없는 지역을 무인항공기(드론) 촬영으로 집중강우가 침투할 수 있는 벌목지역을 확인할 수 있었다. 무인항공기 영상촬영으로 벌목지역의 넓이와 최대폭을 계산하여 집중호우가 침투되는 양과 비탈면 붕괴가 발생한 구간의 연관성에 대해 수치해석을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) 도심지 내에 많은 학교, 병원, 아파트 등 여러 건축물들이 산지 비탈면을 주변 환경으로 조성되어 비탈면 붕괴에 대한 재산 및 인명피해를 예방하기 위해 항공촬영을 활용한 위험성 조사나 붕괴에 대한 원인 분석이 가능하였다.
(2) 수치표고모형(DEM)으로 제작된 경사도는 도심지 내부에 비탈면들로 조성된 지역에 토석류나 침투수의 흐름으로 건축물들의 위험에 노출되어 있는 상황에 대한 안전성을 높일 수 있어 위험도 조사를 판단할 수 있다.
(3) 기상청에서 얻은 시간별 강우강도 data를 적용하여 불포화토 침투해석과 연계한 한계평형해석을 수행한 본 연구는 실제 붕괴가 발생하는 시점보다 비탈면의 불안정성을 시간에 따라 미리 예측할 수 있음을 확인하였다.
(4) 도심지 내에서 벌목, 임도, 둘레길 등 지속적인 개발로 어떠한 위험에 닥칠지 모르는 상황에 있기 때문에 위험 지도의 작성 또는 정기적으로 환경변화에 대한 인지가 항상 필요하며 영상촬영기법으로 도심지내 지반재해위험지도 분석에 효과가 있으리라 판단된다.
