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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 17(5); 2017 > Article
슬릿형 사방댐의 토석류 포착 특성: 현장 적용 결과

Abstract

Barriers are widely installed as active measures to prevent damages that can be caused by debris flows. Small-scale experiments and numerical modeling have been used to evaluate the performance of the barriers against debris flows; however, field-scale experiments have been rarely conducted. We investigated the effect of slit-type barriers on the characteristics of trapped debris through the pilot-scale application at a ~ 70 m long channel in a mountain valley. The slit- and gabion-type barriers and monitoring sensors were installed along the channel, and large amounts of water and soil debris flowed downstream in July 4th, 2016. The trapping of debris by barriers was examined by using the real-time field monitoring data, site investigation, and sieve analysis. It revealed that our slit-type barrier, of which slit width (w) was 28 cm, mostly trapped the gravels and cobbles of ~10-18 cm (0.36-0.65 w) in size. The finer soil particles were trapped by the closed-type barrier in the downstream.

요지

사방댐은 집중호우 시 토사와 강우가 혼합되어 발생된 토석류로 인한 피해를 막기 위한 대표적인 방법이다. 이런 사방댐의 최적 설계 및 최적 배치를 위해서 축소모형실험과 수치해석을 이용한 연구를 수행하여 왔으나, 현장 규모의 실험을 통한 사방댐의 토석류 방어 성능에 대한 연구는 미비한 상황이다. 본 연구에서는 파일럿 스케일의 약 70 m 길이의 산지 유역에서 사방댐 설치에 따른 토석류 포착 특성을 연구하였다. 대상 산지 유역에 슬릿형 사방댐, 개비온 사방댐과 모니터링 시스템을 설치한 후, 2016년 7월 4일 오전 국지성 호우에 의해 다량의 물과 토사가 유역을 따라 발생되었다. 실시간 현장 계측 결과, 사후 현장 조사, 입도 분포 분석을 통해 토석류 발생 시점과 사방댐의 토석류 포착 특성을 분석하였다. 중류부에 슬릿형 사방댐은 슬릿의 너비(w = 28 cm)의 0.36 w인 10 cm 크기 자갈부터 최대 지름이 약 18 cm(0.65 w)인 자갈이 주로 포착되었고, 하류부의 불투과형 사방댐은 크기가 작은 모래를 포착하는 것으로 나타났다.

1. 서론

토석류는 집중호우 시 비탈면에서 침투수로 약화된 자연사면의 붕괴로 인한 토사가 강우와 혼합되어 하류부로 빠르게 흐르는 현상이다. 하류부 이동 과정에서 유역 바닥의 토사를 세굴, 연행하면서 세기가 커진 토석류는 유역의 경사가 낮거나 폭이 급격하게 넓어지는 곳에서 운동량을 잃고 부채꼴 모양으로 퇴적된다. 이러한 과정에서 하류부에 위치한 시설물과 인명에 막대한 피해를 입히게 된다. 토석류로 인한 피해를 막기 위한 여러 방법 중 대표적으로 사방댐 설치에 따른 방어가 있다. 사방댐의 종류는 크게 불투과형 사방댐과 투과형 사방댐이 있다. 유역 전체를 폐쇄하는 불투과형 사방댐은 발생된 토석류를 모두 퇴적시켜 토석류를 방어하고, 유역의 일부만 폐쇄하여 수리학적 연속성을 확보하는 투과형 사방댐은 투과부에 비해 크기가 상대적으로 큰 유송잡물은 퇴적시키고, 크기가 작은 유송잡물과 물은 통과시킨다. 매년 증가하는 토석류로 인한 피해를 막기 위해 사방댐 설치 개수는 증가하고 있다.
사방댐의 토석류에 대한 방어 성능 검증 평가를 위해서 축소된 실내모형실험, 수치해석, 현장 실험을 통한 연구가 수행되었다. 축소된 실내 모형실험을 통해 불투과형 사방댐의 덮개 형태에 따른 속도, 충격력, 월류량의 변화(Kim et al., 2013), 슬릿형 사방댐의 다양한 형태에 따른 유목 및 토석의 포착효율(Lim et al., 2008)과 슬릿 간격에 따른 토석류 포착효율(Wenbing and Guoqiang, 2006), 배플 사방댐 배치형태에 따른 토석류 깊이, 속도, 퇴적량에 대한 영향(Ng et al., 2015), 철제 사방댐 설치에 따른 토석류 포착효율(Takahara and Matsumura, 2008; Xie et al., 2014), 링네트 사방댐 설치에 따른 토석류의 충격력, 속도에 대한 영향(Canelli et al., 2012; Wendeler and Volkwein, 2015)을 분석하였고, 수치해석을 통해 실제 설치된 사방댐의 토석류 속도, 깊이, 부피 저감 효과(Remaître et al., 2008; Kwan et al., 2014)를 분석하였다. 이처럼 축소된 실내 모형실험을 이용한 사방댐 설치에 따른 토석류 흐름에 대한 영향 분석에 관한 연구는 많이 진행되었으나, 실제 토석류 발생 시 설치된 사방댐의 효과에 관한 연구는 미비한 상황이다.
본 연구에서는 파일럿 스케일(~ 70 m) 현장에서 사방댐 설치에 따른 토석류 포착 특성을 조사하였다. 토석류 발생 감지를 분석하기 위해 모니터링 시스템을 설치하였고, 투과형 사방댐과 불투과형 사방댐을 유역의 중, 하류에 설치하였다. 설치 7개월 후 2016년 7월 4일 오전 국지성 호우가 발생하였고, 다량의 물과 토사가 하류부로 흘러내려왔다. 실시간 모니터링 시스템 결과를 분석하여 토석류가 발생된 시점을 파악하였다. 투과형 사방댐은 투과부보다 상대적으로 크기가 큰 거석은 포착시키고 크기가 작은 모래만 하류부로 흐르게 하였고, 불투과형 사방댐은 발생된 모든 유송잡물을 포착시켰다. 실시간 계측 결과, 현장조사, 입도분포 분석을 통해 투과형 사방댐의 방어 성능에 대한 평가를 하였고, 이에 대한 고찰을 제시하였다.

2. 현장 조건 및 토사 유출 발생

2.1 연구대상 지역

토석류 발생 감지와 사방댐 설치에 따른 토석류에 대한 영향 분석을 위해 00시 00산에 모니터링 시스템과 사방댐을 설치하였다(Fig. 1(a)). 00산은 해발 고도가 184.5 m 이다. 해당 지역은 과거 국지성 호우에 의해 토사가 붕괴 되었던 곳으로, 재발 방지를 위해 돌무더기를 상류부에 설치하였지만 다시 붕괴되어 도심지로 토사가 유입되었던 곳이다(Fig. 1(a)).
Fig. 1
(a) Top View of Debris Flow Barriers in Mt. 00 and (b) Side View of Debris Flow Barriers and Sensor Locations in Mt. 00
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여름철 국지성 호우에 의해 빈번하게 발생되는 토사 유출을 막기 위해 사방 사업이 진행되었다. 과거 유출된 토사와 돌무더기를 정리하고, 추후 토사 유출 방지를 위한 사방댐 2개와(투과형, 불투과형) 토석류 발생 감지 및 특성을 분석하기 위하여 모니터링 시스템을 설치하였다(Fig. 2(b)).
Fig. 2
(a) Top View of Slit-type Barrier in Midstream and Dimension of a Barrier and (b) Picture of Slit-type Barrier Before Debris Flow Event
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2.2 사방 시설

사방댐 2개 중 중류부에 설치된 투과형 사방댐은 슬릿형 사방댐으로 중력식 콘크리트 사방댐과 모양은 비슷하지만 투과부인 슬릿(Slit)이 있어 물과 크기가 작은 유송잡물은 통과할 수 있게 설계된 사방댐이다. 불투과형 사방댐에 비해 환경훼손을 최소화하고 토석류의 속도를 줄이거나 거석과 유목을 가둠으로써 하류부에서 발생되는 피해를 최소화하는 장점이 있다. 슬릿형 사방댐의 여러 배치 중 축소모형 실험을 통해 토석류 방어에 효과적인 V45 배치를 적용하였다(Choi et al., 2017). V45 배치는 유역의 횡방향과 45°를 이루는 직사각형 벽체가 V 형태로 설치된 것으로, 6개의 벽체가 설치되었다. 너비, 폭, 그리고 높이가 각각 1 m, 0.3 m, 1.2 m인 직사각형 벽체를 27.57 cm의 슬릿 너비로 배치하였다(Fig. 2). 하류부에 설치된 불투과형 사방댐은 발생된 토석류를 모두 가둠으로써 토석류가 주변 지역으로 이동하여 일으키는 피해를 미연에 방지한다. 불투과형 사방댐의 여러 형태 중 개비온(Gabion) 사방댐은 철사로 엮은 망태 안에 돌을 채워 만든 사방댐으로 너비 16 m, 폭 1 m, 높이 4 m이다(Fig. 3(b)).
Fig. 3
(a) Picture of Gabion Barrier Before Debris Flow Event and (b) Section View with Position of the Shooting
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모니터링 시스템은 강우, 간극 수압, 함수비, 지반의 진동을 측정할 수 있는 센서와 CCTV로 구성되었다. Location 1, 2, 그리고 3(L1, L2, and L3)에는 간극 수압과 함수비를 측정할 수 있는 센서가 설치되었다. Location 3에는 지반의 진동을 측정하는 지오폰, Location 4(L4)에는 강우를 측정하는 센서와 CCTV가 설치되었다(Fig. 1(b)). 센서에 관한 자세한 내용은 Kim et al.(2016)에 실려 있다.

2.3 토사 유출 발생

과거 국지성 호우에 의해 빈번하게 발생되었던 토사 유실로 인한 하류부에 위치한 도심지 피해를 막기 위해 사방 사업이 진행되었고, 사방 사업 완료 7개월 후 2016년 7월 4일 오전 국지성 호우가 발생되었다. 다량의 토사와 물이 상류로부터 흘러 내려왔고 유역의 최하단부에 설치된 불투과형 사방댐에는 흘러내려온 다량의 물과 토사가 하류부로 유하되지 못하고 포착되었다.

3. 결과

3.1 토사유출 발생 시 실시간 현장 계측 결과

Fig. 4(a)는 7월 4일의 시간 강우량으로 오전 5~6시 사이 27 mm와 오전 8~9시 사이 27 mm로 가장 많은 시간 강우량을 보였다. 지반의 진동을 감지하는 지오폰 센서의 결과를 통해 오전 8~9시 사이에 지반의 움직임이 가장 큰 것으로 확인되었다(Fig. 5(b)).
Fig. 4
Hourly Data for 3-4 July (a) Rainfall Data and (b) Geophone Data at Location 3
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Fig. 5
Hourly Data for 3-4 July (a), (b) and (c) Pore Pressure, and (d), (e) and (f) Volumetric Water Content
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보다 자세한 분석을 위해 간극 수압과 함수비 결과를 분석하였다. 간극 수압은 시간 강우량이 10 mm 이상으로 증가하는 오전 3~4시 사이에 급격히 증가하기 시작했다(Figs. 5(a), 5(b), 그리고 5(c)). 함수비 센서 1과 3은 간극 수압 결과와 비슷한 오전에 함수비가 증가하는 경향을 보였지만(Figs. 5(d)5(f)), 함수비 센서 2는 잡음이 관측되어 분석에 사용되지 않았다(Fig. 5(e)).
Fig. 6은 CCTV 결과로, 국지성 호우 발생 전의 모습과(Fig. 6(a)) 시간 강우량이 가장 많고, 센서(지오폰, 함수량, 간극 수압)의 진폭이 가장 컸던 7월 4일 오전 9시경의 모습이다(Fig. 6(b)). 국지성 호우 발생 전에는 수풀 때문에 유역의 바닥을 확인할 수 없지만, 9시경에는 상류부로부터 유하된 물과 토사에 의해 수풀과 토사가 유실되어 유역의 바닥이 노출되었다(Fig. 6(b)).
Fig. 6
Picture of CCTV at Downstream of Slit-type Barrier (a) Before Debris Flow Event and (b) During Debris Flow Event
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3.2 토석류 발생 후 현장 조사 결과

3.2.1 상류부: 돌무더기

Fig. 7은 국지성 호우 발생 15일 후 상류부에 퇴적된 유송잡물의 모습이다. 상류부에 위치한 돌무더기 사이를 채웠던 토사가 강우에 의해 하류부로 유실되면서 돌무더기가 붕괴되었다(Figs. 7(b)7(c)). 크기가 상대적으로 큰 돌은 돌무더기 근처에 퇴적되었지만, 하류부로 갈수록 크기가 작은 돌이 퇴적되었다. 돌무더기 주변에 퇴적된 6개의 돌의 크기를 측정한 결과 평균 입경이 34 cm로 나타났다(Fig. 7(d)).
Fig. 7
(a) Section View with Position of the Shooting, (b) Picture of Rubble from Upstream, (c) Picture of Rubble from Downstream, and (d) Boulders in Rubble
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3.2.2 중류부: 슬릿형 사방댐

Fig. 8은 슬릿형 사방댐에 포착된 유송잡물의 모습을 나타낸다. 유역의 상류부에 퇴적된 돌에 비해 상대적으로 크기가 작은 돌과 모래가 주로 포착되었다. 유송잡물이 통과되는 슬릿에는 돌과 모래가 거의 없지만 사방댐 벽체 안쪽에는 돌과 모래가 포착되었다(Fig. 8(b)). 슬릿형 사방댐 상, 하류부에 포착된 돌의 크기를 측정한 결과 평균 입경이 각각 12 cm, 7 cm로 나타났다(Figs. 8(c)8(d)).
Fig. 8
(a) Section View with Position of the Shooting, (b) Deposited Debris Near Slit-type Barrier, (c) Gravels in Upstream of Slit-Type Barrier, (d) Gravels in Downstream of Slit-type Barrier
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3.2.3 하류부: 개비온 사방댐

Fig. 9는 불투과형 사방댐 상류부에 포착된 토사를 나타낸다. 상류부에서 유하된 토사가 모두 포착되었다. 하지만 유역의 상류부에 퇴적되었던 돌은 중류부 슬릿형 사방댐에서 대부분 포착되어 불투과형사방댐에는 모래만 포착되었다. 지표로부터 80 cm 이상 준설하여도 대부분 모래만 발견되었다(Fig. 9(d)).
Fig. 9
(a) Section View with Position of the Shooting, (b), (c), and (d) Deposited Debris at Upstream of Gabion Barrier
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4. 분석 및 고찰

4.1 사방댐 성능 평가

투과형 사방댐은 투과부 크기에 비해 상대적으로 작은 크기의 유송잡물은 통과시키고 큰 크기의 유송잡물은 포착시킨다. 이에 반해 불투과형 사방댐은 발생된 모든 유송잡물을 포착하여 퇴적시킨다. Fig. 10은 투과형 사방댐과 불투과형 사방댐에 포착된 돌과 모래의 입도분포를 나타낸다. 슬릿형 사방댐에 포착된 토사의 평균입경(d50)에 해당하는 입경은 21.17 mm이고, 불투과형 사방댐의 d50는 1.01 mm이다. 슬릿형 사방댐에 포착된 유송잡물 중 자갈(Gravel)의 비율이 약 70%였고, 개비온 사방댐은 자갈의 비율이 약 12%로 나타났다(Fig. 10). 만약 개비온 사방댐이 발생된 모든 물과 모래를 포착시켰으면 입도분포 결과에서 다양한 크기의 유송잡물이 분포해야 하지만, 4 mm 이하의 모래가 주로 포착된 이유는 개비온 사방댐 보다 상류에 설치된 슬릿형 사방댐이 큰 크기의 자갈과 토사를 포착시켰기 때문이다(Fig. 8).
Fig. 10
Particle Size Distribution of Debris Near Slit-typeBarrier and Gabion Barrier
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Fig. 11은 거리에 따른 거석의 지름을 나타낸다. 여기서, 거리는 해발 70 m인 곳을 기준으로 하였다. 돌무더기가 위치한 5 m 부근에는 최대 지름이 50 cm인 거석이 퇴적되었다. 슬릿형 사방댐을 기준으로 상, 하류의 거석 분포를 보면, 상류에는 슬릿의 너비(w = 28 cm)의 0.36 w인 10 cm 크기 자갈부터 최대 지름이 약 18 cm(0.65 w)인 자갈이 포착되었고, 하류에는 최대 지름이 약 7.5 cm인 돌이 포착되었다. 이러한 결과로부터 슬릿형 사방댐이 슬릿 너비에 비해 비교적 큰 크기의 돌은 포착시키고 작은 크기의 돌은 하류부로 통과시킨 것을 알 수 있다.
Fig. 11
Boulder Diameter Near Rubble and Slit-type Barrier
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사방댐의 성능 평가를 위해 여러 요소들 중에서 포착 특성을 분석하였다. 일정한 간격으로 촬영되어 유송잡물의 이동을 추적할 수 있는 CCTV 자료가 있으면 속도 분석이 가능하여 사방댐에 의한 토석류 속도 저감 효과를 분석할 수 있다. 하지만 본 연구에서 사용된 CCTV는 국지성 호우 발생 당시 촬영 간격이 10초이기 때문에 유송잡물의 속도를 측정하는 것이 불가능 하였다.

4.2 슬릿형 사방댐 설계 가이드라인 및 유지관리에 대한 제언

Ministry of Agriculture and Forestry(2005)는 투과형 사방댐의 투과폭은 사방댐 설치 예정 위치의 상, 하류 200 m 사이에 위치한 거석 100개 이상의 통과중량 백분율 95% 입경의 1.5배 이하(w ≦ 1.5d95, w: 투과형 사방댐 투과폭(슬릿의 너비), d95: 거석의 통과 중량백분율 95%에 해당되는 입경)로 하며, 유목이 예상되는 곳에서는 유역의 대표적 입목 높이의 1/3~1/2 이하의 폭(w ≦ 0.33~0.5 h, h: 유역의 대표적 입목 높이)으로 설치해야 한다고 하였다. 이처럼 슬릿형 사방댐의 슬릿의 너비는 상류부에 존재하는 유출 가능한 거석의 크기에 의해 결정된다. Choi et al.(2017)는 축소모형 실험을 통해 토석류의 포착율을 증가시키기 위해서는 슬릿형 사방댐의 설치 각도를 유역의 횡방향과 이루는 각도가 60° 이하로 설치해야 된다는 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 슬릿형 사방댐의 성능 검증을 위해 문헌에서 제시한 상, 하류 200 m 사이에 위치한 거석 100개 이상의 통과중량 백분율 95% 대신 실제로 슬릿형 사방댐에 영향을 줄 수 있는 거석의 최대 입경(dmax)를 사용하였다. 토석류 발생 후 현장 조사에서 상류부에 퇴적되었던 돌무더기는 슬릿형 사방댐까지 유하되지 못하고 돌무더기 근처에 모두 퇴적된 것을 확인하였기 때문에 슬릿형 사방댐에 영향을 주지 않는 거석은 성능 검증에서 제외하였다. Watanabe et al.(1980)w/dmax가 2보다 작을 때 첨두유량 시 토석류의 부피가 50% 이상 감소한다는 결과를 도출하였다. 설치된 슬릿형 사방댐의 슬릿의 너비는 28 cm이고 사방댐의 각도는 45°이다. 슬릿형 사방댐 상류부에 퇴적된 거석의 최대 크기는 17.5 cm로(Fig. 11), w/dmax가 1.6이다. 또한, Ikeya and Uehara(1980), Wenbing and Guoqiang(2006), 그리고 Choi et al.(2017)은 슬릿형 사방댐의 성능 평가를 위해 ∑w/B (B: 유역의 폭)를 사용하였다. 슬릿형 사방댐을 ∑w/B가 0.2-0.6의 범위로 설치하였을 때 토석류의 유량, 속도, 밀도가 가장 많이 감소한다는 결과를 얻었다. 설치된 슬릿형 사방댐의 ∑w/B는 0.2이다. 슬릿의 너비가 28 cm이지만 실제 토석류 유하 시 포착된 돌은 18 cm 이하이고 퇴적된 돌에 의해 크기가 작은 모래도 함께 퇴적되었기 때문에 투과형 사방댐의 역할을 충분히 한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 V45 배치에서 슬릿의 너비를 사방댐 상류에 위치하여 사방댐에 영향을 줄 수 있는 대표 거석의 최대 입경(dmax)의 1.6배 이하로 설치하는 것이 토석류 방어에 효과적인 것을 의미한다. 발생된 토석류의 양을 측정하여 포착율(Trap ratio)을 비교하거나, 속도를 분석할 수 있으면 보다 다양한 성능 검증이 가능할 것이다.
Figs. 12(c)12(d)는 슬릿형 사방댐이 위치한 유역의 상류부의 양안이 붕괴된 모습이다. 사방댐 시공 당시 유역 양안의 사면 보강 또는 안정이 이루어지지 않아 노출된 토사가 강우에 의해 붕괴되었다. 또한, Fig. 12(b)는 사방댐 기초부가 노출된 모습으로, 이러한 문제가 발생하지 않기 위해서는 사방댐의 상, 하류의 지반을 전석 또는 시멘트로 보강하여 퇴적된 토사가 유출되지 않도록 시공해야 한다.
Fig. 12
(a) Section View with Position of the Shooting, (b) Scouring of Foundation in Slit-type Barrier, and (c), (d) Collapse of Side Slope in Channel
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사방댐의 최대 성능을 발현시키기 위해서는 평소 유지관리가 중요하다. 사방댐 상류부에 과거에 발생된 토석류가 퇴적되어 있으면 사방댐에 하중을 가하기 때문에 사방댐의 안정성에 영향을 주고, 이후에 발생된 토석류는 사방댐을 쉽게 월류하게 된다. 불투과형 사방댐의 경우 유역을 폐쇄시키기 때문에 이러한 문제가 심하게 발생되지만, 투과형 사방댐의 경우 유역의 투과부를 통해 물과 크기가 작은 토사를 하류부로 통과시키기 때문에 유역의 연속성을 확보하면서 이후에 토석류가 발생될 경우 사방댐의 최대 성능을 발현하게 된다. 불투과형 사방댐은 주기적인 유지관리와 함께 토석류 발생이 예상될 때마다 추가적인 유지관리를 해야 하지만, 투과형 사방댐은 규모가 큰 토석류 발생 시에만 유지관리가 필요하기 때문에 유지관리가 용이하다. 사방댐의 효율적인 유지관리를 위해서는 지속적인 모니터링을 통해 강우량, 진동, 간극 수압, 함수비 등과 사방댐 유지관리와의 관계를 규명하는 연구가 필요하다.

5. 결론

본 연구는 과거 국지성 호우에 의해 토사가 붕괴된 이력이 있는 산지에 모니터링 시스템과 사방댐을 설치하여 토석류 발생 감지와 사방댐 설치에 따른 토석류에 대한 영향을 분석하였고, 다음과 같은 결과를 얻었다.
  • (1) 2016년 7월 4일 오전 국지성 호우가 발생되었고, 해당 지역에 설치된 지오폰, 간극 수압, 함수비 센서, 그리고 CCTV를 통해 다량의 물과 토사가 유하되기 시작한 시점을 확인하였다.

  • (2) 투과형(슬릿형) 사방댐에는 슬릿 너비에 비해 크기가 상대적으로 큰 돌은 포착시키고 작은 돌과 모래는 통과되었고, 불투과형(개비온) 사방댐에는 발생된 돌과 모래가 모두 포착되었다.

  • (3) 슬릿형 사방댐 V45 배치에서 슬릿의 너비를 사방댐 상류에 위치하여 사방댐에 영향을 줄 수 있는 거석의 최대 입경(dmax)의 1.6배 이하로 설치하는 것이 토석류 방어에 효과적이다.

  • (4) 투과형 사방댐 주변의 토사가 붕괴된 것은 사방댐 설치 시 유역의 상, 하류와 양안을 전석 또는 시멘트로 보강하지 않았기 때문인 것으로 나타났다.

감사의 글

본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원 건설기술연구사업의 연구비지원(13건설연구S04)에 의해 수행되었습니다. 이에 감사드립니다.

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