본 연구에서 사용한 소형 토석류 실험 장비(small-scale debris flow experiment equipment)는 Fig. 2와 같다. Fig. 2(a)의 소형 토석류 실험 장비는 경사 조절이 가능하다.(17°-45°) 폭 0.15 m, 길이 2 m의 사각 단면으로 수로가 제작되었으며 수로 상부에는 실험시료에 흐름을 발생시키기 위한 폭 0.15 m, 길이 0.4 m, 높이 0.4 m의 시료상자(soil box)가 연결되어 있다. 또한 퇴적부피를 알아보기 위하여 폭 1.0 m, 길이 1.5 m의 퇴적부(deposition part)도 제작되었다. 수로부 및 퇴적부에는 10 cm 간격으로 주 눈금이, 1 cm 간격으로 보조눈금이 표시되어 있어, 수로부 촬영 영상을 통해 토석류 유출속도를, 퇴적부에 퇴적된 토석류 퇴적 높이를 통해 토석류 퇴적부피를 측정하였다.

네트형 사방댐의 설치를 통한 토석류 거동 저감 효과를 분석하기 위해 소형 토석류 실험 장비에 네트형 사방댐을 설치하여 토석류 실험을 수행하였다. 네트형 사방댐 설치에 따른 소형 토석류 실험장비의 모식도는 Fig. 2(b)와 같다. 네트형 사방댐의 설치 위치는 수로 하단부에서 40 cm 떨어진 지점이며 사방댐 전⋅후 토석류 속도를 세부적으로 관찰하기 위해 수로 상단에 두 대의 카메라를 설치하여 영상을 촬영하였다. 또한 네트형 사방댐의 격자 크기에 따른 토석류 저감 효과를 분석하기 위해 격자크기가 다른 두 네트형 사방댐을 제작하였으며(Fig. 3), 제작된 네트형 사방댐을 소형 토석류 실험장비에 설치한 후 실험을 수행하여 네트형 사방댐의 격자 크기에 따른 토석류 거동 저감 효과를 분석하였다.

소형 토석류 실험에서 변화 가능한 실험 조건은 시료의 함수비, 초기부피, 실험장비의 수로경사, 입도분포 변화에 따른 자갈, 모래 및 세립분의 구성비 등이 있다. 본 연구에서는 부산 황령산 및 서울 우면산에서 채취된 액성한계의 차이가 있는 두 시료의 함수비 조건을 변화시켜 토석류 거동을 분석하였다. Table 2는 실험 시 적용된 두 시료의 함수비 조건과 네트형 사방댐의 격자크기 등의 실험조건을 나타낸다. 함수비 조건은 각 시료의 액성한계 이상의 함수비에서 모사된 토석류가 수로를 통과하여 퇴적부까지 충분히 흐를 수 있는 조건으로 설정되었다. 또한 모래 및 세립분 함유량에 비해 자갈의 함유량이 적어 시료의 일관성이 떨어지고 반복 실험 시 결과의 통일성이 부족할 것으로 판단되어, 현장에서 채취된 풍화토 시료를 완전 건조한 후 4번체로 통과시킨 모래와 세립분만을 이용하여 수행하였다. 사방댐 설치 후 함수비 조건은 사방댐을 설치하지 않은 경우의 함수비 조건 이내로 설정하여 실험을 수행하였다. 황령산 시료의 경우 네트형 사방댐을 설치하지 않은 경우 60%에서 70%의 함수비 범위에서 3가지 조건으로 수행되었고 격자크기가 1.2 cm인 Barrier 1을 설치하여 63%에서 68%의 함수비 범위에서 3가지 조건, 격자크기가 1.5 cm인 Barrier 2를 설치한 후 62%에서 68%의 함수비 범위에서 3가지 조건으로 실험이 수행되어 각각 3회씩 총 27회 실험을 수행하였다. 우면산 시료의 경우도 황령산 시료의 실험과정과 동일하게 실험을 진행하였으며 네트형 사방댐을 설치하지 않은 경우 40%에서 52%의 함수비 범위에서 6가지 조건으로 수행되었고 격자크기가 1.2 cm인 Barrier 1을 설치하여 45%에서 52%의 함수비 범위에서 3가지 조건, 격자크기가 1.5 cm인 Barrier 2를 설치한 후 42%에서 49%의 함수비 범위에서 3가지 조건으로 실험이 수행되었다. 네트형 사방댐을 설치하지 않은 경우와 네트형 사방댐을 설치한 후 각 3회씩 총 36회 실험을 수행하여 실험결과에 대한 신뢰성을 확보하였다. 또한 함수비 조건, 사방댐 설치 유⋅무 및 격자크기를 제외한 초기부피(8,600 cm³), 수로 경사(30°) 등의 실험 조건은 동일하게 설정하였다.

네트형 사방댐 설치에 따른 각 시료의 실험장비 수로부 토석류 속도 변화를 Fig. 4에 나타내었다. 사방댐을 설치하지 않은 경우를 N (No barrier), 격자크기가 1.2 cm인 네트형 사방댐을 B1 (Barrier 1), 격자크기가 1.5 cm인 네트형 사방댐을 B2 (Barrier 2)라고 정의하였다. 네트형 사방댐을 통과한 직후의 토석류 속도는 토석류 흐름이 네트형 사방댐에 충돌할 때의 충격으로 인해 다소 오차가 발생하므로 앞서 3.2절에 언급 한 바와 같이 각 함수비 조건에서 수행된 3회의 반복실험 결과를 평균하여 산정하였다.

실험 결과 토석류가 네트형 사방댐을 통과한 직후 수로 1.6 m 지점에서 토석류 속도는 급격히 감소하는 것으로 나타났다. B1을 설치했을 때 토석류 속도는 황령산 시료의 경우 함수비 조건에 따라 최소 35 cm/s에서 최대 61 cm/s, 우면산 시료는 최소 53 cm/s에서 최대 62 cm/s까지 감소하였다. 또한 B2를 설치한 경우 황령산 시료는 최소 19 cm/s에서 최대 31 cm/s, 우면산 시료는 최소 29 cm/s에서 최대 34 cm/s까지 감소하였다. 이와 같이 네트형 사방댐 설치 시 수로부에서 토석류 속도는 각 함수비 조건에서 네트형 사방댐에 의해 속도가 급격히 감소하는 경향을 보였다. 또한 황령산에 비해 세립분 함유량이 적은 우면산 시료의 네트형 사방댐 통과 직후 속도 감소가 크고 두 시료 모두 B2에 비해 격자크기가 작은 B1을 설치하였을 때 토석류 속도가 더욱 급격히 감소하는 것을 알 수 있었다.

일반적으로 토석류 실험 시 토석류의 유출속도는 수로 하단부 속도를 통해 산정된다(Prochaska et al., 2008; Eu and Im, 2017). 본 연구에서는 총 2.0 m의 수로부를 0.4 m 간격 다섯 개의 구간으로 나누어 수로부 끝단 마지막 구간의 평균속도를 토석류 유출속도로 정의하였다. Fig. 5에 지반조건 및 네트형 사방댐 격자 크기에 따른 토석류 유출속도와 퇴적부피를 도시하였다. B1을 설치했을 때, 황령산 시료의 경우 함수비 조건에 따라 유출속도의 감소범위는 73 cm/s에서 85 cm/s, 퇴적부피의 감소범위는 1,514 cm³에서 1,656 cm³이다. 우면산 시료는 유출속도의 경우 61 cm/s에서 78 cm/s의 감소범위를 보였으며, 퇴적부피는 1,541 cm³에서 2,227 cm³의 감소범위가 나타났다. 또한, B2를 설치한 경우 황령산 시료의 유출속도 감소범위는 29 cm/s에서 61 cm/s, 퇴적부피는 287 cm³에서 564 cm³의 감소범위가 나타났으며, 우면산 시료의 경우 유출속도 감소범위는 13 cm/s에서 43 cm/s, 퇴적부피의 감소 범위는 557 cm³에서 790 cm³이다. 이와 같이 네트형 사방댐 설치 시 토석류 유출속도와 퇴적부피는 각 함수비 조건에서 네트형 사방댐에 의해 급격히 감소하는 경향을 보였다. 또한 두 시료 모두 B2에 비해 격자크기가 작은 B1을 설치하였을 때 토석류 유출속도와 퇴적부피가 더욱 크게 감소하였으며, 황령산에 비해 세립분 함유량이 적은 우면산 시료는 유출속도 대비 퇴적부피가 더욱 크게 감소하는 것으로 나타났다. 분석 결과, 네트형 사방댐의 격자크기가 작을수록 토석류 유출속도 및 퇴적부피가 더 급격히 감소하는 것으로 나타났으며, 특히 퇴적부피는 황령산 시료에 비해 세립분 함유량이 적은 우면산 시료에서 더욱 급격하게 감소하는 것으로 나타났다. 또한 함수비가 증가할수록, 격자크기가 커질수록 네트형 사방댐의 성능은 크게 감소하여 사방댐을 설치하지 않은 경우의 유출속도 및 퇴적부피 결과에 점점 수렴하는 것으로 나타났다.

각 함수비 조건에서의 유출속도 및 퇴적부피 저감률을 Fig. 5에 나타낸 실험결과의 회귀선을 이용한 비교분석을 통해 Fig. 6에 막대그래프로 나타내었다. 토석류 거동 저감률은 네트형 사방댐을 설치하지 않은 경우의 토석류 유출속도 및 퇴적부피 결과에 대한 네트형 사방댐 설치 후 토석류 유출속도 및 퇴적부피 감소를 비율로 나타내었다. 설치 후 토석류 저감을 먼저, B1을 설치한 경우 황령산 시료는 함수비 조건에 따라 76%에서 41%로 약 35%, 우면산 시료는 66%에서 35%로 약 31% 유출속도 저감률이 감소하였다. B2를 설치한 경우 황령산 시료는 함수비가 증가함에 따라 유출속도 저감률은 70%에서 15%로 약 55% 감소하였고 우면산 시료는 55%에서 8%로 약 47% 감소하는 것으로 나타났다. 또한 퇴적부피의 경우 B1을 설치했을 때 황령산 시료는 45%에서 6%로 39% 감소하였고 우면산 시료는 49%에서 27%로 약 22% 감소하였다. B2를 설치한 경우 황령산 시료는 18%에서 3%로 약 15% 퇴적부피 저감률이 감소하였고 우면산 시료는 18%에서 10%로 약 8% 감소하였다.

분석 결과, 각 시료의 지반조건과 네트형 사방댐의 격자 크기에 따른 유출속도 및 퇴적부피 저감률의 감소 경향은 다소 비슷하게 나타났다. 하지만 네트형 사방댐의 격자크기가 커질수록 토석류 유출속도 및 퇴적부피 저감률이 크게 감소하는 것으로 나타났으며, 유출속도 저감률에 비해 퇴적부피 저감률은 매우 낮게 나타나는 것을 알 수 있었다. 또한 세립분 함유량이 많은 황령산 시료는 함수비가 증가함에 따라 우면산 시료에 비해 유출속도 저감률이 급격하게 감소하는 경향을 보였으며, 특히 유출속도 저감률에 비해 함수비 증가에 따른 퇴적부피 저감률은 우면산 시료에 비해 훨씬 낮은 것으로 나타나 세립분 함유량이 적은 우면산 시료에서의 네트형 사방댐 성능이 더 높은 것으로 나타났다.

토석류 발생 시 토석류는 발생 산지 인근의 도심지에 퇴적되면서 막대한 인명 및 재산 피해를 입히게 되며 이때 퇴적부피는 토석류로 인한 피해 정도를 예측할 수 있는 척도로 사용된다(Hübl et al., 2009). 또한, 일반적으로 세립분 함유량이 적은 지역은 세립분 함유량이 많은 지역에 비해 액성한계가 작고 같은 함수비 조건에서 작은 점성과 항복응력을 가지므로 같은 강우에서 세립분 함유량이 적은 지역의 토석류 발생위험이 크다(Kim and Kim, 2020). 본 연구를 통해 네트형 사방댐의 성능은 세립분 함유량 및 네트형 사방댐의 격자 크기에 크게 영향을 받고 네트형 사방댐 설치 시 설치지역의 지반특성을 충분히 고려하여 설계해야 한다는 것을 알 수 있었다. 세립분 함유량이 많은 지역에 비해 세립분 함유량이 적은 지역에서 네트형 사방댐의 성능은 더 높았으며, 격자크기가 증가할수록 급격히 감소하는 것을 알 수 있었다. 이에 따라 지반특성을 고려한 합리적인 규모의 네트형 사방댐 설계 및 설치를 통해 경제성 확보함과 동시에 추후 토석류 발생 시 토석류로 인한 피해를 충분히 저감할 수 있을 것으로 예상된다.