1. 서론
국내 토석류 발생은 태풍과 기상이변에 따른 국지성 집중호우 증가로 발생빈도, 규모는 점차적으로 증가하고 있다. 2003년부터 2012년까지 최근 10년 사이 토석류를 포함하는 산사태 평균 피해면적은 557.5 ha로 이는 1980년대 발생한 산사 태와 비교할 때 3배 이상 증가한 규모이다(Park et al., 2004; Lee et al., 2009). 토석류는 지형적·지질적·수리·수문학적 특성, 구성물질, 흐름속도, 발생형태 등에 따라 다양한 거동특성을 보인다. 또한 산사태와 달리 토석류 거동은 1회에 그치지 않고 반복적으로 발생하며 이동속도가 빠른 특징을 보인다.
토석류는 Stiny(1910)에 의해 처음 사용된 용어로 그는 부유물과 유사를 다량으로 운반하는 산지의 홍수유출로 정의하였으며, Varnes(1978), Hutchinson(1988)은 포화된 세립질의 점토, 실트, 모래와 조립질의 암편이 밀도와 점성이 높은 슬러리 형태로 비탈면 하부방향으로 이동하는 현상, Aulitzky (1980)은 암괴를 포함한 액상화된 토석이 큰 운동성과 충격력을 가지는 현상으로 설명하였다.
토석류 발생에 따른 피해를 최소화하기 위해 국내에서는 2007년까지 약 2,258개소의 사방댐을 전국적으로 시공하였으며 2008년부터 2017년까지 10년간 약 1.25조원의 예산을 투입하여 5,000여개소의 사방댐을 추가적으로 시공할 계획이다 (Song et al., 2013). 그러나 국내에서 토석류 발생이 빈번한 강원 영서지역에 위치한 사방댐 625개소의 시공·관리현황을 분석해보면, 70% 이상은 중력식 불투과형 사방댐으로 산악지형 설치 후 공간적 제약이 따르며 환경오염 발생, 월류에 의한 2차 피해발생, 자연미관 훼손, 손상 발생 시의 유지보수 어려움 등이 있는 것으로 보고된다(Cho, 2015).
국내에서는 기존 토석류 방지시설의 문제점을 해결하기 위해 다양한 연구를 수행중이나 연구의 대부분은 지역별 토석류 발생현황, 수치해석기법을 적용한 토석류 흐름특성에 초점을 두며 방지시설 성능평가와 관련된 연구는 일부 소수의 연구자들에 의해서만 수행되고 있다(Kim, 2011; Lee, 2010; Choi, 2013).
토석류 발생에 따른 피해를 최소화하기 위해 국내 또한 2006년부터 수해지역을 중심으로 토석류 흐름을 유연하게 받아줄 수 있도록 강연선을 재료로 하는 유연성 토석류 방지시설(flexible debris flow barrier)을 부분적으로 사용하고 있다 (Kim, 2011; Baek et al., 2010). 이는 링네트의 탄소성 변형을 이용하여 토석류 충격에너지를 흡수하는 공법으로 250 kJ~ 3,000kJ 이상의 높은 에너지를 흡수할 수 있는 것으로 보고된다. 그러나 링네트는 낙석방지책을 개량한 공법으로 Illgraben에서 수행된 현장 실험결과를 검토해보면, 토석류는 유동흐름을 하기 때문에 링네트에 작용하는 충격력은 낙석방지책과 달리 하부구간이 상부구간에 비해 최대 38% 증가함에도 불구하고 네트 충격저항력은 전 구간이 동일한 것으로 설계된다(Wendeler et al., 2007). 또한 링네트는 기존 불투과형 사방댐과 달리 네트를 통해 세립토와 물이 자유롭게 이동 가능하여 기존 사방댐보다 구조물에 작용하는 하중이 감소하는 것으로 보고되지만 현장조사 결과 조립토, 세립토 및 유송잡목 등이 혼재되어 네트에 도달할 경우 투수성 불량으로 구조물에는 토압 이외에도 추가적 수압이 작용 가능한 것으로 파악 된다.
본 연구에서는 최근 대형화되고 있는 토석류 피해를 저감하기 위한 기초연구로서 국내에서 널리 이용되고 있는 토석류 방지시설인 중력식 불투과형 사방댐 모형실험과 링네트에 대한 모형시험을 수행하며 제시된 결과를 토대로 토석류 방지 시설의 구간별, 경사별 충격하중 발생특성, 충격흡수메커니즘을 평가하며 링네트 구조적 성능향상을 위한 개선사항에 대해 제시한다.
2. 연구방법
2.1 토석류 모형 실험장치
2.1.1 개요
토석류 방지시설에 대한 성능평가를 위해서는 실제 크기와 동일한 크기의 모형을 제작하여 실험(mock-up test)을 수행하는 것이 결과의 신뢰성 확보를 위해 최선의 방법이다. 그러나 모형제작을 위해서는 많은 시간과 비용이 소요되며 다양한 조건의 실험을 반복적으로 수행하기 어려운 단점이 있다.
이와 같은 단점을 극복하기 위해 원심모형실험(centrifuge test)이 대안실험으로 제안되었으며 이는 이론적 접근방법으로는 관찰하기 어려운 지반의 극한상태시의 파괴 거동과 같은 실제 응력 재현과 같은 연구에 탁월한 결과를 제시한다 (Ha et al., 2006). 그러나 토석류는 정적거동이 아닌 동적거동이므로 원심모형실험을 수행할 경우, 회전에 의한 입자거동변화가 발생하여 실제와는 다른 거동이 발생할 것으로 판단되며 장비의 희소성과 고가의 실험비, 반복적 실험을 요구하는 경우 시료의 재현성 및 반복성에 어려움이 있다.
실제 스케일의 실증실험, 원심모형실험 등을 이용한 토석류 모사실험은 공간적, 시간적 제약사항으로 수행이 현실적으로 어렵기 때문에 본 연구에서는 실제 토석류 발생규모를 고려한 축소모형시험을 통하여 기존 실험방법의 문제점을 최대한 극복하였다. 국내 토석류 발생현황을 분석해보면, 지역별로 다소 차이가 있으나 토석류 실제 이동거리는 100 m 이상, 폭은 30 m, 토석류 발생경사는 30°~50°가 주를 이루며 링네트 실제 직경은 최대 0.5 m이므로 축척효과(scale effect)를 고려 하여 모형시험장치는 1/20, 링네트 직경은 1/10 이상의 크기로 모형실험장치를 제작하여 시험을 수행하였다(Kim, 2008; Ma et al., 2010; Jun et al., 2013; Jang, 2014).
2.1.2 토석류 모형 흐름실험장치
Fig. 1은 토석류 모형 흐름실험장치로서 이는 시료저장구간, 경사부(토석류 이동구간), 바닥부(토석류 퇴적구간)로 구성된다. 시료 저장구간은 최대 0.5 m3의 시료를 저장 가능하도록 설계하였으며 자동개폐 유압시스템을 도입하여 자연스러운 토석류 흐름을 유도하였다.
경사부는 길이 5 m, 폭 1 m로 설계하였으며 다양한 토석류 흐름실험을 위하여 0°~50°까지 경사 조절이 가능하도록 제작 하였다. 토석류 이동의 흐름을 육안으로 관찰하기 위해 경사부를 포함한 모든 구간은 10 mm 두께의 투명 강화 아크릴판으로 구성되었으며 실험시 발생 가능한 토석류와 경사부와의 마찰을 최소화하기 위해 시험 전 호수를 이용하여 물을 뿌려 경사부 표면을 습윤상태로 유지시켰다. 모형토조 주형틀은 시험 중 발생 가능한 위험을 최소화하기 위해 메인 프레임 (frame)은 강철로 제작되었으며 각각의 프레임은 분리가 가능하여 시험 후 보관이 용이하게 설계되었다. 바닥부는 토석류의 원활한 퇴적을 유도하기 위해 2.5 m×2.0 m×0.5 m(가로× 세로×높이)로 제작하였다.
Fig. 2는 국내에서 사용중인 토석류 모형 흐름실험장치를 나타낸 것으로서 경사부 길이는 평균 5.12 m, 폭은 0.5 m이며 경사는 0°~40°까지 조절이 가능하며 이는 본 연구에 적용된 모형 흐름실험장치와 유사한 규모인 것으로 파악된다. 여기서, 토석류 충격에너지는 이동구간이 길수록 가속도가 증가하므로 속도의 제곱에 비례하여 증가한다. 따라서 실제 토석류 발생시 방지시설에 작용하는 충격에너지를 평가하기 위해서는 실물크기의 흐름장치를 제작하여 실험을 수행하는 것이 바람 직하다. 그러나 이를 위해서는 앞에서 언급한 문제점 이외에도 장비 설치 및 보관을 위한 공간적 제약사항이 뒤따른다. 본 연구에서는 실험을 통해 제시된 결과를 바탕으로 토석류 방지시설의 충격에너지 흡수메커니즘을 분석한 뒤 향후 수치 해석, 현장시험을 추가적으로 수행하여 국내 토석류 붕괴특성을 고려한 방지시설을 제시할 계획이다.
2.1.3 토석류 모형 방지시설
본 연구에서는 기존 토석류 방지시설인 불투과형 중력식 사방댐, 링네트에 대한 성능평가를 수행한다.
2.1.4 토석류 구성물질
토석류 구성물질은 지형적 특성 이외에도 지질학적 구성과 식생 상태에 크게 좌우된다(Lister et al., 1984). 국내외에서의 대표적 토석류 사례를 종합해보면, 토석류는 세립토에서 수 m 이상의 암괴와 유송잡물 등으로 구성된 것으로 보고된다 (Nasmith, 1972; Hwang, 2008).
본 연구에서는 토석류를 모사하기 위해 Table 1과 같이 표준사, 쇄석 A, 쇄석 B를 2 : 2 : 1 비율로 배합하여 실험을 수행하였다. 여기서, 쇄석 A는 직경이 25 mm 이하, 쇄석 B는 40 mm(최대 직경이 60 mm 이하)이하로 쇄석 B 최대 직경이 60 mm 이하인 이유는 선행연구결과 링네트를 구성하는 각각 의 링 직경은 토석류 누적통과백분율 90% 크기일 때 최적의 저사능력이 발현되기 때문이다(Wendeler and Volkwein, 2015).
Table 1
Debris flow mixing ratio
| Material | Sand | Fine crushed rock (A) | Coarse crushed rock (B) | Total weight |
|---|---|---|---|---|
| Weight (ton) | 0.208 | 0.280 | 0.142 | 0.630 |
한편, 국내에서 발생한 토석류는 강우와 직접적 관계가 있기 때문에 토석류 관련 모형시험은 함수비 특성을 고려하여 수행하는 것이 바람직하다(Lee et al., 2007). 그러나 본 연구는 토석류 발생에 따른 기존 방지시설의 성능평가를 위한 기초 연구로서 함수비 특성을 고려하기에 앞서 토석류 발생에 따른 방지시설의 거동특성과 충격하중 흡수메커니즘 등이 우선적으로 검증되어야 할 것으로 판단된다. 또한 함수비 특성에 따른 방지시설 거동특성, 충격에너지 흡수메커니즘을 분석하기 위해서는 토석류 흐름 시 발생하는 간극수압에 대한 정량적 평가, 토석류 마찰저항력 감소, 함수비 특성에 따른 토석류 메커니즘 등이 우선적으로 연구되어야 하므로 본 연구에서는 자연 함수비 상태의 시료를 이용하여 실험을 수행하였다.
2.2 데이터 획득
2.2.1 센서 결정
국내외에서 수행한 토석류 방지시설 충격력 평가와 관련된 연구결과를 검토해보면, 센서는 역학센서(mechanical sensor)로 분류되는 하중계, 토압계, 스트레인게이지, 가속도계가 이용되었다(Hübl et al., 2009; Moriguchi et al., 2009; Kim, 2010; Fangqiang, 2012).
본 연구에서는 김진한 외(2010)이 수행한 바와 같이 토압계, 하중계를 이용한 예비실험을 통해 센서 적용성을 평가한 결과, 사방댐의 경우 토압계, 하중계를 설치하여 실험 수행이 가능하나 링네트는 사방댐과 달리 투과형 구조물이므로 센서에 충격하중이 직접적으로 전달되어 실험시 센서의 손상이 발생 되며 이를 방지하기 위해 센서에 충격방지 캡을 설치할 경우, 네트 전면으로의 토석류 이동이 영향을 받는 문제점 등이 발생하였다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해 Fig. 4와 같이 방지시설 배면 상, 중, 하부구간에 경강선(직경: 3 mm)을 삽입한 뒤 이를 이용, 방지시설을 고정하였다. 고정된 방지시설에 충격력이 작용하면 경강선은 하중의 수직방향으로 인장력이 작용하므로 경강선은 Δl만큼 늘음이 발생한다. 본 연구에서는 스트레인게이지를 각각의 경강선 인장방향에 부착한 뒤 경강선 탄성계수×변위량을 이용하여 인장력을 평가하며 제시된 결과와 경강선 면적, 충격구간을 고려하여 방지시설 구간별 충격 하중을 결정하였으며 제시된 방법은 사방댐에도 동일하게 적용되었다. Table 2는 실험에 사용된 스트레인게이지 사양이다.
2.2.2 신호 필터링
토석류에 의한 충격하중은 데이터로거에 1000 Hz 속도로 저장되며 실험 종료 후 메인컴퓨터에 ASCII 파일코드로 자동 변환 후 저장된다. Fig. 5(a)는 경사 30°에서 발생한 토석류 충격하중에 의한 변형률 게이지(strain gage) 늘음량 결과로서 실험은 야외에서 수행되었기 때문에 기계적, 전기적, 환경적 소음 등에 의해 원 신호는 노이즈와 함께 데이터에 저장되었다. 결과의 정확성을 위해 Fig. 5와 같이 FFT 분석을 수행한 뒤 저대역 통과필터(Low pass filtering)기법을 적용하여 노이즈를 제거한 결과, Fig. 5(a)와 같이 신호의 일부는 왜곡현상이 발생하며 늘음량 또한 감소하는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 원 신호에 대한 정보를 최대한 유지하면서 신호에 포함된 노이즈를 제거하기 위해 Eberhardt et al. (1998)가 제안한 점이동 회귀분석법(moving point regression)을 적용하여 계측결과를 획득하였으며 Fig. 5(b)는 노이즈를 제거한 신호이다.
3. 토석류 충격하중 실험결과
3.1 경험식을 이용한 사방댐 충격하중 평가
Table 3은 유체-정·동역학적(Hydro-statics·dynamics) 모델을 이용한 토석류 높이, 속도에 따른 강성 구조물에 작용하는 최대 충격하중에 대한 경험식이다. 제시된 경험식을 이용하여 경사별 토석류에 의한 최대 충격하중을 평가한 결과, 경사 30°에서는 평균 26.54 kN(3.77 kN~70.35 kN), 40°에서는 47.37 kN (40.85kN~128.61kN), 50°에서는 76.87 kN(5.78 kN~211.98 kN)의 충격하중이 작용할 것으로 판단된다.
Table 3
Estimated impact force obtained from empirical equation in erosion control dam (slope : 50°)
| Researcher | Empirical Equation | Factor | Slope | Impact Force (KN) | Proposed Factor (α) |
|---|---|---|---|---|---|
| Lichtenhahn (1973) | kpgh | 4.4 | 30° | 3.77 | 37~65 |
| 40° | 4.85 | ||||
| 50° | 5.78 | ||||
| Watanabe and Ike (1981) | apv2 | 4.0 | 30° | 5.51 | 23~27 |
| 40° | 8.66 | ||||
| 50° | 12.84 | ||||
| Hübl and Holzinger (2003) | apv0.8(gh)0.6 | 7.5 | 30° | 70.35 | 3~4 |
| 40° | 128.60 | ||||
| 50° | 211.98 |
실험결과를 검토해보면, 사방댐에 작용하는 충격하중이 링 네트에 비해 상대적으로 높으며 경사가 급할수록, 작용점이 하부구간일수록 충격하중은 크게 발생하는 것으로 분석된다. 경사별 최대 충격하중은 31.34 kN, 63.34 kN, 85.97 kN로 이는 경험식 평균결과와 유사한 1.21배 수준이다. 그러나 제안 식은 각각의 연구자가 수행한 실험결과를 바탕으로 제안된 것으로 실험방법, 적용된 골재종류 및 비율, 함수비 등에 따라 결과의 정확성에 영향을 주는 경험인자(empirical factor)는 다양하게 제안된다(Scheidl et al., 2012). 본 연구에서 획득한 경험인자는 시료의 굵은 골재비가 상대적으로 높기 때문에 기존 연구결과에서 제시하는 결과보다 상대적으로 높은 결과가 제시되며 Table 3의 k, α는 각각의 실험결과를 토대로 제시되는 경험인자, ρ는 밀도로서 2,100 kg/m3, 6는 토석류 흐름 높이로서 3.83 m(경사 50°기준), g는 중력가속도로서 9.8 m/s2을 의미하며 제안식을 이용한 결과 경험인자 α는 굵은 골재 비율이 기존 결과와 비교시 상대적으로 높기 때문에 Table 3 에 제시한 바와 같이 3~65 사이일 때 실제 시험결과와 유사한 결과가 제시된다.
한편, 본 연구에서는 하부, 중간, 상부구간에 연결된 각각의 강연선의 늘음량을 이용하여 구간별 인장응력을 측정한 뒤 각 구간의 면적을 고려하여 구간별 충격하중을 결정하였다.
3.2 충격하중 실험결과
3.2.1 토석류 이동속도
충격하중실험을 수행하기에 앞서, 경사별 토석류 흐름상태 특성분석을 각각 3회씩 수행하여 토석류 경사별 평균 이동속도를 평가하였으며 토석류 이동속도는 고속 동영상 촬영 결과를 이용하여 측정하였다. Fig. 6은 경사 30°일 때의 토석류 거동을 나타낸 것으로 시료 흐름 발생 후 약 2초 뒤에 퇴적구간에 도달하였다. 따라서 경사부 5.0 m를 이동하는 동안의 토석류 평균 이동속도는 30°에서 2.56 m/s, 40°에서 3.21 m/s, 50°에서 3.91 m/s로 경사가 고각일수록 토석류의 흐름은 빠르 게 진행되는 것으로 분석되었다.
여기서, 토석류 이동은 상부구간보다는 하부구간으로 갈수록 입자의 마찰저항 감소, 입자의 가속도 등에 의해 빠르게 진행되므로 실제 방지시설 도달시의 토석류 속도는 본 연구에서 측정한 평균 이동속도보다 증가한다. 그러나 토석류 최대속도를 측정하기 위해서는 실험시작과 함께 토석류 이동을 단위길이로 나누어 각 구간마다 입자의 이동시간을 측정하여 순간 속도를 결정해야 하므로 결과 획득의 어려움과 함께 연구자의 주관적 판단이 결과에 영향을 줄 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 기존 연구에서 수행한 방법과 동일한 평균 이동속도를 이용하여 경사별 토석류 이동속도를 평가하였다(Kim et al., 2008; Shin et al., 2010).
실험결과, 본 실험에 사용된 토석류는 자연상태의 시료임에도 불구하고 흐름 시작과 함께 유체와 유사한 거동을 보인다. 이와 같은 흐름형상은 시간이 지날수록 Pierson(1986)이 제시한 결과와 유사하게 경사부 하부로 이동할수록 상대적으로 큰 입자가 흐름 전면에 위치하며 이를 따라 토석류가 경사부 하부로 계속적으로 이동하는 것으로 나타났다.
국내에서 수행된 토석류 모형시험결과를 검토해보면, 경사 30°에서 주문진 표준사를 이용하여 토석류 평균 이동속도를 평가한 결과 0.35 m/s~2.31 m/s로 함수비 특성, 경사로 길이에 따라 다양한 결과가 제시된다(Kim et al., 2008; Shin et al., 2010). 한편, Kim et al., 2008이 수행한 연구결과에 따르면 시료의 함수비가 35%~45%이면 시료의 퍼짐형태는 부채꼴 형상을 보이며 그 이상에서는 확산폭은 좁아지면서 길게 퍼지는 특징을 보이는 것으로 평가된다. 제시된 결과를 토대로 본 연구에 적용된 시료의 함수비를 추정해 보면, 35%~ 45%인 것으로 평가된다. 여기서, 기존 연구결과보다 본 연구에 적용된 시료의 함수비가 상대적으로 낮음에도 불구하고 이동속도가 상대적으로 빠른 이유는 사용된 시료의 굵은 골재 함유량이 상대적으로 높기 때문인 것으로 평가된다.
3.2.2 사방댐 충격하중 결과
Fig. 7은 경사 30°에서 발생한 토석류 흐름 및 사방댐 거동을 나타낸 것으로 토석류가 사방댐 배면에 도달하기 전까지의 흐름은 Fig. 6에서 관찰된 거동과 유사한 것으로 평가된다. 반면에 토석류가 사방댐에 도달한 직후 토석류는 사방댐 배면 하부구간에 충격하중을 전달한 뒤 퇴적되며 이 후 사방댐 배면으로의 토석류 이동, 퇴적은 반복적으로 진행됨에 따라 충격하중은 시험초기는 사방댐 배면 하부구간에 발생하지만 시간이 경과할수록 토석류 퇴적에 의한 경사변화, 사방댐 방향으로 이동하는 토석류와 퇴적된 입자와의 마찰저항 등에 의해 충격작용점은 상부구간으로 갈수록 감소하는 것으로 나타났다.
Fig. 8, Table 4는 경사별, 구간별 사방댐에 가해지는 토석 류 충격하중에 대해 경사 50°일 때 사방댐 하부구간에 작용하는 충격하중(85.97 kN)을 이용하여 정규화한 결과로서 앞에서 언급한 바와 같이 토석류는 사방댐 배면에 충격하중을 전달한 뒤 퇴적됨에 따라 퇴적에 의한 이동구간 기울기가 감소하며, 입자의 마찰저항 등에 의해 사방댐 배면에 작용하는 충격하중은 하부구간이 가장 크며 상부구간으로 갈수록 감소하는 것으로 분석된다.
Table 4
Results of impact force according to slope change in erosion control dam
| Impact Force | Maximum impact force (kN) | ||
|---|---|---|---|
| Slope | Lower part | Middle part | Upper part |
| 30° | 31.34 | 18.47 | 2.07 |
| 40° | 63.34 | 50.94 | 20.86 |
| 50° | 85.97 | 54.95 | 28.71 |
구간별 충격하중을 분석해보면, 중간, 상부구간은 하부구간 결과와 비교할 때 충격하중이 평균 32.2%(19.6%~41.1%), 43.4%(66.6%~93.4%) 감소하는 것으로 나타났다. 본 연구에 서는 경사 50°일 때 하부구간에 작용한 충격하중 결과를 기준으로 링네트, 사방댐에 대한 경사별, 구간별 충격하중을 정량적으로 비교·분석하였다.
3.2.3 링네트 충격하중 결과
Fig. 9, Table 5는 경사별 링네트 충격하중 실험결과를 나타낸 것으로서 구간별 네트 충격하중은 사방댐 결과와 유사하게 하부에서 상부로 갈수록 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 링네트에 작용하는 충격하중은 사방댐 결과보다 평균 18.0% 감소한 것으로 평가된다. 여기서, 링네트 30°하부구간 결과는 사방댐 결과와 편차가 매우 크므로 생략하였다.
Table 5
Results of impact force according to slope change in ring net
링네트에 작용한 충격하중이 사방댐 결과보다 상대적으로 낮은 이유는 링네트는 연성재료인 강연선으로 구성되어 있으므로 토석류 충격하중이 네트에 도달하면 네트의 탄성거동에 의해 충격에너지 일부가 흡수되기 때문인 것으로 보고된다. 이 외에도 링네트는 투과형 토석류 방지시설로 본 실험결과에 따르면 링 직경보다 입자가 작은 토석류는 링네트에 충격 하중을 전달한 후 일부는 네트를 통과하거나 네트와의 접촉 없이 네트를 통과하는 것으로 파악된다.
Table 6은 네트 배면에 통과된 토석류 체적을 나타낸 것으로 사방댐은 불투과형 시스템이므로 배면에 퇴적된 토석류는 50°경사에서 일부 월류가 발생하였으나 발생량은 미약하므로 손실이 없다고 가정하면 토석류 발생 경사와 관계없이 실험 전 체적과 동일한 0.3 m3가 사방댐 배면에 퇴적된다. 반면에, 링네트는 토석류 발생 경사가 고각일수록 입자의 이동속도가 빠르기 때문에 투과율은 30 o일 때 11.6%에서 50°일 때 21.7%로 증가하는 것으로 분석된다.
Table 6
Debris flow deposit volume located before ring net
| Slope | 30° | 40° | 50° | |
|---|---|---|---|---|
| Erosion Control Dam | deposit Volume (m3) | 0.30 | 0.30 | 0.30 |
| Ring-Net | deposit Volume (m3) | 0.27 | 0.24 | 0.23 |
| Penetration ratio (%) | 11.6 | 18.6 | 21.7 | |
여기서, 토석류 투과율이 높다는 것은 링네트 배면에 작용하는 충격하중은 투과된 만큼 감소한다는 의미로 간주할 수 있으며 이와 같은 가정하에서는 토석류 발생구간의 경사가 고각일수록 링네트의 시료 통과율은 증가하므로 링네트에 작용하는 충격하중은 실험결과와 달리 감소하여야한다. 그러나 토석류에 의한 충격력은 구조물에 작용하는 토석류 양보다는 구성물질에 좌우되며 속도의 제곱에 비례하여 증가한다(Kim et al., 2010). 따라서 링네트에 배면에 퇴적된 토석류는 고각 일수록 투과율이 높지만 이동속도가 상대적으로 크기 때문에 높은 충격하중을 구조물에 전달하는 것으로 평가된다.
3.3 토석류 모형 방지시설 거동평가
3.3.1 사방댐 거동특성
Fig. 10은 토석류 충격하중에 의한 사방댐 거동특성을 나타낸 것으로서 토석류는 유체와 유사한 흐름으로 사방댐 하부 구간에 충격하중을 전달한 뒤 구조물 배면에 퇴적된다. 이 때 사방댐은 경강선 상, 중, 하부구간에 고정되어 있으므로 사방댐은 토석류 이동을 구속하는 역할만 하며 충격력은 경강선에 전달된다. 사방댐 하부에 순간적인 충격하중이 전달됨에 따라 Fig. 10(a)에 제시된 바와 같이 사방댐 기울기는 충격하중 발생 전에는 90°로 수직인 반면, 충격하중 발생 후에는 하 부구간의 기울기는 90°에서 83° 전도가 발생하였다. 이 후 토석류 이동, 퇴적이 반복적으로 진행되며 충격하중 작용점은 사방댐 하부에서 상부로 이동하며 그 결과 사방댐 기울기는 83°에서 86°로 수직도는 다시 증가하기 시작한다. 충격하중 작용점은 사방댐 하부구간에 충격하중 발생 후 0.3초~0.4초 이내로 사방댐 하부에서 상부로 이동하며 그 결과 기울기 또한 시험전과 유사하게 수직을 유지하며 토석류 거동이 완료된 구간은 최대 충격하중 발생 이후 2초 이내에 변위가 수렴 하는 것으로 나타났다.
3.3.2 링네트 거동특성
Fig. 11, Fig. 12는 토석류 충격하중(경사 30°)에 의한 링네트 거동특성을 분석한 것으로 네트는 토석류가 배면 하부에 도달한 직후 토석류 이동방향으로 거동하지만 이는 사방댐과 달리 투과형 시스템이므로 토석류 일부는 전면네트를 통과한다. 따라서 네트에 가해지는 하중이 감소함에 따라 강연선 연신율 또한 사방댐 결과보다 최대 34% 감소하였다.
방지시설에 작용하는 하중경감은 충격하중-시간 기울기 곡선 변화에도 영향을 주는 것으로 평가된다. Fig. 13은 충격하중이 상대적으로 큰 사방댐 50°, 링네트 40°, 50°경사에서의 충격하중-시간 기울기를 나타낸 것으로서 링네트는 토석류의 네트전면 이동을 부분적으로 허용함에 따라 하중경감으로 기울기는 사방댐보다 상대적으로 감소한 것으로 나타났다. 기울기에 대한 정량적 평가를 위해 하중-기울기를 정규화한 결과 사방댐 50° 결과는 77°, 링네트 30°, 40°는 44°, 38°인 것으로 평가된다.
충격하중-시간 기울기가 급하다는 것은 순간적인 충격하중 이 구조물에 작용하므로 정적하중에 비해 손상 발생 가능성은 높다는 것을 의미한다. 동일조건에서 실험을 수행한 결과, 링네트가 사방댐에 비해 충격하중 저감효과가 뛰어나며 하중 경감으로 구조물은 순간적인 충격하중이 작용하더라도 연성 거동을 하는 것으로 평가된다.
4. 토석류 방지시설 개선사항
Fig. 14는 충격하중 발생에 따른 사방댐, 링네트 변형률-시간 결과를 나타낸 것이다. 시간에 따른 방지시설 거동을 평가 해보면, 충격하중에 의한 사방댐 연신율은 경사 50°에서 0.35%로 가장 큰 것으로 나타났다. 본 연구에 사용된 경강선과 같은 금속재료는 연성거동에 의해 항복점이 뚜렷하지 않기 때문에 항복강도는 영구 연신율이 0.20%일때로 정의하며 이를 오프셋 항복강도 결정법이라 한다(KS B 0802). 오프셋 항복강도 결정법을 이용하여 사방댐 손상을 평가해보면, 토석류 발생경사가 40°, 50°일 때 사방댐 하부구간에 설치된 경강선은 소성거동을 하는 것으로 평가된다.
링네트 또한 토석류 하중경감, 구조물의 탄성늘음에 의해 사방댐보다는 구간별 충격하중은 감소하는 것으로 평가되나 50° 경사에서 하부구간 결과가 영구 변형률 이상인 0.23%인 것으로 나타났다. 금속재료에 탄성변형을 초과하는 응력이 가해지면 소성영역에서의 늘음량은 탄성구간에서의 결과보다 수 배 이상 증가하므로 구조물의 장기 내구성은 급격히 감소한다.
링네트는 취성재료를 사용하는 불투과형 중력식 사방댐과 달리 강재의 탄성거동에 의해 충격에너지 일부는 구조체에 흡수되며 강재의 높은 인장력을 이용하여 토석류 충격하중에 저항하는 것으로 보고된다. 그러나 실험결과 강재의 탄성거동 보다는 네트에 작용하는 하중경감이 충격하중 감소에 더욱 큰 영향을 주는 것으로 평가된다.
토석류 방지시설에 작용하는 충격하중은 토석류 속도, 이동 거리, 토석류 중량에 영향을 받는다. 사방댐, 링네트 실험시 경사별 이동거리는 동일한 조건에서 수행되었으며 속도 또한 편차가 미약하다. 그러나 방지시설에 작용하는 중량은 사방댐은 불투과형이므로 전체가 충격하중으로 작용하지만 링네트는 네트 전면으로 토석류가 평균 17.3% 통과하는 것으로 나타났다.
사방댐과 링네트 충격력 비교결과를 검토해보면, 구간마다 차이는 있으나 Table 5에 나타낸 바와 같이 평균 18.0% 감소하였다. 방지시설에 작용하는 충격하중은 토석류 중량과 선형적 관계가 있으며 링네트 전면에 퇴적된 토석류는 전 구간에서 동일하게 유출되었다고 가정하면 Table 7과 같이 링네트의 탄성거동에 의한 충격하중 흡수는 평균 13.3%인 것으로 평가된다. 제시된 결과를 종합해보면, 링네트는 투과형 시스템으로 하중경감에 의한 충격하중 감소가 충격하중 저감에 더욱 큰 영향을 주는 것으로 평가된다. 여기서, 링네트 상부구 간 충격력은 다른 구간과 달리 토석류 퇴적양상, 부분적 월류 등에 의해 사방댐 결과보다 높게 측정되어 비교에서 제외하였다.
Table 7
Impact force reduction results according to slope change
5. 결론
본 연구에서는 국내외에서 널리 적용되고 있는 토석류 방지 시설인 사방댐, 링네트에 대한 토석류 축소모형실험을 토대로 각 시스템의 성능평가, 저사능력 등을 평가하였으며 이에 대한 결과는 아래와 같이 요약된다.
1. 사방댐 충격하중 실험결과를 검토해보면, 경사가 고각, 충격작용 구간이 하부에 위치할수록 토석류의 이동속도가 빨라짐에 따라 증가하는 것으로 나타났다. 충격하중은 토석류 이동속도가 가장 빠른 50° 하부구간에서 85.97 kN으로 가장 크며 상부로 갈수록 30% 이상 감소하는 것으로 나타났다.
2. 링네트 실험결과 또한 충격하중은 사방댐과 유사하게 하부에서 상부로 갈수록 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 링네트는 투과형 토석류 방지시설로 링 직경보다 작은 토석류는 네트 통과가 가능하므로 사방댐과 비교시 약 17.3%의 하중경감 효과로 충격하중은 사방댐보다 약 18.0% 이상 감소하는 것으로 나타났다.
3. 충격하중 발생시 스트레인게이지 결과를 검토해보면, 링 네트는 사방댐과 비교시 토석류 충격하중 감소에 의해 늘음량은 감소하였으나 50°경사에서 하부구간의 연신율은 영구 변형률 이상인 0.23%인 것으로 나타났다.
4. 방지시설에 작용하는 충격하중은 토석류 중량과 선형적 관계가 있으며 링네트 전면에 퇴적된 토석류는 전 구간에서 동일하게 유출되었다고 가정하면 링네트의 탄성거동에 의한 충격하중 흡수는 평균 13.3%인 반면, 토석류 유출에 의한 하중경감은 17.3%이다. 제시된 결과를 종합해보면, 링네트는 투과형 시스템으로 하중경감에 의한 충격하중 감소가 충격하중 저감에 더욱 큰 영향을 주는 것으로 평가된다.
5. 기존 방지시설은 각각의 장점에 의해 국내 다수 구간에 시공되고 있으나 토석류 모형축소실험결과, 사방댐은 순간적 충격하중 발생시 취성파괴 발생 가능성을 보이며 링네트는 하중경감효과로 구조체에 작용하는 충격하중은 감소하지만 강재의 탄성거동을 이용한 에너지 저감효과는 다소 부족한 것으로 판단된다. 토석류는 연속적으로 발생하므로 유연성 토석류 방지시설을 이용하여 피해를 저감하기 위해서는 강재의 탄성거동을 극대화 할 수 있게 기존 링네트에 대한 구조적 성능개발이 필요하다.
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