1. 서 론

중요 사면구조물이 많이 존재하는 국내에서 사면구조물의 내진안정성 확보는 사회구성원의 안전을 위해 매우 중요한 의미를 갖고 있지만, 아직까지 국내에서는 지진공학적 측면에서의 사면구조물에 대한 체계적인 연구가 수행된 바 없으며 일부 시방서에서만 설계지진가속도만을 제시하고 있는 실정이다(Lee et al., 2014). 일본의 지진지반공학 기술위원회의 경우 지진의 영향범위와 지진으로 인한 지반 구조물의 피해를 예측하기 위한 지침서 및 방법론에 대한 연구를 수행 중에 있으며, 일본에서 가장 최근에 출판된 지침서의 경우 지진에 의해 발생되는 지반 거동, 사면의 불안정성 및 지반 내 액상화 현상에 대하여 자세하게 기술하고 있다. 각각의 현상에 대하여 지진에 의한 영향범위는 정확도에 따라 세 가지 등급으로 표기되어 있으며, 높은 등급으로 갈수록 지진 위험도 작성에서 요구되어지는 자료가 증가하게 되며 축척 또한 작아지게 되어 좀 더 정확하게 지진에 의한 위험도 평가를 가능하게 해준다. 이와 더불어, 지침서는 각각의 등급에 따라 위험도를 작성할 수 있는 다양한 방법들을 제시하고 있다. 가장 정확도가 높은 등급의 경우 지진에 의한 사면 위험도는 항복가속도와 사면경사와의 관계와 지진가속도를 고려한 사면경사와 정적안전율의 관계를 통하여 평가되어진다. 미국의 경우 USGS (US Geological Survey)의 Jibson et al.(1998)이 확률론적 지진시 사면 위험도 작성 방법을 제시한 이래로, CGS (California Geological Survey)에서 California 일부 지역에 대하여 지진시 산사태가 발생하였거나 발생 가능한 지역을 나타낸 바 있으며, 아직도 위험도를 작성하고 있는 지역이 대부분이다.

국내에서도 최근 들어 발생하고 있는 크고 작은 지진으로 인해 더 이상 지진에 대한 안전지대가 아니라는 인식이 확산되어 가고 있으며, 따라서 지진에 의한 사면의 재해위험평가가 필요한 시점이다. 현재 진행되고 있는 산사태 위험도 작성을 위한 방법으로는 크게 두 가지 방법으로, 하나는 대상지역의 정적안전율을 계산하여 지도상에 정적안전율을 표시하는 방법이며, 또 다른 방법은 대상 사면의 변위를 예측하여 그 결과를 지도상에 나타냄으로써 위험정도를 나타내는 방법이다. 현재 국민안전처에서는 앞서 언급한 두가지 방법으로 GIS 기반 지진시 산사태 위험도 작성을 위한 연구를 수행 중에 있다(Lee et al., 2014; Park et al., 2014).

그러나, 현재 수행되고 있는 지진시 산사태 위험도 작성은 많은 지반정보를 시추공 자료를 통하여 추정하거나 가정을 통하여 수행하고 있어 어느 정도 불확실성을 내포하고 있다. 따라서 본 연구에서는 현재 지진시 산사태 위험도 작성 시 가정이나 추정을 통하여 활용하는 지반정보, 특히 사면안정해석에서 가장 큰 영향 인자인 포화도 및 점착력을 변화시키면서 동적안전율 및 동적변위에 대한 GIS 기반 지진시 산사태 위험도를 작성하였으며, 이를 통하여 포화도 및 점착력의 변화가 지진시 산사태 위험도에 어떠한 영향을 미치는지 분석하였다.

2. 기본이론

2.1 산사태 위험도 작성 기법

본 연구에서는 포화도 및 점착력 변화에 따른 등가정적안전율 및 사면변위에 대한 지진시 산사태 위험도를 작성하기 위하여 ESRI사에서 개발한 ArcGIS 10.2 프로그램을 사용하여 Fig. 1과 같은 과정에 따라 지진시 산사태 위험도를 작성하였다(Lee et al., 2014).

동적안전율 및 변위에 대한 GIS 기반 지진시 산사태 위험도를 작성하기 위해서는 대상지역에 대한 수치지도를 확보하여 고도 및 사면경사각을 ArcGIS 프로그램을 통해 계산하게 되며, 대상지역의 시추공 자료를 바탕으로 점착력, 토층두께 등을 추정하게 된다. 하지만, 토층두께의 추정은 시추공 자료를 통하여 획득하기 어려운 상황이 많아 Fig. 2에 나타난 바와 같이 기존에 활용된 사면경사각과 토층두께의 상관관계를 통하여 예측하여 활용할 수 있다(Lee et al., 2014). Fig. 2는 서울과 경기의 125개 시추공에서 조사된 경사도와 토층두께를 통하여 얻어진 상관관계를 나타내고 있다. 이와 같은 추정을 통하여 사면의 정적안전율 및 유사정적 방법에 의한 등가정적안전율(이하 동적안전율)을 계산한다. 지진시 산사태 사면변위를 구하기 위해서 필요한 임계가속도와 동적안전율 계산에 필요한 지진계수는 사면안정해석을 통해 사면의 정적안전율이 1.0이 되는 가속도계수 값을 구하여 결정하고, 최대지반가속도는 사면의 기하학적 증폭특성을 고려한 해석을 통해 계산한다. 산사면의 기하학적 특성을 고려하여 전단파 속도가 200 m/s와 내부마찰각 35°일 때 도출한 증폭계수는 Table 1과 같다. 동적안전율 및 사면변위를 구하는 자세한 계산 방법은 다음 절에서 설명하였다.

2.2 산사태 재해위험평가 방법

사면의 재해위험평가를 위해 사용되는 방법으로는 사면의 동적안전율을 이용하는 방법과 사면의 변위를 예측하는 방법 등 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 본 연구에서는 동적안전율 산정을 위해 유사정적해석을 수행하였고, 사면변위 예측을 위해서는 Newmark(1965)의 강성블록해석(sliding block analysis)을 적용하였다.

Newmark의 변위해석방법은 Fig. 3과 같이 Newmark 활동블록이론에 기초한 지진시 사면의 변위를 산정하는 간편해석 방법이다. Newmark 블록이론에서 파괴가 예상되는 토체는 Fig. 3와 같이 하나의 블록으로 간주하게 되는데, 이 블록을 강체로 가정하고 블록이 움직이기 시작하는 가속도를 항복가속도라 하며, 항복가속도를 넘는 부분에 대해 두 번 적분하여 누적된 값을 변위 값으로 계산한다.

Newmark 방법은 활동블록을 강체로 가정하기 때문에 블록 내에서 지진파의 감쇠효과를 고려하지 못하며 진동에 따른 지반의 강도변화를 고려할 수 없고 항복가속도를 일정하게 해석하는 한계를 가지고 있다(Kramer, 1996). 그러나 실제 사례를 통한 검증 결과 지진시 사면의 변위를 비교적 잘 예측할 수 있는 것으로 알려져 있다. Newmark가 제안한 간편 경험식은 미해군 시설공병단의 설계편람인 NAVFAC (1982)에 채택되어 있으며, 이후 여러 연구자들은 계측된 지진기록을 적용하여 활동블록이론을 기초로 하는 영구변위 경험식을 제안하였다(Ambraseys and Menu, 1988; Jibson, 2007). 이중 본 연구에서는 가장 널리 사용되는 Ambraseys and Menu (1988)이 제안한 변위 경험식을 적용하였다(Eq. (1)).

 (1)

여기서, 은 변위(cm), 는 변위의 오차범위(정규분포의 신뢰수준에 따라 구할 수 있으며, 99 %의 신뢰도일 경우, =2.33)를 나타낸다.

무한사면이 지표면과 평행한 평면 활동면을 따라 활동을 일으키는 경우, 유사정적해석방법은 일반적인 정적사면해석방법에 지진에 의한 영향을 지진계수를 지표면에 평행한 방향에 적용시켜 해석한다. 이때, 지진계수 는 지진가속도를 중력가속도로 나눈 값으로, 지진에 의한 작용력은 지진계수에 토체의 자중 를 곱한 값으로 가정한다. 따라서, 사면 파괴에 대한 동적안전율은 Eq. (2)와 같다.

(2)

여기서, 는 사면 동적안전율, 는 점착력, 은 파괴토체의 길이, 는 사면 경사각, 는 내부마찰각, 는 토체의 전체단위중량, 는 물의 단위중량, 는 포화도, 는 표층의 두께, 는 지진계수를 나타낸다.

3. 해석결과

3.1 해석대상지역

지진시 산사태 위험도를 작성하기 위하여 본 연구에서는 Fig. 4와 같은 서울의 한 지역을 대상으로 하였다. 또한, 본 연구에서는 지진시 산사태 위험도 작성시, 사면높이 자료가 충분한 정밀도를 갖고 있는 국토지리정보원의 1:5000 수치지도 중 연구대상지역에 대한 9개 도엽을 활용하였다. Fig. 5에서 보여주고 있는 경사도는 본 연구에서 지진시 산사태 위험도 작성을 위한 대상지역에 대한 각각 수치지도의 표고점과 등고선을 이용하여 계산한 사면경사각을 나타내고 있고 있으며, 시추공의 깊이 별 SPT 자료를 평균하여 연구대상지역의 토사의 내부마찰각을 35°로 추정하였다(Dunham, 1954).

지진시 산사태 위험도 작성에 있어 수치지도상에서 연구대상지역의 전 영역에 대한 경사각은 도출할 수 있으나, 토층두께 자료에 대한 획득이 불가능하기 때문에, 본 연구에서는 Fig. 2의 서울과 경기지역의 경사도와 토층두께의 상관관계를 통하여 연구대상지역의 토층두께를 예측하였으며 이는 Fig. 6과 같다.

본 위험도 작성에서는 연구대상지역에 대한 Fig. 5의 사면경사각, Fig. 6의 토층두께 예측자료, 연구대상지역의 지반조사 자료를 이용하여 Eqs. (1) and (2)를 통해 사면변위 및 동적안전율을 도출하였다. 동적안전율의 위험 등급을 분류하기 위하여 현재 지진시 사면안정해석에 있어 내진설계에 적용하는 국내 기준안전율인 1.1을 사용하였으며, 최대지반가속도의 경우 현재 국내 내진설계기준에 의한 서울지역의 1등급 붕괴방지 수준인 기반암 최대가속도 0.154 g를 사용하였다(MLTMA, 2011). 또한, 사면변위에 대한 산사태 위험도의 경우 현행내진설계기준을 이용하여 지진시 사면 변위를 구할 경우에는 Newmark 경험식이 최대발생가속도와 항복가속도의 차이를 두 번 적분하는 개념이므로 기존 설계기준인 지표면 최대수평가속도에 50%의 값을 적용하지 않는 것이 합리적인 것으로 판단된다. 또한, 동적안전율의 경우에도 최대발생가속도를 깊이에 따라 해석으로부터 구한 증폭계수인 Table 1을 적용하여 구하였으므로 최대수평가속도의 50%의 값을 적용하지 않았다(Lee et al., 2014).

3.2 포화도에 따른 해석결과

지하수위에 따른 사면의 동적 안정성을 평가하기 위해 토층의 점착력은 Dunham(1954) 공식을 이용하여 10 kPa로 추정하였으며, 포화도를 제외한 다른 지반 자료는 모두 동일하다는 가정아래 사면의 포화도를 0, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0으로 변화시켜 해석 대상 부지의 동적안전율을 구하였다. Fig. 7은 포화도에 따른 동적안전율에 대한 지진시 산사태 위험도 및 분포 비율을 나타내고 있다.

Fig. 7에 나타난 바와 같이 지반의 포화도가 증가함에 따라 전체적으로 동적안전율이 감소함을 알 수 있으며, 집중 강우를 가정한 포화도가 100%일 경우 동적안전율이 1.1이하인 지역이 약 48%에 이르는 것으로 나타났으며, 포화도 수준이 25%에서 100%로 4배 증가함에 따라 안전율이 1.1이하인 불안전한 지역이 148배 증가하였다. 그러나 완전건조시(포화도=0)에서는 동적안전율 1.1 이하인 지역이 전지역에 걸쳐 나타지 않은 것을 확인할 수 있다.

지하수위에 따른 사면의 지진시 산사태 변위를 평가하기 위해 동적 안정성 평가와 마찬가지로 지반의 포화도를 0, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0으로 변화시켜 해석 대상 부지의 사면변위를 Fig. 8과 같이 구하였으며, 미국 지질조사국(USGS)의 사면변위 위험도 분류 기준에 따라 Low (<10 mm), Moderate (10-50 mm), High (50-150 mm), Very High (>150 mm)의 4단계로 나누어 위험도를 작성하였다(Jibson and Michael, 2009). Fig. 8에서 나타난 바와 같이 완전 건조인 경우(포화도=0)부터 포화도가 50%일 경우까지 사면변위가 10 mm 이상인 지역은 나타나지 않았으며, 포화도가 75%일 경우 사면변위가 150 mm를 초과하는 위험지역의 분포가 전체지역의 약 0.2% 정도로 미미한 것으로 나타났다. 포화도가 100%일 경우 사면변위가 10 mm 이상 나타나는 지역이 전체지역의 약 18%로 나타났으며, 사면변위가 150 mm를 초과하는 위험지역의 분포 또한 전체지역 대비 2.5%로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 지진과 동시에 집중 강우가 내릴 경우에는 전 지역의 약 20% 이상이 피해를 입을 수 있는 것으로 나타났다.

3.3 점착력에 따른 해석결과

점착력에 따른 산사태 위험도의 영향을 분석하기 위하여 포화도는 100%로 가정하였으며, 점착력을 제외한 모든 지반정보는 동일하다는 가정아래 사면의 점착력을 0 kPa, 10 kPa, 20 kPa, 30 kPa로 변화시켜 해석 대상 부지의 동적안전율을 구하였다. Fig. 9는 점착력에 따른 동적안전율에 대한 지진시 산사태 위험도 및 분포 비율을 나타내고 있다.

Fig. 9에 나타난 바와 같이 지반의 점착력이 증가함에 따라 전체적으로 동적안전율이 1.1이하인 지역이 감소함을 알 수 있으며, 점착력이 0 kPa일 경우 동적안전율이 1.1이하인 지역이 약 포화도가 100% 이상일 경우 동적안전율이 1.1이하인 지역이 약 77%에 이르는 것으로 나타났으며, 점착력이 20 kP에서 0 kPa로 감소함에 따라 동적안전율이 1.1이하인 불안전한 지역이 15배 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 점착력이 30 kPa 이상시 동적안전율이 1.1 이하인 지역은 전 지역에 걸쳐 나타나지 않은 것을 확인할 수 있다. 그러나, 점착력이 0 kPa와 10 kPa의 경우 연구대상지역의 포화도 등 지반물성치를 매우 보수적으로 가정하였기 때문에, 실제 현상과는 달리 보수적인 결과를 보여주었으며, 이에 따른 보강대책이 필요하지는 않을 것으로 판단된다.

점착력 따른 사면의 지진시 산사태 변위를 평가하기 위해 동적 안정성 평가와 마찬가지로 지반의 점착력을 0 kPa, 10 kPa, 20 kPa, 30 kPa로 변화시켜 해석 대상 부지의 사면변위를 Fig. 10과 같이 구하였으며, 포화도에 따른 해석결과와 마찬가지로 미국 지질조사국(USGS)의 사면변위 위험도 분류 기준에 따라 위험도를 작성하였다. Fig. 10에서 나타난 바와 같이 점착력이 20 kPa와 30 kPa의 경우 사면변위가 150 mm를 초과하는 위험지역이 나타나지 않았으며, 점착력이 10 kPa 이하일 경우 사면 변위가 10 mm 이상 나타나는 지역이 전체지역의 약 18%로 나타났으며, 사면변위가 150 mm를 초과하는 위험지역은 점착력이 10 kPa일 때 약 2.5%, 점착력이 0 kPa일 때 약 7%로 나타나는 것을 확인할 수 있다.

이와 같은 연구 결과로부터 지진시 산사태 위험도 작성시 정확한 지반 물성의 확보가 필수적임을 알 수 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 포화도와 점착력 등 지반정수가 GIS 기반의 지진시 산사태 위험도에 어떠한 영향을 미치는지 분석하기 위하여 서울의 한 지역을 대상지역으로 선정하여 국내 1등급 붕괴방지 수준의 지진 발생 시 산사태 위험도를 작성하였다. 또한, 본 연구에서는 좀 더 정확한 지진시 산사태 위험도를 작성하기 위하여 기존 내진설계지침에서 도출된 증폭계수를 활용하지 않고 사면의 기하학적 증폭특성을 고려한 증폭계수를 적용하였다.

본 연구에서 작성한 산사태 위험도에 따르면 포화도 값이 50%에서 100%로 증가할수록 동적안전율이 1.1이하인 위험지역은 3.6배 증가하였으며, 사면변위가 150 mm를 초과하는 위험지역의 분포율는 전체지역의 0%에서 2.5%로 증가하였다. 또한, 점착력 값이 30 kPa에서 0 kPa로 감소할수록 동적안전율이 1.1이하인 위험지역의 분포율은 전체지역의 0%에서 77%로 증가하였으며, 사면변위가 150 mm를 초과하는 위험지역의 분포율은 전체지역의 0%에서 7%로 증가하였다. 특히, 점착력에 따른 위험도 분석 시 집중 강우 시로 가정하여 포화도를 100%로 적용하였기 때문에 매우 보수적인 결과를 나타냈을 것이라고 판단된다. 따라서, 합리적인 지진시 산사태 위험도 작성을 위해서는 광범위한 산지에 대한 보다 정확한 지반조사자료 및 지반물성의 확보가 우선적으로 선행되어야 될 것으로 판단된다.