지구 온난화에 기인한 기후변화로 인해 산지에서의 토석류가 많이 발생하고 있으며, 최근 우리 나라 및 세계의 여러 나라에서 많은 피해가 발생되고 있다. 따라서, 토석류에 기인한 토사재해의 특성 및 발생량 등을 분석하여 토석류 방지대책에 적용하려는 노력이 대두되고 있으며, 이러한 방지대책을 설정하기 위해서는 계획 토석류의 분석이 필요하다. 본 연구는 집중호우와 세립사가 섞인 토사유동혼합체가 산지에서 유하할 때 토석류 계획을 세우기 위한 토석류의 거동을 분석한 것이다. 수치해석 모델은 질량보존 및 운동량 보존에 관한 방정식에 기초하여 유한차분법을 이용한다. 수치해석 모델을 적용하기 위하여 소단을 갖는 다양한 형태의 수로가 적용된다. 소단 길이가 작을수록 토석류가 하류단에 도착한 직후 유량과 유동심에서 서지가 발생하고, 소단 길이가 길어질수록 크게 감소한다. 토사농도의 경우 약 16초가 되는 지점에서 고저차가 큰 변곡점이 발생하며, 이는 토석류가 하류단에 도달한 직후에는 고농도의 토사가 고유량의 유체 혼합물과 섞여 하류로 흘러가기 때문에 피해를 가중시키게 된다. 공급유량이 증가한 상태에서는 소단길이가 짧아질수록 유량과 유동심의 곡선이 불안정한 상태를 나타냈고, 약 10초 이후에는 고유량과 고유동심의 분포를 갖는 fluctuation이 15초 가량 지속되는 것으로 나타난다. 이는 집중호우의 영향권에 있는 산지에서 토석류가 산지 하류부에 도달한 이후 어느 정도 시간이 지나도 토석류의 유량과 유동심이 감소하지 않고, 고저의 불안정한 상태로 하류부로 계속해서 유하한다는 것을 의미한다. 본 연구의 결과는 강우 변화에 따른 비탈면 하류단에서의 토사 유체 혼합물의 토석류에 의한 재해방지의 계획을 위한 좋은 정보를 제공하며, 사면 안정시의 대책에 필요한 계획 설정에 정보를 제공한다.

본 논문에서는 토석류로 인해 발생하는 도로 피해를 예방·저감시키기 위한 도로관리기관의 방재정책과 예방적 방재를 위해 필요한 기술 그리고 사업의 실행과정에서 발생하는 타 기관과의 조정 및 협력방안에 대한 내용을 소개한다. 최근 우리나라의 여름철 강수특성은 집중강우 빈도가 증가하는 추세이며, 집중강우 시 경사가 급한 산지부에서 발생하는 토석류 산사태로 인한 도로 피해 빈도도 증가하고 있다. 토석류로 인한 도로 피해예방과 저감을 위해서는 토석류가 가능한 구간에 대하여 예방적인 재해저감시설을 설치하거나 모니터링을 통해 도로 이용 차량의 대피 또는 토사퇴적물의 신속한 제거와 같은 대응을 필요로 한다. 하지만, 토석류는 자연재해의 일종으로서 정확한 발생시기와 발생위치 및 규모 예측이 어려우므로 토석류 방재를 위해서는 일정수준의 방재목표 설정과 예측기술의 확보 그리고 대책시설의 설치기준을 설정할 필요가 있다. 토석류 방재목표는 근본적으로 토석류 발생시 도로의 피해를 최소화시키는 것이며, 강우의 규모에 따라 토석류 발생규모와 피해규모가 달라지므로 정량적인 목표기준은 강우를 토대로 설정하는 것이 바람직하다. 이를 위해 과거사례를 토대로 토석류 유발강우를 분석하고 방재목표 강우기준을 재현주기 50년의 강우시에 도로 피해가 발생하지 않고, 재현주기 100년의 강우시에는 피해최소화, 그 이상의 강우에서는 신속대응을 방재목표로 설정하였다. 토석류 방재를 위해서는 토석류 위험성이 있는 위치를 선정하는 기법과 기준을 필요로 하며 본 연구에서는 과거 토석류 발생사례 분석을 통해 유역단위로 토석류 위험정도를 정량적으로 평가하고 방재목표에 사용되는 강우기준와 연계시켜 위험정도를 등급화시킬 수 있는 방법을 개발하고, 고속도로 인접 유역별 위험 등급을 결정하여 설정된 방재목표에 따라 시설을 설치할 수 있는 기술기반을 마련하였다. 토석류 재해는 산지에서 시작하지만 피해는 도로에서 발생하므로 피해 복구 또는 예방사업은 토석류가 시작-이동-퇴적되는 구역별 담당기관 간의 업무에 대한 조정과 협력이 필요하다. 국내는 산지소유 또는 관리권한에 따라 산림청과 지방자치단체로 업무가 나뉘어져 있으므로 도로관리기관에서 토석류 방재정책을 수립할 때는 이들 기관과 업무추진 방식, 예방사업의 주체, 실제 사업시행 시 상호협조사항 등에 대한 사전 조율과 협력이 필수적이다. 이를 위해 산림청과 협업 체계를 마련하고 고속도로 노선별 단계적인 공동조사와 사업추진방향 회의를 통해 고속도로 토석류 예방사업을 추진하고 있는 상황이다.

기후변화에 기인한 집중호의 영향으로 산지에서 토석류를 비롯한 토사재해가 해마다 발생하고 있다. 대분의 경우 토석류 등의 재해는 산지에서 일어나는 것으로 한정하기 쉬우나, 토석류와 산사태가 발생하여 인근의 하천에 유입되면 고농도의 탁수가 혼합된 것과 동일한 효과가 발생하여, 수질에 악영향을 미친다. 이와 마찬가지로 연안에 위치한 산지에서 토석류가 발생하면, 발생된 토석류는 바다와 연결된 하천을 따라서 바다로 유입되게 된다. 이와 같은 고농도의 토석류가 바다에 유입되면 주변의 수질은 오염되어 생태계에 악영향을 미친다. 본 연구에서는 바다와 연결된 강원도 오십천 유역의 산지를 연구대상지역으로 하여, 유역 내 산지에서 토석류가 발생하였을 때 이에 따른 토석류의 거동을 모의하였다. 바다와 연결된 하구를 원점으로 하여 10 km의 거리에 대해서 토석류의 유량과 토석류의 유동심을 모의 하였다. 산지유역의 상류부에서 토석류가 발달함에 따라 침식과 퇴적이 반복되어 일어나고 있다. 모의결과 하구에서의 토사유출량은 114,216 ㎥으로 나타났다. 이와 같은 연구를 발생시켜 실제현상에 대한 예측능력을 강화시킨다면 산지와 연결된 하구부 또는 하천에서의 토석류에 의한 2차 재해를 방지하는데 효과적일 것으로 판단된다.

최근 번번히 발생하는 이상기후로 인해 산지의 비율이 높은 우리나라에서 발생빈도가 높아지고 있다. 이러한 토사재해 방재를 위해 다양한 방법으로 연구가 진행되고 있다. 일반적으로 토사재해를 해석하는 프로그램으로 FLO-2D, RAMMS, DEBRIS-2D 등 다양한 프로그램이 개발되어 있다. 본 연구에서는 미연방재난관리청(FEMA)에서 토석류 해석에 권장하고 있는 프로그램인 FLO-2D를 이용하여 토석류 거동에 대한 연구를 수행하였다. FLO-2D는 정상류, 정수압 분포의 가정을 통해 유한차분법을 통해 토석류를 모의하는 2차원 해석 프로그램이다. 연구방법은 먼저 토석류 거동에 영향을 미치는 다양한 인자에 대한 토석류 흐름 특성을 분석하고 그 결과에 의한 통계적 추론 분석을 활용하여 주요 인자간의 민감도 분석을 수행하였다. 토석류 거동 영향인자로 흐름지형, 물성치, 전파면의 형상 등을 선정하였다. 흐름 지형은 실제 토석류 흐름 지형과 유사하게 나타낼 수 있도록 계곡형 형태로 구성하여 입력하여 모의하였고 물성치는 점성과 항복응력 값을 변화시켜 토석류의 물성에 따른 모의를 수행하고 전파면의 형상은 전파면의 경사를 변화시켜 도심지의 경사에 따른 흐름 분석을 수행하였다. FLO-2D를 이용하여 선정한 주요 인자에 대해 민감도 분석을 위한 수치모의를 수행한 결과, 토석류 흐름에 영향을 미치는 주요 인자의 변화에 따른 거동 특성을 파악할 수 있었다. 본 연구를 통해 선정된 토사재해 거동의 유효 인자에 대해 심도있는 연구를 수행한다면, 토사재해 관련 방재활용 및 계획수립에 활용할 수 있을 것이다. 또한 토사재해 발생 예상 지역의 지형, 토질분석 자료를 통해 토석류 거동 특성을 좀 더 정확히 분석할 수 있게 하여 토사재해로 인한 피해 저감에 도움을 줄 수 있을 것이다.

토석류 매커니즘에 대한 많은 선행 연구가 이루어졌으며, 토석류 수치해석은 설정된 지형이나 수문곡선 등의 조건하에서 토석류의 발생, 이동, 퇴적, 범람범위 등의 거동을 표현하는 것이다. 토석류 수치해석을 통해서 토석류재해의 규모나 범위를 예측할 수 있으며 실제로 발생한 토석류재해의 검증, 사방구조물의 기능평가에도 유용하게 이용될 수 있다. 본 연구에서는 토석류 해석에 자주 이용되는 Takahashi model과 Egashira model을 이용하였다. Takahashi model에서는 토석류, 소류상 집합유동 등에 따라 유동형태가 달라지는 반면, Egashira model에서는 유동형태의 구분없이 침식이나 퇴적이 일어나지 않는 평형경사를 상정하여 하상구배가 평형구배를 만족시키는 방향으로 침식/퇴적이 발생한다고 평가한다. 이러한 각각의 토석류 모델을 이용하여 여러 가지 하상에서의 침식현상, 퇴적현상을 수치모의하고 각 모델의 해석결과를 비교하였다. 또한 이동상에서의 침식/퇴적거동을 해석하였으며, 실제 지형에 대한 적용가능성을 검토하였다. 본 연구에서는 1차원해석에 머물러 있으나 계류상의 거동을 표현하고 사방구조물의 위치선정을 위해서는 무리가 없으며, 향후 2차원해석을 통해 범람거동을 해석한다면 토석류위험지도 작성에 유효할 것으로 판단되었다.

최근 전 지구적인 기후변화의 영향으로 집중호우가 증가하고 있어 산지가 많은 국내에서는 산지재해 발생 위험이 증가하고 있다. 특히 산지에서 발생하는 토석류의 경우는 산지계류를 따라 빠르게 이동하여 하류부에 위치한 도심지까지 피해를 주고 있다. 그러나 토석류 피해지역을 정확히 분석하고 대책을 수립하기 위한 연구는 매우 미진한 상태이다. 따라서 본 연구에서는 지상 LiDAR 장비를 활용하여 토석류 발생 및 피해지역에 대한 3차원 정밀지형정보를 구축하는 방법에 관해 연구를 수행하였다. 구축된 3차원 지형정보는 토석류 피해지역의 복구활동 및 시간경과에 따른 재해현장의 환경변화에 지장을 받지 않고 다양한 연구활동이 가능하다. 따라서 지상 LiDAR로 구축된 지형자료는 토석류 피해지역의 이동과 확산범위 산정을 위해 적용된 RAMMS 모형의 기본자료로 활용하였다.

우리나라의 산사태 및 토석류의 발생 시기는 주로 7,8,9월에 집중 되어 있고 유발인자 중 강우는 산사태 및 토석류를 발생시키는 가장 큰 인자이다. 특히 강원도 지역은 산지지형이 많고 여름철 장마나 국지적인 집중호우에 의해 토석류 발생 빈도가 잦다. 또 면적과 누적 강우량을 분석해보면 1,100mm 이상이 되는 지역에서는 극심한 피해가 발생하게 되며 누적강우량이 많을수록 규모도 커진다. 이러한 분석결과는 취약지역에서 강우에 의해 토석류가 발생할 가능성이 증가한다는 것을 의미하며, 일정 이상의 강우가 발생할 시 취약성이 낮은 지역에서도 토석류 및 산사태가 발생할 가능성이 충분히 있다는 것을 의미한다. 따라서 강우발생에 따른 토석류 발생기준에 대해서 정립할 필요가 있다. 본 연구에서는 강원도 지역의 산사태 및 토석류 발생이력에 대해서 강우데이터를 분석하여 강우기준을 설정 하였다. 강우관측소는 국토교통부, 한국수자원공사, 기상청의 강우자료를 활용하였다. 관측소의 선택은 Thieesn 망에 의해 선택 하였고, 유효시간에 따라 강우강도, 유효 평균 강우강도, 누적강우량을 산정하여 DFG (Debris-Flow Guardians) 곡선을 작성하여 강우기준을 설정하였다.

본 연구에서는 도심지 토사재해로부터 안전한 삶과 방재환경 확보 차원에서 토사재해 발생시 인명피해를 최소화하고 도시기능을 신속하게 복구할 수 있는 통합관리시스템 및 개발될 방어기술의 성능검증 및 적용성 평가를 위한 실증단지 구축 방안에 대하여 검토하였다. 추가적으로 여러 가지 토사재해 방어기술 중 산지에서 인근 도심지의 주요건물로 유입되는 토석류를 막기 위해 토석류의 강도와 피해에 적합하게 대응할 수 있는 가변형 토석류차단벽을 설계하였다. 최근 기후변화와 관련하여 집중호우로 인한 산사태 발생 빈도가 증가하고 있으며, 도심지에서의 토사재해는 막대한 재산피해 및 사망, 실종, 부상 등 인명피해가 속출하고 있다. 피해를 방지하기 위하여 여러 방어시설물과 관련 시스템이 개발되고 있으나 연구 성과물에 대한 검증 및 관리가 부실하여 실용화가 매우 저조한 실정이다. 이로 인해 연구 결과에 대한 객관적인 성능검증과 적용성 평가의 필요성이 부각되고 있다. 본 연구는 요소기술의 적용성을 평가하기 위한 실증단지를 구축함으로 개발된 기술들의 연계-통합에 의한 통합관리시스템 개발과 실용화에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

집중호우에 의해 발생된 토석류는 매우 빠른 속도로 유역을 따라 흐르고, 하류로 가면서 유역바닥과 양 측면에 있는 토사를 연행하면서 규모와 세기가 점진적으로 커진다. 막대한 재산 및 인명 피해 등의 사회적, 경제적 피해를 발생시킬 수 있는 토석류 재해를 적극적으로 방어하기 위해 토석류 발생 예측 유역에 사방댐의 건설이 최근 급격히 증가하고 있다. 다양한 사방댐의 형태 중, 슬릿트형 사방댐은 기존의 폐쇄형 사방댐에 비해 환경훼손을 최소화하는 투과형 사방댐으로 유하되는 토석류의 속도를 줄이거나 토사를 가둠으로써 하류부에서 발생되는 피해를 최소화하는 기능을 한다. 국내외에 슬릿트형 사방댐이 많이 설치되고 있지만, 사방댐의 설치위치, 슬릿트 사이의 간격, 각도 등 배치형태가 토석류 흐름에 미치는 영향에 대한 충분한 이해가 부족한 상황이다. 본 연구에서는 GIS기반의 산사태 발생 예측 프로그램인 TRIGRS와 DAN3D를 이용하여 사방댐의 설치 위치에 의한 토석류 흐름에 대한 영향을 분석하였다. 또한, 실내 모형실험과 수치해석을 통해 슬릿트 배치형태에 따른 토석류 속도 감소율을 분석하여 슬리트형 사방댐의 최적배치를 도출하였다. 연구를 통해 도출된 결과는 현장적용을 위한 근본적인 자료로 사용될 것이다.

최근 이상기후로 인한 산사태 및 토석류 발생으로 도심지 피해가 급증하고 있어 재해 발생시 이에 대한 대책이 요구되는 실정이다. 따라서 도심지 형성시 발생되는 공원, 유수지, 유보지, 나대지 및 주차장 등의 비활용 공간을 활용하여 토사재해 피해를 감소시키고 토석류 및 유송잡물을 인위적으로 집적시켜 즉시복구를 가능하게 하여 추가적인 피해를 줄일 수 있는 유도기술 개발이 필요하다. 또한 유도기술 중 토석류 충격력에 의한 직접적인 영향을 받는 유도벽에 대한 검토가 필요하며, 이에 대한 검토를 본 연구에서 실시하였다. 현재 산사태 및 토석류를 유도제어하는 시설물 및 기술은 없으며, 일본에서 용암류로 인한 피해 저감 방법으로 용암류 흐름의 진로를 바꾸는 도류제를 설치하여 시행중이나, 국내에서는 계획적으로 시행된 시설은 없는 상태이다. 그러나 산사태 및 토석류는 매해 그 규모 및 횟수가 증가되고 있는 실정이므로 산지부에 인접하여 도심지가 형성될 경우 향후 발생할 수 있는 산사태 및 토석류에 의한 피해를 줄이기 위한 유도제어기술개발이 필요하다.

본 연구는 도심지 지역에서 위험지역 선정 - 사회경제적 취약성 평가 - 고위험구역 정밀평가로 이어지는 토사재해 통합 취약성 평가 가이드라인을 작성하는 것을 목적으로 하며, 그 첫 단계로 국내·외 취약성 평가 관련 제도 및 법률을 분석하였다. 국내 토사재해 관련 법률은 관리 주체와 관리 대상에 따라 다양하게 구분되어 있는 것으로 나타났다. 토사재해는 국토해양부, 안전행정부, 소방방재청, 산림청 등 4개 행정부처가 관할하며 관련 법률도 14개가 있는 것으로 분석되었다. 국토의 개발과 관리 및 그에 따른 개발제한, 주택건설과 관련해서는 국토교통부가 관할하고 있으며, 재난, 재해 및 안전관리, 재해 피해저감을 위한 이주 등은 안전행정부와 소방방재청, 산림의 보호, 관리 및 사방사업은 산림청이 관할하고 있다. 2012년부터는‘국토의 계획 및 이용에 관한 법률’을 비롯하여 도시 개발을 위한 장기계획인 ‘광역 도시계획 수립지침’, ‘도시군 기본계획 수립지침’과 ‘도시군 관리계획 수립지침’에 매 5년마다 재해 취약성 분석을 수행하고, 계획 수립시 반영토록 하여, 피해를 사전에 방지하는 예방형 토지이용체계로의 변화가 있었다. 미국, 캐나다, 스위스, 아일랜드, 스웨덴 등에서도 토사재해를 저감하기 위한 토지이용의 제한 및 대책수립을 법으로 강제하고 있는 것으로 나타났다. 토사재해 통합 취약성 평가 가이드라인의 원활한 활용을 위해서는 관련 법에 취약성 분석 수행여부를 명시하고 관련 고시(또는 예규)에 토사재해 통합 취약성 평가 가이드라인을 포함하는 방안이 고려되고 있다. 그러나 토사재해 관리체계가 국토해양부, 산림청, 소방방재청 등 3개 부서로 나누어진 상황에서 전 부처에서 통합적으로 사용하기 위해서는 각 부처와의 사전 의견 조율 및 협의가 매우 중요할 것으로 판단된다.

우리나라에서는 매년 호우, 태풍, 대설 등 자연재해로 인하여 많은 피해가 발생하고 있으며, 2013년도에서는 총 1,721억 원의 재산피해가 발생하였다. 또한 재해로 인한 피해액과 그에 따른 복구액이 점점 증가하고 있는 추세를 보이고 있으며, 특히나 2011년 서울시 우면산 산사태, 2014년 부산·경남 지방에서 폭우 등으로 인하여 많은 재산 피해와 인명 피해가 발생하였다. 우면산 산사태의 경우 인구밀도가 높은 도시지역에 발생하여 치명적인 피해를 야기시켰으며, 이에 사회적으로 많은 관심을 불러일으키게 되었다. 토사재해와 같은 자연재해가 도시지역에 발생하게 되면 인구가 밀집되어 있기 때문에 그 피해가 자연스럽게 커지게 되며, 이를 극복하기 위해서는 적절한 대응책 마련이 반드시 필요하다. 이를 위해서는 토사재해 발생지역에서의 피해정도를 다양한 관점에서 정량적으로 평가할 수 있어야 한다. 본 연구는 사회경제적 관점에서의 토사재해 취약성평가를 위하여 서울특별시, 부산광역시 집계구를 시범지구로 설정하여 토사재해로 발생하는 사회경제적 피해를 지표기반모델을 이용하여 정량화 하고자 하였다. 모델구조가 결정되면 모델의 세부지표 및 대리변수를 선정하고 각각의 가중치를 산정하는 연구가 수행되어져야 한다. 대리변수 선정 및 가중치 산정을 위한 방법은 1) 참고문헌의 인용, 2) 델파이 방법, 3) 엔트로피 방법, 4) 계층분석법 등이 있다. 본 연구에서는 Thomas L. satty가 개발한 계층분석법(Analytic Hierarchy Process, AHP)을 적용하여 취약성 평가 모델의 세부지표, 대리변수의 선정 및 가중치를 산정 하고자 하였다. AHP는 복잡한 문제를 계층화하고, 계층구조를 구성하고 있는 요소간의 쌍대비교를 통해 중요도를 도출하는 특징을 가진다. 또한 상대적 중요도를 정량화 할 수 있는 장점을 가지기 때문에 사회경제적 관점에서 토사재해 취약성 평가를 위한 세부지표, 대리변수 선정 및 가중치 산정에 적합하다고 판단하였다. AHP의 계층구조는 크게 3 계층로 구분 지었으며, 제 1계층은 사회경제적 토사재해 취약성 지수, 제 2계층은 세부지표, 제 3계층은 대리변수로 구성하였다. 취약성 지수(제 1계층)는 세부지표(제 2계층)로 구성되며 다시 세부지표는 대리변수(제 3계층)로 구성되는 구조를 가지게 된다. 가중치를 산정하기 위해서는 대리변수 또는 세부지표 별 쌍대비교를 실시하게 된다. 여러 개의 대리변수를 짝을 이루어 세부지표에 대한 중요도 또는 선호도에 대해서 상대평가를 실시하고 이를 비교행렬로 작성한다. 구해진 비교행렬로부터 세부지표에 대한 대리변수별 가중치를 산정할 수 있다. 세부지표 역시 마찬가지로 쌍대비교를 통하여 사회경제적 토사재해 취약성 지수에 대한 상대적 가중치를 산정할 수 있다. 대리변수 및 세부지표 별로 가중치가 결정되면, 대리변수의 정량화를 통해 최종적으로 사회경제적 관점에서의 토사재해 취약성 지수를 산정할 수 있다. 이를 통해 도심지에 토사재해가 발생하였을 경우 해당지역의 사회경제적 피해를 정량화 할 수 있으며, 또한 토사재해 취약성 개선을 위한 사업 추진 시 사업운선순위를 선정하는데 있어 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

최근 도시 확장에 따른 무분별한 산지 개발과 기후 변화 등의 다양한 원인으로 인해 산사태, 토석류와 같은 토사재해에 의한 인명과 재산피해가 증가하고 있다. 그 규모도 대형화됨에 따라 토사재해에 대한 잠재적인 위험성은 계속적으로 증가하는 추세이다. 토사재해의 여러 유형중 토석류는 많은 토사를 발생시키며, 유동화된 토사가 이동함으로써 피해를 더 가중시킨다. 토석류 위험에 노출되는 구조물로는 고속도로, 철도, 교량 등과 같은 토목 구조물이 있다. 뿐만 아니라 산지와 인접된 도심지 주거지역의 건물이 포함된다. 이러한 이유로 토석류 재해 유발인자와 구조물의 손상관계에 대한 정량적 분석은 필수적이다. 정량적 평가는 위험 요소, 크기, 구조물의 취약점과 예상되는 손실을 포함해야 한다. 따라서 본 연구에서는 2011년에 발생한 토석류 재해 지역에 대한 사례를 분석하여 각 재해지역의 토석류 재해 유발인자를 분석하였다. 이를 위해 현장 조사보고서, 수치지도, 위성사진을 이용하여 토석류 발생 지역에 대한 분석을 수행하였다. 또한 각 재해지역에서 피해를 입은 건물에 대한 손상 특성을 분석하였다. 이를 위해 현장조사보고서, 피해건물 현장사진, 문헌 등을 종합적으로 분석하여 건물의 손상정도를 파악하였다. 건물 손상정도는 완전 파괴, 심각한 손상, 보통 손상, 경미한 손상과 같이 4가지로 구분하였다. 이를 통해 토석류로 인한 건물 손상정도를 토석류의 높이, 속도 및 충격압력과 같은 토석류 재해 유발인자를 이용하여 건물의 물리적 취약특성을 분석하였다. 이러한 토사재해에 따른 구조물 취약성에 대한 연구는 토사재해 취약지역 관리뿐만 아니라 국가 방재정책의 우선순위를 수립함과 동시에 향후 도시 계획에 대한 유용한 정보를 제공할 수 있음을 것으로 기대된다.

2011년 서울 우면산 산사태 이후 도시생활권의 토사재해 취약성을 재인식하고, 위험구역의 결정 및 관리수단 개발을 위한 연구의 필요성이 제기되고 있다. 이 연구에서는 서울시 우면산 일원을 대상으로 지형 및 입지 특성에 근거한 기준점을 설정 방법을 검토하여 총 46개의 소유역을 결정하였고, 퇴적토사량과 토사의 도달거리 산정을 위해 각각 3가지의 모델을 적용하였다. 퇴적토사량은 현장상황과 비교할 때 총수량과 용적토사농도를 이용한 산정모델(c1)이 과대치가 산정된 반면, 지질별, 계류 차수별 원단위 기준 산정모델(b)에서 유효치가 확인되었다. 토사의 도달거리 산정은 경험식을 이용한 산정모델(d)과 유역면적과 확산각을 이용한 산정모델(e)을 채택할 수 있었다. 다만 지질별, 계류차수별 원단위기준 산정모델(b)이 일본의 데이터를 참조하고 있으므로 우리나라 실정에 맞는 현장 데이터를 확보하여야 하며, 유역면적과 확산각을 이용한 산정모델(e)에서의 확산각 설정근거의 마련이 필요하다. 그럼에도 이 방법은 위험구역의 생산 및 퇴적지역을 획정할 수 있어, 임의의 도심산지를 대상으로 한 현지조사와 관리를 위한 도면작성의 방법으로 도입할 수 있을 것으로 판단된다.

본 연구에서는 지형 형상을 고려할 수 있는 토석류의 유동현상에 대한 지배방정식을 유도하였다. 지배방정식은 연속방정식과 힘평형 방정식에 대한 깊이적분을 수행하였으며, 토체의 두께와 흐름방향의 평균속도를 주변수로 채택하여 흐름이 없는 해석영역에 대한 수치적 안정성을 확보하였다. DG기법에 의한 가중행렬을 산정하고 유동방향을 고려한 불연속 시험함수를 이용하여 Petrov-Galerkin 수식화를 수행하였다. 시간적분과 Newton의 반복과정을 근사화를 통하여 해석결과의 수렴성과 안정성을 개선하였으며, 토석류의 유체 및 토립자의 특성을 동시에 고려할 수 있는 역학적 구성모델을 제시하였다. 또한 단일경사 사면에서 사면경사, 토사 유발량, 저면 마찰 저항이 토석류 흐름특성에 미치는 영향과 수치해석을 통한 사면 하부에 설치된 제방의 영향을 비교분석하였다. 개발된 해석프로그램을 활용하여 토석류 발생예상 지역의 다양한 위험인자에 대한 평가를 수행하고, 피해를 최소화하기 위한 시설물의 설계 및 시공방안에 대한 제안할 수 있을 것으로 판단된다.

우리나라는 국토의 70 %가 산지로 구성되어 있고 토심이 얕은 지형이 많아 토사재해 발생 위험지역이 많이 분포되어 있다. 이에 급격한 강우가 발생하게 되면 토사재해 발생 확률은 급격하게 증가하게 된다. 특히, 인구 밀집도가 높은 도심지에 토사재해 발생을 대처하지 못해 인명피해와 재산피해가 증가하지만 토사재해를 관리하는 연구는 아직 미흡한 실정이다. 기존 토사재해 거동을 해석하는 수치모의 시뮬레이터는 주로 외국기술에 의존하여 국내지형에 적용하기에는 적합하지 못한 부분이 있다. 본 연구는 도심지 대상 토사재해 해석을 수행하기 위해 천수방정식을 활용한 동수역학 기반 방정식을 유도하여 흐름 해석을 수행하였다. 실제 토석류 흐름을 잘 반영하는 흐름조건을 찾기 위해 9개의 흐름저항관계식을 적용하여 모의를 수행하였다. 모의를 검증하기 위해 Ritter solution으로 해석한 정확해와 비교하여 이상유체 거동과 비슷한 경향을 보이는 것을 확인하였다. USGS에서 Iverson(1994-2012)이 수행한 토석류 수리모형 실험 결과 값과도 비교·검증하여 실제 토석류 흐름과 비슷하게 모의를 하는지 확인하였다. 또한 상용 프로그램과 개발된 시뮬레이션을 비교하기 위하여 토석류 해석을 하는데 가장 많이 이용되고 있는 FLO-2D 수치모의 프로그램과 USGS 토석류 실험과 비교·검증을 수행하였다. 차후 정수압 가정, Non-Newtonian 유변학 모형, 추가 유입 토사 등을 고려하여 개선할 예정에 있으며, 최종적으로 토석류의 이송, 퇴적 과정을 정확히 모의하여 도심지 내 토석류로 인한 토사재해의 거동과 규모를 예측하려고 한다.

본 연구에서는 토석류 피해가 예상되는 지역의 건물에 대한 리스크 평가방법을 제시하였다. 리스크 평가는 2011년 토석류 피해가 발생한 경기도 용인시 지역을 대상으로 하였으며, 연구지역의 강우 재현빈도를 고려한 강우량 및 토석량 산정, 프로그램을 이용한 토석류 거동모사, 토석류의 높이와 속도를 고려한 충격압 및 취약도 계산, 취약도와 건물가격을 이용한 리스크 평가의 순서로 진행하였다. 그 결과 토석류 피해예상지역의 건물에 대한 정량적인 리스크 평가에 적용이 가능하였다. 또한 토석류 피해예상지역의 건물들의 리스크 순위가 취약도 순위와 같지 않기 때문에 토석류 예방 및 복구대책 등을 수립 시 경제적 손실을 고려한 정량적인 리스크 평가가 이루어진다면 보다 효율적인 대책수립이 가능할 것으로 판단되었다.

토석류(debris flow)와 진흙흐름(mudflow)은 대부분 집중호우에 의해서 유발되며, 사면을 따라서 진흙흐름이나 토석류가 유하할 때, 강우의 직접 유출수 또는 선행강우에 의한 유출수가 존재하는 경우가 많다. 이 경우 토석류의 유동특성을 현저히 변화시킬 수 있는 사면 바닥에서의 강우 유출수의 연행(entrainment) 현상을 토석류 및 진흙흐름 발달과정에서 고려해야만 합리적이고 정확한 수치 모델링이 가능하다. 이 연구에서는 경계면 포착(interface-tracking)기법을 이용한 계산유체동력학 기법을 이용하여 진흙흐름과 토석류 흐름을 재현하기 위환 수치 모델링을 수행한다. 토석류 경계면을 포착하고 위치를 정립하기 위해서 VOF (volume of fluid) 경계면 재구축(interface reconstruction) 기법을 이용한다. 지배방정식은 비압축성(incompressible) 질량보존방정식과 나비어-스톡스(Navier-Stokes) 방정식이며, 서로 다른 유체의 상(phase)애 대한 체적분할이송방정식을 이용한다. 이들 지배방정식은 2차 정확도의 유한체적법(finite volume method)을 이용하여 해석한다. USGS의 연구팀이 대형수로에서 수행한 실험을 통해서 확보한 토석류를 재현함으로서 모형의 적용성을 평가한다.

본 연구에서는 극한강우를 고려한 산사태 및 토석류 재해 실시간 예측 및 대응을 위하여 필요한 원천기술들 중, 토석류 전이규준 개발 및 이를 통한 발생부 토사량 추정 기법, 그리고 전이 이후 토석류 확산의 정량적 예측 분석에 결정적으로 중요한 인자들인 연행 증가율 및 유변학적 인자들에 대한 입력값을 결정하는 기법에 대하여 연구하였다. 또한 본 원천기술들을 실시간으로 연계 및 적용 가능하도록, GIS(Geographic Information System) 및 Web 기반의 산사태 및 토석류 관련 D/B 시스템을 경기도 용인지역에 시범 구축하였다. 이 시스템은 클라우드 환경에서 산사태 및 토석류 유발인자 관련 지리 공간적 컨텐츠를 저장하고 게시하여 Web 상에서 D/B를 공동으로 활용하고 분석할 수 있다. 토석류 전이규준에서 발생부 토사량 추정으로 이어지는 연구는 두 가지 접근법을 통해 이루어졌다. 이는 지형학적 인자들을 바탕으로 통계학적인 규준값을 설정하는 접근법, 그리고 국내의 전형적인 사면파괴 형태인 강우침투로 인한 침윤전선(wetting depth)의 하강과 같은 실제 메커니즘을 고려하는 물리적 기반의 접근법 등이다. 한 편, 국내 과거 토석류 발생 지역 데이터들을 바탕으로 다중 회귀분석을 실시하여 DAN3D 모델을 통한 토석류 확산 예측 분석에서의 연행 증가율에 대한 추정식을 개발하였다. 본 연구결과들은 궁극적으로 국내의 실시간 산사태 재해 예·경보 및 종합적 리스크 평가 시스템 구축을 위한 핵심 구성 원천기술들로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구는 서울시 산사태 피해저감에 대한 시스템 구축 및 관리를 위하여 과거 서울시에서 발생한 산사태 및 토석류 발생 현장을 조사하고 기후, 지질, 지형 등의 기초 조사 자료를 통해 재해위험요인을 분석하였다. 현장조사는 2010년 및 2011년 에 발생한 산사태 지역을 주 대상으로 하였고, 2009년 이전 산사태의 경우 인명피해가 발생한 곳을 대상지로 하여 조사하였다. 산사태 발생 현장의 조사 항목은 소방방재청 및 산림청의 평가기준을 참고하였다. 조사 자료를 기반으로 한 서울시의 산사태 유형의 비율은 표층 사면의 붕괴가 약 47%였고, 계류에서 토석류 및 계류 유실이 약 26%로 나타났다. 강우의 영향은 누적 강우량 250mm, 및 강우강도 43.4mm 수준에서 산사태가 발생하는 것으로 나타났다. 지질의 경우 주로 변성암을 기반암으로 가지는 곳에서 산사태가 발생하였고, 특히 변성암과 화강암의 기반암 경계부에서 두드러지게 산사태가 발생하는 것으로 나타났다.