최근 지구환경의 변화로 인해 집중호우, 태풍 등 기상이변의 발생횟수와 규모가 증가함에 따라 토사붕괴로 인한 물적, 인적피해가 증가하고 있으며 그 재발빈도도 증가하고 있다. 우리나라 역시 비슷한 실정으로 국토의 2/3 이상이 산지로 구성되어 있으며, 경사가 급하고 토심이 얕아 집중호우 시 토압이 급상승하고 토사의 응집력이 저하되어 토사재해에 매우 취약하다. 또한 1970년대부터 시작된 국토개발계획으로 전국 곳곳에서 산이 절취되고 저지대가 매립되어 그 위에 도로를 건설하거나 주택을 짓는 경우가 많아졌다. 이로 인해 급경사지 인근에 산업지구와 거주지 등이 인접하게 되어 피해가 더욱 가중되고 있다. 2011년 발생한 우면산 산사태가 이를 여실히 보여주는 대표적인 사례로 이전에도 규모가 더 큰 산사태가 많았으나 우면산 산사태가 큰 파장을 불러온 이유는 서울 도심지에서 발생하여 큰 인명피해와 재산피해를 불러일으킨 점이다. 이처럼 도심지에서 발생한 토석류 재해는 주택, 산업시설, 공공시설 등에 직접적인 피해를 입히므로 토사재해 대응 시설물에 의한 구조적 방어대책에 대한 연구가 시급한 실정이다.
2000년대 초반부터 우리나라에서도 토석류 해석에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있으나 외국에 비해 상당히 뒤쳐져 있으며, 아직까지 실험수로나 특정 지역에서의 연구에 국한되고 있다. 또한, 현재 토석류에 대한 예측 모형은 대다수 지리정보시스템(GIS)에 기반한 산사면을 따른 토석류 발생 가능 지역 예측 모형으로 확률 회귀식을 통한 토석류 위험가능성을 나타내고 있다.
따라서 본 연구에서는 고정확도의 물리기반 2차원 모형을 선정하여 방어구조물의 형상에 따른 작용 힘을 분석하고 이를 통해 위험도를 산정하여 토석류의 제어나 1차 방어에 유리한 시설물의 형상을 제시하였다. 또한, 흐름저항관계식을 다르게 하여 실제지형(우면산지형)을 바탕으로 모의를 진행하고 토석류의 발달경로, 유동거리 및 규모를 분석하였다. 이중 2011년 우면산에서 발생한 토사재해와 비교하여 실제지형에 가장 가까운 흐름저항관계식을 찾고 위험도지표를 적용시켜 그 결과가 적합한지를 연구하였다.
본 연구를 통해 토석류의 초기형상이 직육면체 형상인 경우와 사각뿔 형상인 경우를 비교했을 때 같은 거리까지 도달하는 속도는 직육면체 형상이 더 빠르게 나타났으나 방어구조물에 더 큰 충격을 가하는 형상은 사각뿔 형상임을 알 수 있었다. 또한, 토석류의 초기형상에 관계없이 직사각형 형상의 방어구조물은 반원형상의 방어구조물에 비해 토석류로부터 힘을 덜 받아 1차 방어에 유리한 것으로 나타났다.
실험사면을 통해 토석류 모의를 수행하고 FII, FHR, VDI를 적용시킨 결과 FII, FHR은 위험도를 산정할 때 토석류의 속도와 두께를 고려하기 때문에 VDI에 비해 위험도가 다양하게 도출되는 결과를 보였다. 실제 지형에서의 적합성을 판단하기 위해 우면산 지형에 적용시킨 결과 실험사면을 통한 결과와 유사하게 다양한 위험도를 도출할 수 있었으며 이를 통해 VDI보다 구체적인 위험도를 보인다고 판단된다. 다만 FII, FHR은 홍수위험도를 산정하는 지표이므로 각 위험등급의 피해정도를 토사재해와 일치시키기 위해서는 기존에 발생했던 토사재해를 모의하여 실제 피해규모를 분석하고 적용시키는 연구가 필요하다고 판단된다.
이외에도 실험사면에서 연구한 내용을 실제 지형에 적용시키기 위해 흐름저항관계식 5가지를 적용하여 모의를 수행하였고 5가지 모의 모두 다른 흐름을 보였다. 그 중 우면산 지형과는 Quadratic 식이 가장 유사한 흐름을 보였다. 추가적으로 토사재해가 발생했던 지형을 같은 방법으로 모의하여 지형마다 다른 흐름저항관계식이 적합한지 혹은 Quadratic이 토석류를 가장 잘 나타내는 식인지에 대한 추가 연구가 필요하다고 판단된다.
통계 또는 확률 회귀식을 통한 토석류 발생 가능 지역을 예측하는 토석류 연구가 주를 이루는 가운데 위와 같은 연구 결과는 실제 토사재해 발생 시 구조적 대안, 토석류 피해 저감을 위한 구조물 설계 시 유용한 지침을 제공할 수 있을 것으로 판단되며, 위험도 산정을 통해 예방대책을 세우는데 유용한 기초자료가 될 것으로 판단된다.

Recently, because of changing in global environment, the occurrence of unusual weather such as the typhoon, torrential rain is increased. These phenomena cause debris flow that makes loss of lives and damage to the facilities. In korea, the slope of the mountains is steep and the depth of the soil is shallow, so the earth pressure increases sharply in the heavy rainfall and the cohesion of the earth and sand is reduced, and it is very vulnerable to the sediment disaster. In addition, with the national development planning that started in the 1970s, there were many cases where mountains were cut off from all over the country and lowlands were buried to construct roads or build houses. As a result, industrial districts and residential areas are adjacent to the steep slopes, which is causing more damage.
Mt. Umyeon landslide that occurred in 2011 is typical example of landslides. Even though there were many landslides in the past, the Mt. Umyeon landslide, which occurred in the downtown area of Seoul, have caused great casualties and property damage. Since the sediment disaster in urban areas directly affects houses, industrial facilities and public facilities, it is urgent to study the structural defense measures by the earthquake disaster response facilities.
Since the early 2000s, there has been a lot of research on the analysis of debris flow in Korea, but it is still lagging far behind that of foreign countries and it is still limited to experiment channels and research in specific areas. Therefore, in this study, the following studies were conducted.
1) A 2-D hydrodynamic model(HDM-2D) for predicting the movement of debris flow was developed and analyzed the inflow characteristics of debris flow. The developed model was validated against two dam break flow problems and the performance of the model was shown to be satisfactory; and
2) In order to suggest structural alternative for hazardous zone vulnerable to debris flow disaster and compute a risk index, two types of initial mass distribution and two shapes of defensive structure were considered.
3) We analyzed the inflow characteristics of debris flow in Mt. umyeon using the HDM-2D for the debris flow analysis with emphasis on adopting flow resistance relation with 5 bottom shear stress option(No stress, Turbulent, Simplified Bingham, Coulomb, Quadratic).
It was found that
1) The collapse of debris mass initiated with square pyramid shape induced more damage compared with that of cubic shape, but the velocity reaching the same distance reaches cubic shape faster than square pyramid shape. In addition, a defensive structure with semi-circular shape was vulnerable to debris flow disaster in terms of debris control or primary defense compared with that of rectangular-shaped structure.
2) As a result of comparing FII, FHR and VDI, since FII and FHR consider the velocity and thickness of debris flow when estimating the risk, the risk index of FII and FHR were more variable than VDI. As a result of applying it to Mt. Umyoen to investigate the suitability of the actual topography, various risks could be derived similar to the results of the experimental channel.
3) In order to apply the previous study to the actual topography, five flow resistance relations were applied and simulation was performed. The simulations showed different results, among which Quadratic showed the most suitable flow with actual flow.
The result of this study can provide useful guidelines in the design of structures to reduce the damage of debris flow and structural alternatives in case of actual debris flow. In addition, it will be useful data for establishing preventive measures through risk assessment.