KR101426896B1 - 산사태 발생시점 예측 실험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산사태 발생시점 예측 실험장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 산사태 발생시점 예측 실험장치산사태 발생시점 예측 실험장치산사태 발생시점 예측 실험장치가 형성되며, 물이 배출될 수 있도록 하부에 배수구가 형성되고, 공간부의 외벽에는 수위를 측정할 수 있는 스케일부가 형성되어 있는 칼럼, 판상으로 물이 투과할 수 없는 소재로 형성되어 칼럼의 하부에 설치되는 베드락 플레이트, 베드락 플레이트의 상부에 설치되는 것으로서, 물이 통과할 수 있는 다수의 구멍이 형성되어 있는 판상으로 상면에 토양시료를 지지하며, 토양시료의 무게를 측정하는 로드셀 플레이트 및 로드셀 플레이트 내부에 삽입되게 설치되어 토양시료의 간극수압을 측정하는 복수의 간극수압센서를 포함하는 것에 특징이 있다.

Description

산사태 발생시점 예측 실험장치{Apparatus for predicting landslide occurrence}

본 발명은 산사태와 관련한 자연재해 저감기술에 관한 것으로서, 특히 산사태 발생원인을 연구하는데 있어서 중요한 요소인 강우량, 토양 내 빗물 침투량 및 토양의 간극수압 사이의 관계를 통한 산사태 발생시점 예측 실험장치에 관한 것이다.

산사태는 지진, 국지성 호우, 해빙 등 외부적인 요인들에 의해 토체(soil mass)가 기반암 상부의 얇은 토양층으로 따라 미끄러지면서 발생하는데, 국내에서는 주로 국지성 호우에 기인하는 경우가 많다.

산사태는 상기한 바와 같이 지반 내 가장 취약한 층인 활동파괴면(sliding plane)을 따라 발생한다. 산사태가 발생하는 경사면의 토체는 강수량 변화에 기인하여 포화와 불포화 상태를 반복적으로 경험하고 지속적인 변형을 보이는데, 사면활동부의 전단응력이 전단저항값(전단강도)을 초과하는 시점으로부터 파괴가 발생한다. 자연사면의 안정성은 시간과 변형의 함수로서 강도특성(배수 및 비배수전단강도)에 의해 결정한다. 전단강도에 가장 큰 영향인자는 산사태 원인이 되는 강우량과 밀접한 관련이 있다. 또한 전단강도는 간극수압의 함수로 정의된다.

사면이 붕괴에 도달하기 이전에 지반변형에 따른 전단강도의 변화는 산사태 조기경보시스템과 관련되며 사면의 안정성 평가에 반드시 필요한 매개변수이다. 따라서 사면안정성해석과 산사태 예경보는 강우량과 지반의 상태를 얼마나 정확히 공학적으로 판단하고 있는가에 달려 있다.

매년 국지성 호우로 인해 발생하는 국내의 크고 작은 산사태는 국민생활 전반에 걸쳐 사회적, 경제적 손실을 동반하고 주거생활권을 약화시키고 있다. 이처럼 예상치 못한 산사태의 발생가능성을 예측하기 위한 실험장치의 개발이 요구된다.

특히 강우조건(지속강우와 반복 강우)과 지층 구조에 따른, 빗물의 토양 내 침투량과 빗물 유출량(run off) 및 토양의 간극수압 사이의 상관관계를 명확히 정의하고 파악함으로써 산사태 발생시점을 정확하게 예측할 수 있는 실험장치가 요구되고 있다.

본 발명은 상기한 요구에 부응하여, 강우 조건과 지층 구조에 따라 토양 내 빗물 침투량과 유출량 및 강우에 의한 토양 내 간극수압의 변화를 정량적으로 파악하여 산사태 발생시점을 파악할 수 있는 산사태 발생시점 예측 실험장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 산사태 발생시점 예측 실험장치는, 내부에 토양을 수용할 수 있도록 공간부가 형성되며, 물이 배출될 수 있도록 하부에 배수구가 형성되고, 상기 공간부의 외벽에는 수위를 측정할 수 있는 스케일부가 형성되어 있는 칼럼; 판상으로 물이 투과할 수 없는 소재로 형성되어 상기 칼럼의 하부에 설치되는 베드락 플레이트; 상기 베드락 플레이트의 상부에 설치되는 것으로서, 물이 통과할 수 있는 다수의 구멍이 형성되어 있는 판상으로 상면에 토양시료를 지지하며, 상기 토양시료의 무게를 측정하는 로드셀 플레이트; 및 상기 로드셀 플레이트 내부에 삽입되게 설치되어 상기 토양시료의 간극수압을 측정하는 복수의 간극수압센서;를 포함하는 것에 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 상기 칼럼의 상부를 통해 공급되는 물이 상기 칼럼의 전체 영역에 고르게 분사될 수 있도록, 상기 칼럼의 상부에 설치되며 상면에는 물 유입구가 형성되고 바닥면에는 다수의 구멍이 형성되어 있는 샤워헤드를 더 구비한다.

그리고, 상기 로드셀 플레이트는 칼럼 내부에서 상하 방향을 따라 위치이동 가능한 것이 바람직하며, 상기 로드셀 플레이트와 베드락 플레이트는 산사태 경사면을 모사하도록 경사지게 배치될 수도 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 로드셀 플레이트는 상하방향을 따라 상호 이격되어 복수 개 배치되며, 상기 토양시료는 상기 복수의 로드셀 플레이트 위에 지지되며, 인접한 2개의 로드셀 플레이트 중 하부에 배치된 로드셀 플레이트 위에 지지된 토양시료와 상부에 배치된 로드셀 플레이트 사이에는 물을 투과시킬 수 있는 다공성 플레이트가 개재된다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에서, 상기 토양시료 위에 물을 투과시킬 수 있는 다공성 플레이트가 적층되며, 상기 다공성 플레이트 위에 다시 토양시료가 적층되어 상기 칼럼 내부에 복수의 층상구조를 형성할 수도 있다.

상기 다공성 플레이트의 darcy 투수계수(ds)는 모래와 점토의 darcy 투수계수 사이로 형성한다.

본 발명의 일 실시예에서 상기 칼럼에서 상기 토양시료가 적층된 부분에는 물을 배출할 수 있도록 개폐가능한 배출포트가 설치될 수 있다.

또한 상기 베드락 플레이트 및 로드셀 플레이트와 상기 칼럼의 내벽 사이를 밀폐시켜 물이 통과하지 못하도록, 상기 베드락 플레이트 및 로드셀 플레이트의 가장자리는 고무 소재로 이루어져 상기 칼럼의 내벽과 밀착되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 산사태 발생시점 예측 실험장치는 강우의 형태, 강우량, 지층구조 및 배수 여부 등 산사태 발생에 영향을 미치는 중요한 요소들의 조건을 자유롭게 가변하여 산사태 발생시점에 관한 예측 실험을 수행할 수 있다.

그리고 각각의 조건에서 강우의 토양 내 침투량, 빗물 유출량 및 토양의 간극수을 실시간으로 측정하여, 다양한 조건에서 산사태 발생에 대한 풍부한 데이터를 확보할 수 있어, 산사태 거동에 대한 유의미한 데이트들을 축적할 수 있다는 이점이 있다.

본 발명에 따른 실험 데이터와, 기상청의 강우 데이터 및 산사태 가능지역의 지층 구조 데이터들을 상호 연동시킴으로써 산사태 위험지역의 경보 시스템을 신뢰성있게 구축할 수 있을 것으로 기대된다.

도 1은 산사태 발생 메카니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 토질의 전단강도와 전단변형률의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 산사태 발생시점 예측 실험장치의 개략적 사시도이다.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ선 개략적 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 산사태 발생시점 예측 실험장치의 개략적 도면이다.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 산사태 발생시점 예측 실험장치의 개략적 도면이다.
도 7은 도 4의 a-a선 개략적 단면도이다.
도 8은 도 4의 b-b선 개략적 단면도이다.

본 발명은 강우량, 토양 내 빗물침투량, 빗물유출량, 토양 내 간극수압 등 산사태 발생 영향인자들 사이의 상호 관계를 정량적으로 파악하여 산사태 발생시점을 정확하게 예측할 수 있는 실험장치에 관한 것이다.

우선, 산사태 발생 메카니즘에 대하여 간략하게 설명한다.

도 1은 산사태 발생 메카니즘을 설명하기 위한 도면이며, 도 2는 토질의 전단강도와 전단변형률의 관계를 나타낸 그래프이다.

산사태는 일반적으로 경사지에서 토체(M)가 기반암과 토층 사이의 경계면(S, 파괴면)을 따라 슬라이딩되면서 발생한다. 도 1에서 A로 표시된 지점을 예로 들면, 일상시에는 토체(M)의 중력에 따른 응력(f)에 대응하여 전단저항력(Tf, 전단강도 또는 전단응력)이 생겨 힘의 평형을 이루게 되는데, 집중호우 등이 발생하여 토체(M)에 빗물 등이 유입되면 경계면(S)을 따라 변위가 발생하고 결과적으로 힘의 평형이 깨짐으로써 토체(M)가 슬라이딩되어 산사태가 발생하게 된다.

도 2를 참조하여 설명하면, 강우로 인해 경계면에서 서서히 슬라이딩이 일어나면 토양의 전단응력이 급격하게 증가하는데, 변형량이 피크점을 초과하면 토체(M)가 더 이상 저항하지 못하고 경계면에서 붕괴가 일어나는 것이다.

결국 산사태는 강우량에 따른 토양의 전단강도(Tf) 변화가 매우 중요한 요소로 작용하는데, 아래의 식과 같이, 토양의 점착력(C)과 마찰각(θ) 및 유효응력(σ')에 의하여 결정된다.

Tf = C + σ'tanθ

여기서, 토양의 점착력이나 마찰각은 지층의 성상과 구조에 따라 정해지는 값이며, 유효응력은 간극수압(u)에 대한 함수(σ'=σ-u)로 다시 정의된다. 따라서, 전단강도는 강우의 토양 내 침투량에 따라 변화하는 간극수압의 변화에 의존한다.

이에 본 발명에서는 지층구조와 강우조건을 변경해가면서, 강우의 토양 내 침투량과 유출량(run-off) 및 간극수압 사이의 상호 관계를 파악할 수 있는 실험장치를 제공하고자 한다.

본 발명에 따른 산사태 발생시점 예측 실험장치(100)는 강우 조건과 지층 구조 조건에 따라 빗물의 토양 내 침투량과 유출량 및 간극수압을 측정함으로써 이들 사이의 상관관계를 정량적으로 파악하기 위한 것이다.

여기서, 강우 조건이란 비가 내리는 형태와 비가 내리는 양의 조건을 달리한다는 것을 의미한다. 즉, 형태적 측면에서 비가 일정 시간 동안 계속하여 내리는 지속 강우 조건과, 시간 간격을 두고 반복적으로 비가 내리는 반복 강우 조건으로 구분하여 실험을 진행한다. 그리고 양적인 측면에서 시간당 비가 내리는 양에 대한 조건을 달리하여 실험을 진행한다.

특히 강우량은 매우 중요한 의미를 가진다. 산사태는 주로 짧은 시간 내에 많은 비가 한꺼번에 내리는 집중호우시에 빈번하게 발생하기 때문이다. 시간당 강우량을 조절하여 실험함으로써 집중적인 강우발생시 산사태 발생시점을 파악할 수 있을 것이다.

또한 일정 기간 동안 지속적으로 비가 내리는 장마철에도 산사태가 빈번하게 일어난다. 장마철과 같은 지속 강우 조건을 모사함으로써 어떤 조건에서 산사태가 일어나는지를 관찰할 수 있다.

즉, 산사태는 집중 호우에 의해 급작스럽게 발생하는 것처럼 보이지만, 실질적으로는 반복적인 선행 강우에 의하여 지하수위가 상승하고 토양 내 함수율이 증가한 상태에서, 집중 호우에 의해서 촉발되는 경우가 많다. 다시 말하면, 반복적인 선행 강우에 의해 빗물이 토양으로 침투하여 토양 내 간극수압이 상승된 조건에서 추가적 강우로 인해 간극수압이 임계점을 초과할 때 산사태가 발생하게 된다. 즉, 산사태의 발생은 강우량, 토양 내 빗물 침투량, 간극수압과 함수 관계를 형성한다. 그러나 이들 사이의 함수 관계와 산사태를 유발하는 임계치는 수학적으로 일정하게 계산될 수 없으며, 다양한 조건에서 실험을 통해 신뢰성 있는 데이터를 확보하는 것을 통해 해결될 수 있다. 즉 강우량, 빗물 침투량 및 유출량에 따른 간극수압의 변화가 모니터링 되는 상태에서, 간극수압이 산사태 발생 임계치를 넘어서는 시점을 실험적으로 확인하는 과정을 반복함으로써 유의미하고 신뢰성 있는 데이터를 확보해야 한다. 본 발명의 중요한 목적 중 하나는 산사태 발생시점을 예측하기 위한 것이다. 이에 본 발명에서는 반복적으로 강우를 형성하고, 그 과정에서 빗물 침출량, 유출량 및 간극수압을 계속적으로 모니터링 하여 산사태 발생시점에 대한 신뢰성 있는 데이트를 확보할 수 있도록 하였다.

한편, 지층 구조에 따라서도 산사태의 발생 여부나 빈도가 달라지므로, 토양과 기반암만으로 이루어진 지층구조, 토양과 기반암 사이에 셰일과 모래 사이 정도의 투수성 지층이 개재된 지층구조, 투수성이 다른 재질의 지층들이 교차하면서 반복적으로 배치된 경우 등 지층 구조를 달리하여 실험을 진행함으로써, 지층 구조에 따른 산사태 발생시점을 파악할 수 있다.

상기한 바와 같이, 강우 조건, 지층 구조에 따른 산사태 발생시점은 결과적으로 토양 내 빗물 침투량과 유출량 및 간극수압에 대한 관계로 파악된다. 이에 본 발명에서는 강우량, 침투량, 유출량, 간극수압에 대한 데이터를 측정할 수 있는 실험장치를 고안하였다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 산사태 발생시점 예측 실험장치의 개략적 구성이 도면에 도시되어 있다.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 산사태 발생시점 예측 실험장치의 개략적 사시도이며, 도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ선 개략적 단면도이고, 도 7은 도 4의 a-a선 개략적 단면도이며. 도 8은 도 4의 b-b선 개략적 단면도이다.

도면들을 참고하면, 본 발명에 따른 산사태 발생시점 예측 실험장치(100)는 칼럼(10), 베드락 플레이트(20), 로드셀 플레이트(30), 다공성 플레이트(40), 샤워헤드(50) 및 간극수압센서(60)를 구비한다.

칼럼(10)은 본 실험장치(100)의 본체를 형성하는 것으로서, 실험대상이 되는 토양을 수용하기 위한 공간부(11)가 형성된다. 본 실시예에서 칼럼(10)은 사각 기둥 형태로 이루어지며, 특히 투명한 소재로 이루어져 내부를 육안으로 관찰할 수 있도록 되어 있다. 다만, 칼럼은 원형 기둥이나 다른 다각형 기둥으로 형성될 수도 있으며, 불투명한 소재로 이루어져도 무방하다.

칼럼(10)의 외면에는 빗물 유출량을 확인하기 위하여 눈금이 새겨진 스케일부(12)가 부착된다. 빗물 유출량이란 칼럼(10)에 제공된 물 중에서 토양(s) 내부로 침투되지 않고 위에 남은 물(r)의 양을 말한다. 스케일부(12)에 의해서 물의 수위 및 부피를 측정할 수 있으므로 빗물 유출량의 무게를 알 수 있다.

본 실시예에서 칼럼(10)은 상부가 개구된 형태로 이루어지며, 샤워헤드(50)가 상부에 결합된다. 샤워헤드(50)는 칼럼(10)에 수용된 토양(s)에 물을 공급하여 강우 환경을 모사하기 위한 것이다. 샤워헤드(50)는 칼럼(10)의 단면적 전체에 걸쳐서 물을 고르게 분사하기 위한 것이다. 샤워헤드(50)의 상면에는 외부의 공급라인(51)으로부터 물을 공급받기 위한 유입구(52)가 형성된다. 그리고 샤워헤드(50)의 내부에는 물이 일시적으로 수용되는 수용부(53)가 마련되며, 샤워헤드(50)의 하면에는 다수의 분사구(54)가 형성된다. 공급라인(50)을 통해 유입된 물은 수용부(53)에서 넓게 퍼진 후에, 다수의 분사구(54)를 통해 칼럼(10)의 전체 영역에 걸쳐 고르게 분사된다. 기존의 실험장치들에서는 공급라인을 통해 어느 한 영역으로 물을 집중적으로 공급함에 따라 실제 비가 오는 환경을 정확하게 모사하지 못했으나, 본 발명에서는 샤워헤드를 채용하여 실제 비가 오는 형태를 그대로 구현하도록 하였다.

공급라인(51)은 콘트롤러(미도시)와 연결되어 물의 시간당 공급량, 물의 공급 시간에 관한 데이터가 저장된다.

칼럼(10) 내부에는 다양한 지층 구조를 구현할 수 있도록 베드락 플레이트(20), 다공성 플레이트(40)를 포함하여 복수의 플레이트들이 설치된다.

베드락 플레이트(20)는 지층 구조에서 기반암을 모사하기 위한 것이다. 산사태는 기반암 위에 쌓여 있는 토체가 기반암을 따라 슬라이딩 되면서 발생하는 경우가 일반적이다. 물론 다른 지층 구조에서는 산사태 파괴면이 기반암과 무관하게 형성될 수도 있으므로, 본 실험장치에서 베드락 플레이트가 필수적으로 요구되는 것은 아니지만, 일반적인 산사태에서는 기반암이 전제되는 경우가 많으므로 제1실시예(도 3 및 도 4) 및 제2실시예(도 5)에서는 베드락 플레이트(20)를 설치하였다.

베드락 플레이트(20)는 기반암의 성질과 유사하도록 투수성이 거의 없는 재료를 사용하여 판상으로 형성한다. 그리고 베드락 플레이트(20)와 칼럼(10)의 내벽 사이를 통해 물이나 토양이 유출되지 못하도록, 베드락 플레이트(20)의 주변부를 따라 고무 등 실링재(21)를 설치한다.

제1실시예에서 베드락 플레이트(20) 위에는 로드셀 플레이트(30)가 적층된다. 로드셀 플레이트(30)는 토양시료(s)를 지지하며, 토양과 물의 무게를 측정하기 위한 것이다.

로드셀 플레이트(30)는 판형으로 형성되며, 주변부에는 베드락 플레이트(20)와 마찬가지로 물의 유출을 막기 위한 실링재(31)가 개재된다. 물은 로드셀 플레이트와 칼럼의 내벽 사이로 유출되지는 않지만, 로드셀 플레이트(30) 자체를 통과해서는 하부로 배출될 수 있다. 즉, 로드셀 플레이트(30)는 다공성 재질로 형성하여 토양은 통과할 수 없지만 물은 통과될 수 있도록 만들거나, 불투수성의 재료로 형성한 후 다수의 미세 구멍을 형성하여 물이 통과되게 할 수 있다.

로드셀 플레이트(30)는 무게를 측정할 수 있는 로드셀(미도시)이 내장되어 있어 로드셀 플레이트 위에 얹어진 흙과 물의 무게를 측정할 수 있다.

예컨대, 도 4에 도시된 제1실시예에서 2개의 로드셀 플레이트(30)가 상부와 하부에 각각 배치되는데, 상부에 배치된 로드셀 플레이트는 그 위에 얹어진 제1토양시료(s1)와, 제1토양시료(s1)에 침투한 물의 무게 및 유출된 물(r)의 무게를 측정한다.

그리고 도 4의 제1실시예에서, 하부에 배치된 로드셀 플레이트는 그 위에 차례대로 얹어진 제2토양시료(s2), 다공성 플레이트(40), 상부에 배치된 로드셀 플레이트, 제1토양시료(s1) 및 공급된 물의 무게를 모두 측정할 수 있다.

다만, 다공성 플레이트(40)와 상부에 배치된 로드셀 플레이트가 칼럼(10)에 의하여 독립적으로 지지된다면, 하부에 배치된 로드셀 플레이트는 자신의 상부에 얹어진 제2토양시료(s2)와 제2토양시료(s2)에 침투된 물의 무게만을 측정하게 할 수 있다. 상부에 배치된 로드셀 플레이트와 다공성 플레이트가 각각 독립적으로 칼럼에 의해 지지되면, 이들은 하부에 배치된 로드셀 플레이트에 하중을 가하지 않기 때문이다.

즉, 실험 조건에 따라 복수 개로 배치된 로드셀 플레이트가 어떤 무게를 측정할 것인지는 플레이트들을 각각 개별적으로 칼럼에 지지되게 할 것인지, 아니면 단순하게 가장 하부에 배치된 로드셀 플레이트 위에 적층되게 할지에 의해 결정될 수 있다.

예컨대, 제1토양시료(s1)와 제2토양시료(s2)에 각각 침투한 물의 양을 정확하게 알기 위해서는 각 로드셀 플레이트가 토양시료들만을 지지하여야 한다. 제1토양시료(s1)와 제2토양시료(s2)의 무게는 실험 초기에 이미 측정하여 알고 있는 상태이고, 각 로드셀 플레이트가 칼럼에 의해 독자적으로 지지되는 조건에서는 상부에 배치된 로드셀 플레이트에서는 제1토양시료(s1)와 물의 토양 침투량 및 유출량을 측정하고, 하부에 배치된 로드셀 플레이트에서는 제2토양시료(s2)와 물의 토양 침투량을 측정할 수 있다. 좀 더 상세하게 설명하면, 하부에 배치된 로드셀 플레이트에서는 초기의 제2토양시료(s2)의 무게에서 물이 침투하면 무게가 증가되므로 무게 증가분만큼을 물의 침투량으로 산출한다. 그리고 상부에 배치된 로드셀 플레이트에서는 제1토양시료(s1) 자체의 무게와 제1토양시료(s1)에 침투된 물의 무게가 합산된 무게가 측정된다. 상부로 유출된 물(r)의 양은 스케일부(12)에 의해 무게를 파악할 수 있으므로, 상부에 배치된 로드셀 플레이트에서 측정된 총 무게에서 제1토양시료(s1)와 유출된 물(r)의 무게를 제외하면 제1토양시료(s1) 내부로 침투된 물의 양을 측정할 수 있다.

한편, 상부에 배치된 로드셀 플레이트와 다공성 플레이트가 독립적으로 칼럼에 지지되지 않고 모두 하부에 배치된 로드셀 플레이트에 하중을 전달하는 조건이라면, 제1토양시료(s1)와 제2토양시료(s2)에 각각 침투된 물의 양은 측정이 불가능하며, 제1토양시료(s1)와 제2토양시료(s2) 또는 다공성 플레이트에 침투된 물의 전체 양만을 파악할 수 있다. 이 경우에는 전체 물 공급량(물 공급시 측정)에서 유출량(스케일부에 의해서 파악)의 무게를 제외하여 파악할 수 있다.

도 3 및 도 4에 도시된 제1실시예에서는 상하부에 배치된 로드셀 플레이트 및 다공성 플레이트(40)가 모두 독립적으로 칼럼(10) 내벽에 지지되게 하였는 바, 제1토양시료(s1)와 제2토양시료(s2)에 침투된 물의 양을 각각 산출할 수 있다.

그리고, 칼럼(10)에서 제1토양시료(s1)와 제2토양시료(s2)가 배치되는 부분(특히 토양시료들의 하단부 영역)에는 배출포트(17)가 형성되며, 배수밸브(18)에 의하여 배출포트(17)가 개폐가능하다. 다만, 제1토양시료(s1)와 제2토양시료(s2)가 배치되는 위치는 가변적이므로, 본 실험장치에서는 상하방향을 따라 복수의 지점에 배출포트(17)와 배출밸브(18)를 설치한다. 배출포트(17)와 배수밸브(18)는 배수 및 비배수 조건을 구현하기 위한 것이다. 지층의 구조에 따라 빗물이 흐르는 수로가 형성되거나, 심도가 깊은 지역에서는 지하수가 흐를 수 있으므로 이를 모사하기 위해 배수 조건을 만들 수 있다.

한편, 로드셀 플레이트(30)의 내부에는 복수의 간극수압센서(60)가 설치된다. 간극수압센서(60)는 로드셀 플레이트(30)의 전체 영역에 걸쳐 고르게 분포되어, 각 영역에서 로드셀 플레이트(30) 상부에 지지된 토양시료의 간극수압을 측정한다.

다공성 플레이트(40)는 제1토양시료(s1)와 제2토양시료(s2) 사이에 개재된다. 다공성 플레이트(40)는 물을 하부로 투과시킬 수 있는 재질로서, darcy의 투수계수(ds)는 모래와 점토(또는 셰일) 사이의 투수계수를 가진다. 다만, 다공성 플레이트(40)의 투수계수는 다양하게 변경할 수 있다. 자연계에 존재하는 다양한 지층들을 모사하기 위해서는 다공성 플레이트(40)의 투수계수는 다양하게 변경가능하다. 그리고 다공성 플레이트(40)도 베드락 플레이트(20)와 마찬가지로 가장자리에 실링재(41)를 끼워서 칼럼(10) 내벽과 다공성 플레이트(40) 사이로 물이 통과하는 것을 방지한다.

한편, 각 로드셀 플레이트(30) 및 간극수압센서(60)는 콘트롤러(미도시)에 전기적으로 연결되어 측정된 무게와 간극수압에 대한 데이터를 전송하며, 콘트롤러에서는 물의 공급 조건에 따라 측정된 데이터들을 저장한다.

상기한 바와 같이, 도 3 및 도 4에 도시된 제1실시예에서는 지층구조는 하부에서부터 베드락 플레이트(20), 로드셀 플레이트(30), 제2토양시료(s2), 다공성 플레이트(40), 로드셀 플레이트(30) 및 제1토양시료(s1)의 순서로 되어 있다.

그러나 상기한 바와 같이 층상구조를 이루고 있는 형태는 일 예일 뿐이며, 본 실험장치에서는 다양한 형식으로 지층 구조를 모사할 수 있다. 즉, 실험하고자 하는 대상에 맞게 지층구조를 변경할 수 있다. 이를 위하여, 베드락 플레이트(20), 로드셀 플레이트(30) 및 다공성 플레이트(40)는 모두 위치를 가변할 수 있도록 설계된다. 이렇게 위치를 가변시키기 위한 물리적 구성은 다양한 방식이 채용될 수 있다. 플레이트들이 레일에 끼워져 상하방향으로 슬라이딩되게 할 수도 있으며, 칼럼(10)의 벽면에 다수의 핀홀을 형성하고, 이 핀홀에 핀을 끼워 넣어 플레이트들을 지지할 수도 있다. 핀홀이 상하방향을 따라 복수의 지점에 형성되어 있으므로 플레이트들의 위치를 다양하게 변경시킬 수 있다. 이외에도 다양한 물리적 구성을 이용하여 플레이트들의 위치를 변경할 수 있다.

예컨대, 도 5에 도시된 제2실시예 및 도 6에 도시된 제3실시예와 같이 다른 형태의 지층 구조를 대상으로 하여 실험을 수행할 수도 있다.

도 5의 제2실시예(200)는 가장 단순한 형태의 지층구조로서, 베드락 플레이트(20) 위에 로드셀 플레이트(30)와 토양시료(s)가 지지된 형태이다.

도 6에 도시된 제3실시예(300)는 3개의 토양시료(s1~s3)가 반복적으로 적층되어 있는 구조로서, 기반암을 모사하기 위한 베드락 플레이트(20)가 제외된 형태의 지층 구조를 구현하였다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 산사태 실험장치(100)에서는 플레이트들의 설치 개수와 배치 위치를 자유롭게 가변하면서, 연구대상이 되는 지층 구조를 모사하여 실험을 수행할 수 있다.

즉, 물 공급라인(51)을 통해 강우의 형태와 양을 조절하고, 배출포트(17)를 통해 배수와 비배수 조건을 선택하며, 복수의 플레이트를 이용하여 지층 구조를 다양하게 가변시킬 수 있다. 그리고, 이렇게 조건을 다양하게 변경해 가면서, 토양시료에 침투하는 물의 양, 침투되지 않고 잔류하는 유출량 그리고 토양시료의 간극수압을 실시간으로 측정하여 산사태 발생 거동을 연구할 수 있다.

이러한 연구 데이터와 산사태 발생 위험지역의 지층 데이터 및 기상청의 강수량에 대한 데이터가 상호 연결되면, 산사태 가능지역에 대한 예보 시스템을 신뢰성 있게 구축할 수 있을 것이다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

100,200,300 ... 산사태 발생시점 예측 실험장치 10 ... 칼럼
20 ... 베드락 플레이트 30 ... 로드셀 플레이트
40 ... 다공성 플레이트 50 ... 샤워헤드
60 ... 간극수압센서 s,s1~s3 ... 토양시료

Claims (9)

1. 내부에 토양을 수용할 수 있도록 공간부가 형성되며, 물이 배출될 수 있도록 하부에 배수구가 형성되고, 상기 공간부의 외벽에는 수위를 측정할 수 있는 스케일부가 형성되어 있는 칼럼;
   판상으로 물이 투과할 수 없는 소재로 형성되어 상기 칼럼의 하부에 설치되는 베드락 플레이트;
   상기 베드락 플레이트의 상부에 설치되는 것으로서, 물이 통과할 수 있는 다수의 구멍이 형성되어 있는 판상으로 상면에 토양시료를 지지하며, 상기 토양시료의 무게를 측정하는 로드셀 플레이트; 및
   상기 로드셀 플레이트 내부에 삽입되게 설치되어 상기 토양시료의 간극수압을 측정하는 복수의 간극수압센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산사태 발생시점 예측 실험장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 칼럼의 상부를 통해 공급되는 물이 상기 칼럼의 전체 영역에 고르게 분사될 수 있도록, 상기 칼럼의 상부에 설치되며 상면에는 물 유입구가 형성되고 바닥면에는 다수의 구멍이 형성되어 있는 샤워헤드를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 산사태 발생시점 예측 실험장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 로드셀 플레이트는 칼럼 내부에서 상하 방향을 따라 위치이동 가능한 것을 특징으로 하는 산사태 발생시점 예측 실험장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 로드셀 플레이트는 상하방향을 따라 상호 이격되어 복수 개 배치되며,
   상기 토양시료는 상기 복수의 로드셀 플레이트 위에 지지되며,
   인접한 2개의 로드셀 플레이트 중 하부에 배치된 로드셀 플레이트 위에 지지된 토양시료와 상부에 배치된 로드셀 플레이트 사이에는 물을 투과시킬 수 있는 다공성 플레이트가 개재되는 것을 특징으로 하는 산사태 발생시점 예측 실험장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 토양시료 위에 물을 투과시킬 수 있는 다공성 플레이트가 적층되며,
   상기 다공성 플레이트 위에 다시 토양시료가 적층되어 상기 칼럼 내부에 복수의 층상구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 산사태 발생시점 예측 실험장치.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
   상기 다공성 플레이트의 darcy 투수계수(ds)는 모래의 darcy 투수계수와 점토의 darcy 투수계수 사이로 형성되는 것을 특징으로 하는 산사태 발생시점 예측 실험장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 칼럼에서 상기 토양시료가 적층된 부분에는 물을 배출할 수 있도록 개폐가능한 배출포트가 설치되는 것을 특징으로 하는 산사태 발생시점 예측 실험장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 베드락 플레이트 및 로드셀 플레이트와 상기 칼럼의 내벽 사이를 밀폐시켜 물이 통과하지 못하도록, 상기 베드락 플레이트 및 로드셀 플레이트의 가장자리는 고무 소재로 이루어져 상기 칼럼의 내벽과 밀착되는 것을 특징으로 하는 산사태 발생시점 예측 실험장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 로드셀 플레이트와 베드락 플레이트는 경사지게 배치되는 것을 특징으로 하는 산사태 발생시점 예측 실험장치.

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