1. 서 론
2. 국내 절토사면 붕괴 안정성 평가 지침
3. 시범구간의 비탈면 안정성 상태평가 결과 분석
4. 비탈면 안정성 평가의 불확실성 검토 방법론
5. 시범구간 비탈면 안정성 평가 인자의 불확실성
5.1 평가 항목별 점수 가중치의 불확실성
5.2 점수 합산 체계 문제
6. 결 론
1. 서 론
최근 국내 절토사면은 기후변화로 인한 집중호우와 강우 강도 및 빈도 증가로 크고 작은 규모의 비탈면 붕괴가 수백 건 발생하였다. 또한, 비탈면 관리 수량 증가와 30년 이상의 노후 비탈면이 지속해서 늘어남으로써 직·간접적 손실 비용이 증가할 것으로 예상됨에 따라 재난 피해 최소화를 위한 체계적 유지관리의 필요성이 대두되고 있다.
국내의 경우 국토교통부에서 재해 및 재난을 예방하기 위해 건설공사를 통하여 만들어진 시설물을 제 1·2·3종으로 구분하여 안전점검과 유지관리를 시행하도록 하고 있다(시설물안전법). 절토사면은 ‘지면으로부터 연직 높이 30미터 이상을 포함한 절토부로서 단일 수평연장 100m 이상인 절토사면’을 2종 시설물로 지정하여 “안전점검 및 정밀안전진단”을 실시한다(Korea Infrastructure Safety and Technology Corporation, 2024). “안전점검 및 정밀안전진단”은 안전점검과 정밀안전진단으로 구분되며, 2종 시설물은 안전점검에서 문제가 있는 것으로 판단된 시설물에 대해 정밀안전진단을 실시하였으나, 최근 국토안전관리원은 「시설물의 안전 및 유지관리에 관한 특별법」 제 12조의 정기적인 정밀안전진단을 실시하는 시설물을 제 1종에서 1종과 2종으로 확대하여 공포하고 있다. 이와 더불어 30년이 경과된 시설물에 대해 정밀안전진단을 실시하도록 법을 신설하였다(Spacial act on the safety control and maintenance of establishment, 2024). 절토사면에 대한 유지관리에 대한 법령은 2002년 개정되었으며, 2010년 절토사면에 대한 안전점검 및 정밀안전진단 세부지침(Korea Infrastructure Safety and Technology Corporation, 2010)이 발간되었다. 현재는 국토안전관리원에서 공표한 안전점검 및 정밀안전진단 세부지침(Korea Infrastructure Safety and Technology Corporation, 2024)에 따라 평가된다. 초기 평가 지침은 평가 기준에 대한 근거가 명확하지 않고, 과거 일부 전문가들의 경험을 근거로 만들어져 평가 점수에 대한 신뢰성 향상이 필요할 것으로 판단된 바 있다(Byun et al., 2018). 따라서 현행의 비탈면 평가 지침과 2010년 발간된 안전점검 및 정밀안전진단 지침의 개정사항을 비교하여 구체적인 개선 사항을 검토하였다(Table 1).
Table 1.
Slope risk assessment database for research
| Failure Factor | Ground condition | Shape of slope | Natural Condition | Artificial condition | ||||||
| Factor* | SC | CJ | DJ | S | WC | RG | SC | CM | DC | SC |
|
Quantitative Evaluation Criteria | △ | △ |
O (revised) | O | X |
O (revised) | X |
X (revised) | X | X |
Table 1은 비탈면 붕괴에 간접적인 영향을 평가하는 파괴요인 평가 항목 중 일부를 나타낸 표이다. 삼각형은 정량적 평가 기준과 주관적 평가를 종합하여 평가하는 경우를 의미하며, 정량적 평가 기준이란 평가 기준표를 기준으로 수학적 수치가 명시된 경우로 정의하였다. 12가지 평가 항목 중 3가지 평가 항목만이 일부 개선되었으며, 3가지 평가 항목 중 보호/보강(Counter Method, CM) 외에 평가 항목의 평가 기준은 개정 전과 유사 혹은 동일하였다. 평가 항목 중 사면형상(Shape of slope)과 인위요인(Artificial condition)의 일부 항목은 전문가의 육안 평가에 의존하여 평가되고, 그 중 집수지형(Water Catchment,WC)은 평가 기준과 점수가 명시된 바가 없다. 이는 현행의 비탈면 안정성 평가가 전문가의 정성적 평가에 상당 부분 의존하여 관리되는 것을 의미하며, 기록 과정에서 인간오차(Human error)로 인해 누락 및 오기입 발생과 전문가에 의해 작성되는 주관적인 오차 발생 가능성이 크다(Lee et al., 2021).
비탈면 안정성 상태평가의 각 항목들의 중요도를 파악하는 것은 현행 비탈면 상태평가에 대한 평가 기준과 평가 점수에 대한 신뢰성을 향상시키기 위해 매우 중요하다. 선행연구에서는 신뢰할 수 있는 평가결과를 얻기 위해 각 지표들의 중요도의 가중치를 부여하여 개선하는 방안이 제시되었으며, 가중치를 산정하는 방법은 주관적인 방법과 객관적인 방법으로 구분할 수 있다(Byun et al., 2018). 객관적인 방법에는 자료에 기반하여 평가 항목의 중요도를 정량적으로 파악하는 로지스틱 회귀 분석(Logistic Regression Analysis), 다중회귀 분석(Stepwise multiple linear regression), 엔트로피(Entropy) 분석 등이 있으며, 주관적인 방법에는 설문 조사를 통해 의사 결정자의 판단을 기준으로 가중치를 산정하는 델파이(Delphi) 기법과 계층 분석 기법(Analytic Hierarchy Process, AHP), 네트워크 분석법(Analytic Network Process, ANP) 등이 있다(Choung, 2015; Lee & Kim, 2004; Lee et al., 2013; Lee et al., 2016; Suk, 2015; Seong, 2017).
Lee & Kim(2004)는 암반사면의 주관적 평가를 개선하고자 로지스틱 회귀 방법으로 각 인자의 가중치를 선정하고 붕괴 유무를 예측하였다. Lee et al.(2013)은 평가 항목과 평가 등급 간의 유의성을 검증하고 다중 회귀 분석으로 비탈면의 등급을 예측하고자 하였으며, ‘강우 및 지하수’ 등 일부 평가 항목은 평가 등급과 연관성이 뚜렷하지 않음을 지적하였다. 비탈면 상태평가의 개선방안을 도출하기 위해 주관적인 방법에 대한 연구와 주관적인 방법과 객관적인 방법을 혼합하는 연구가 진행되었다.
Lee(2011)은 계층적 분석 기법(AHP)을 통해 절토사면의 상태평가 항목에 대한 가중치를 분석하였으며, ‘강우 및 지하수’의 가중치를 개선해야 함을 지적하였다. Choung(2015)는 AHP기법과 ANP기법을 고속도로에 적용하여 비탈면 안정성 평가의 가중치에 대한 연구를 수행하였다. Suk(2015)는 델파이 분석 방법으로 암반비탈면에 대한 평가 항목의 적정성을 분석하고 다중회귀 분석을 혼합하여 타당성을 검증하였으며, 델파이 설문 조사에 의한 중요도와 다중회귀 분석에 의한 가중치의 순위가 상이하여 개선이 필요함을 지적하였다. Lee et al.(2016)은 AHP를 통해 가중치를 도출하고 통계 분석 기법인 피어슨 상관성 분석(Pearson Correlation Coefficient, PCC)으로 평가 항목의 상관성을 검증하였다. Seong(2017)은 절리 암반사면을 대상으로 객관적인 방법인 엔트로피 기법과 주관적인 방법인 AHP 기법을 혼합한 혼합 가중치에 대한 연구를 하였다.
본 연구에서는 암반 사면을 포함한 토사사면, 파쇄 암반사면, 절리 암반사면에 대해 분석하였으며, 객관적인 방법만으로 평가 항목의 중요도와 평가 체계의 적정성을 복합적으로 검토한다. PCC 분석으로 평가 항목의 유의성을 검토하고, 객관적 중요도를 산출하기 위해 머신러닝 알고리즘인 릴리프-에프 피처 셀렉션(Relief-f feature selection)을 통해 검증한다. 또한, 평가 체계의 중간 가중치를 산출하여 평가 체계의 적정성을 검증하였다. 고속도로 시범구간을 대상으로 평가결과 데이터를 취득하고 분석함에 따라 고속도로 비탈면에 적합한 객관적이고 정량적인 평가방법의 제안에 그 목적이 있다.
2. 국내 절토사면 붕괴 안정성 평가 지침
비탈면의 구체적인 평가 방법과 수행 절차는 국토안전관리원의 안전점검 및 정밀안전진단 세부지침(Korea Infrastructure Safety and Technology Corporation, 2024)에서 제시하고 있다. 지침에 따르면 비탈면은 토층심도율과 블록크기 비에 따라 토사사면(Soil Like Mass, SLM), 절리암반사면(Joint Rock Mass, JRM), 파쇄암반사면(Highly fractured Rock Mass, HRM), 연약암반사면(Massive Rock Mass, MRM)으로 분류한다. 평가 항목은 크게 사면에 발생한 파괴 이력과 진행 중인 파괴징후에 대한 손상상태 평가(Damage condition)와 사면의 파괴에 영향을 주는 원인이나 요소로 작용할 수 있는 항목들에 대한 평가인 파괴요인 평가(Potential risk)로 구분할 수 있다. 손상상태 평가는 파괴 징후(Sign of failure) 평가와 파괴 현황(Current status of failure)평가로 분할되며, 파괴요인 평가는 지반상태(Ground condition), 사면형상(Shape of slope), 자연요인(Natural factors), 인위요인(Artificial factors)으로 구분되며, 이를 “상위 평가 항목(Higher-level evaluation factors)”이라고 정의한다(Fig. 1). 각각의 상위 평가 항목은 하위 평가 항목으로 구분되어 총 12가지 평가 항목으로 평가된다. 손상상태 평가는 사면의 직접적인 상태를 평가하는 항목으로 사면의 종류에 영향을 받지 않으나, 파괴요인 평가는 간접적인 요인으로 사면에 따라 평가 항목과 점수 기준이 변동되는 특징이 있다(Fig. 1).
비탈면 안정성 평가의 평가 체계는 12가지 평가 항목을 크게 파괴요인 항목과 손상상태 항목으로 분류하고, 하위 12가지 평가 항목에 대한 평가 점수를 산술 평균하여 상위 항목 점수를 부여하는 방식으로 점수가 부여된다. 사면의 종류와 관계없이 손상상태 평가 항목의 점수 총점은 24점, 파괴요인 평가는 총점 52점이며, 상위 평가인 손상상태 평가와 파괴요인 평가는 하위 평가 점수로부터 각각 손상상태 지수와 파괴요인 지수를 산출한다. 단위 사면의 상태평가 결과는 사면 손상상태 항목과 사면 파괴요인 항목의 결함 점수를 통해 산정된 결함 지수로 결정한다(Fig. 2). 비탈면 상태평가 결과는 A~E 등급으로 평가되며, 손상상태 평가 항목 중 인장 균열은 진행성이 확인될 경우 상태 평가 결과를 하향할 수 있으며, 파괴요인 평가 항목 중 보호/보강은 전문가의 판단에 따라 평가결과를 상향할 수 있다.
3. 시범구간의 비탈면 안정성 상태평가 결과 분석
본 연구에서는 현행의 비탈면의 안정성 평가의 신뢰성과 평가방법의 적합성을 검토하는 것을 목표로 한다. 분석은 시범구간을 대상으로 하며, 시범구간은 도로의 연장 길이, 재해 붕괴 발생 빈도, 교통량에 대한 데이터를 수집하고 비탈면 붕괴에 가장 취약한 지역을 시범구간으로 선정하였다. 시범구간의 비탈면 안정성 항목 기준의 입력 데이터 구성은 Table 2에 나타내었다.
Table 2.
Data of slope risk assessment in testbed
| Grade | SLM | HRM | JRM | Sum |
| B | 32 | 6 | 47 | 85 |
| C | 8 | 15 | 16 | 39 |
| Sum | 40 | 21 | 63 | 124 |
본 연구에서 취득한 표본 데이터는 위험등급상 A, D, E 등급을 제외한 B, C 등급으로 평가되어, 연약 암반 사면을 제외한 토사사면(SLM), 절리암반사면(JRM), 파쇄암반사면(HRM)으로 구성되었다. 평가 지침에 따르면 비탈면 안정성 평가 체계는 평가 점수를 통해 “결함지수(Defect index)”를 산출하고 그 값에 따라 A~E 5단계로 등급을 부여하게 된다. B 등급의 결함지수 범위는 0.15 이상 0.3 미만, C 등급은 0.30 이상 0.55 미만에 해당된다. D 등급은 결함지수가 0.55 이상 0.75 미만, E 등급은 0.75 이상으로 D 등급 부터는 사면이 위험하며, 집중적인 관리가 필요하다고 판단하고 “정밀안전진단”을 실시한다. 시범구간의 비탈면 안정성 평가 표본은 절리암반사면(51%), 토사사면(32%), 파쇄암반사면(17%)으로 절리암반사면이 가장 많이 분포하고 있으며, C 등급(32%), B 등급(69%)으로 B 등급의 비탈면이 더 많은 분포를 차지하고 있는 것으로 나타났다. B 등급과 C 등급 간의 결함지수 분포는 확률 밀도 그래프를 통해 검토하였다(Fig. 3). B 등급 점수의 평균(0.27)은 B 등급 점수 범위(0.15≤F<0.3)를 고려하였을 때 C 등급의 경계에 밀집하여 분포하였다. C 등급은 평균(0.37)으로 C 등급 범위(0.30≤F<0.55) 중 하위에 인자가 분포하였다. 표본의 점수 분포는 일부 구간에 밀집하여 분포하고 있어 등급 간의 점수 차가 크지 않은 것으로 분석되었다.
사면에 따른 결함지수의 분포는 절리암반사면보다 토사사면이 밀집하여 분포하였으며, 전반적으로 전체 사면의 등급 분포(Fig. 3)와 유사하게 나타났다(Fig. 4). 반면, B 등급 평가 점수가 모두 동일하여 확률 밀도로 나타내는데 어려움이 있었다. 파쇄 암반사면의 표본 수가 적어 발생한 것으로 보이며, 하위 평가 항목의 점수는 일부 변동되나 합산 점수는 모두 같은 점수로 나타났다. 점수 범위가 다른 두 개 등급 간의 점수 분포가 크지 않다는 것은 일부 평가 항목이 등급에 영향을 미쳤을 수 있다. 이러한 분포의 원인을 파악하고 개선방안을 도출하기 위해 분석을 구체화할 필요가 있다.
4. 비탈면 안정성 평가의 불확실성 검토 방법론
전술한 바와 같이 국내 비탈면 안정성 평가는 총 12가지 평가 항목으로 평가되며, 12가지 평가 항목은 크게 손상상태 평가 항목과 파괴요인 평가 항목으로 분류할 수 있다. 그 중 파괴요인 평가는 사면의 종류에 따라 점수 평가 기준과 점수의 범위가 변동되나, 점수의 총점은 사면의 분류와 관계없이 동일하다. 예를 들어 토사사면의 토질조건(Soil Condition, SC)은 1~4점의 점수 범위를 가지며, 토층심도율(Soil depth ratio, SD)은 1~8의 점수 범위를 가진다. 강우 및 지하수(Groundwater & Rainfall Level, GR)는 토사사면은 1~8점 점수 범위를 가지며, 암반사면은 1~4의 점수로 평가된다. 이는 토사사면에서 토층심도율(SD)이 토질조건(SC)보다 중요한 인자이며, 강우 및 지하수(GR)는 토사사면이 암반사면보다 중요한 평가로 작용함을 시사한다.
비탈면 안정성 평가 체계(Fig. 1)는 하위 평가 항목을 산술 평균하여 상위 평가 항목 점수를 산출한다. 이 과정에서 하위 평가 항목의 상위 평가 항목인 자연요인(Natural Condition, N), 사면형상(Shape of slope, S), 지반상태(Ground condition, G), 인위요인(Artificial condition, A)은 하위 평가 항목과 같이 사면에 따라 점수의 범위가 상이하여 사면에 따라 상위 평가 항목의 중요도가 변동되는 것을 알 수 있다. 본 연구는 기존 평가 지침에서 제시하는 평가 항목의 중요도와 점수 평가 기준 및 평가 체계를 검토하기 위해 하위 평가 항목과 상위 평가 항목을 점수 범위에 따라 기존 평가 체계와 동일하게 환산하였으며, 이를 “가중치(Weighting)”라고 정의한다. 평가 항목의 구분과 가중치에 대한 자세한 내용은 Table 3에 나타내었다. Table 3에 따르면, 평가 항목의 가중치는 서로 상이하나 0.15와 0.08로 두 개 점수로만 평가되어 점수의 변동성이 낮다. 반면, 상위 평가 항목의 가중치를 나타낸 “합산 가중치(Weight Sum)”는 다양한 수치로 분포되는 경향을 보였다. 기존 평가 지침을 면밀히 살펴본 결과 비탈면 상태평가의 불확실성은 다양한 요소에서 발생할 수 있다. 먼저, 하위 항목의 평가는 전문가의 정성적인 평가에 의존하여 평가되며, 평가 기준이 명확하지 않고 포괄적이기 때문에 판단에 혼란을 야기할 수 있다. 두 번째로 영향 인자들은 점수의 가중치와 평가 항목은 사면에 따라 변화하는데 가중치와 단순 산술 평균으로 산출되는 점수 체계에 대한 근거가 미약하여 이를 검토할 필요가 있다. 검토는 각 관점에서 가장 적합한 분석 기법으로 피어슨 상관계수(Pearson Correlation Coefficient, PCC) 분석과 릴리프-에프 피처 셀렉션(Relief-F Feature Selection) 분석을 하였다.
Table 3.
Score and weight of slope failure factors
피어슨 상관계수 분석은 Karl Pearson(1896)이 제안한 방법으로, 두 변수 간의 공분산을 각각의 표준 편차의 곱으로 나누어 정규화하여 선형 상관관계를 측정하는 분석기법이다. 독립적으로 평가되는 손상 상태 인자와 파괴 요인 인자 간의 선형적인 관계를 명확하게 측정하고, 상관관계의 방향과 강도를 직관적으로 해석할 수 있다.
본 연구에서는 현행의 비탈면 안정성 평가 표본을 대상으로 분석하므로 표본 기반 피어슨 상관계수 공식으로 분석하였다. 표본 피어슨 상관계수는 일반적으로 로 표시하며, 로 구성된 n개의 데이터 쌍에 대해 다음과 같이 정의한다. 여기서, n은 표본의 크기(데이터의 개수), 는 번째 변수, 는 각 변수 와 의 평균을 뜻한다(Eq. (1)).
피어슨 상관계수는 표준 편차로 정규화되기 때문에 그 값이 -1에서 1 사이로 나타나 비교적 직관적으로 이해 및 해석할 수 있다. 1에 근접할수록 양의 상관관계로, 한 변수가 증가할 때 다른 변수도 증가하는 경향을 의미한다. -1에 가까울수록 음의 상관관계로 한 변수가 증가할 때 다른 변수는 감소하는 경향을 뜻하며, 0에 근접할수록 두 변수가 서로 관계가 없음을 의미한다. 통계적 분석이므로 데이터의 변동성과 표본의 크기, 그리고 데이터의 분포 특성에 영향을 받는다(Table 4).
릴리프-에프 피처 셀렉션은 유클리드 거리를 사용하여 샘플(데이터)의 최근접 이웃을 찾고, 같은 클래스에서 가장 가까운 이웃 샘플(Hit sample)과 다른 클래스에서 가장 가까운 이웃 샘플(Miss sample)을 비교함으로써 피처(평가 항목)가 목표 클래스(사면 손상 상태)에 얼마나 기여하는지를 가중치로 산출하는 알고리즘이다. 가중치는 무작위로 선정된 일부 샘플에 대해 동일 클래스 이웃(Hit)과의 차이는 가중치를 감소시키고 다른 클래스 이웃(Miss)과의 차이는 가중치를 증가시키는 방식으로 반복 갱신한다. 이렇게 모든 샘플에 대해 누적 계산한 최종 결과로, 가중치가 큰 순서대로 우선순위를 정립해 각 평가 인자의 중요도를 나타낸다. 평가항목의 평가 지침상 중요도와 릴리프-에프 피처 셀렉션이 도출한 중요도를 비교하여 중요도가 높은 평가항목(Higher Importance, HI)과 낮은 평가항목(Lower Importance, LI)를 분석한다.
피어슨 상관계수 분석과 릴리프-에프 피처 셀렉션은 두 독립변수 간의 관계를 분석한다는 점에서 유사하나, 각 분석 기법의 목적과 이론적 기반이 다르기 때문에 산출할 수 있는 결과도 달라진다.
비탈면 상태 평가 점수는 점수가 높을수록 비탈면 붕괴 위험이 증가하고 점수가 낮을수록 위험도 또한 감소하는 특징이 있어 평가 점수는 비탈면 안정성 평가 점수와 반드시 비례관계에 있어야 한다. 비례관계는 피어슨 상관계수 분석을 통해 검증할 수 있다. 두 가지 방법론에 의해 도출할 수 있는 결과는 4가지로 구분할 수 있다(Table 5).
Table 5.
Interpretations matrix based on analysis methodology
Relief-F PCC | HI | LI |
| Positive | HIP | LIP |
| Negative | HIN | LIN |
Table 5에서 HIP(Higher Importance Positive)는 평가 기준이 타당하며, 신뢰할 수 있음을 의미한다. LIP(Low Importance Positive)는 중요도가 낮게 분석되어 관리 대상에서 제외할 수 있는 인자를 의미한다. HIN(Higher Importance Negative)은 평가 기준을 재검토할 필요가 있음을 시사한다. LIN(Low Importance Negative)은 평가 데이터를 신뢰할 수 없으므로 분석을 무시한다.
5. 시범구간 비탈면 안정성 평가 인자의 불확실성
불확실성 검토는 두 개의 범주형 자료에 대해 독립변수와 종속변수를 설정하고, 두 개의 데이터의 상관성을 분석하여 인자 간의 관계를 확인할 수 있다. 본 연구에서는 독립변수로 사면에 발생한 파괴 이력과 현재 진행 중인 파괴 징후에 대한 조사인 사면 손상 상태 평가(Damage condition)로 정의하였다. 종속 변수는 사면 파괴의 원인이나 요소로 작용하는 인자들에 대한 조사인 파괴요인 평가(Potential risk)로 정의하였다. 파괴요인 평가는 사면의 종류에 따라 평가 항목과 가중치가 변동되므로(Table 3) 사면의 종류(SLM/HRM/JRM)에 따라 평가 체계의 문제점을 검토하고 각 인자의 중요성을 릴리프-에프 분석 기법과 피어슨 상관계수로 정량화하였다.
5.1 평가 항목별 점수 가중치의 불확실성
피어슨 상관계수 분석에서 상관성을 판단하는 수치적 기준과 해석은 데이터의 목적에 따라 달라진다. 본 연구에서는 상관계수의 음과 양만을 기준으로 표본의 신뢰성을 구분한 후 신뢰할 수 없는 음의 상관계수로 분석된 평가항목을 제외한 양으로 분석된 항목을 대상을 릴리프-에프 중요도를 분석하여 결과를 해석하였다.
Fig. 5는 각각의 평가 항목들에 대해 릴리프-에프와 피어슨 상관계수 분석을 한 결과이다. 피어슨 상관계수 분석 결과는 방사형 그래프에 표식의 모양으로 나타내었다. 피어슨 상관계수 분석에서 양으로 분석된 평가 항목은 채워진 원 표식으로 나타내었으며, 음수로 분석된 평가 항목은 빈 삼각형 표식으로 나타내었다. 방사형 그래프의 주축은 평가지침 평가 항목의 가중치를 나타내며, 릴리프-에프 중요도 분석 결과를 평가지침 상의 가중치 범위로 정규화하여 시각화하였다. 평가 항목별 평가 지침의 가중치 범위를 회색 영역으로 나타내어 회색 영역 밖에 위치한 항목과 빈 삼각형 표식은 신뢰할 수 없거나 평가에 오류가 있음을 직관적으로 해석할 수 있다.
토사사면(SLM)의 집수지형(SS-WC), 강우 및 지하수(NS-GR), 토층심도율(GS-SD)과 절리암반사면(JRM)의 사면경사(SJ-S)는 음의 상관계수로 분석된 것을 확인할 수 있다. 음의 상관계수는 비탈면 평가 항목의 평가 점수가 높을수록 비탈면의 붕괴 위험이 낮아지는 반비례 관계를 의미하며, 안정성 평가 항목은 붕괴 위험성과 반드시 비례해야 하므로 평가 결과에 모순이 있는 것을 시사한다. 이러한 분석 결과가 발생할 수 있는 원인을 3가지 관점에서 고찰할 수 있다.
첫 번째로 통계적 관점의 피어슨 상관계수 분석은 표본 데이터의 수와 데이터의 품질에 영향을 받는다. 시범구간에서 취득한 표본 데이터가 등급의 수에 비해 적으며, 데이터의 변동성이 일부 등급에 편향되어 있어 분석 결과에 영향을 주었을 가능성이 높다.
두 번째로 비탈면 안정성 평가의 결함지수(Fig. 2. Defect index)는 서로 독립적으로 평가되는 손상상태지수(Fig. 2. Damage condition Score)와 파괴요인지수(Fig. 2. Potential risk Score)의 합산으로 산출된다. 본 연구는 비탈면의 직접적인 손상을 평가하는 손상상태평가와 간접적인 평가를 나타내는 파괴요인평가를 독립변수로 파괴요인평가가 손상상태평가에 미치는 영향을 분석하였다. 하지만, 손상상태평가도 파괴요인평가와 같이 전문가에 의해 판단되므로 이로 인해 발생되는 불확실성이 있을 수 있다. 또한, 평가 항목이 4가지로 파괴요인평가 항목보다 적고 합산 점수 또한 24점으로 파괴요인평가 합산 점수인 52점보다 28점 작아 피어슨 분석에서 음으로 분석되었을 가능성이 있다.
세 번째로 토사사면(SLM)의 집수지형(SS-WC), 강우 및 지하수(NS-GR), 토층심도율(GS-SD)과 절리암반사면의 사면경사(SJ-S)는 음의 상관계수로 분석되었다. 평가 지침에 따르면 집수지형(SS-WC)의 평가 기준과 점수는 0점만 “무관”으로 평가 기준이 명시되어 있으며, 그 외 점수에 대한 평가 기준은 명시된 것이 없어 전문가의 판단에 전적으로 의존하여 점수가 부여된다. 강우 및 지하수(GR)와 토층심도율(GS-SD), 사면경사(S)는 정량적 기준과 공식을 통해 도출되는 값으로 조사 결과에 영향을 받는 인자들이다. 강우 및 지하수(GR)는 강우량과 지하수위에 따라 점수가 부여되나 지하수위는 시추조사 시 조사할 수 있는 정보로 현장에서 모든 비탈면에 시추조사를 할 수 없는 한계가 있다. 강우량은 “1일 강우량”을 기준으로 점수별 평가 기준의 범위(50mm 단위)가 일정하다. 다만, 강우량은 관측소의 위치와 지형 등에 영향을 받으나, 평가 지침 상 해당 지역이 명확하게 정의되어 있지 않다.
깎기 비탈면의 설계 경사도(KDS 11 70 05)(Table 6)와 비탈면 안정성 평가 지침상 사면경사 점수기준은 상이하다. 평가 지침의 사면경사 평가 점수별 시범구간에 관한 결과 빈도는 Table 7에 나타내었다. 깎기 비탈면의 설계 경사도에 비해 비탈면 안정성 평가 지침의 사면경사 점수기준은 상당히 가파른 기울기(1:0.7 이상)까지 고려한다. 따라서 사면경사 점수기준 및 측정방법에 대한 고찰이 필요하다.
Table 6.
Standard slope ratio of ground-based cut slopes
Table 7.
JMR Slope angle evaluation metrics and frequency
| Slope angle | ||
| Ratio | Score | Frequency (%) |
| < 1:1.0 | 0 | 24 |
|
1:1.0 ≤ <1:0.7 | 1 | 37 |
|
1:0.7 ≤ <1:0.5 | 2 | 30 |
|
1:0.5 ≤ <1:0.3 | 3 | 9 |
| 1:0.3 ≤ | 4 | 0 |
릴리프-에프 피처 셀렉션은 평가 인자의 중요도에 따라 나열하여 우선순위를 제공한다. 산출된 영향 인자 중요도와 평가 지침에 따른 각 평가 항목의 중요도를 비교하여 평가 지침 상 점수기준의 적합성을 검토하였다. 릴리프-에프가 산출한 영향 인자의 중요도 순위를 가중치 범위로 정규화하여 평가 지침의 가중치와 중요도 분석의 결과를 하나의 방사형 그래프에 시각화하였다(Fig. 5). Fig. 5에서 색칠된 영역은 각 평가 지침 상의 가중치(Table 3의 Individual weight)를 나타내며, 표식은 릴리프 순위를 의미한다. 릴리프 순위를 가중치 범위로 정규화하여 그래프의 표식이 색칠된 영역 외부에 위치할 경우 평가 지침의 가중치와 불일치함을 직관적으로 해석할 수 있다. 절리암반사면(JRM)이 가장 높은 정확도를 보였으며, 두 번째로 토사사면(SLM)이 마지막으로 파쇄암반사면(HRM)이 가장 낮은 정확도를 보였다.
가중치의 색칠된 영역 내부에 릴리프-에프 표식이 위치하고, 가중치의 추세선과 표식이 서로 유사한 경향을 나타내어야 한다. 토사사면(SLM)에서 표면 보호(AS-SC)가 토질조건(SG-SC) 보다 높은 중요도를 보였으며, 파쇄암반사면(HRM)은 저면경사(GH-TS)가 보호/보강(AH-CM)보다 높은 순위에 위치하였다. 표본 수가 많은 절리암반사면(JRM)에서 강우/지하수(NJ-GR)가 보호/보강(AJ-CM)보다 상위에 위치하여 가중치가 평가 항목의 중요도를 반영하고 있지 않은 것으로 해석된다. 또한, 같은 가중치를 갖는 Fig. 5의 절취상태(AJ-EC)와 보호/보강(AJ-CM)도 릴리프-에프 분석에서 순위가 각각 1순위와 7순위로 중요도가 상이하므로 개별 가중치가 개별 평가 항목들의 실제 영향도를 나타내는지 검토할 필요가 있다. 이는 점수 기준 적합성의 재검토 필요성을 시사하며, 추후 개선 방안으로 가중치는 릴리프-에프 분석 결과를 참고하여 부여하는 것이 바람직하겠다.
5.2 점수 합산 체계 문제
현행의 비탈면 안정성 평가 체계는 평가 점수를 단순 산술 평균하는 체계(Fig. 1)로 등급 평가 및 관리되므로 이러한 점수 체계의 불확실성을 검토하였다. 평가 항목의 분류에 따라 상위 평가 항목과 하위 평가 항목으로 구분하고 하위 평가 항목을 구분하는 상위 평가 항목(Ground condition, Shape of slope, Natural condition, Artificial condition)의 합산 가중치(Table 3의 Sum weight)와 릴리프-에프 분석의 중요도 분석 결과를 비교하여 검토할 수 있다.
Fig. 6은 상위 항목에 대한 분석 결과이다. 토사사면(SLM)은 인위요인(SA)을 제외한 항목에서 피어슨 상관계수가 음으로 분석되어 릴리프-에프 분석에서 유의미한 해석을 도출하기 어려움이 있다. 파쇄암반사면(HRM)은 자연요인(NH)과 지반상태(GH)가 양의 피어슨 상관계수를 보였으며, 가장 높은 가중치(0.38, 38%)를 가진 지반상태(GH)가 가장 낮은 가중치(0.15, 15%)를 가진 자연요인(NH)보다 낮은 순위에 위치하였다. 절리암반사면(JRM)은 가장 낮은 가중치(0.08, 8%)를 가진 자연요인(NJ)이 두 번째로 높은 가중치(0.38, 38%)를 가진 인위요인(AJ)보다 높은 순위에 위치하였다. 이는 점수 합산 체계와 각 평가 항목 구분 및 점수에 대한 근거가 부족하고 이를 신뢰하는 것에 어려움이 있음을 시사한다.
6. 결 론
본 연구에서는 “깎기비탈면의 안정성 평가방법 개선을 위한 통계연구 Ⅰ” 논문에서 검토된 국내 비탈면 평가 방침과 국외 비탈면 평가 방침의 비교·분석 결과를 시범구간 데이터를 기준으로 고찰하였다. 이를 위해 평가 인자의 점수 기준, 평가 체계 등을 릴리프-에프와 피어슨 상관계수를 통해 분석하였다. 연구의 주요 결론은 다음과 같다.
(1) 현행의 비탈면 안정성 평가 결과의 신뢰성을 검증하고자 현행의 시범구간의 비탈면 안정성 평가 데이터를 취득하고 이를 기반으로 피어슨 상관계수를 분석하였다. 분석 결과 일부 평가 인자들이 음의 상관계수를 보여 평가 점수가 높을수록 안전하다는 반비례 경향성을 나타내었다. 이는 적은 표본 수와 평가 점수의 변동성이 적은 것을 감안하더라도 현행의 비탈면 유지관리 평가에 오류가 있음을 시사한다.
(2) 비탈면 안정성 평가 중 손상상태평가는 사면의 종류에 따라 평가 항목이 다르며, 사면의 구분에 따라 평가 항목과 평가 기준 및 점수 가중치는 변동된다. 이는 사면에 따라 각 평가 항목이 비탈면의 안정성에 미치는 영향이 다르기 때문이다. 하지만, 이러한 요소들을 모두 반영하기엔 가중치에 대한 근거와 다양성이 부족하여 릴리프-에프 중요도 분석을 통해 이를 검토하였다. 분석 결과 평가 지침의 가중치와 릴리프-에프 중요도 순위가 불일치하였으며, 동일한 가중치를 가진 평가 항목들도 서로 중요도에 순위 차이가 존재하였다. 즉, 보다 정밀한 비탈면 관리를 위해 평가 항목은 비탈면의 안정성에 미치는 영향에 따라 가중치와 점수의 기준을 확고히 할 필요가 있다.
(3) 비탈면 안정성 평가는 계층적 구조로 하위 평가 항목 점수가 상위 평가 항목으로 점수가 합산되어 최종 평가 점수를 산출 및 등급을 부여하는 절차로 진행된다. 점수 합산은 단순 산술 평균으로 상위 평가 항목으로 합산된다. 상위 계층(손상상태평가, 파괴요인평가)과 하위 계층 사이의 중간 계층(지반상태, 사면형상, 자연요인, 인위요인)의 가중치를 계산하여 합산 체계의 적합성을 검토하였다. 개별 평가 항목 분석과 동일한 방법으로 피어슨 상관계수 분석과 릴리프-에프 중요도 분석을 하였다. 파쇄암반사면과 절리암반사면에서 합산 가중치(Table 3의 Sum weight)와 릴리프-에프 중요도는 서로 상이한 것으로 분석되었다.
본 연구는 현재 고속도로 비탈면 안정성 평가에 있어 기존 방법론과 평가 방침의 한계를 검토하고 비교·분석하여 개선방안을 도출하기 위한 초석을 다졌다. 향후 연구에서는 GIS 기술을 도입하여 보다 객관적이며, 정량적인 비탈면 상태 평가 방안을 제안 및 검토하고자 한다. GIS를 통해 취득 가능한 공간정보 데이터는 비탈면의 높이, 경사 등으로 수치표고 데이터에서 분석이 가능하다. 광역적 공간분석과 더불어 현장조사를 통해 평가되는 항목 일부(보호/보강 상태, 배수상태 등)를 드론을 활용한 UAV 이미지 분석 및 LiDAR 센서 등을 활용한 물리탐사 기술을 접목하여 보다 효율적이고 객관적인 비탈면 위험도 평가를 도모할 수 있다. 비탈면의 다양한 조사, 검토, 분석 결과를 공간 데이터를 기준으로 체계적으로 통합 관리하는 시스템을 구축하고자 한다. 또한, 본 연구에서 다루지 못한 등급 평가 기준의 주관성을 개선하고자 유사한 패턴의 데이터를 분석하고 군집화하는 클러스터(Cluster) 머신러닝 알고리즘을 활용하거나 계층적 분석 기법인 AHP를 적용하여 객관적이고 정량적인 등급 평가가 가능할 것으로 추측된다.
