Analysis of Rainfall Characteristics inducing Shallow Failure of Road Cut Slope

Abstract

Rainfall is well known triggering factor of slope failures. In Korea, frequent shallow failures on road cut slopes occur every year by intensive rainfall during summer season. To deal with slope failure problems induced by rainfall, regional rainfall characteristics and their effects on the slope instability should be considered. In this study, an attempt is made to identify local rainfall characteristics and to suggest a rainfall threshold that can be used as basis for a warning system. The rainfall records corresponding to the slope failure records for 11 years (1999~2009) along expressways are used. Furthermore, the influences of rainfall parameters on the slope stability of an unsaturated soil slope during rainfall are analyzed by numerical analysis. Examination of 258 rainfall records to scrutiny show that combination of rainfall parameters rather than single parameter could represent the rainfall characteristics inducing shallow slope failures. Rainfall parameters such as peak intensity, cumulative amount, average intensity and rainfall duration are selected to represent the rainfall characteristics and relationships by peak intensity-cumulative amount and average intensity-duration are utilized for establishing the rainfall threshold. Rainfall parameters are ranging from 6.5 to 92.5mm/hr for peak intensity, from 76.4mm to 759.5mm for cumulative rainfall amount, from 7 hour to 255 hours for rainfall duration and from 1.19mm/hr to 22.2mm/hr for average intensity. The rainfall threshold is defined to be a certain percentage of total rainfall events by assuming rainfall parameter distribution as log-normal distribution. When whole rainfall records are used, minimum rainfall threshold is determined to be a rainfall event of peak intensity of 10.6mm/hr and cumulative amount of 62.1 mm by peak intensity-cumulative rainfall relationship and expressed as by average intensity-duration relationship. To investigate the influences of rainfall parameters on slope instability and to compare the analysis result with empirical rainfall threshold, numerical analysis is performed. Slope stability analysis coupled with seepage analysis is tested using an actual failure case and the results indicate that the analysis method can predict the actual slope failure. Influence of each parameter is investigated by varying rainfall parameters such as rainfall intensity, duration, rainfall pattern and hydraulic conductivity. The results show that slope stability is highly dependent both on rainfall characteristics and hydraulic conductivity of soil. The result of numerical simulation with different rainfall parameters are compared with the empirical rainfall thresholds. The minimum empirical rainfall threshold of peak intensity-cumulative amount is shown to discriminate rainfall conditions which induce slope failure from those which do not induce slope failure obtained by numerical simulation. On the contrary, some simulated rainfall events in numerical analysis which cross over the minimum rainfall threshold of average intensity-duration relationship do not induce slope failure. From the comparison, rainfall of high intensity with short duration, which crosses over the rainfall threshold, should be excluded by additional constraint such as cumulative rainfall amount criterion. Thus, the empirical rainfall threshold can be complemented by numerical analysis results and its reliability can be enhanced.

강우는 사면파괴 유발인자로 잘 알려져 있다. 국내에서는 매년 여름철 집중강우에 의해 도로 절토사면 표층파괴가 빈번하게 발생하고 있다. 이러한 강우에 의해 유발되는 사면파괴 문제에 대처하기 위해서는 지역적인 강우특성과 강우가 사면의 안정성에 미치는 영향을 고려할 필요가 있다. 본 연구에서는 지역적인 강우특성을 분석하고 경보시스템의 근간이 되는 임계강우기준을 제시하고자 하였으며, 이를 위해 11년간 전국 고속도로 사면 파괴기록과 이에 대응하는 강우기록을 이용하였다. 또한, 수치해석을 이용하여 강우가 불포화된 도로사면의 안정성에 미치는 영향을 분석하였다. 사면파괴를 유발시킨 258개의 강우기록을 상세히 조사한 결과 강우특성의 표현하기 위해서는 단일 변수보다는 여러 강우변수를 조합해서 표현하는 것이 필요한 것으로 나타났으며, 강우변수로서 첨두강우, 누적강우, 평균강우 및 강우지속시간을 선정하여 강우변수의 범위를 구한 결과 사면파괴를 유발시킨 강우는 첨두강우 6.2~92.5mm/hr, 누적강우 76.4mm~759.5mm, 평균강우 1.19~22.2mm/hr 그리고 지속시간은 7~255hr의 범위를 갖는 것으로 나타났다. 임계강우기준은 첨두강우-누적강우, 평균강우-지속시간의 관계를 이용하였으며, 임계강우의 정의는 강우변수가 대수정규분포를 따르는 것으로 가정하여 분석대상 강우자료에 대한 빈도에 대응하는 값으로 선정하였다. 1%에 해당하는 최소임계강우기준은 첨두강우-누적강우 기준으로 10.6mm/hr와 62.1mm/hr로 나타나고, 평균강우-지속시간 관계에서는 I=18.32D^0.622 로 나타났다. 강우변수가 사면의 얕은 파괴에 미치는 영향을 조사하기 위하여 수치해석을 실시하였다. 수치해석은 먼저 실제 사면파괴 사례에 대하여 침투해석과 연동된 사면안정해석을 실시하였으며 해석결과는 해석방법이 실제사면의 파괴시점과 파괴형태를 적절하게 예측하는 것으로 나타났다. 강우변수의 영향을 조사하기 위하여 강우강도, 강우지속시간, 강우패턴 그리고 투수계수를 달리하여 수치해석을 실시하였다. 변수를 달리한 해석결과에서 사면의 안정성은 강우의 특성과 흙의 투수계수에 따라 차이가 있는 것으로 나타났다. 강우변수를 달리한 수치해석 결과와 경험적 임계강우기준을 비교하였다. 첨두강우-누적강우로 표현되는 경험적 최소임계강우기준은 수치해석에서 얻어진 사면파괴를 유발하는 강우와 유발하지 않는 강우를 비교적 잘 구분하는 것으로 나타났지만, 평균강우-지속시간으로 표현되는 최소임계강우기준은 수치해석에서 사면파괴를 유발시키지 않는 몇 강우에서도 임계강우기준이 초과되는 것으로 나타났다. 특히, 강우강도가 높지만 강우지속시간이 짧은 강우는 임계강우기준을 초과하더라도 사면파괴가 발생하지 않는 경우로서, 누적강우 기준을 추가하여 임계강우기준에서 제외시킬 필요가 있는 것으로 나타났다. 이러한 비교결과는 수치해석적 방법론이 경험적 임계강우기준을 보완하는데 유용함을 나타내며, 경험적 임계강우기준의 신뢰성을 향상시키는데 사용할 수 있는 것을 알 수 있다.