1.머리말

신재생에너지의 중요성이 부각되는 가운데, 육상 태양광 발전은 큰 성장을 이루었으나 안전성 문제가 도출되었음. 본 연구는 이러한 문제를 해결하기 위해 태양광 발전의 경사각과 다양한 변수들에 대한 안전율(FOS)을 분석하였음. 특히, 산지 태양광의 경사 허가기준이 15도로 강화되었으나, 이 기준은 연구에 기반한 것이 아니므로 보다 상세한 분석이 필요하였음. 연구를 통해 경사각도가 증가함에 따라 안전율이 감소하는 것을 확인하였으며, 특히 지하수 수위와는 반비례하는 관계임을 발견하였음. 또한 수면위치와 토양강도에 따른 안전율 변화도 조사하였음. 앞으로의 연구에서는 이외의 다양한 변수들을 포함하여 안전성을 더욱 철저히 분석할 계획임.
태양광 발전에 대한 관심이 증가하면서 국내 태양광 설치용량은 빠르게 성장하였음. 그러나 설치 과정에서의 문제로 피해 사례가 발생하였고, 이에 따라 정부는 설치 경사도의 허가기준을 강화하였음. 여러 기관이 경사도 허가기준을 제시하였으나, 그 적정성에 대한 검증은 아직 충분하지 않음. 본 연구는 이러한 기준의 적정성을 검토하고, 안전율과의 관계를 통해 연구를 수행하였음.

2. 안전율(FOS) 및 이론적 배경

가. 연구의 범위

• ■ 본 연구는 지하수면의 위치, 지하수위, 토질의 단단함에 따른 사면안정해석을 TNO DIANA 프로그램을 사용하여 수행.
• ■ TNO DIANA는 파손 및 붕괴 모델링에 우수한 재료 탄소성 모델을 제공.
• ■ 안전율(FOS) 산출 방정식은 Kim and Kim (2009)에 기반.
• ■ 연구 범위는 지하수면 위치, 사면 경사도 변화, 침투율 고려 동적 해석, 정적 해석, 붕괴 시나리오 적용 등을 포함.

나. 사면안정해석 방법

• ■ 사면안정해석은 전단 응력과 전단 강도에 따른 안정성 계산.
• ■ 본 연구에서는 강도감소법 사용.
• ■ 한계평형법: 슬라이딩 면을 미리 정의, 절편의 평형을 기반으로 안전율 산정.
• ■ 응력해석법: 유한요소 해석 결과를 사용하여 안전율 산정.
• ■ 강도감소법: 유한요소법 기반, 파괴면 미리 정의 필요 없이 안전율 산정.

다. 사면안정 선행 연구 분석

• ■ 사면안정에 대한 국내외 수치해석 연구 사례 및 방법 특성 분석.
• ■ 입자 유한 요소법(PFEM): 큰 변형에 대응 가능, 산사태 전체 진화 시뮬레이션.
• ■ 응력장법과 강도감소법: 강도감소법은 이론이 간단, 별도 프로그램 필요 없음.
  응력해석법은 계산시간 짧음, 별도 안정성 평가 프로그램 필요.

라. FEM을 이용한 수치 해석

• ■ 토양 해석 시 Mohr-Coulomb과 Druker-Prager Model 주로 사용.
• ■ 강도감소법은 사면의 파괴 활동에 대한 사전 가정 없이 파괴 과정 모사 가능.
• ■ 안전율은 Factor Of Safety(FOS)로 명명, 반복계산 루틴을 통해 산정.

3. 연구 방법

본 연구에서는 무요소법의 기능을 조사하고 연구하기 위해 PFEM 방식을 사용하였으며, 전통적인 유한요소 해석과 요소 기반 기술을 결합한 동적 거동은 주로 사면의 얕은 변형에 초점을 맞춘 산사태 시뮬레이션을 수행하였음. 토양 재료의 거동을 설명하고, 다양한 토양 재료 시뮬레이션 모델을 검토 및 평가하며 모든 시뮬레이션은 DIANA 프로그램(Wang et al., 2019)을 사용하여 수행하였음. 또한 본 연구에서는 사면안정해석을 위해 강도감소법을 이용하였음.

가. FEM 수치 모델링

• 데이터를 생성하기 위해 다음과 같이 기본 모델을 도식화하였음.

재료적 특성은 문헌 연구 사례분석을 통해 균일 재료로 가정하여 기존 문헌의 값을 사용하였고(Table 1 참조), 수면의 기본적인 위치는 사면 내부에 위치하며, 지반(Ground Level) 라인과 평행하여 5 m 위에 지하수가 위치한 상황을 가정하여 사면안정해석을 수행하였음. 메쉬 민감도를 연구하기 위해 사면안정해석은 2차원 해석의 경우 plain strain 조건으로 모델링을 하였고, 고차 요소를 사용하는 것이 안전율 계산에 정확함.
지하수위가 있는 경우 지표 밖의 물이 있는 부분에 대해서는 외부 수압을 가해야 하며, 강도감소법이 전응력 해석을 수행하기 때문에 지표 내부 submerged 된 곳은 Pore Pressure를 정의해 주었음(Choi and Ahn, 2003). 경계조건은 하부는 X, Y 모두 고정이며, 측면은 X만 구속하였고, 해석은 Strength Reduction Method를 사용하여 진행하였음.
메쉬 사이즈는 5 m × 5 m에서 0.1 m × 0.1 m까지 총 9개의 메쉬 사이즈 산정하였으며, 사이즈가 줄어듦에 따라 안전율 수치는 안정적으로 수렴하고, 분석 소요시간은 증가하며, 안전율의 변화는 다음 Table 2와 같음.

그림 5.에서 메쉬 사이즈 2 m×2 m ~ 1 m×1 m에서 안정적인 값을 보여주며 메쉬 사이즈가 더 줄어들면 다시 불안정한 값을 보여주며 메쉬 사이즈 ‘1.4 m×1.4 m’에서 가장 안정적인 결과를 보였다.

4. FEM 수치해석 결과 분석

본 장에서 기술된 내용은 여러 변수 연구를 통해 태양광 발전을 산지에 설치 시 기존에 제시된 경사도 15도 이내가 적절한지에 대한 의문을 해소하고자 수행된 선행연구임. 연구에 사용한 변수는 네 가지 항목으로 각도, 수면 위치, 수위 마지막은 물적 특성 변화임.

가. 경사면 각도(Angle)

경사도를 10° ~ 30° 사이에 총 10개의 모델을 산정한 다음, 사면 안전율을 산출하였다. 사면의 안정성 해석을 위해 지하수가 존재하는 경우와 존재하지 않는 경우 각각의 안전율을 산출하였고, 사용된 물적 특성은 위 ‘3장-가. FEM 수치 모델링’에서 사용한 특성과 동일하다. 적절한 수치해석을 위해 각도 변화와 지하수의 존재 여부를 제외한 데이터는 모두 같은 값을 사용하였으며 사면의 각도가 상승하면 사면의 안정도는 하락하는 것을 안전율의 변화로 유추할 수 있었다. Table 3에서 확인할 수 있듯 지하수가 존재하는 경우 안전율은 낮게 산출되었으며, 존재하지 않는 경우 사면안정에 도움이 된다는 것을 인지할 수 있었다.

따라서, 두 조건의 각도별 사면 안전율 시뮬레이션 데이터 및 선형 회귀분석 결과는 그림 6과 같으며, 안전율 변화의 선형 추세선은 각각 지하수가 존재하지 않는 경우는 식 (1), 지하수가 존재하는 경우는 식 (2)로 도출됨을 확인할 수 있다.

나. 수면 위치(Location of Water)

지하수의 위치를 대지면과 평행한 상태와 경사면과 평행한 상태로 변경하여 안전율을 산출하였다. 다음의 그림 7. 을 통해 두 조건에서의 수면의 위치별 안전율 시뮬레이션 데이터를 확인할 수 있으며, 지하수가 대지면과 평행할 경우 0.1 수치만큼 더 높은 안전율(1.95)을 보였다.

다. 수위(Level of Water)

지하수위의 높이(3m, 4m, 5m, 6m, 7m)를 변화시킨 후, 안전율의 변화를 관찰하였다. 경사면 각도는 15도로 설정하였고, 그 외의 물적 특성은 경사면 각도 변수 연구에서 사용된 것과 동일하다. 시뮬레이션 결과 수위가 높아질수록 안전도가 낮아진다는 지표를 그림 10. 을 통해 확인할 수 있으며, 수위-안전율은 반비례 관계인 것을 유추할 수 있다.

라. 토양강도의 변화(Changes in Material Properties)

경사도를 15°로 설정한 후, 우리나라 중 가장 연약한 지반에 대한 물적 특성을 적용하여 안전율을 점검하였고, 물적 특성은 기존 문헌의 실험결과(Wang et al., 2019)를 바탕으로 반영하였으며, 네 종의 토질 강도(매우 연약, 연약, 중간, 단단한 지반)를 통해 안전율을 비교하였음. 위의 물적 특정을 반영 후 안전율을 시뮬레이션한 결과 그림 11. 과 같은 결과가 도출되었고, Table 4를 통하여 더욱 상세히 안전율 변화와 내부 변형 분석 데이터를 확인할 수 있음.

5. 결론

가. 산지 경사면에 대한 다양한 매개변수의 영향을 조사하기 위해 변수 연구가 수행되었음. 연구 결과, 경사면의 각도가 증가할수록 안전율은 감소하는 경향을 보였음. 경사면의 각도가 15°를 기준으로 할 때, 각도가 10°인 경우의 안전율 변화는 136%였으며, 각도가 증가함에 따라 그 변화는 점차 감소하였음. 경사면의 각도가 25°일 때의 안전율은 29% 감소하였고, 30°일 때는 63% 감소하였음. 경사면 각도를 15°로 고정하고 지하 수면의 위치를 변경하여 안전율 변화를 관찰한 결과, 지하수면의 위치가 지면과 평행할 때보다 경사면과 평행할 때 약 5% 낮은 안전율을 나타냈음. 경사면 각도가 15°로 고정된 상태에서 수위가 상승한다는 것은 침투된 물의 양이 증가한다는 것을 의미함. 이는 강수량의 증가로 인해 침투된 물의 양이 증가하면서 수위가 상승하는 상황을 나타냄. 따라서, 집중호우로 인한 수위의 증가는 안전율에 부정적인 영향을 줄 것으로 예상됨. 수위가 5 m일 때를 기준으로, 수위가 3 m로 감소하면 안전율은 17% 증가하고, 7 m로 증가하면 19% 감소함. 토양의 물적 특성 중 중요한 요소는 탄성계수와 점착력임. 현재 기준인 15° 경사면 각도를 기준으로, 이 두 요소를 문헌 조사에서 얻은 4단계(매우 연약, 연약, 중간, 약간 굳음)의 물적 특성으로 변화시킨 후 안전율을 계산하였음. 중간 토질을 기준으로 할 때, 매우 연약한 토질의 안전율은 약 50% 감소하였고, 굳은 토질의 안전율은 약 50% 증가하였음.

나. 결론적으로, 본 연구를 통해 경사면 각도가 낮을수록, 지하수의 위치가 대지면과 평행할수록, 수위가 낮을수록, 토양의 물적 특성 중 탄성계수와 점착력이 높을수록 안전율이 증가한다는 것을 확인하였음. 이는 집중호우가 태양광패널 피해사고와 관련이 있음을 나타내며, 집중호우를 대비하여 태양광 설치의 경사면 기준을 강화하는 것이 타당하다는 것을 보여줌. 하지만, 경사면 각도와 강수량이 동일하더라도 지하수의 위치, 수위, 토양의 물질 특성 등이 동일할 수는 없기 때문에, 이러한 다양한 요인을 고려한 적절한 경사면 각도의 제시가 필요함. 예를 들면, 경사면 각도가 크더라도 지하수 수위가 낮고 토양이 굳은 경우 안전할 수 있으며, 반대로 경사면 각도가 낮아도 토양이 매우 연약하면 위험할 수 있음. 따라서, 관련 기관과 KEI의 태양광패널 설치 가이드라인은 단순히 경사면 각도만을 기준으로 삼는 것이 아니라, 다양한 요인을 고려한 기준의 검증이 필요함.

다. 한국 지반공학회에서 2019년에 발표된 “다양한 조건을 고려한 사면안전율에 관한 해석적 연구”(Park and Ahn, 2019)는 사면 안정성 검토를 위해 한게평형해석법을 사용하였음. 이 연구는 다양한 물성치를 변화시켜 안전율의 변화를 분석하였으며, 본 연구는 산지에 태양광을 설치할 때 고려해야 할 주요 변수들을 중심으로 분석을 수행하였음.

라. 한본 연구는 경사면 각도, 수면 위치, 수위, 토양의 물적 특성에 따른 안전율을 분석하였지만, 각 요인을 동시에 적용하는 복합적인 분석은 수행하지 못하였음. 또한, 실시간 침투율에 대한 분석도 포함되지 않았음. 강수량의 증가 추세에 따라 침투율의 급격한 변화는 토양의 물적 특성에 큰 영향을 미칠 것으로 예상됨. 이는 탄성계수, 점착력, 내부 마찰각 및 내부 팽창각에 부정적인 영향을 미칠 것으로 예상됨. 실시간 침투율 해석은 동적 해석을 바탕으로 더 많은 변수와 수식, 그리고 소요시간이 필요함. 특히, 소요시간은 여러 문헌 분석을 통해 day 단위로 변경될 것으로 예상됨. 경사면의 안전성 평가를 위한 모델링 시, 실시간 침투율을 고려한 동적 해석은 많은 시간과 노력이 필요함. 따라서, 태양광 발전 설치 시 산지의 현재 법적 기준인 경사각도 15° 이내로 설정된 것에 대한 명확한 공학적 근거를 제공하기 위한 추가 연구가 필요함을 인지하였음. 향후 연구에서는 본 연구에서 제시한 요인을 포함하여 다양한 요인의 복합적 관계를 분석하고, 실시간 침투율을 고려한 모델을 구축할 계획임.

마. 본 연구를 통해 법적 기준인 경사각 15° 이내에 대한 공학적 근거가 부족할 수 있음을 인지하였음. 이 연구가 우리나라의 신재생 에너지 중 태양광 발전 산업의 발전을 위해 법적 기준을 지원하는 상세하고 세밀한 보충 연구의 기초가 되었으면 함.