물의 존재는 사면의 불안정에 기여하는 가장 중요한 인자들 중 하나임. 사면을 안정화하기 위한 일반적인 해결책은 수평 드레인(horizontal drains)을 설치하여 수위를 낮추는 것임. 수위를 낮추는 것은 사면의 상당부분을 건조시켜 토양의 전단강도를 증가시키고 사면 파괴의 확률을 낮춤. 이 안내서의 목적은 사면의 안정을 향상시키기 위한 수평 드레인 시스템을 설계하는데 있어 지반공학자들과 수리지질학자들에게 통합적인 참고서를 제공하는 것임. 이 안내서는 사면 파괴에 대해 제시되고 파괴된 시스템을 고려함. 수리지질학과 지반공학적 용어에 대한 기초내용, 현장의 특성 파악과 개념화, 지하수 모델링 기법과 예시 프로젝트는 배수 설계에 대한 중요한 인자들을 파악하는데 사용자에게 유용할 것임. 안전률(factor of safety, FOS)을 1.2 이상으로 유지하기에 충분한 수위로 낮추기 위한 최소한의 드레인 시공을 결정하기 위해 반복적인 접근방법이 제시됨.

단순 시스템은 최대 수위를 계산하기 위한 분석적 접근방법만을 요구할 수도 있음. 편평한 표면, 10도 이하의 사면각을 가진 안정된 상태의 조건에 대해 여러 기법들이 제시되고, 배수 설계에 대한 재충전 및 수리학적 전도도(hydraulic conductivity)의 영향에 대해 논의가 제공됨. 시간에 따라 지하수면이 감소하는 사면 표면에 대해서 뿐만 아니라 비투수성 방벽에 대해서도 여러 다른 배수 깊이에 대해 편평한 표면에 대한 해결책의 분석적 방정식이 제시됨. 이전의 연구들에 의하면, 지하수위와 지하수면 감소율은 15-30% 이하의 사면 각도와는 독립적임. 상대적으로 편평한 사면에 대해서, 편평한 표면에 대한 가정은 큰 오차없이 유지될 수 있음. 배수 설계가 분석적 접근방법에 근거한 모든 경우에, 사면 시스템에서의 드레인 간격이나 최초의 중간 드레인(interceptor drain)의 위치만이 강조되었음. 그러나, 분석적 결과는 대량 강우로 인한 급격한 지하수위 상승 전에 전반적인 지하수면을 낮추는 것에 대한 시스템 대응의 영향을 평가하는데 사용될 수 있음.

비정상적인 드레인 네트워크, 이질적 혹은 이방적 대수층 상태, 복잡한 사면 기하학, 공극 압력의 급속한 상승, 파쇄암 네트워크는 수치적 모델링 접근방법을 필요로 할 수 있음. 일반적으로, 가능한 가장 낮은 고도에서 사면에 대해 상당한 거리로 설치된 드레인은 지하수의 대부분을 포획하고, 지하수면을 낮추는데 가장 큰 영향을 미칠 것임. 사면의 윗쪽에 설치된 드레인은 실제적인 효과가 없을 것인데, 왜냐하면 수면은 가장 낮은 드레인 높이로 결국 낮춰질 것이고 가장 낮은 곳에 있는 드레인보다 높은 곳에 있는 드레인은 더이상 효과적이지 않을 것이기 때문임. 이 규칙에 대한 유일한 예외는, 상당한 주 수위(perched water table) 상태를 만들 수 있는 현장의 상태일 때 뿐임.

얇은 지질 부분의 병진 파괴(translational failure)는 사면의 낮은 부분에서 지하수의 침투와 비교할 때 사면의 높은 부분에서 수위가 증가하는 것에 더욱 민감한 것으로 나타남. 이와는 반대로, 사면 끝에서의 회전 파괴(rotational failure)는 사면의 낮은 곳에서의 공극 압력의 증가에 취약함. 두 경우에, 사면 끝 배수(toe drains)는 설치되어야 하는데, 수리학적 전도도와 저장용량이 감소하고 이방성(anisotropy)이 증가함에 따라 드레인 네트워크의 길이와 밀도는 증가해야 함. 낮은 저장용량을 가진 낮은 전도도의 토양에서 사면 안정을 촉진하는데 있어 수평 드레인은 효과적이지 않을 수 있음. 수평 드레인으로 사면을 안정시키는 능력은 이방성이 증가함에 따라 모든 토양 타입에 대해 감소함.

물의 존재는 사면의 불안정을 야기시키는 가장 결정적인 요소들 중 하나임. 사면의 안정을 향상시키기 위한 일반적인 해결책은 지하수위를 낮추고 영향받는 토양/암반 내에서 공극 압력을 줄이기 위해 수평 드레인을 설치하는 것임. 수압의 감소는 토양의 전단강도 증가또는 파쇄된 암반에서의 불연속면에 대한 정수압(hydrostatic pressures)의 감소로 이어져, 사면의 안정을 향상시킴.

사면의 복잡한 기하학적 구조와 표면 하부의 상태, 수리학적 전도도의 이질성(heterogeneity)과 이방성, 지하수의 전이 속성 때문에, 사면 배수를 위한 드레인의 설계는 어려운 임무가 될 수 있음. 대수층의 특성 파악과 지하수 모델링 기법은 지표 하부의 배수를 가진 사면을 안정화하기 위한 지반공학적 실무에서 잘 알려져 있지 않고 정기적으로 사용되지도 않음. 이에 대한 이유로는, 표준화된 지반공학적 조사와 비교할 때 적절한 수리지질학적 특성 파악을 위한 더 높은 수준의 지반공학적 조사는 더 비용이 많이 들고, 이 분야에서 필요한 지식과 경험을 가진 지반공학 전문가가 부족하기 때문임. 게다가, 상대적으로 편평하고 관개용수가 공급되는 지역에서 배수시스템의 설계에 대해서는 많은 문헌이 존재하는 반면, 사면 안정을 위한 견고한 설계 접근방법(robust design approaches)은 쉽게 가용하지 않음. 그 결과, 사면에 대한 지표 하부의 드레인은 종종 다양한 성공률을 가지고 임시변통으로 설치되고 있음.

이 안내서의 목적은 사면 안정을 위한 수평 드레인의 설계와 관련 정보를 취합하고 이에 대한 지침을 제공하는 것임. 설계 지침은 수리지질학의 특성을 더 잘 파악하고 배수 상태 하에서 수위를 추정하기 위해 필요한 정보와 기법들을 제공함.수리지질학적 분석이 현장 특유의 상태에 맞춰질 수 있도록 지반공학 설계자에 대한 방안을 제공함. 예를 들어, 현재 가용한 분석적/그래픽 방법을 사용하여 배수 설계에 대한 직접적인 접근방법은 단순한 지질학적, 수리지질학적 체계를 가진 사면에는 적합할 수도 있음. 다른 경우에, 표면 하부의 상태는 상당히 복잡해서 지하수 시스템에 대한 추가적인 특성 파악과 수치적 모델링을 필요로 할 수도 있음. 궁극적으로, 지반공학 설계자는 이 지침을 사용하여 수리지질학적 상태를 더 잘 평가하고 더 예측가능한 결과와 최적의 효율성을 가지고 사면 안정을 개선하기 위한 배수 설계를 개발할 수 있을 것임.

이 안내서의 독자는 지반공학 전문가이기 때문에, 토양과 암반에서 일반적인 파괴 형태와 지하수의 기여와 같은 사면 안정 분석에 대해 제 2장에서 간략하게 검토함.

수리지질학적 데이터를 수집하고 분석하는 방법을 서술하는 교과서, 논문 및 기관의 보고서는 상당수 존재함. 인기있는 수리지질학 교과서에는  Freeze & Cherry(1979), Fetter(1996; 2001), Domenico & Schwartz(1990), 그리고 Driscoll(1986) 등이 있음. 이러한 교과서 사이에는 상당한 유사점이 있지만, 각각은 약간 다른 초점을 가지고 있음. 수리지질학적 과학의 중요한 요소들은 이 안내서의 제 3장에서 요약되어 있음. 수두(hydraulic head), 유체능(fluid potential), 다시의 법칙(Darcy's Law), 수리학적 전도도, 투수성, 이방성과 이질성과 같은 주제들은 이러한 개념에 덜 익숙한 독자들을 위해 요약되어 있음. 이 교과서들은 다른 참고서 -- 예를 들어, Jacob(1940), Cooper & Jacob(1946), Papadopulos et al.(1973), 그리고 Bennett(1976) -- 와 함께 슬러그(slug)와 펌핑(pumping) 테스트를 사용하여 수리지질학적 인자들을 측정하는 것에 대한 우수한 출처를 제공함.

현장의 특성을 파악하기 위한 다른 중요한 요소로는 개념적인 수리지질학적 모델을 구성하는 것임. Anderson & Woessner(1991)은 이러한 절차에 대한 우수한 검토를 제공함. 현장 상태의 복잡성에도 불구하고, 개념적인 모델은 현장의 상태에 대한 단순화와 관련된 현장 데이터의 구성을 제공하여 시스템이 더 쉽게 분석될 수 있음. 수리지질학적 평가에 대한 일반적인 자료원에는 다음이 포함됨:

- 지질학적 지도와 단면

- 고도 지도와 디지탈 지형 모델

- 지표수 특징에 대한 지도

- 수면과 전위차(potentiometric) 지도

- 수리학적 전도도 분포에 대한 일반 지도

- 지하수 충전률, 증발산, 지하수의 자연적 유입과 유출과 같은 지하수 시스템

지하수의 특성파악 노력을 위한 기초로써, 이 정보는 제 4장에서 상세하게 다루어져 있음.

드레인의 설계 방법에 대한 필요성은 여러 연구자들에 의해 제기되었고, 드레인의 분석과 설계에 도움이 되도록 다양한 차트와 다이어그램이 초기에 개발되었음. 일반적으로, 이들은 수평 드레인이 일반 설치되고 안전률(전단 응력에 대한 전단 강도의 비율) 증가의 관점에서 효과성을 서술함. 추가적으로, 사면 안정을 위한 배수 설계에 대한 초기 연구 중 일부는 이상적인 사면에 대한 물리적, 원심분리(centrifuge) 모델링 기법을 채택하였으나, 이러한 도구들은 현장 데이터에 대해 아직까지 검증되지 못하였음.

실무자들을 돕기 위해, 병진 및 회전 파괴에 대한 이상적인 현장이 여러 수리학적 성질에 대해 모델링되었음. 수리학적 인자들에 대한 수위의 민감도, 드레인 효율성, 우수 설계와 충전 특성도 제시됨.

병진 파괴에 있어, 데이터 수집없이 모델 개발에 대해서, 그리고 데이터가 수집된 상황에 대해서 사례가 제시됨. 안정도 분석에 의하면, 사면 파괴에 취약한 얇은 단면은 사면의 윗쪽에서 수위의 증가에 가장 민감하고, 사면 끝에서 지하수 침투에 대해 덜 민감함. 실트(silt), 모래 실트, 점토 모래 또는 낮은 저장용량을 가진 경점토(till)로 구성된 사면은 수평 드레인만으로 안정화될 수 없음. 미세물질이지만 더 높은 저장용량을 가진 사면은 긴 길이의 드레인으로 안정될 수 있음. 사면 끝에서의 지하수 침투는 안전률 계산에 중요하지 않지만, 침투는 드레인 밀도의 증가와 짧은 길이의 사면끝 드레인의 추가로 완화될 수 있음. 

모델링 결과에 의하면, 안전률은 이방성에 민감한데, 미세토양은 Kx(수평방향 수리학적 전도도) = 10Kz -- 즉, VKA(수직방향 수리학적 전도도) = 10 -- 에 대해 안정화되지 않음. 낮은 저장용량과 약간의 이방성 상태(VKA = 2)를 가진 실트 및 미세 모래에 대해서, 중간 간격으로 사면끝 지역에 짧은 길이의 드레인을 설치하는 것으로 1.2 이상의 안전률을 얻을 수 있음. 중간 정도의 이방성(VKA = 5)에 대해서는 드레인은 사면 상부까지 길어야 하고, 드레인 밀도는 증가해야 함. 높은 이방성(VKA = 10)에 대해서는 어떤 드레인 배열도 효과가 없을 것임. 높은 저장용량을 가진 실트 및 미세 모래는 수평 드레인을 필요로 하지 않을 것임. 

회전 파괴는 두 가지를 시나리오를 고려하였음: 전체 사면에 대한 파괴와 사면 끝 지역에서의 파괴. 지하수 침투는 사면 끝에서 일반적임. 모델링된 상태에 대한 전체 사면 파괴는 발생 가능성이 적지만, 사면 끝에서의 회전 파괴는 낮은 전도도 물질 -- 예를 들어, 실트, 모래 실트, 점토 모래나 경점토 -- 에 대해 매우 높음. 낮은 저장용량을 가진 미세 물질에 대해서는 사면끝 사태(toe-slides)를 안정화할 수 없을 것임. 왜냐하면, 테스트된 어떤 드레인 구성도 1.2 이상의 안전률을 달성하지 못했음. 그러나, 사면 끝 지역에 드레인 밀도를 증가시키는 것은 5 이하의 이방성을 가진 사면에 대해 안전률이 거의 1.2에 도달했으며, 이는 VKA가 10 이상인 사면에 대해 위험을 상당히 낮출 수 있음을 보여줌. 낮은 전도도와 낮은 이방성을 가지고 높은 저장용량을 가진 토양에 대해서는 사면끝 드레인을 낮은 밀도로 배치하는 것만으로도 충분할 것임.