KIGAM 한국지질자원연구원

토질 특성을 분석해 산사태 위험성을 예측하다

산사태 발생시점과 토석류 유동성을 평가하기 위한 링전단시험장치
adviser. 정승원(지질환경재해연구센터 박사)

여름철 불청객, 산사태

산사태는 산지 비탈면에서 집중호우·지진·해빙 등으로 인하여 사면을 따라 토석이 무너져 내리는 중력이동현상이다. 산사태는 활동·전도·확산·토석류·낙석 등으로 구분하며, 국내에서는 여름철 집중호우로 인한 얕은 파괴심도를 가진 산사태(shallow landslides)가 빈번하게 발생하고 있다. 토석류는 흙과 암석이 물과 함께 섞여 유체처럼 흘러내리는 현상으로 우리나라 산은 지형 특성상 흙과 암반이 섞여 있고 부서진 나무가 많아 피해가 더욱 가중 되는 것으로 나타난다. 2011년 7월에 발생한 서울 우면산 산사태는총 43 ha 면적에 발생했고 16명의 인명피해를 낳았다. 특히 유체형 태의 토석류는 토석의 이동속도가 매우 빨라 피해 규모가 걷잡을수 없이 커지는 사례가 많다. 그렇다면 산사태의 위험성을 사전에 예측하고 대비할 수 있도록 하는 기술은 없을까.

산사태 위험성 평가는 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 사면의 안정성 유무를 판별하는 것과 붕괴토사의 이동성을 판별하는 것이다. 다시 말해 사면이 붕괴될 수 있는 시점과 붕괴 된 후의 과정에 대한 연구가 필요하다. 특히 사면을 타고 흘러내리는 ‘토석류의 유동성(Debris Flow Mobility)’을 평가하면, 산사태에 따른 확산위험성을 예측할 수있고, 산사태 발생 시 피해경감 방안을 마련할 수 있다. 모든 산지에 대한 산사태 위험성 평가를 할 수 없을 경우, 경험적 또는 확률론적 방법을 통해 산사태 위험성 평가를 수행할 수 있다. 이때 지반의 토질특성과 지반강도 특성의 상관관계식을 사용하여 실무담당자나 초급수준의 공학자라도 쉽게 위험성을 판단할 수 있는 방법을 제안한바 있다. 이처럼 다양한 유형의 산사태를 이해하기 위해서는 토질 특성을 체계적으로 연구하고 관찰하는 일이 중요하다.

흙의 전단강도 특성을 활용한 산사태 예측 연구

산사태 연구는 산지 비탈면의 안전성을 파악하는 연구와 토석류 발생 유무를 유추하는 연구다. 산지 비탈면의 안전성을 평가하기 위해서 KIGAM은 산사태 조기경보가 가능한 현장 모니터링 시스템을 운영하고 있다. 자연재해와 관련해 우리가 가장 궁금해하는 점은 아마도 ‘우리 삶에 어떤 영향을 미치는가’일 것이다. 이를 알고자 정승원 박사는 산사태 발생시점을 유추하기 위한 토질 특성 연구와 토석류 확산위험성 평가에 관련한 총체적인 연구를 수행하고 있다.

산사태 발생시점의 역학적 특성과 토석류 확산 메커니즘을 이해하 고자 2011년 국내 처음으로 산사태 연구용 대변형 링전단시험장치 (Ring-Shear Apparatus)를 개발했다. 산사태 연구용 시험장치는 사면의 안정성에 직결되는 배수 또는 비배수전단강도와 토석류의 유동특성을 파악하고, 산사태 전반에 걸친 흙의 파괴 거동을 정량적 으로 평가하는 연구를 수행할 수 있어야 한다. 시험장치 구성 중 원환형 링전단상자에 시험시료를 적치하고 시험자가 압밀· 배수·전 단속도 등을 현장조건과 동일한 환경으로 조성한다. 이 시험장치의 가장 큰 장점은 전단상자의 무한변형이 가능하다는 점이다.

따라서 링전단시험장치를 활용해 다양한 지반 조건을 재현하고 산사태 변형과정에 따른 흙의 전단강도(파손되지 않으려는 최대저항 력)를 측정할 수 있다. 상대적으로 느리게 움직이는 0.001 mm/sec 의 산사태에서 보통이상의 빠르게 움직이는 산사태 100 mm/sec 의 속도까지 모사할 수 있다. 이는 산사태가 발생하기 전 어떤 방재 대책을 수립할 수 있는 지에 대한 총체적인 해답을 제시하는 데 활용할 수 있다. 흙이 어디까지 흘러가는지를 평가하기 위해 ‘유변물 성실험(Rheometrical Test)’도 함께 하고 있다. 본 결과물은 산사태 예보 시스템과도 연계할 수 있어, 산사태 피해를 예방하는 데 큰 도움을 줄 것으로 기대된다.

산사태를 예측하고 막기 위한 노력

1990년에 들어서 채산성 하락을 이유로 많은 광산이 휴광 또는 폐광됐다. 더 이상 광물자원을 채굴하지 않는 휴광 또는 폐광된 광산에서는 환경에 영향을 미칠 수 있는 유해물질이 그대로 남아있 다는 말이다. 그렇다면 휴/폐광산에 산사태가 발생한다면 어떤 일이 일어날까. 침식을 동반한 사면붕괴뿐만 아니라 중금속 오염으로 주변 생태계를 교란시킬 수 있다. 중금속이 섞인 오염된 토사는 산지 비탈면에 적치되어 장기간 침식작용을 반복하거나 여름철 집중호우로 인하여 사면파괴가 발생하기도 한다. 붕괴토사는 때로는 주변 계곡부에 일부 토사가 적치되는데 이것은 계곡부 토석류가 발생하는 원인이 된다. 이처럼 휴/폐광산에서의 지질재해는 산사 태뿐만 아니라 대도시의 중요 식수원으로 사용되는 저수지내로 오염된 토사와 중금속을 함유한 물이 유입될 수 있어 인체에 치명적인 영향을 미치게 된다.

링전단시험장치를 활용해 산사태 발생시점에서의 토질특성을 분석하고 사면의 파괴면을 따라 무한변형을 거치는 동안 지반의 강도정수(Strength Parameters)를 결정할 수 있다. 또한 토사의 함수비 상태를 제어하여 항복응력(Yield Stress)과 소성점도(Plastic Viscosity)를 결정할 수 있다. 항복응력과 소성점도는 토석류의 유동 성을 평가하는 가장 간편하고 기본적인 입력변수들이다. 특히 본 기술은 지상 산사태뿐만 아니라 해저 산사태에도 적용할 수 있어, 해저 산사태의 발생 가능성을 측정하는 데도 활용될 수 있을 것이라 기대 된다. 앞으로의 연구 목표도 지상과 해저에서 발생하는 산사태를 예측하고, 해결 방안을 제시하는 데 있다.

여름철이면 우리의 안전을 위협하는 산사태. 연구를 통해 산사태의 발생 가능성을 예측하고, 이에 따른 적절한 대비책을 강구할 수 있는 대안이 세워지기를 바라본다.