단양 지질공원 내의 산사태 유형과 특징

Types and Characteristics of Landslides in Danyang Geopark

Abstract

본 연구에서는 다양한 암종이 분포하는 단양 지질공원 내에서 발생한 산사태를 대상으로 야외지질조사를 통해 유형을 분류하고, 샘플링 및 실내 시험을 통해 산사태 구성 물질의 역학적‧수리학적 특성을 분석하였다. 토석류 산사태 유형은 석회암 및 대리암, 셰일, 반상변정질 편마암 지역에서 발생하였으며, 석회암 및 대리암 지역에서는 카렌지형의 영향을 받아 암반과 암반 사이의 토사가 붕괴되는 형태로 다른 두 지역의 산사태와 구분된다. 토질시험 결과에서는 조립질 함량이 많은 편마암 풍화토가 다른 두 지역의 풍화토에 비해 내부마찰각이 높고 점착력이 작으며 투수계수가 큰 특징을 보인다. 암반 산사태 유형은 천매암, 사암, 역암 지역에서 발생하였으며, 천매암 지역에서는 평면파괴 형태가, 사암 지역에서는 부석형 낙석 형태가, 역암 지역에서는 전석형 낙석 형태가 발달하고 있다. 천매암의 전단강도는 동일한 암질의 타 암종에 비해 훨씬 낮게 나타나며, 역암의 슬레이크 내구성 지수는 타 암종과 유사하나 시험 전‧후 시료의 상태를 비교하면 기질부의 차별풍화 및 이로 인한 역의 탈락 형태가 뚜렷이 관찰된다. 본 연구의 결과는 지질특성별 산사태 유형에 따른 적절한 보강방안 및 방재대책을 수립하는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

We carried out a geological survey to classify the types of mass movement in Danyang Geopark (where various rock types are distributed) and analyzed the mechanical and hydraulic characteristics of landslide materials using a series of laboratory tests. Debris flows occurred in areas of limestone/marble, shale, and porphyroblastic gneiss, and limestone/marble landslides were distinguished from the others through the presence of karren topography. Soil tests showed that soil derived from weathered gneiss, which has a higher proportion of coarse grains, has a higher friction angle, lower cohesion, and larger hydraulic conductivity than soils from areas of limestone/marble, and shale. Rock failure mass movements occurred in areas of phyllite, sandstone, and conglomerate and were subdivided into plane failure, block-fall, and boulder-fall types in areas of phyllite, sandstone, and conglomerate, respectively. The shear strength of phyllite is much lower than that of the other types of rock, which have similar rock quality. The slake durability index of the conglomerate is similar to that of the other rock types, which have similar degrees of weathering, but differential weathering of the matrix and clasts was clearly observed when comparing the samples before and after the test. This study can help establish appropriate reinforcement and disaster prevention measures, which depend on the type of mass movement expected given the geological characteristics of an area.

서론

연구지역인 충청북도 단양군은 2020년도 7월에 군 전체 지역이 국가지질공원으로 지정된 곳이며, 국내에서는 13번째로, 충청도에서는 첫 번째로 인증받은 지질공원이다. 이곳에는 도담삼봉, 고수동굴, 다리안 계곡, 사인암, 석문 등 다양한 지질명소가 존재하며, 선캠브리아기부터 고생대, 중생대, 신생대의 지질이 모두 나타나는 것이 특징이다. 또한, 카르스트지형, 충상단층, 습곡, 부정합 등의 지질구조가 다양하게 관찰되어 지질학적 및 구조지질학적 가치가 높은 지역이다. 그러나 단양은 소백산과 월악산을 포함한 백두대간이 지나고 있어 산악지형이 많기 때문에 산사태에 대해서는 취약한 지역이다. 최근에는 장마, 태풍 등 많은 강우량으로 인해 산사태가 다수 발생된 바 있으며, 단양 지질공원에는 다양한 지질분포로 인해 산사태도 다양한 형태로 나타난다.

산사태는 중력, 호우, 지진 등으로 인해 산지의 급사면을 구성하는 물질이 하부로 급격히 이동하는 현상으로 정의되며, 이 정의에 따라 낙석, 토석류 등 다양한 사면활동들이 광범위한 의미에서 산사태로 불리고 있다(Varnes, 1978; Cruden and Varnes, 1996). 산사태는 구성물질에 따라 암석(rock), 토석(debris), 이(mud), 토(earth) 등으로 분류되거나 운동 형태에 따라 낙하(rockfall), 미끄러짐(slide), 흐름(flow), 포행(creep) 등으로 세분된다(Zaruba and Mencl, 1969, Varnes, 1978; Keefer and Johnson, 1983; Cruden and Varnes, 1996; Hungr and Evans, 2004). 이러한 산사태의 분류는 모암의 종류에도 영향을 받는데, 엽리면이나 층리면이 뚜렷한 퇴적암 및 저변성암의 경우 평면파괴, 쐐기파괴, 전도파괴 등의 형태로 발달하며, 역암, 각력암, 집괴암의 경우 기질부의 풍화에 의한 역의 탈락 형태가 빈번하게 나타난다. 또한, 토석류의 경우에도 모암의 종류에 따라 토층의 두께, 입도, 구성광물 등 풍화토의 특성이 달라져 사태의 규모, 형태가 바뀌게 된다(Hutchinson, 1988). 산사태에 대한 방재대책을 수립하기 위해서는 각 유형별 특성을 파악하는 것이 중요하다. 예를 들어, 토석류, 이류, 토류 등 흐름류는 계곡부를 따라 이동하므로 계곡부에 사방댐을 설치하여 피해를 저감시킬 수 있고(Takahara and Matsumura, 2008; Kwan et al., 2014; Xie et al., 2014), 미끄러짐의 경우 활동면을 고정시키는 락볼트, 네일, 앵커, 말뚝 등의 시공이나 사면 앞에서 활동을 저지할 수 있는 옹벽 등의 시공이 효과적이며(Ito et al., 1982; Matsui and San, 1992; Kim et al., 2005), 낙석의 경우는 낙석방지망, 낙석방지책, 유연성 네트 등이 많이 적용된다(Lee et al., 2011).

본 연구에서는 단양지역에서 발생된 다수의 산사태를 대상으로 야외지질조사를 통해 유형을 분류하였으며, 지질조사 결과, 샘플링 및 실내 시험(물성시험, 입도분포시험, 직접전단시험, 변수위투수시험, 절리면전단시험, 슬레이크 내구성시험)을 통해 유형별 산사태의 발생특성 및 물리 ‧ 역학적 특성을 설명하고자 한다.

연구 지역 현황

연구지역에서는 작년(2022년)과 올해(2023년)의 장마로 인해 다수의 산사태가 발생되었으며, 지질도에 조사지점별 현황을 나타내면 Fig. 1과 같다. 1번, 3번, 6번 조사지점은 토층에서 원호파괴로 시작해 토석류 형태로 발달하여 계곡부로 흘러내린 형태이며, 2번, 4번, 5번 조사지점은 암반이 붕괴된 형태로 관찰된다. 1번과 2번 조사지점은 같은 임도 상에 있으며, 약 200 m 이격되어 있다. 지질도 상에서는 고생대 석회암만 분포하는 것으로 나타나 있는데, 1번 지점에서는 석회암과 일부 대리암이 나타나며, 2번 지점에서는 천매암이 분포한다(Figs. 2a and 2b). 이는 과거 바다환경에서 석회암층(조선계 흥월리층)이 생성될 때 셰일층도 일부 형성되었고(Won and Lee, 1967), 이후 해발고도 약 400 m까지 융기하면서(Kang, 1994) 변성을 받아 석회암 중 일부는 대리암이 되고 셰일층의 일부가 천매암으로 변성된 것으로 판단된다. 이러한 현상으로 인해 석회암 및 천매암 층의 층리가 수직(80~90°)에 가깝게 경사지고 있다. 3번 조사지점은 중생대 백악기 퇴적암이 기반암이며, 적색 셰일과 흑색 셰일이 주로 분포하고 있다(Fig. 2c). 4번과 5번 조사지점은 중생대 쥬라기 반송층군에 해당하는 퇴적암이 기반암이며, 각각 사암과 역암이 나타난다(Figs. 2d and 2e; Won and Lee, 1967). 6번 조사지점은 선캠브리아기 반상변정질 편마암이 기반암으로 나타나고 있다(Fig. 2f).

Fig. 1. Geological map and photographs of the study area. Field surveys and sampling were conducted in six locations (modified from Won and Lee, 1967).

Fig. 2. Photographs of thin sections. (a) Limestone, (b) Phyllite, (c) Shale, (d) Sanstone, (e) Conglomerate, and (f) Porphyroblasticgneiss under cross-polarized light. Cal: Calcite, Qtz: quartz, Bt: biotite, F: feldspar, Ab: albite, and Rf rock fragment.

토석류 사태 유형

고생대 석회암 및 대리암

석회암 및 대리암 분포지역에서는 이들의 풍화토인 적색의 테라로사가 토석류와 같이 흘러내린 형태이며, 카르스트 지형의 특징이 산사태로도 잘 나타난다. Fig. 3은 석회암 및 대리암 지역에서 나타나는 풍화단계를 보여주는 것으로써, 고순도의 석회질이 분포하는 부분과 저순도의 석회질 또는 쇄설성 퇴적물이 같이 분포하는 부분에서 차별풍화가 발생하거나 불연속면으로 인한 풍화의 확장으로 인해 암반과 암반 사이에 토사가 분포하는 양상(카렌 지형)을 보인다. 카렌 지형 특성상 중간중간에 암반이 분포하므로 토석류가 발생하더라도 토사의 공급이 많지 않아 규모가 크지 않은 편이며, Fig. 4에서 보이는 바와 같이 세굴과 같이 부분적으로 토석류가 발생한다.

Fig. 3. Photographs of weathering in limestone and marble areas.

Fig. 4. Annotated photograph of a debris flow in an Paleozoic limestone and marble.

고생대 셰일

셰일 분포지역에서는 이들의 풍화토에서 원호파괴가 발생하여 토석류와 같이 흘러내린 형태이다(Fig. 5). 원호파괴가 발생한 지점은 적색셰일이 분포하는 지점으로 토층의 두께가 2~3 m로 발달하여 사태물질의 공급이 충분했으나 계곡부를 따라 내려오면서 흑색셰일이 분포하는 지점에서는 점차 토층이 얇아져 사태물질이 공급되지 않아 도로까지 크게 피해를 주지 못한 경우이다. 일반적으로 토석류가 5~7부 능선에서 발생 시 하류부로 내려오면서 물과 사태물질을 추가로 공급받아 규모가 커지고 저경사 지대에서 이들이 확산되는 양상을 보이나, Fig. 5에서는 하류부로 내려올수록 규모가 작아지는 형태를 보이고 있다. Fig. 6은 암반으로 구성된 도로와 인접한 하류부 사면에서 산사태 발생 전 ‧ 후를 비교한 사진으로써, 자갈 이상의 크기를 갖는 사태물질은 사면 근처에 퇴적되어 있고(Fig. 6b), 물과 세립분만이 도로까지 침범해 있는 형태이다.

Fig. 5. Annotated photograph of a debris flow type in an area of Paleozoic shale.

Fig. 6. Comparison of photographs taken before and after a landslide (modified from Naver, 2020).

선캠브리아기 반상변정질편마암

반상변정질 편마암(이하 편마암) 분포지역에서는 임도 하부사면에서 원호파괴가 발생하여 토석류로 전이된 형태로써 (Fig. 7), 이 지역의 계곡부는 단층으로 인해 형성되어 있다. Fig. 8은 산사태 발생 이후 토층이 쓸려나가 암반이 노출된 계곡부를 촬영한 것으로써, 현미경에서도 전단(shearing)의 흔적이 뚜렷이 관찰되어 계곡부가 단층대로 형성되었음을 지시한다. 계곡부의 토층 두께는 평균2~3 m이며, 산사태가 하류부로 내려오는 동안 사태물질이 충분히 공급되어 규모가 확대된 형태이다. 이러한 양상은 국내에서 빈번하게 발생하는 전이형 슬라이드 이후 토석류로 발달되는 산사태의 형태이다.

Fig. 7. Annotated photograph of a debris flow in an Precambrian porphyroblastic gneiss.

Fig. 8. Outcrop photograph and thin section microphotograph of a fault zone in an area of Precambrian porphyroblastic gneiss.

토석류 산사태 유형별 비교

상기에서 언급한 모암의 암질별 토층특성을 비교하기 위해 국제시험기준을 준용하여 일반 물성시험, 입도분포분석시험, 실내 변수위 투수시험, 직접전단시험을 수행하였다(ASTM D3080-98(1998); ASTM D422-63(2007); ASTM D2216-10(2010); ASTM D854-10(2010); ASTM D2487-17(2017)). 각 시험 결과를 요약하면 Table 1과 같다.

Table 1. Results of laboratory tests for each soil samlpe

본 연구지역 풍화토들의 역학적 ‧ 수리학적 특성의 전반적인 경향은 SP 내지 SP-SM으로 분류되는 석회암 및 대리암, 셰일의 풍화토와 SW로 분류되는 편마암 풍화토로 이분되어 나타난다. 직접전단시험에 의한 내부마찰각과 점착력의 경우, 석회암 및 대리암, 셰일의 풍화토가 편마암 풍화토에 비해 약 15° 정도 더낮은 마찰각을 보이나 더 높은 점착력을 보인다. 투수시험의 경우에도 석회암 및 대리암, 셰일 풍화토는 8.92~9.87 × 10^-4 cm/sec로 나타나지만 편마암 풍화토의 경우 3.76 × 10^-3 cm/sec로 나타나 더 높은 투수특성을 보인다. 이러한 경향은 풍화를 받으면서 세립분이 비교적 많은 석회암 및 대리암, 셰일 풍화토에 비해 화강풍화토(마사토)와 유사하게 발달하는 편마암 풍화토가 조립질 구성 함량이 크기 때문에 기인한 것으로 판단된다.

암반 붕괴 유형

고생대 첨매암

천매암 분포지역에서는 사면(N20°W/70~75°SW)과 평행한 주향이면서 약간 더 저각으로 발달한 엽리면(N20°W/60°SW)을 따라 평면파괴가 발생하였다(Fig. 9). 내부마찰각과 점착력이 작은 층상의 퇴적암과 엽리면이 뚜렷한 저변성암에서 주로 나타나는 암반 산사태의 유형으로, JARA(2000)가 제시한 낙석 유형의 모델에서는 부석형(박리형) 낙석의 mode III 형태와 동일하다. 특히, 천매암의 경우 엽리면이 견운모와 같은 판상의 운모류가 발달되어 있어 전단에는 취약한 특성을 보이며, 화학적 풍화에도 약한 특징을 가지고 있어 지표에 노출 시 엽리면이 빠르게 토사화 및 점토화되는 양상을 보인다.

Fig. 9. Sketch (JARA, 2000) and photograph of a block fall (mode III).

고생대 사암

고생대 사암 분포지역에서 발생된 산사태는 부석형 낙석의 mode II 형태이며, 이는 불연속면이 도로방향과 역경사의 관계를 보이나 수직 절리군들에 의해 암석이 탈락하여 낙석이 발생하는 유형이다. Fig. 10은 부석형 낙석의 mode II 모식도와 현장 사진을 나타낸 것으로써, 낙석방지망 내에 존재하는 퇴적암에서 낙석이 발생하여 암편들이 사면 하부에 적치되어 있다. 이러한 형태의 낙석은 수평 및 수직 절리군들의 간격에 의해 규모가 결정되며, 대체로 이동거리가 짧은 편에 속한다. 그러나 절리패턴이 일정 구간에 반복될 가능성이 높은 만큼 낙석의 발생 빈도는 높은 편에 속한다.

Fig. 10. Sketch (JARA, 2000) and photograph of a block fall (mode II).

중생대 역암

역암 분포지역에서 발생된 산사태는 전석형(탈락형) 낙석의 mode I 형태이며, 이는 역과 기질부로 구성된 사면에서 기질부가 차별풍화를 받아 먼저 유실되고 이후 역이 탈락하거나 미고결된 기질부와 역이 동시에 붕괴되어 내려오는 유형이다. Fig. 11은 전석형 낙석의 mode I 모식도와 현장 사진을 나타낸 것으로써, 원마도와 구형도가 좋은 역암층(Fig. 11a)에서 탈락한 낙석들이 적치되어 있다(Fig. 11b). 이러한 형태의 낙석은 역의 크기가 낙석의 규모가 되며, 대체로 차별풍화에 의해 발생되므로 강우, 기후 등의 영향을 많이 받는다. 동일 암종이 분포하는 지역에서는 동일한 형태의 낙석의 발생 빈도는 높지만, 이동거리가 짧고 대부분 소규모로 발달한다.

Fig. 11. Sketch (JARA, 2000) and photograph of a boulder fall (mode I).

암반 산사태 유형별 비교

암반 산사태를 유발하는 모암의 특징을 분석하기 위해 국제시험기준을 준용하여 엽리면을 따라 붕괴가 발생한 천매암에 대해서는 절리면 전단시험(ASTM D5607-08, 2008)을, 기질부 풍화로 인해 역이 탈락하는 역암에 대해서는 풍화에 대한 저항도를 알아보기 위한 슬레이킹 내구성 시험(ASTM D4644-04, 2004)을 진행하였다. 셰일의 경우 절리면을 따라 미끄러져 내리는 형태가 아니므로 별도의 절리면 전단시험을 수행하지는 않았으며, 천매암과 역암에 대한 각 시험 결과는 Table 2에 나타내었다.

Table 2. Results of direct shear tests on phyllite and slake durability tests on conglomerate

천매암의 전단강도(내부마찰각 및 점착력)는 국내의 107개 터널에서 4,280개의 시험데이터를 분석한 Seo et al.(2016)의 자료와비교하였으며, 본 연구지역의 천매암은 26.9°의 내부마찰각과 0.008 MPa의 점착력을 가지고 있어 동일한 암질(연암) 상태를 보이는 다른 암종(화강암, 편마암, 퇴적암, 화산암)에 비해 매우 낮은 전단강도를 보이고 있다. 이는 천매암의 엽리를 이루는 광물들이 판상의 운모류로 구성되어 있어 엽리면과 평행한 방향의 전단력에 취약하기 때문이다. 슬레이킹 내구성 시험의 경우, 동일한 풍화상태(SW~MW)의 타 지역 자료(셰일, 화강편마암, 안산암)와비교하였다(Kim et al., 2010; Park et al., 2014). 다른 암종들의 Id2 값(2사이클 회전 후잔존율)이 96.8~99.6% 이상으로 내구성이 높음 내지 매우 높음에 해당하는데, 본 연구지역의 역암도 Id2 값이 98.1%로 나타나 내구성이 매우 높음에 해당한다. 이러한 결과는 신선 내지 약한 풍화 상태라면 역암이라 할지라도 다른 암종에 비해 풍화에 매우 취약하지는 않은 것을 의미한다. 단, 시험 전‧후 사진을 보면 역암에서 나타나는 침식형태가 뚜렷이 관찰되는데, 슬레이킹 내구성 시험 동안 기질부가 침식되어 수조가 뿌옇게 흐려지지만 수조에 침전된 입자 알갱이는 많지 않으며(Figs. 12a and 12b), 시편에 붙어 있던 역이 떨어져 나오는 형태로 관찰된다(Fig. 12c).

Fig. 12. Photographs after slaking durability tests on the conglomerate. In (a) and (b), only matrix part were eroded, making the water cloudy. (c) Sample where a clast fell during the test because the matrix was eroded.

본 연구지역 중 고생대 사암과 역암이 분포하는 지역은 남한강 바로 옆 하천 노두로써, 장마로 인해 남한강의 수위가 급격히 상승하면서 물에 완전히 침수되는 독특한 형태의 풍화를 받는다. Fig. 13은 장마 이후 하천변 노두에서 촬영한 사진으로 낙석방지책에 최상단까지 나무가지 등 부유물이 걸려있으므로, 남한강의 최대 수위가 낙석방지책 상단까지 이르렀음을 지시한다. 암반이 주기적으로 침수되는 형태는 강우에 의한 영향보다 낙석을 더쉽게 유발할 수 있으며, 이는 단양군에서 동일한 암질이 분포하는 다른 지역보다 하천변 노두에서 유난히 낙석이 더 빈번하게 발생되는 이유인 것으로 판단된다.

Fig. 13. Photograph showing the highest water level (dashed yellow line) of the river during the rainy season. Abundant floating material, including branches, is hanging on the rockfall barrier.

결론

본 연구에서는 선캠브리아, 고생대, 중생대, 신생대의 지질이 모두 나타나는 단양 지질공원 내에서 발생한 산사태를 대상으로 야외지질조사를 통해 지질조건에 따른 산사태 유형을 분류하고, 샘플링 및 실내 시험을 통해 산사태 구성물질의 물리 ‧ 역학적 특성을 파악하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 연구지역에서 발생한 산사태를 크게 토석류 유형과 암반 산사태 유형으로 구분하였으며, 모암이 석회암&대리암, 셰일, 반상변정질 편마암인 지역에서 토석류 산사태가 발생하였고 모암이 천매암, 사암, 역암인 곳에서 암반 산사태가 발생하였다.

(2) 토석류 산사태의 특성을 모암별로 살펴보면, 석회암 및 대리암 지역에서는 카렌지형 특성으로 인해 암반과 암반 사이에 존재하는 토사가 소규모로 붕괴되는 형태를 보이며, 셰일 지역 및 편마암 지역에서는 토층에서 원호파괴 후 계곡부를 따라 토석류가 내려오는 형태로 관찰된다. 단, 셰일 지역에서는 하류부로 갈수록 토층이 얇아져 토석류의 규모가 줄어드는 반면, 편마암 지역에서는 토층이 2~3 m로 일정하게 유지되어 하류부로 갈수록 토석의 공급이 많아져 대규모로 발달하고 있다.

(3) 풍화토를 대상으로 실내시험을 진행한 결과, SW로 구성된 편마암 풍화토가 SP 내지 SP-SM으로 구성된 석회암&대리암 및 셰일 풍화토에 비해 조립질 함량이 많아 내부마찰각은 크지만 점착력이 작으며, 투수계수도 높게 나타나는 특징을 보인다.

(4) 암반 산사태의 특성을 모암별로 살펴보면, 천매암 지역에서는 사면과 아평행하게 발달하는 엽리면에 의해 평면파괴가 발생하였으며, 사암 지역에서는 층리 및 수직 절리들로 인해 암반 블록이 형성되어 부석형 낙석의 형태로 산사태가 발생한다. 역암 지역에서는 기질부의 차별풍화로 인한 역의 탈락으로 전석형 낙석의 형태가 나타난다.

(5) 암석 샘플을 대상으로 실내시험을 진행한 결과, 천매암의 엽리면 전단강도(내부마찰각 및 점착력)는 타 암종(화강암, 편마암, 퇴적암, 화산암)에 비해 매우 낮은 값을 보이며, 이는 천매암의 엽리를 구성하는 운모류가 전단에 취약한 특징을 갖기 때문인다. 또한, 역암을 대상으로 슬레이킹 내구성 시험을 수행한 결과, 동일한 풍화 상태의 타 암종과 비교하여 슬레이크 내구성 지수는 큰차이를 보이지 않으나 침식 특성이 세립의 기질부가 먼저 풍화받으면서 수조가 탁해지고 이후 역이 떨어지는 형태를 보인다.

본 연구의 결과는 다양한 산사태 유형을 지질특성과 관련하여 설명할 수 있으며, 지질공원 관리차원에서 분포 암석에 따른 적절한 보강방안 및 방재대책을 수립하는데 활용될 수 있다.