A Study on Analysis of Damages due to Debris Flow at Jecheon in 2009

2009년 발생한 제천시의 토석류 피해분석에 관한 연구

A St udy on Anal ysi sofDamagesduet o Debr i sFl ow atJ echeon i n 2009

유 남 재^* 최 영 준^** 이 철 주^*** Yoo,Nam-Jae Choi,Young-June Lee,Cheol-Ju

Abst r act

Thispaperisresultsofcasestudy on characteristicsofdebrisflow occurred at Jecheon during a heavy rainfallin 2009.The site studied is the mountain area located atPalsong-riBongyang-op in Jecheon-siwhere serious damages due to debris flow were occurred by heavy rainfallduring July 7 to July 16 in 2009.

Intensityanddurationofrainfallcausing debrisflow wereanalyzedonthebasisof AWS data.Characteristics of debris flow such as initiation,transportation and deposition were investigated through field reconnaissance. The geological and topographicalcharacteristicsofslopewheredebrisflow wastriggered werefigured out and characteristics of erosion on the bottom and sides of valley during transportation ofdebris flow were also investigated.The slope and boundary of valleywherethedebrisflow startedtobedepositedwerestudied.

키워드 :토석류,사례연구,제천시,흐름특성

Keywords:l

debr i sf l ow,c as es t udy,Jec heon-s i ,f l ow c ha r ac t er i s t i c s

1.서론

1)

최근 국내에서 이상기온으로 인한 7～8월의 집 중호우로 일부 산악지역에서의 토석류 의해 피해 가 급증하고 있다.대표적인 예로 2002년 태풍 ‘루 사’의 영향으로 발생한 강릉지역에 대규모로 발생 한 토석류 피해와 2006년 태풍 ‘에위니아’와 집중 호우로 인한 인제제지역의 토석류 피해현장이 있 다.원인을 살펴보면 지구온난화의 영향으로 인해 집중호우 발생 빈도가 높아지고 있다.또한 온실효 과로 인한 강수의 증가와 강우 지속시간의 증가로 토석류 발생 빈도가 증가 하고 있다.

* 강원대학교 토목공학과 교수,공학박사

** 강원대학교 대학원 토목공학과 석사과정

***강원대학교 토목공학과 교수,공학박사,교신 저자

본 연구에서는 2009년 7월 집중호우에 의해 발 생한 제천시 봉양읍 팔송리 토석류 피해지역을 연 구대상지역으로 선정하였다.현장에 대한 자료 수 집 및 현장조사를 실시하고 현장조사를 통해 대상 지역에서 수집된 지형,토질,계곡의 경사 등을 조 사하여 토석류와의 상관관계를 분석하였다.이러한 분석 자료들로 토석류의 발생과 이동 그리고 퇴적 에 이르는 토석류 흐름특성을 분석하고자 한다.

2.이론적 배경

2.1토석류의 정의

토석류는 일반적으로 집중호우 발생하여 지표면 을 이루는 토양을 구성하고 있는 풍화토층이 강우 로 인해 포화되어 그 무게가 마찰력을 지탱하지 못하여 빠른 이동 속도로 중력의 방향으로 낙하하 는 산사태의 일종이라고 생각 할 수 있다.

Evans(1982)는 토석류를 “경사가 급한 산악사면 을 덮고 있는 표면물질이 포화되어 사면 아래로 급격히 내려오는 운동”이라 정의하였다.그는 토석 류를 계곡을 따라 이동하는 수로형 토석류 (channelizeddebrisflow)와 사면에서 발생하여 하 부로 이동하는 사면형 토석류(open slop debris flow)로 구분하기도 하였다.

VanDine(1985)는 “물에 포화되고 굵고 거친 입 자로 구성된 무기 및 유기입자를 포함한 물질이 빠른 속도로 경사가 급하고 지표면과 수로,협곡 등을 따라 내려오는 산사태의 일종”이라고 토석류 를 정의하였다.

Varnes(1978)는 “고결되지 않은 암석과 흙이 사 면을 따라 흘러내리는 현상의 산사태”를 토석류 (debrisflow)라 정의하였다.

2.2토석류의 흐름 2.2.1토석류의 발생

토석류의 시작은 일반적으로 지형경사가 급한 산악 구간에 집중 강우가 발생할 때 발생하며 또 다른 조건으로는 첫번째로 사면활동으로 인한 자 연사면 전면의 붕괴와 인공사면의 붕괴,둘째로 계 곡바닥과 측면의 세굴 및 침식,셋째로 자연 토사 댐의 붕괴에 기인하여 시작되는 것으로 알려져 있 다.토석류의 주요 구성 물질은 모래,실트 및 점 토 등의 세립물질과 이들보다 큰 암석 덩이의 복 합체이다.이와 같은 물질들은 토석류가 발생했을 때 많은 물을 함유하고 산사면과 산 계곡을 따라 빠른 속도로 흘러 내려오므로 주변의 흙과 암편들 을 붕괴시키기도 한다.이들 산사태들은 대개 암반 을 얇게 피복하고 있는 토층을 파괴시키므로 산림 이 울창하지 않은 지역에서 더 많은 피해를 야기 한다.

시작 형태에 따라 토석류의 규모와 흐름특성도 달라지지만 각각의 시작 메커니즘을 정확히 규명 하는 것은 여전히 연구단계에 있으며 신뢰성 있는 예측과 해석을 실용적으로 적용하기는 아직 어려 운 상태이다.

토석류가 시작되는 발생부의 사면발생은 주로 20

°~

45

°

경사를 가진 사면에서 발생하며 경사각 이 작은 사면에서는 토석류 발생 에너지가 충분치 않으며 45

°

보다 큰 경사면에서는 토사층이 얇거 나 활동이 발생할 수 있도록 연속성을 갖는 경우 가 흔하지 않다.단일의 사면 활동이 토석류를 발 생시킬 수 있지만 대부분 여러 곳에서 발생한 사 면활동들이 동시에 발생하여 계곡에 모여들면서 토석류를 유발하는 것이 일반적이다.

사면의 전단파괴에 기인한 토괴가 비교적 완만 한 경사에서도 토석류로 발전하는 현상은 토질역 학적 관점에서 설명되고 있다.파괴토괴가 지속적 으로 이동하는 것은 전단변형에 의한 흙의 체적변

화와 이에 따른 과잉간극수압의 발생과 관련이 있 다.체적감소가 발생하는 흙내에서는 파괴 순간 비 배수상태에서 과잉간극수압이 발생하며 이로 인한 전단강도의 감소는 토괴의 진행성 파괴를 가속화 시키게 된다.하부로 이동하기 시작하는 토괴는 파 괴구간 하부의 표토층에 비배수 하중을 가하게 되 며 토괴의 이동경로에 있는 표층부도 같이 파괴되 고 이동하는 토괴의 규모는 점차증가하게 된다.

2.2.2토석류의 이동

토석류는 주로 조립질의 유기 및 무기물질로 구 성된다.입자의 크기는 세립질로부터 분산구조를 통해 지지된 암괴크기의 입자까지 다양하다.

토석류가 발생하면 활동의 억제 없이 하부사면 으로 급속히 진행된다.입상재료의 토석류는 구조 적으로 파괴되고 이동하면서 매질이 완전 재성형 되어 유체 운동(flow like motion)과 같은 특성을 갖으며 다소 균일한 속도 분포를 갖으면서 진행한 다.이동경로의 하상물질 대한 급속한 재하(rapid loading)로 토석류의 체적이 증가하고 지반의 포화 도가 상승하게 된다.이와 같이 토석류 경로의 중 간부분을 토석류의 이동영역으로 볼 수 있으며 토 석류 이동 경로의 경사각이 적정의 값으로 감소할 때 퇴적이 발생 한다.

토석류의 이동은 계곡의 지형경사와 계곡형태, 지반특성,혼합물의 특성,기존 계곡을 흐르는 유 량,장애물의 여부 등에 따라 매우 복잡한 양상을 나타낸다.토석류의 이동과 관련된 주된 연구는 초 기 토석량과 토석류 유속,토석류 수심을 예측하는 데 중점을 두고 있다.토석류 흐름 특성 규명을 위 해서는 토석류 흐름내의 전단거동특성을 알아내는 것이 매우 중요하다.수리학적 관점에서 토석류 흐 름을 점성유체(non-Newtonian fluid model)또는 초기전단저항력을 가진 점성유체로 가정하는 Bingham fluid model이 가장 많이 연구된 바 있 다.하지만 점성유체모델은 토석류의 흐름이 유체 에서부터 고체 상태에 이르기까지 다양한 상태로 변화할 수 있는 특성을 설명하지 못하는 단점이 있다.

토석류 흐름특성을 설명하는 보다 일반화된 이 론은 Iverson(1997)이 체계화시킨바 있다.그는 연 속체혼합물이론(continuum mixture theory,Atkin and Craine,1976)을 수정하여 비압축성 간극유체 와 고체의 질량보존법칙,모멤텀 보존법칙으로부터 지배방정식을 유도하고 흐름이 정지해 있을 때와 관성력이 지배적인 운동상태에서 유체와 고체 혼 합물의 흐름을 설명하였다.그는 토석류 흐름에 포 함된 고체 입자간 충돌에 의한 힘의 전달이 간극 유체에 과잉 간극수압을 발생시키며 발생된 간극 수압에 의해 토석류 내의 마찰저항이 감소하면서 토석류가 매우 긴 거리를 빠른 속도로 이동하는 것이라고 설명한 바 있다.

이 이론은 토석류의 흐름과정 중에 추가 또는 퇴적되는 고체질량의 변화량,토석류 흐름거동,퇴 적거동을 직관적으로 설명하기는 유용하지만 고체 입자와 유체사이의 모멘텀 전달과 이로 인해 토석 류 내에 발생하는 과잉간극수압을 정량적으로 산 정하기가 매우 어렵다는 점에서 실질적으로 이용 되지는 못하는 실정이다.이론적인 토석류 흐름에 대한 연구는 토석류가 유체와 고체사이의 상태에 서 변화한다는 점과 토석류가 반고체 상태에서도 긴 거리의 완만한 경사면을 빠른 속도로 이동하는 이유를 잘 설명하고 있다.하지만 이론적인 연구는 아직도 지속적인 연구단계에 있으며 실용적인 적 용은 더 많은 자료의 축적과 실무적용을 위한 특 성 값의 조사와 시험방법에 대한 규정이 필요할 것으로 보인다.

2.2.3토석류의 퇴적

토석류에서 퇴적이 발생하는 원인은 여러 가지 가 있을 수 있으나.크게 수로의 경사저하,유송물 질의 구속력 저하,그리고 자연적 또는 인위적인 흐름의 방애물의 존재와 같이 3가지로 구분할 수 있다.3가지 모두 토석류의 모체에서 물을 분리시 키며,속도를 저하시켜 결국에는 퇴적을 일으킨다.

토석류의 퇴적과 관련하여 수로의 경사와 관련 되어 Takahashi(1983)는 토석류의 퇴적은 수로의 폭에 변화가 없다는 조건에서 수로경사의 갑작스 런 변화에서 비롯된다는 일련의 연구결과를 발표 하였으며 이를 간단히 나타내면 아래의 식과 같다.

 tan

_

tan

_

  tan

tan

(2.1)

여기서,



_:하향 수로경사(

°

)



_:상향 수로경사(

°

)



:내부운동상태마찰각(

°

)



:내부정지상태마찰각(

°

)

JohsonandRodine(1984)은 수로폭의 변화가 없 을 경우 유송물질의 한계깊이에 도달했을 때 퇴적 이 발생한다고 주장하였으며,수로의 경사를 활용 한 다음과 같은 식을 제안하였다.

_

_{ }

costan  tan



(2.2)

여기서,_:한계깊이



:유송물질의 점착력(tf/m³)



:유송물질의 단위중량(tf/m³)



:수로경사(

°

)



:유송물질의내부마찰각(

°

)

토석류의 퇴적과 관련하여 유송물질의 구속력저 하의 관점에서 Mizuyama and Uehara(1983)는 수 로경사의 변화가 없는 경우 수로의 폭이 다음과

같을 때 퇴적이 발생한다고 하였다.

_

 

^



(2.3) 여기서,_:구속력이 없는 수로의 폭(m)

 :유출량(m³)



:차원변수(3.5～7.0)

Ikeya(1976)는 선상지의 경사가 10

°

미만의 경 우 흐름의 폭이 2～3배로 넓어질 때 퇴적이 시작 되며 일반적인 경우에서는 5～6배로 확폭될 때 퇴 적이 발생한다고 하였다.Hungr 등(1995)은 경사 가 18

°

미만의 경우에 경사보다 구속력이 흐름을 유지하는데 더 결정적인 영향력을 발휘한다고 하 였다.

토석류의 흐름을 방해하는 것으로는 자연적인 것과 인공적인 것이 있을 수 있다.자연적인 방해 물질에는 나무,호박돌,천연 퇴적댐 등을 들 수 있다.사방댐,도로 등을 포함하는 선상지의 각종 구조물 등은 인공적인 방해물질이 될 수 있다.

3.제천시 지역의 토석류 발생현황

3.1현장개요

토석류는 지형,지질 및 토질구성의 내적요인 과 함께 강우,침식 및 지진 등의 외적요인의 복합 적은 작용으로 발생한다.특히 여름철의 집중호우 에 의해서 토석류가 대부분 많이 발생하여 왔다.

본 연구는 그림 1에서 보는 것처럼 충청북도 제 천시 봉양읍 팔송리 지역에서 발생한 토석류로 계 곡의 하단부의 농경지에 피해가 발생한 현장이다.

토석류는 2009년 7월 7～16일 호우기간 동안 일일 강우량이 201mm로 최대였던 14일에 발생하였다.

토석류 피해발생 직후 현장조사를 실시하였다.현 장조사를 통해서 토석류 발생한 계곡의 흐름을 분 석을 실시하였다.

팔송리팔송리토석류토석류발생지역발생지역 팔송리팔송리토석류토석류발생지역발생지역

(a)지형도 표기

팔송리 토석류 발생계곡

(b)위성 사진 표기 그림 1.팔송리 토석류 발생지역

그림 2는 당시의 피해상황을 직접적으로 보여주 는 사진이다.토석류가 발생하여 계곡에 퇴적된 모 습과 토석류 발생으로 인해 농경지가 유실된 모습 이다.

(a)피해현황 1

(b)피해현황 2 그림 2.2009년 팔송리 일대 피해사진

3.2조사지역의 토석류 발생 특징 3.2.1토석류 지역의 강우특성

본 연구지역의 토석류 피해당시의 강우량을 살 펴보면 2009.7.9～7.14에 걸쳐 집중호우가 발생 한 지역으로 기간 중 최대시우량은 62mm,1일 최 대 강우량은 201mm,7.9～7.14일 동안 누적강우 량은 444mm 이었다.

0 50 100 150 200 250

7/7 7/8 7/9 7/10 7/11 7/12 7/13 7/ 14 7/15 day

Daily rainfall(mm)

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Accumulative rainfall(mm)

Dai l y ra i nf al l Acc umul a ti v e ra i nf a l l

(a)일강우량 및 누적강우량

0 10 20 30 40 50 60 70

07-14 13:00 07-14 14:0007-14 15:00 07-14 16:00 07-14 17:0007-14 18:00 07-14 19:0007-14 20:00 07-14 21:00 07-14 22:0007-14 23:00 07-15 0:00

강우발생시간

강우강도(mm/hr)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

누적강우량(mm)

시간강우량 누적강우량

(b)토석류 피해당일 시간강우량 및 누적강우량 그림 3팔송리 토석류 발생지역 강우량

3.3토석류 흐름 특성분석

토석류가 발생한 계곡은 발생부,유하부,퇴적부 의 형태로 구분할 수 있다.토석류는 발생부 사면 의 산사태로 시작하여 계곡을 중심으로 하류로 내 려오면서 퇴적에 이르게 된다.초기 발생부 사면의 사면붕괴로 시작된 토석류는 계곡에 유입되면서 계곡의 침식을 계속적으로 증대시켜 최종적으로 퇴적부에 엄청난 양의 퇴적양이 발생하게 된다.

토석류의 발생경로를 조사하기 위하여 토석류의

퇴적부분부터 토석류가 발생한 발생부까지 올라가 면서 현장조사를 하였다.현장조사는 토석류가 흘 려 내려온 유하부를 구간별로 나누어 조사하였다.

각 지점별 폭,심도,경사,경사방향등을 측정하였 다.

그림 4는 팔송리 피해지역의 형상을 나타낸 것 이다.현장조사 결과 토석류 발생 계곡의의 총연장 은 650m이고 계곡을 중심으로 4개의 사면 활동이 있었으며 1개의 사면을 가진 지선이 토석류 본류 에 합류하여 하부 농경지에 피해를 주었다.

토석류발생으로피해지역

그림 4.제천시 봉양읍 팔송리 토석류 피해현장

그림 5는 팔송리 토석류 발생 지역에서의 사면 01～05의 사면활동 형태를 보여주고 있다.사면들 의 형상은 모두 부채꼴 형상으로 이루어져 있었으 며 사면의 형태로 미루어 볼 때 사면 가장자리로 부터 연속적인 침식이 이루어지고 있음을 알 수 있었다.사면활동에 의한 붕괴된 토사는 계곡에 유 입되고 토석류의 양을 증대 시키게 된다.

그림 5에 사면들의 연장과 경사 및 사면 연장은 표 1과 같이 나타나고 있다.

표 1팔송리 붕괴 사면의 특성

사면 01 사면 02 사면 03 사면 04 사면 05 연장 6 3m 47m 56m 52m 52m

경사 2 8° 39° 36 ° 2 9° 42°

사면의 연장은 각 63m,47m,56m,52m,42m 로 조사 되었으며 파괴사면의 경사는 28°～42°경 사를 가지고 있었다.

(a)사면1

(b)사면2 (c)사면3

(d)사면4 (e)사면5 그림 5.팔송리토석류 피해현장의 사면

현장조사를 통해 각 사면의 시료를 채취하여 그 림 6과 같이 분석 되었다.입도분석과 결과로부터 토사층을 통일분류(USCS)법으로 구분하면,GW, GW,SW,SW,SW로 분석되었다.

0 20 40 60 80 1 00 1 20

0 .0 10 0. 10 0 1. 00 0 10 .0 00

G r a i n s i z e ( m m ) Percentage of particles size(%) ^{사 면 1}사 면 2

사 면 3 사 면 4 사 면 5

그림 6.팔송리 계곡의 사면별 입도 분석

그림 7은 팔송리 토석류 피해현장의 토사의 입 경을 보여주는 것으로 토석류 발생이 시작된 상부 의 유하부의 입경과 퇴적부 지역의 입경의 차이를 보여주고 있다.

(a)유하부1 (b)유하부2

(c)퇴적부3 (d)퇴적부4 그림 7.팔송리 토석류 피해현장의 토사입경

그림 8은 팔송리 토석류 현장의 유하부의 형태 를 보여주고 있다.침식이 주로 일어나는 유하부에 서는 토석류가 진행 될수록 계곡의 깊이와 폭이 점점 커지면서 침식이 계속적으로 이루어지게 되 고 계곡의 깊이가 깊어지면서 계곡 양안 사면의 붕괴가 발생하여 얕은 산사태가 일어나 토석류로 유입되어 하부로 흐르게 된다.

(a)유하부 1

(b)유하부 2

그림 8.팔송리 토석류 피해현장의 유하부

그림 8에서 유하부 1은 주계곡에 사면2가 합류 하는 지역이다.유하부 1과 2는 모두 토석류 발생

으로 인해 계곡의 암반이 모두 들어나 있음을 알 수 있다.유하부의 평균 경사는 11～19

°로 나타났 다.

그림 9는 퇴적부의 모습이다.퇴적부의 경사는 5～10

°로 나타났다. 약 10°의 경사가 나타나면 퇴

적되기 시작된다.현장조사 당시 농경지에 피해 를 준 토석류 이동물질은 정리가 되어 있었지만 퇴적이 시작된 곳의 흔적을 통해서 토석류가 어느 범위로 퍼져있는지 알 수 있었다.

(a)퇴적부 1

(b)퇴적부 2

그림 9.팔송리 토석류 피해현장의 퇴적부

피해를 입은 농경지는 토석류의 퇴적부로서 좁 은 계곡을 따라 내려오던 토석류가 넓은 선상지에 펼쳐지면서 농경지 피해를 유발 시킨 것이다.

4.결론

본 연구는 2009.07월 7～16일 집중호우 발생이 후 토석류가 발생한 제천지역 팔송리 토석류 현장 을 선정하여 현장 조사 결과를 바탕으로 토석류 발생에 영향을 미치는 각종 환경 인자와의 상호 관련성을 검토하여 토석류 거동 특성 분석을 실시 하였다.

1)조사 지역의 토석류 유형은 사면활동에 의한

발전한 전형적인 계곡형 토석류(channelizeddebris flow)형태로 분석된다.

2)토석류 발생당일 이전 누적된 200mm이상의 강우로 인해 토양수분의 포화되어 있는 상태에서 일일강우량 200mm,최대시간강우량 62mm의 강우 가 큰 영향을 미치고 있음을 알 수 있다.이는 강 우 토석류 발생에서 누적강우량과 최대시간강우량 이 복합적으로 작용하여 집중강우의 발생이 토석 류 피해를 일으키는 주요한 역할을 하는 것으로 이해할 수 있다.

3)집중강우로 인하여 기반암 상부의 토사층내 의 지반포화로 최상부의 파괴사면 또는 지선의 파 괴사면에서 시작된 사면활동의 토석이 지속적인 강우로 인하여 토석류화 하여 계곡하상과 양안을 침식하여 토석 유출을 진행한 것으로 분석된다.

4)조사 지역의 지질은 화강암이 기반암으로 폭 넓게 분포되어 있으며 대부분 붕적토 층으로 형성 되어 있다.토질은 대부분 실트 성분을 함유한 세 립 내지 조립질의 모래나 점토질 세립분이 포함된 흙이 분포된 지역으로 태풍에 의한 집중호우로 토 사층이 포화되면서 강도가 급격히 저하되어 강우 즉시 활동이 발생한 경우로 판단된다.

본 연구를 통하여 토석류와 관련 요인간의 관계 를 파악할 수 있었으며 연구의 결과가 보다 구체 적으로 활용되기 위해서는 보다 많은 대상으로 토 석류 발생 현장에 대한 사례분석이 이루어져야 한 다.

토석류의 조사는 다양한 방법을 이용하여 토석 류 발생원인 규명과 발생특성 해석을 위해서는 현 장에서의 정밀하고 철저한 조사가 반드시 수행되 어야 하며,이를 토대로 암석이나 물리적․공학적 특성을 고려한 토석류 해석이 뒤따라야 할 것이다.

따라서,현장 조사과정을 기반으로 한 토석류 해석 의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않으며,이 러한 과정을 생략한 결과의 신뢰도는 재고되어야 할 것이다.

향후에는 토석류 발생지역의 강우데이터 수집을 통해 지역적 특성,지질학적 특성,강우특성 별로 그 특징을 분류하고 강우량 파악을 정확히 예측하 기 위한 각 항목에 대한 조사 및 실험을 신중을 기해야 할 것이며 나아가 토석류를 유발할 수 있 는 여러 인자들과의 상관관계 연구도 지속적으로 진행해야할 것이다.

감사의 글

본 연구는 국토해양부 지역기술혁신사업의 연구 비 지원(과제번호#‘08지역기술혁신 B01-01)에 의해

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