[논문]충주시 상산마을 주변 임도 산사태의 발생 원인 분석

김형신; 문성우; 서용석

doi:10.9720/kseg.2022.1.073

충주시 상산마을 주변 임도 산사태의 발생 원인 분석
Analysis of Factors Influencing Landslide Occurrence along a Forest Road Near Sangsan Village, Chungju, Korea 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.32 no.1, 2022년, pp.73 - 83

김형신 (충북대학교 방재공학 학과간협동과정) , 문성우 (충북대학교 지구환경과학과) , 서용석 (충북대학교 지구환경과학과)

초록
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충주시 상산마을 주변 임도에서 집중호우 기간 중 산사태가 발생한 임도 상부사면 6개소, 하부사면 24개소를 대상으로 붕괴 원인을 분석하였다. 토층의 물리·역학적 특성은 임도 하부사면이 상부사면에 비해 공극이 많아 건조단위중량이 낮고, 토층의 입자 배열이 느슨하여 마찰각이 작다. 지형학적 특성은 임도 하부사면이 상부사면에 비해토층이 두껍고, 경사방향의 수직 및 수평 방향으로 오목하며, 경사는 상대적으로 완만하고, 특정집수면적이 넓어 지형습윤지수가 높은 특징을 보인다. 따라서 임도 하부사면은 상부사면보다 물리·역학적 특성 및 지형학적 특성이 전반적으로 산사태 발생에 취약한 것으로 나타났다. 상기 두 원인 외에도 임도 배수시설의 시공 및 유지관리가 적절하게 수행되지 못한 점도 사면붕괴의 발생 원인 중 하나로 분석된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The factors influencing landslide occurrence were analyzed for six points on the upper slope and the 24 points on the lower slope along a forest road around Sangsan village in Chungju, Korea, where landslides have occurred due to heavy rainfall. In terms of physico-mechanical properties of the soil layer, the lower slope seemed to loosen owing to the higher porosity, lower unit weight, and lower friction angle compared with the upper slope. With respect to topographic characteristics, the lower slope had thicker regolith, more concave profile and plan curvatures, lower slope angles, and higher topographic wetness index values than the upper slope. Therefore, all the properties (except for the slope angle) appear to make the lower slope of the forest road more vulnerable to landslides than the upper slope. Apart from the physico-mechanical and topographic characteristics, inadequate maintenance and management of drainage facilities are also considered as further major factors influencing landslide occurrence.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Topographic and geological maps of the study area. The yellow line indicates the forest road.
그림 Fig. 2. Hourly rainfall across the study area during the week before the landslide on 2 August 2020.
그림 Fig. 3. Observations of landslides in the study area. (a) Locations of landslides along the forest road. (b) Landslides on the natural slope. (c) and (d) Landslides on the lower slope of the forest road. (e) Landslide on the upper slope of the forest road.
그림 Fig. 4. Laboratory tests and geological investigation: (a) taking an undisturbed sample using a ring sampler, (b) specific gravity testing, (c) direct shear testing, and (d) measuring the thickness of regolith using a dynamic cone penetration tester.
그림 Fig. 5. Construction of a box-whisker plot (modified from Wickham and Stryjewske, 2011).
그림 Fig. 6. Box-whisker plots showing the physical and mechanical properties of the upper and lower slopes of the forest road.
그림 Fig. 7. Box-whisker plots showing the topographic properties of the upper and lower slopes of the forest road.
그림 Fig. 8. Classification of form elements based on plan and profile curvatures (modified after Dikau, 1989). The gray dashed box indicates the curvature of the upper slope (profile-straight/convex), and the gray solid box indicates the curvature of the lower slope (concave/concave).
그림 Fig. 9. Status of drainage facilities in the study area: (a) a plugged side ditch, (b) a concrete ditch constructed in the soil, and (c) an exposed drainage culvert.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 강우, 식생 조건이 동일한 지역에서 산사태가 발생한 임도 상부사면과 하부사면을 대상으로 토층의 물리 ‧ 역학적 특성과 사면의 지형학적인 특성 차이를 분석하고, 임도 주변에서 산사태가 많이 발생한 원인에 대하여 검토하였다. 산사태는 임도 8.
임도 상부사면과 하부사면은 시공과정의 차이로 토층의 물리역학적 특성과 지형학적인 요인에서 차이가 있지만(Oh and Chun, 1990), 대부분의 연구에서는 임도의 상부사면(절토사면, 자연사면)과 하부사면(성토사면)을 직접적으로 비교한 연구는 거의 없다. 본 연구에서는 강우, 식생이 동일하고, 유사한 토질조건을 갖는 지역(화강암과 편마암이 분포) 에서산사태가 발생한 임도 상부사면과 하부사면을 대상으로 토층의 물리 ‧ 역학적 특성과 사면의 지형학적 특성을 분석하고, 임도 주변에서 산사태가 많이 발생한 원인에 대하여 살펴보고자 한다.

제안 방법

산사태가 발생한 39개소 중 임도와 관련 없는 자연사면 산사태 3개소(벌채지역)와 시료채취가 불가능한 지점 6개소를 제외한 30개소(임도 상부사면 6개소, 임도 하부사면 24개소)를 대상으로 토층의 물리 ‧ 역학적 특성과 사면의 지형학적 특성을 분석하였다. 물리 ‧ 역학적 특성에는 건조 및 포화 단위중량, 비중, 공극률, 점착력, 마찰각이 분석되었으며, 사면의 지형학적 특성에는 토층 두께, 경사, 사면곡률(profile and plan curvature), 지형습윤지수(topographic wetness index, TWI), 특정집수영역(specific catchment area, SCA)이 분석되었다.

대상 데이터

먼저 현장에서 링 샘플러(지름 100 mm, 높이 50 mm; Fig. 4a)를 이용하여 불교란시료를 채취하였다. 불교란시료를 이용한 실내시험은 미국표준시험법인 ASTM 규정에 따라 진행되었으며, 함수비시험(ASTM D2216-10, 2010), 비중시험(ASTM D854-10, 2010), 직접 전단시험(ASTM D3080-98, 1998)을 수행하였다(Figs.
4d). 경사, 곡률, 지형습윤지수, 특정집수유역에 대한 데이터는 국토지리정보원의 1:5, 000 수치지도와 오픈소스 GIS 프로그램(SAGA GIS)으로부터 획득하였다.
산사태가 발생한 39개소 중 임도와 관련 없는 자연사면 산사태 3개소(벌채지역)와 시료채취가 불가능한 지점 6개소를 제외한 30개소(임도 상부사면 6개소, 임도 하부사면 24개소)를 대상으로 토층의 물리 ‧ 역학적 특성과 사면의 지형학적 특성을 분석하였다. 물리 ‧ 역학적 특성에는 건조 및 포화 단위중량, 비중, 공극률, 점착력, 마찰각이 분석되었으며, 사면의 지형학적 특성에는 토층 두께, 경사, 사면곡률(profile and plan curvature), 지형습윤지수(topographic wetness index, TWI), 특정집수영역(specific catchment area, SCA)이 분석되었다.
연구지역은 충청북도 충주시 산척면 상산마을 주변 임도로, 동북측에는 오청산(656.8 m), 동측에는 천등산(807.1 m), 서측에는 장백산(405 m)이 위치하며, 서남부 지역은 비교적 평탄한 지형으로 논과 밭이 조성되어 있다. 수계를 살펴보면 오청산 자락에서 발원한 송강천이 흐르며 송강천의 상류에는 농업용수 공급을 위한 송강저수지가 축조되어 있다(Fig.

이론/모형

SAGA GIS에서는 사면 경사를 계산하는 알고리즘 10 개를 제공하나, 본 연구에서는 3 × 3 윈도우 기본 계산 픽셀단위에서 가장 적합한 기본값으로 설정되어 있는 Zevenbergen and Thorne(1987)이 제안한 알고리즘을 사용하였다
4a)를 이용하여 불교란시료를 채취하였다. 불교란시료를 이용한 실내시험은 미국표준시험법인 ASTM 규정에 따라 진행되었으며, 함수비시험(ASTM D2216-10, 2010), 비중시험(ASTM D854-10, 2010), 직접 전단시험(ASTM D3080-98, 1998)을 수행하였다(Figs. 4b~4c).
토층의 물리 ‧ 역학적 특성 및 사면의 지형학적 특성을 검토하기 위해 상자 수염 그림(box - whisker plot)을 도시하여 분석을 수행하였다. 일반적인 그래프에서는 평균값을 기준으로 데이터를 비교하지만, 상자 수염 그림은 서로 다른 집단을 대상으로 각 집단의 중앙값(median), 사분위수 범위(interquartile range, IQR), 수염 범위(whisker range) 등 다양한 지표를 가시적으로 쉽게 비교할 수 있다는 장점이 있다(Fig.
여기서, SCA는 특정집수유역, β는 사면의 경사를 의미한다. 특정집수유역은 배수지점의 단위 등고선 길이 당 산비탈 면적으로서, 본 연구에서는 사면 방향과 경사에 따라 다중방향에서 흐를 수 있는 Multiple flow direction(MDF) 방법을 이용하여 계산하였다. 지형습윤지수의 IQR은 상부사면 3.

성능/효과

65로 상부사면과 하부사면에서 큰 차이를 보이지 않는다. 공극률의 IQR은 상부사면 39.54~46.49%, 하부사면 40.58~50.11%이며, 중앙값은 상부 사면이 41.12%, 하부사면이 46.46%로 하부사면이 더 크다. 점착력의 IQR은 상부사면 3.
따라서 상부사면(자연 또는 절취사면) 보다 하부사면에서 집중적으로 산사태가 발생한 원인은 하부사면이 성토로 조성된다는 점, 이로 인해 토층의 두께가 두꺼워지고 산사태 발생에 불리한 물리 ‧ 역학적 특성을 갖게 되는 점, 임도 배수 시설이 부적절하게 시공되었거나 유지관리가 미흡한 점 등으로 판단된다. 향후에는 동일 연구지역의 산사태 미발생 지점 데이터와의 비교를 통해 산사태 발생에 영향을 미치는 주요인자를 규명하는 등 종합적인 분석을 수행할 계획이다.
마찰각의 IQR은 상부사면 27.01~31.65°, 하부사면 24.49~30.03°이며, 중앙값은 상부사면 28.81°, 하부사면 28.51°로 하부사면이 낮은 값과 낮은 분포범위를 보인다.
사면 경사의 IQR은 상부사면 23.43~41.02°, 하부사면 17.34~ 35.26°이며, 중앙값은 상부사면 32.18°, 하부사면 25.65°으로 하부사면이 상대적으로 완만하다
사면의 지형학적 특성인 토층 두께의 IQR은 상부사면 0.46~3.20 m, 하부사면 1.33~4.00 m이며, 중앙값은 상부사면 0.65 m, 하부사면 2.68 m으로 하부사면의 토층이 두껍다. 사면 경사의 IQR은 상부사면 23.
공공기관 기상관측자료 중 연구지역과 4 km 떨어진 최단 거리의 관측소(송강(3201))에서 측정된 강우 자료를 확인한 결과, 7월 27일 0 mm, 28일 3 mm, 29일 139 mm, 30일 75 mm, 31일 0 mm, 8월 1일 20 mm, 2일 343 mm로 일주일 동안의 누적 강우량은 580 mm이다. 산사태 발생일인 8월 2일 1시부터 12시까지 12시간 동안에 직전 일주일 누적 강우량의 58%인 335 mm의 비가 내렸으며, 강우가 산사태 발생의 유발요인 중 하나인 것을 확인할 수 있다(Fig. 2).
본 연구에서는 강우, 식생 조건이 동일한 지역에서 산사태가 발생한 임도 상부사면과 하부사면을 대상으로 토층의 물리 ‧ 역학적 특성과 사면의 지형학적인 특성 차이를 분석하고, 임도 주변에서 산사태가 많이 발생한 원인에 대하여 검토하였다. 산사태는 임도 8.5 km 구간에서 상부사면 9건, 하부사면 27건, 자연사면 3건, 총 39건이 발생하였다. 이 중 산사태가 발생한 임도 상부사면 6개소, 하부사면 24개소를 대상으로 토층의 물리 ‧ 역학적 특성 및 지형학적인 특성 차이를 분석한 결과를 요약하면 다음과 같다.
야외지질조사 결과, 산사태는 임도 8.5 km 구간에서 상부사면 9개소, 하부사면 27개소, 자연사면 3개소, 총 39개소에서 발생하였다(Fig. 3a).
임도에 시공되어 있는 배수시설을 살펴보면, 옆도랑은 줄떼공이 미시공 및 토사로 덮여 배수로의 기능을 상실한 상태이며, 콘크리트 개거는 덮개가 모두 분실되어 낙엽 등의 부유물이 유입되기 용이하고, 배수구조물은 강우량에 비해 설계 배수 용량이 작다.
46%로 하부사면이 더 크다. 점착력의 IQR은 상부사면 3.62~15.56 kPa, 하부사면 6.69~16.66 kPa으로 높은 값과 높은 범위를 보이지만, 중앙값은 상부사면 9.73 kPa, 하부사면 9.66 kPa로 큰 차이를 보이지 않는다. 마찰각의 IQR은 상부사면 27.
003이다. 중앙값을 기준으로 사면의 형상을 분류할 경우, 상부사면은 Profile-Straight / Convex, 하부사면은 Concave / Concave로 분류된다. 지형 습윤지수의 IQR은 상부사면 3.
33이다. 지형습윤지수와 특정집수면적 모두 하부사면이 상부사면보다 높은 값과 높은 범위를 보인다. 지형 습윤지수는 대부분 -3~30 범위에 분포한다.
특정집수유역은 배수지점의 단위 등고선 길이 당 산비탈 면적으로서, 본 연구에서는 사면 방향과 경사에 따라 다중방향에서 흐를 수 있는 Multiple flow direction(MDF) 방법을 이용하여 계산하였다. 지형습윤지수의 IQR은 상부사면 3.37~3.74, 하부사면 4.10~5.17이며, 중앙값은 상부사면 3.68, 하부사면 4.62이다. 특정집수면적의 IQR은 상부사면 22.
사면의 곡률은 양수일 경우에는 볼록한 지형을, 음수일 경우에는 오목한 지형을 의미한다. 측면곡률의 IQR은 상부사면 -0.007~0.007, 하부사면 -0.012~0.009이며, 중앙값은 상부사면 0.000, 하부사면 -0.006이다. 평면곡률의 IQR은 상부사면 -0.
토층의 물리 ‧ 역학적 특성인 건조단위중량의 IQR은 상부사면 1.42~1.64 g/cm³, 하부사면 1.33~1.79 g/cm³이며, 중앙값은 상부사면 1.45 g/cm³, 하부사면 1.41 g/cm³로 하부사면이 상부사면보다 작다
62이다. 특정집수면적의 IQR은 상부사면 22.20~28.95, 하부사면 32.19~84.79이며, 중앙값은 상부사면 25.77, 하부사면 42.33이다. 지형습윤지수와 특정집수면적 모두 하부사면이 상부사면보다 높은 값과 높은 범위를 보인다.
006이다. 평면곡률의 IQR은 상부사면 -0.011~0.010, 하부사면 -0.014~0.003이며, 중앙값은 상부사면 0.002, 하부사면 -0.003이다. Fig.
41 g/cm³로 하부사면이 상부사면보다 작다. 포화단위중량과 비중의 IQR과 중앙값은 상하부사면에서 큰 차이를 보이지 않는다. 공극률의 IQR은 상부사면 39.

후속연구

따라서 상부사면(자연 또는 절취사면) 보다 하부사면에서 집중적으로 산사태가 발생한 원인은 하부사면이 성토로 조성된다는 점, 이로 인해 토층의 두께가 두꺼워지고 산사태 발생에 불리한 물리 ‧ 역학적 특성을 갖게 되는 점, 임도 배수 시설이 부적절하게 시공되었거나 유지관리가 미흡한 점 등으로 판단된다. 향후에는 동일 연구지역의 산사태 미발생 지점 데이터와의 비교를 통해 산사태 발생에 영향을 미치는 주요인자를 규명하는 등 종합적인 분석을 수행할 계획이다.

참고문헌 (27)

Abe, K.A., Ziemer, R.R., 1991, Effect of tree roots on shallow-seated landslides, Proceedings of the IUFRO Technical Session on Geomorphic Hazards in Managed Forests, US Department of Agriculture, Montreal, 11-20.
Anderson, S.A., Zhu, J.H., 1996, Assessing the stability of a tropical residual soil slope, Proceedings of 7th International Symposium on Landslides, Netherlands, 1073-1077.
ASTM D2216-10, 2010, Standard test methods for laboratory determination of water (moisture) content of soil and rock by mass, ASTM International, West Conshohocken, PA, DOI:10.1520/D2216-10.
ASTM D3080-98, 1998, Standard test method for direct shear test of soils under consolidated drained conditions, ASTM International, West Conshohocken, PA, DOI:10.1520/D3080-98.
ASTM D854-10, 2010, Standard test methods for specific gravity of soil solids by water pycnometer, ASTM International, West Conshohocken, PA, DOI:10.1520/D0854-10.
Ballerine, C., 2017, Topographic wetness index urban flooding awareness act action support, Will & DuPage Counties, Illinois, Illinois State Water Survey, 17p.
Beven, K.J., Kirkby, M.J., 1979, A physically based, variable contributing area model of basin hydrology, Hydrologic Science Bulletin, 24, 43-69.
Choi, Y.H., Lee, J.W., Kim, M.J., 2011, A study on development standard calculation program of forest road drainage facilities, Journal of Korean Society of Forest Science, 100(1), 25-33 (in Korean with English abstract).
Dikau, R., 1989, The application of a digital relief model to landform analysis in geomorphology. In Three Dimensional Applications in Geographical Information Systems, CRC Press, 51-77.
Endo, T., Tsuruta, T., 1969, The effect of the tree's roots on the shear strength of soil Annual Report 1968, Hokkaido Branch Forest Experiment Station, Sapporo, Japan, 167-182.
Gray, D.H., Ohashi, H., 1983, Mechanics of fiber reinforcement in sand, Journal of Geotechnical Engineering, 109(3), 335-353.

상세보기
Ji, B.Y., Oh, J.H., Cha, D.S., 2000, Soil mechanical properties and stability analysis on fill slope of forest road, Journal of Korean Forest Society, 89(2), 275-284 (in Korean with English abstract).
KFS (Korea Forest Service), 2000, Forest & forestry technique 3, 668p (in Korean).
KFS (Korea Forest Service), 2015, Forest road construction and management work manual, 402p (in Korean).
Kim, M.H., Hwang, J.S., Yu, Y.M., Cha, D.S., 2018, A study on outlet damage prediction of pipe culverts in forest road, Journal of Korean Society of Forest Science, 107(3), 278-286 (in Korean with English abstract).
Lee, S.K., Lee, K.G., Ban, K.M., Lee, S.H., Ban, M.A., Kim, J.S., 2004, Landslide occurrence on the fill slope of forest road and its measures in the middle part of Korea, The Journal of Korea Society Forest Engineering Technique, 2(3), 247-257 (in Korean with English abstract).
Montgomery, D.R., Dietrich, W.E., 1994, A physically based model for the topographic control on shallow landsliding, Water Resources Research, 30(4), 1153-1171.

상세보기
Oh, D.Y., Lee, D.Y., 1998, A study on landlide of cutting and banking slope forest road, Journal of Resource Science, 6, 289-303 (in Korean with English abstract).
Oh, J.M., Chun, K.W., 1990, A study on landslide in the slope of the forest road, Journal of Forest Science, 7, 35-41 (in Korean with English abstract).
Park, B.S., Yeo, S.C., 1971, Geological map of Korea: Moggye sheet, Geological Survey of Korea, 24p.
Park, J.H., 2015, Analysis on disaster area and occurrence area of forest roads in Jeollabuk-do by utilizing GIS, Chunbuk National University, 56p (in Korean with English abstract).
Park, J.H., Park, J.M., 2015, Analysis of the characteristics of the disaster occurrence and the disaster-prone zones on the forest roads in the Jeollabuk-do area, Journal of Korean Forest Society, 104(4), 598-606 (in Korean with English abstract).
Waldron, L.J., Dakessian, S., 1981, Soil reinforcement by roots: Calculation of increased soil shear resistance from root properties, Soil Science, 132(6), 427-435.

상세보기
Wickham, H., Stryjewski, L., 2011, 40 years of boxplots, America Statistician 2011, 11p.
Wieczorek, G.F., Mandrone, G., Decola, L., 1997, The influence of hillslope shape on debris-flow initiation, In: ASCE (ed.), First International Conference Water Resources Engineering Division, SanFrancisco, CA, 21-31.
Wu, T.H., 1976, Investigation of landslides on prince of Wales Island, Alaska, Ohio State University, 94p.
Zevenbergen, L.W., Thorne, C.R., 1987, Quantitative analysis of land surface topography, Earth Surface Processes and Landforms, 12(1), 47-56.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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