사면안정성에 영향을 미치는 요인(문제성 지각 물질들, 유발사건, 수리적 특성의 변화)

액상화(작용)

앞에서 논의된 것처럼 물이 건조한 토양에 점차 첨가되면 그 물질은 처음엔 소성의 성질을 갖는다. 만약 충분한 양의 물이 첨가된다면 입자들은 입자간의 접촉력을 잃고, 그 과정에서 전단력을 잃으면서 느슨한 슬러리로 바뀐다. 고체에서 액체 상태로의 토양 변환은 보통 함수량의 증가에 의한 것으로 액상화(liquefaction)라 한다. 이 변화가 일어나는 변이점은 액성한계로 토양에 따라 다양하다. 특히 약간의 점토를 포함하는 토양과 같은 물질은 매우 높은 액성한계를 갖고 넓은 범위의 함수량에 걸쳐 가소성의 상태를 유지할 수 있다. 이런 토양은 특히 문제가 될 수 있는 데 액성한계가 초과할 때에는 토양의 수분함량이 너무 높아서 물질이 극도로 유체의 성질을 갖게 되기 때문이다.

 

팽창토양과 수밀토양

팽창토양(expansive soil)은 수축-팽창 토양으로 불리기도 하는 것으로 물로 포화되면 크게 팽창하고 마르면 수축한다. 체적의 증가는 대부분 스멕타이트라 불리는 점토광물의 초현미경적인 층 사이에서 물분자의 화학적 결합력에 의해 일어난다(그림6.17A). 증가된 수분 함량에 의한 팽창은 지각 물질의 전단강도를 급격히 감소시켜 흔히 물질의 경사면 이동에 대한 주요원인이 된다. 그것은 또한 그러한 물질 위에 건설된 구조물에 막대한 피해흫 일으킬 수도 있다(그림 6.17B).

그림 6.17 A. 점토층 사이에 물을 첨가할 때에 스apr타이트 한 입자가 확장되는 모습. B. 건축물 아래 토양의 팽창으로 야기될 수 있는 구조적 피해의 종류.

팽창점토가 건도되면 체적의 감소가 일어난다. 수분 손실로 인한 수축과 붕괴는 압축작용(compaction)이라 부른다. 팽창점토 뿐만 아니라 마를 때의 체적의 실질적인 감소가 나타나는 다른 종류의 토양도 있다. 건조와 관련된 극도의 압축작용은 토탄과 같은 물로 포화되고 유기물이 풍부한 토양에 있어서 특히 문제가 된다. 토양의 압축작용은 가끔 지표면의 꺼짐 또는 낮아지는 것을 포함하는 물질이동의 한 형태인 침하를 일으킨다.

 

민감토양

점토가 많은 어떤 토양에서는 입자들이 카드로 만든 집처럼 매우 빈 공간이 많은 상태로 배열되어 있다(그림 6.18). 그러한 배열은 극세립질 해양 점토에서 나타난다. 이러한 점토에서는 염분이 입자들의 끝에 서로 붙여 카드집을 안정화시킨다. 언젠가는 담수성 지하수가 이 지역을 통과하여 점토의 화학적 성분을 변화시키고 염분을 씻어버리게 될 수도 있다. 염분의 안정화 효과가 없어진다면 점토입자는 무너지게 되어 그림 6.18 B에서 보여주는 것처럼 더 치밀한 새로운 배열을 갖게 된다. 느슨한 배열에서 치밀한 배열로의 전이는 갑작스럽고 극적인 전단력의 손실, 다시 말해서 점토 전체를 통해서 놀라운 속도로 퍼져 나갈 수 있는 액상화현상을 야기시킨다. 토양 내부구조의 붕괴에 의한 액상화 또는 압축은 재형성화를 불려진다. 재형상화의 결과로써 전단력을 잃어버린 물질은 민감토양(sensitive soil)이라 부른다. 재형상화와 액상화에 가장 민감한 것들은 유성점토라 부른다. 어떤 다른 종류의 토양은 변형될 때에 갑자기 전단강도를 잃어버리지만 변형을 받지 않을 때에는 점차 강해지고 원래의 특성을 회복한다. 이러한 것을 촉변성점토라 한다.

그림 6.18 예민점토. A.예민점토는 미세한 판 모양의 카드로 집을 만든 것 같은 구조를 갖는다. B. 다져짐 작용, 재형성화 또는 촉변작용의 결과로 나타나는 민감토양의 구조적 변화

유성점토로 구성된 가장 광범위한 퇴적층은 캐나다의 세인트로렌스강 계곡과 스칸디나비아에서 발견된다. 두 곳 모두 천해의 잔잔한 빙하주변의 해양 환경에서 퇴적된 점토이다. 두 지역은 유성점토이 재형상화 외 액생화작용으로 중력사면이동의 피해가 예상되는 지역이었다. 잘 기록된 예로는 1978년에 노르웨이 리사에서 발생한 유성점토의 미끄럼사태이다. 이 사건은 한 농부가 새 헛간을 짓기 위해서 작은 굴착작업을 한 후에 호숫가를 따라 굴착한 토양을 쌓아두면서 발생했다. 그 호숫가에 있는 유성점토 위에 놓여진 잉여하중이 작은 미끄럼사태를 유발하였고 그것이 농장 뒤, 상류계곡에까지 1km이상에 빠르게 전파되었다. 무엇이 경고한 땅을 완전히 액상화 시켰을까? 건물들 전체가 유체화된 흙더미에 의해 시속 20km이상의 속도로 호수를 향하여 본래의 형체를 유지한 채 운반되었다. 사태가 발생한 후에 노르웨이 지질물성 연구소는 그 지역에서 광범위한 연구와 시험을 행하였다. 남아있던 유성점토를 제거되었고 그 지역에 분포하는 사면의 나머지는 완만하게 되었고 안정화되었다.

 

유발사건

 

리사에서 발생한 유성점토에 의한 사태의 예에서처럼 사면붕괴는 어떤 특별한 활동에 의해 유발된다. 조건들의 어떤 조합이 사면붕괴를 야기하는 것은 당연하다: 중규모의 지진은 정상 상태하에서는 산사태를 유발시키지 않으나 민감한 토양이 하부에 분포하는 지역에서는 발생될 수 있다; 축조에 의해 급경사를 이룬 사면은 정상상태에서는 붕괴되지 않으나 예외적으로 큰 폭우기에는 발생할 가능성이 있다. 가장 흔한 유발사건으로는 지진, 화산분출, 사면변형과 그 지역의 수리학적 특성의 변화가 있다.

 

지질과 다른 충격

폭파, 지진, 격렬한 폭풍, 심지어는 트럭이 지나가는 것과 같은 돌발적인 충격은 전단응력을 증가시켜 사면붕괴를 일으킬 수 있다. 강한 흔들림도 액상화를 유도하는 퇴적물 공극수의 수압상승을 가져올 수 있다. 바꾸어 말하면 액상화작용은 항상 함수량의 증가에만 관련돈 것은 아니다. 때로 흔들림은 퇴적물 안에 이미 존재하고 있는 공극수를 서로 병합하게 하여서 퇴적물 입자들이 느슨하게 접촉되도록 한다. 그 결과는 퇴적물의 유체화와 갑작스런 붕괴로 나타나며, 그러한 퇴적물 또는 그 통로 위에 지어진 어떤 구조물도 파괴될 수 있다.

그림 6.19 알래스카 앵커리지 교외의 엉망으로 기울어진 나무와 집들은 점토층의 갑작스런 액화작용과 광범위한 함몰사태를 야기하였던 1964년 대지진이 얼마나 강하게 지면을 흔들어 놓았는지를 잘 보여준다.

지진은 흔히 산사태를 유발한다. 1i970년 페루에서 발생한 큰 지진은 후아스카란 산의 가파른 암벽 사면 아래로 시속 400km에 이르는 속도로 3.5km이상 굉음을 내면서 밀려가는 쇄설 산사태를 유발했다, 융가이와 란라 히르카 마을들은 파괴되었고 2만 여명 이상이 죽었다(그림 6.20).

그림 6.20 페루의 후아스카란 산의 경관과 1970년 5월 지진으로 융가이 마을과 한하히르카마을을 파괴시킨 암설사태.

어떤 지진은 너무나 많은 에너지를 방출하기 때문에 여러 종류와 크기를 갖는 다양한 산사태가 동시에 유발된다. 예를 들면 1929년에 뉴질랜드의 남섬 북서쪽에서 발생한 대규모의 지진은 진앙중심 근처의 1200km² 이상의 산사태를 적어도 1850번 이상 유발했다. 제 3장에서 언급했듯이 알래스타에 발생한 1964년의 대규모 지진은 앵커리지의 거주지역인 텐어게인 하이츠에서 하나의 대규모 산사태를 포함한 많은 산사태를 유발했다. 그 산사태에서 2.5km에 이르는 해안선 구역에서 내륙으로 0.5km까지에 걸쳐 파괴되었고 대규모의 땅덩어리가 대양쪽으로 미끄러졌다. 땅덩어리의 이동은 액상화작용에 의해 촉진되었다. 땅 밑에 놓여있는 모래질 층은 흔들림의 결과로 전단강도를 잃고 슬러리로 되었다. 산사태는 지진바생 후 2분 후에 시작하여 5분간 지속되는 동안에 사태블럭은 300m나 멀리 이동하였고 전적으로 새로운 해안선과 지역 경관이 만들어졌다.

북아메리카의 동부 외해에서 주요 해저 저탁류와 함몰사태는 강한 지진에 의해 야기된 것으로 알려져 있다. 이러한 지진은 1886년 남캐롤라이나 찰스톤에서 하나 발생했으며, 1755년에 매사추세츠 케이츠앤에서도 발생했다 1929년 뉴펀들랜드 그랜드 뱅크 외해에서 발생한 지진은 수중전화선이 연속적인 단절을 야기하였다(그림 6.21). 케이블이 깨진 층과 위치의 증거를 함께 수집하여 이어보면 지진이 엄청난 양의 퇴적물을 이동시키는 적어도 150km 폭의 저탁류를 발생시킨 것으로 결론이 내려졌다. 근원지에서부터 케이블이 끊어진 가장 먼 지역까지의 거리는 470km이고 해저 사태의 최대 속도는 시속 93km로 밝혀졌다.

그림 6.21 1929년 뉴펀들랜드의 그랜드뱅크 외해에서 발생한 해저 사면붕괴. 지진에 의해 발생한 저탁류는 해저 전화케이블을 끊고 적어도 470km를 이동하였다.

 

화산분출

화산분출은 중력사면이동을 유발하는 또 다른 기구이다. 대규모의 순상화산은 용암류, 잡석과 화산쇄설성 물질이 가파른 사면을 이루어 본래 불안정한 집적체로 구성되어 있다. 높고 빙하가 덮인 화산의 사면은 방하침식에 의해 더욱 가파라질 수 있다. 뜨거운 용암이나 화산 쇄설물이 분출하는 동안 정상의 빙하와 만년설이 녹을 때 방출된 거대한 양의 물은 미고결의 퇴적물을 합류하여 빠르게 이동하는 라하가 될 수 있다. 콜롬비아 아메로의 경우에는 이러한 유동성이 큰 이류는 화산분출과 관련된 주요 재앙 중의 하나로 매우 빠른 속도로 먼 거리를 이동할 수 있다.

 

사면변형괴 밑도려냄 작용

산사태는 자연사면이 자연적으로 또는 인위적으로 변형될 때 흔히 발생된다. 예를 들어, 미끄럼사태는 도로가 표토나 불안정한 암석을 잘라내어 안식각을 초과하게 하거나 약한 기반을 노출시켜 인위적 사면을 만드는 곳으로 발생할 수 있다(그림 6.22). 그러한 산사태는 특히 도로가 변형퇴적암 또는 변성암을 잘라내어 건설된 산악지역과 해안절벽을 따라 흔하다.

그림 6.22 도로를 건설기 경사면의 변형은 사면붕괴를 초래한다. A. 도시건설시의 퇴적물의 자연안식각이 초과된다. B. 가파른 사면은 붕괴되고 산사태는 길을 덮어버린다. C. 도로절단면은 퇴적암의 층면이나 변성암의 엽리와 같은 자연적 약대면을 노출시킬 수 있다. 이것을 사면붕괴의 요인이 된다.(D)

과하증은 예를 들어 - 사면 꼭대기에 건축물이 놓여 있거나 굴착물이 쌓여 있는 경우-하중에 의한 경사 효과 분만 아니라 추가된 무게 때문에 사면붕괴를 유발할 수도 있다. 예를 들어, 1966년에 리오데 자네이로의 과도한 강우는 도로의 가파른 사면을 붕괴시켰다. 이런 작은 사태에 포함된 작은 양의 물질이 하부사면의 상부에 과하중을 주어서 몇 채의 집과 두 채의 아파트가 파괴되고 132명을 앗아간 대규모의 산사태를 유발했던 것이다(그림6.23).

그림 6.23 지나치게 경사진 도로절단면이 브라질 리오데자네이로에 있는 이 사면의 초기 붕괴를 야기하였다. 초기 사태물질의 무게는 사면에 과하중을 주었고 대규모의 산사태를 일으켰다. 132명을 사망자를 발생한 것으로 알려졌다: 아마도 많은 사람들이 매몰된 채 남아 있을 것으로 추측된다.

너무 가파른 인위적 사면 역시 가끔 붕괴된다. 가장 잘 알려진 예로는 아마 1966년에 웨일즈의 애버팬 탄광 마을에서 발생한 사건일 것이다(그림 6.24). 광산작업 후 남은 쇄설물은 팁이라 불리는 커다란 인공 언덕에 쌓아 놓았다. 10월의 어느 아침에 대규모의 사면붕괴가 팁들 중 하나에서 발생했다(그림 6.24). 팁 내에서 배수는 불량했으며 그 결과 하부가 포화되고 결국 액화되었음이 나중에 밝혀졌다. 팁의 상부는 밑의 액화된 물질 위를 따라서 응집체로서 이동하였다. 이 유체화된 물질이 멈추었을 때 대부분의 수분 함량을 잃었고 원래의 고형 상태로 되돌아갔다. 이 사태는 116명의 어린이와 5명의 선생님이 죽은 초등학교를 포함한 마을의 일부분을 삼켜버렸으며 전체적으로는 144명이의 생명을 앗아갔다.

그림 6.24 1966년 10월 웨일즈의 애버팬에서 발생한 7번 석탄팁의 붕괴

제방을 따라 하천에 의한 밑도려냄 작용 또는 해안에 따라 파도에 의한 밑도려냄 작용의 결과로 사면이 자연적으로 가파라짐에 따라 함몰사태와 여러 형태의 산사태가 유발될 수 있다. 해안사태는 흔히 암석 곶 또는 고화되지 않은 퇴적물로 구성된 절벽의 기저부를 향해 에너지를 집중사키는 큰 폭풍과 관계가 있다(그림6.25).

그림 6.25 하와이 섬 해안을 따라서 분포되는 가파른 해안절벽은 파도에 의해 밑도려냄을 쉽게 받는다. 절벽이 붕괴될 때 생긴 산사태 쇄설물들은 파도와 해류에 의하여 빠르게 재동되고, 이와 같은 과정은 다시 반복된다.

 

수리적 특성과 변화

어떤 지역 내의 지표수 또는 배수 특성의 변화는 가끔 산사태를 일으키는 원인이 된다. 예를 들어 폭우 또는 장기간의 강우는 땅을 포화시켜 불안정한 상태로 만든다. 1925년 서부 와이오밍의 그러스벤터강 분지에서 발생한 경우로서 오랜 비가 눈이 녹은 물과 섞여 쇄설류를 발생한 것이다. 계곡바닥을 항해 경사져 있는 불투수 암층 위의 공극이 많은 사람이 그 혼합된 물에 의해 포화되었다. 이렇게 물로 포화된 상태는 사면 붕괴를 일으키는 이상적인 조선이 된다. 3천7백만 m³로 추정되는 암석과 표토, 유기쇄설물은 빠르게 사면 아래로 흘러내렸고 강물을 가두어 자연적인 댐을 만들어 놓았다. 그리고 2년 후 그 자연제방은 붕괴도고 몇 사람의 죽음을 가져온 홍수를 일으켰다. 쇄설류가 발생한 지 70년 이상이 지난 현재도 그 사태의 머리 부분에 생긴 급경사면은 특정적으로 무질서한 지형을 보여주며 아직도 생생하게 남아있다(그림 6.26).

그림 6.26 와이오밍주의 그로스벤터 강 분지에서 발생한 쇄설류. 1925년에 발생한 쇄설류는 지형사의 흔적인 대규모의 침식면을 남겼다. 쇄설류의 기원은 상부 중앙에 벌거벗은 곳이며 쇄설류의 말단부는 사진 앞부분이므로 흐름은 사진을 보는 사람을 항해 흘렀다.

큰 저수지 안에 퇴적물로 채워질 때에 지표수의 상태가 또한 변화될 수 있다. 때때로 하부층에 있는 암석 내 공극에서 증가된 수압은 다른 불안정 요소와 결합되어 중력사면이동을 일으키는 요인이 된다. 그러한 요인들은 1963년 이탈리아에서 발생한 세계적인 최악인 댐 사고를 일으켰다. 거의 2억 5천만 m³에 달하는 암석덩어리와 쇄설물들이 바이온트 댐 뒤 저수지로 미끄러져 들어갔다(그림 6.27). 그 혼합물들은 저수지를 가득 채웠고 100m 높이의 높은 차도를 일으켰으며, 이 파도는 댐을 넘쳐 모두 휩쓸어 버렸고 3000명에 달하는 생명을 앗아갔다. 이 사태는 경사면은 저수지를 향해 경사하는 빈 열극들을 가진 본래 불안정한 석회암 블록으로 구성되어 있으며; 저수지에 갇힌 물은 계곡 암벽의 공극수압을 증가시켰으며; 오랜 기간 동안 내린 평균이상의 강우로 계곡 벽은 높은 수압을 받게 되었다, 산사태 그 자체는 3년이 넘는 매우 느린 포행기간의 결과였다. 포행률은 사태 발생 전날에 극적으로 증가했으나 기술자들은 산사태가 발생하기 바로 전날 계곡 벽의 엄청난 부분이 하나의 덩어리로 사면 아래로 움직이고 있음을 알았을 때도 방심하고 있었다.

그림 6.27 1963년에 일어난 사태의 범위를 보여주는 바이온트 댐과 저수지의 스케치지도. 사면이 붕괴되었을 때에 커다란 땅 덩어리가 저수지로 미끄러져 들어가면서 물을 이동시켜 댐을 범람한 거대한 파도를 일으켰다. 이 파도에 의해 상류와 하류지역 모두가 홍수로 피해를 보았다.

언덕사면 상에서 도시시설의 개발은 궁극적으로 사면붕괴를 일으키는 역할을 하는 수리학적 변화를 야기할 수 있다. 예를 들어, 캐나다 온타리오주 토론토에서 집들은 온타리오 로수의 연안을 따라 절묘한 절벽의 연속체를 이루고 있는 스카보로 블러프의 가장자리를 따라 건축되어져 왔다. 세립질의 빙하기원 실트와 점토로 이루어진 절벽들은 기저부에서 파도의 작용으로 계속 가파라지고 있다. 퇴적물에서는 균열이 발생하고 지표면의 배수는 약한 지대를 따라 집중되는 경향을 보였다. 이 지대의 간헐적인 사면붕괴는 깊이 파인 혐곡들을 만들었다. 자연 배수계의 본질적 문제점은 절벽 정상부의 산림벌채 및 불투수성 표면의 증가 그리고 정화조 시스템, 수영장과 기타 가정으로부터 공급되는 집중된 배수에 의해 증폭되고 있었다. 연안선의 일부분을 따라 사면붕괴가 발생하여 이들 절벽은 매년 5m의 비율로 후퇴하고 있다.

그림6.28 온타리오 호수 연안을 따라 분포하는 토론토의 스카보로 불러프의 사진. 연안선 일부분에서 절벽은 사면붕괴의 결과로 1년만에 5m의 비율로 후퇴하였다

 

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