Research Article

The Journal of Engineering Geology. March 2020. 31-42
https://doi.org/10.9720/kseg.2020.1.031


ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 연구지역

  • 시추자료를 이용한 지질 경계면의 파악

  • 물리검층과 하향식 탄성파탐사 자료에 의한 지질 연약대 파악

  • 전기비저항 단면에서의 이상대 파악

  • 결론

서 론

최근 세계적인 이상기후로 인하여 산사태의 발생이 증가하고 있으며, 이로 인한 인명 및 재산피해가 지속적으로 발생하는 추세이다. 국내에서도 특히 2011년 7월의 집중호우로 서울, 경기, 춘천, 등의 도시생활권을 중심으로 산사태가 대규모로 발생하여 사회적 이슈 및 국민들의 관심이 급증한 바 있었고, 이후 과학적이며 체계적인 산사태 예방차원의 연구 활동이 지속되고 있다(NFCF, 2013).

산사태(landslide)는 일반적으로 지반물질(subsurface materials)이 하부로 이동하는 현상을 말한다. 더 정확히 표현하면 서로 연결되어있는 토질이나 암석이 무너지고 파괴되면서 하부로 빠르게 이동하는 것으로서 이동의 형태에 따라 낙석(falling), 점착력이 있는 연약한 지반물질이 원형으로 파괴되는 슬럼프(slump) 및 흙사태, 암석사태와 같은 활동(sliding), 암석이나 토질이 아주 느린 속도로 이동하는 포행(creep)과 같은 흐름(flow)으로 분류되며, 때로는 슬럼프와 지하수로 인한 흐름이 복합적으로 일어나기도 한다(Kim et al., 2017a, Kim et al., 2017b).

산사태는 집중호우 또는 우기 때 급속하게 발생함에 따라 재해 징후의 사전 파악 및 신속한 주민대피가 어려운 실정이므로 적지 선정을 통한 예방 사방이 절실한 실정이다. 지표에서 일어나는 산사태 발생의 근본적인 원인이 되는 지질 연약대(geological weak zone)를 조사하기 위하여 지표지질 및 지구물리 조사를 병행하여 산사태 이상 징후의 기초자료를 구축하고 활용하는 것이 바람직하다. 부연 설명하면 산사태는 산지의 기반암을 피복하고 있는 토사 및 수목, 지질학적인 불연속면(층리, 절리, 단층과 관련)이 강수로 인한 전단계수 감소와 같은 내 ‧ 외적 요인에 의해 미끄러져 흘러내리면서 발생한다(Lee and Park, 2004; Ko et al., 2014; Kim et al., 2017b). 특히 사면 붕괴는 퇴적암의 층리와 변성암의 엽리에 의한 파괴, 단층 파쇄대를 따른 활동 파괴, 토사사면 내에 잔존되어 있는 불연속면을 따라 파괴 및 상이한 지층의 경계부에서 파괴 등으로 복잡한 지질적 특성에 관련하여 발생된다(Lee, 2007). 이와 같은 특성은 일반적인 지표지질조사와 같은 현장조사로 확인하기는 어렵다. 따라서 지반조사 분야에서 정확한 평가를 내리기 위해서는 지표뿐만 아니라 지하에 대한 정보를 얻어 이들을 서로 상관해석하는 것이 필수적이며 특히 지하구조나 지하 물성정보를 정량적으로 파악하기 위해서는 다양한 물리탐사를 복합적으로 실시하는 것이 요구된다(Kim et al., 2001; Nascimento da Silva et al., 2004; Shin et al., 2018).

이 연구에서는 2014년 소규모 미끄럼사태가 일어난 충남 태안군 신진도리 붕괴사면(Fig. 1)에 대한 지질매질의 물성 정보 및 연약대를 파악하기 위해 시추 ‧ 물리검층 자료, 시추공 탄성파 속도 및 지표 전기비저항 자료를 복합해석하였다.

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Fig. 1.

(a) Location and geological map of the study area, (b) including the two boreholes (BH-1 and BH-2) and photographs of landslide scenes. Legend: Jgr, granite; PCEses, schist; ls, limestone; q, quartzite.

연구지역

연구지역에 분포하는 지질은 선캠브리아기의 변성퇴적암류 및 고기관입암류를 포함하는 중생대의 화성암류로 구성된다(Jang and Lee, 1982)(Fig. 1a). 변성퇴적암류는 본역 서부의 고변성퇴적암류와 동부의 저변성퇴적암류로 구분되며, 양자의 관계는 변성정도의 강도에 있어서 크게 차이가 있을 뿐 아니라 상호 부정합적인 관계로 나타나고 있다. 고기관입암류는 화강편마암과 석영장석질편암으로 나누어지며 현저한 편리의 발달 상태나 습곡구조를 보여주고 있다. 중생대 관입암류는 판상구조를 보여주는 반상섬장암과 편상화강암, 이들을 관입하고 편상구조가 없는 흑운모화강암 및 암맥류로 구성된다. 반상섬장암과 반상화강암은 암상으로 보아 쥬라기 화강암류으로 볼 수 있다.

Park(2015)에 따르면 2015년까지 우리나라 땅밀림 산사태지의 다수를 차지하는 암석 성인별 모암은 변성암류인 것으로 평가되었다. 변성암류인 편암과 편마암은 풍화대를 깊게 형성시키며, 풍화된 토양은 점토분이 많아서 땅밀림 현상이 용이하게 발생하는 것으로 보고되어 있다(Jau et al., 2000; Park et al., 2003). 이 지역은 호상편마암, 규암, 석회암 등이 교호하게 혼재된 습곡구간으로 추정되며 지질학적으로 습곡구간은 기반암의 경사가 불규칙하고 풍화가 급격히 진행되는 특징을 가지고 있어 사면 형성 시 잠재적 붕괴 취약성이 다소 높은 것으로 나타났다.

깊이에 따른 암반의 역학적 특성, 지질의 구조 상태, 지하수 분포상태, 지하매질의 물성 등을 파악하기 위하여 붕괴 구간을 기준으로 상부와 하부에 각각 굴착한 시추공(BH-1, BH-2)(Fig. 1b)에서 시추조사, 물리검층 및 시추공 하향식 탄성파탐사를 실시하였다. 또한 쌍극자배열 전기비저항 탐사를 통하여 두 개의 시추공 구간을 통과하는 지층구조 및 연약대를 2차원 단면으로 해석하였다.

시추자료를 이용한 지질 경계면의 파악

지하지질의 구성 물질과 그 역학적인 특성 및 깊이와 연장성을 파악하기 위하여 붕괴 구간의 상부(BH-2)와 하부(BH-1)에 각각 약 9.5 m, 12.5 m 깊이까지 시추조사를 실시하였다(Fig. 2). 추가적으로 같은 시추공에서 하향식 탄성파탐사(downhole seismic survey)를 수행하여 지하매질의 P파와 S파의 속도 및 이와 관련되어 계산되는 포아송 비(Poison’s ratio)를 결정하고, γ-γ 검층으로 매질의 밀도를 파악하였다.

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Fig. 2.

Stratigraphic cross-section reconstructed from borehole (BH-1 and BH-2) data. Groundwater levels are indicated by short arrows.

Fig. 2에서 시추공 BH-1 하부의 지층은 약 0.9 m의 깊이의 붕적층(자갈이 섞인 실트질 모래)이 존재하고 그 밑으로 약 1.1 m 두께(0.9~2.0 m의 깊이)의 풍화토(실트질 점토 및 모래)가 있다. 풍화토 하부로 약 4.5 m 두께(2.0~6.5 m의 깊이)의 풍화암(암편이 섞인 실트질 모래)이 분포하고 깊이 6.5 m 이하에서는 연암(석회암)이 나타났다. 표준관입시험(standard penetrating test, SPT)에서 얻어진 N값은 붕적층 밑에서 50/10~50/3으로 매우 조밀한 상대밀도를 나타내고 있다. 여기서 50/10과 50/3의 N값은 63.5 kg의 해머로 분리형 원통 샘플러(split spoon sampler)를 50회 타격하여 각각 10 cm와 3 cm 만큼 들어갔다는 의미를 나타낸다.

사면의 상부에 위치한 시추공 BH-2에서는 지표에서부터 1.0 m 깊이까지 붕적층이 분포하고, 풍화토는 약 6.8 m의 두께(1.0~7.8 m 깊이)를 가진다. 풍화암은 7.8~9.5 m 깊이에 분포하고 있으며 연암은 깊이 9.5 m 이하에서 보인다. SPT에서 얻어진 N값은 깊이가 증가할수록 완만한 증가세를 보이며 6~7.8 m 구간은 5/30의 값으로 위아래의 값들보다 현저히 낮은 값을 보여 느슨한 지층 상태로 보인다.

시추조사 결과 산사태가 발생한 상부 BH-2 부근에서 약 7 m 깊이의 두께로 분포하는 토사층이 하부 BH-1 지점에서 거의 유실된 것으로 확인되었다. 이것은 불포화 토양수 및 초과 강수에 따른 지하수위 상승으로 물을 많이 함유한 실트질 점토로 인해 풍화토의 전단력이 감소되어 미끄럼 사태가 일어난 것으로 해석하였다.

물리검층과 하향식 탄성파탐사 자료에 의한 지질 연약대 파악

분해능이 낮은 지표탐사 자료 외에 현지(in-situ) 물성을 강조하는 지층구분 연구는 시추 코어자료, 시추공탐사자료 및 물리검층 자료를 분석하여 진행하는 경우가 많다. Kim and Jang(1998)은 전기비저항검층, 밀도검층 및 자연감마선검층 자료의 분석결과와 시추코어 분석을 통해 지층을 구분하였다. Lee et al.(2011)은 시추코어 자료와 완전파형 음파검층, 밀도검층 자료를 이용하여 청주 화강암의 물성을 분석하고 절리분포를 파악하는 연구로 지층을 세분하였다. 또한 시추공 영상자료와 시추코어 자료, 완전파형 음파검층 자료를 분석하고 지층 구분과의 상관성을 밝히는 연구도 수행되었다(Song et al., 2002).

Tables 1, 2는 각각 시추공 BH-1과 BH-2에 대하여 물리검층 및 하향식 탄성파탐사를 실시하여 해석된 깊이에 따른 지하매질의 물성을 보여준다. 시추공 BH-1에서 밀도와 포아송 비는 큰 변화를 보이지 않고 있지만, 매우 얇은 풍화토를 지나면서 급격히 증가하는 탄성파 속도는 풍화암 안에서 완만하게 증가하는 추세를 보인 후 연암을 지나면서 보다 급히 증가하고 있다(Table 1).

Table 1. Classification of lithology based on the physical properties and N-values from SPT, downhole seismic survey, and γ-γ logging for the borehole BH-1

Depth (m) Layer Vp (m/sec) Vs (m/sec) Poisson's ratio Density (g/cm3) N-value
0.0~1.0 Colluvial soil 370 150 0.40 1.83 50
1.0~2.0 Weathering soil 990 324 0.44 1.83 50
2.0~3.0 Weathering rock 2,101 489 0.47 1.83 50
3.0~4.0 2,155 517 0.47 1.8 50
4.0~5.0 2,174 523 0.47 1.81 50
5.0~6.0 2,381 612 0.46 1.85 50
6.0~7.0 2,717 840 0.45 1.88 -
Soft rock
7.0~8.0 3,289 1,333 0.40 2.03
8.0~9.0 3,937 1,754 0.38 2.09

Table 2. Classification of lithology based on physical properties and N-values from SPT, downhole seismic survey, and γ-γ logging for borehole BH-2

Depth (m) Layer Vp (m/sec) Vs (m/sec) Poisson's ratio Density (g/cm3) N-value
0.0~1.0 Colluvial soil 269 105 0.41 1.80 5
1.0~2.0 Weathering soil 297 116 0.41 1.85 6
2.0~3.0 438 180 0.40 1.71 7
3.0~4.0 547 224 0.40 1.77 9
4.0~5.0 614 260 0.39 1.80 12
5.0~6.0 560 241 0.39 1.76 5
6.0~7.0 605 261 0.39 1.63 5
7.0~8.0 1,923 396 0.48 1.73 50
8.0~9.0 Weathering rock 1,970 411 0.48 1.89 48
9.0~10.0 2,162 545 0.47 2.10 -
Soft rock
10.0~11.0 3,044 1,094 0.43 2.22
11.0~12.0 3,333 1,363 0.40 2.28

시추공 BH-2에서도 풍화토 구간에서 시추공 BH-1에서와 비슷한 분포 값으로 탄성파 속도와 밀도가 완만한 증가세를 보이지만, N값이 작게 나온 구간에서는 밀도와 포아송 비가 상대적으로 작은 값을 보인다(Table 2의 음영 구간). 이것은 토사층이 지하수위 상승 또는 토양수로 충전된 점토나 실트질의 영향으로 S파 속도의 변화에 따른 것으로서 상대적으로 느슨한 연약지반의 특징으로 해석된다.

전기비저항 단면에서의 이상대 파악

지하수의 분포 및 그 함량에 민감하게 반응하고 단층 및 파쇄대 탐지, 공동 탐지, 연약대 탐지 등에 매우 효과적으로 적용되고 있는 쌍극자배열 전기비저항 탐사(electrical dipole-dipole resistivity survey)를 연약대 탐지에 활용하였다. 이 방법은 쌍극자 배열을 사용하여 지하에 흘려보낸 직류 또는 저주파 교류 전류원에 의해 만들어지는 전위차를 측정함으로써 궁극적으로 지하의 2차원 전기비저항 단면을 작성하여 지하구조를 해석하는 방법이다(Kim et al., 2014).

특히 점토의 경우에는 전기비저항 값이 더욱 복잡한 양상을 띠는데 이는 입자상 또는 입자들 사이에 매우 높은 전기전도도를 나타내는 분산이중층(diffuse double layer)이 폭넓게 형성되기 때문이다(Jackson et al., 1978). 또한 점토의 전기비저항은 함수비에 따라 크게 달라져 예를 들어 수분이 30~40% 포함된 점토는 1~100 Ω ‧ m로서 250~1,700 Ω ‧ m의 표토, 100~200 Ω ‧ m의 마른점토에 비해 훨씬 낮은 것으로 평가되었다(Reynolds, 1997). 참고로 Table 3은 풍화토, 풍화암과 기반암에 대하여 해석된 나이지리아 칸토 지방의 지질 매질에 대한 전기비저항 값이다.

Table 3. Material types and their representative resistivity ranges for Kano State, Nigeria (Modified from Reynolds, 1997)

Material Resistivity range ( Ω ‧ m)
Sandy soil with clay 60~100
Clayey sand soil 30~60
Clay 10~50
Weathered biotite granite 50~100
Weathered granite 50~140
Fresh granite 750~8,000

연구지역에 대한 쌍극자배열 전기비저항 탐사는 사태의 원인이 되는 주된 토사층의 미끄럼 활동이 점토의 전단강도 감소에 의해 일어날 수 있다는 점토융기 해석(Kim et al., 2001)을 참조하여 이와 관련된 지질 연약대를 파악하는데 초점을 두고 실시하였다. 탐사는 붕괴된 사면을 대상으로 측정거리 100 m인 3개 측선(L-1, L-2, L-3)과 이와 교차되는 측정거리 150 m인 1개의 측선(L-4)을 운용하였고, 이로부터 수집한 전기비저항 자료를 소프트웨어 Dipro(1996)를 이용하여 처리 ‧ 해석하고 이를 시추공 자료들과 연관시켜 지질 연약대를 파악하였다(Fig. 3).

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Fig. 3.

Topographic map showing locations of electrical dipole-dipole lines (L-1 to L-4) and boreholes BH-1 and BH-2 in the collapsed area. Note that line L-4 was set to run subperpendicular to the other lines on the ground.

모든 측선에서 쌍극자 간격 a는 5 m, 깊이 인자 n은 8로 설정하여 약 25 m의 가탐심도를 확보하였다. NE-SW 방향의 측선 L-1, L-2, L-3에서 모두 150 Ω ‧ m 이하의 전기비저항을 갖는 약 8 m 두께의 경사층은 붕괴 사면의 미끄럼 활동의 주된 역할을 하는 지질 연약층(풍화 토사층)으로서 하부 0~45 m 거리에서 지면에 거의 노출되고 있다(Figs. 4a, 4b, 4c). 상부 45~100 m 거리에서 지층면과 평행으로 남아있는 400 Ω ‧ m 내외의 고비저항대는 자갈을 다량 함유하고 있는 붕적층으로 해석되는데 이것은 특히 거리 75 m 지점에서 자갈이 다수 쌓여있는 테일러스 지형으로 현장에서 잘 관찰된 바 있다. SE-NW 방향의 측선 L-4는 고도 변화가 거의 없고(Fig. 3) 다른 측선들에서 해석된 경사진 저비항 연약대가 그 위에 고비저항 붕적층 없이 거의 수평으로 노출된 것은 측선의 고도 자체가 낮아 앞 측선들에서 해석된 일정 깊이의 경사진 저비저항대를 일관적으로 잘 뒷받침해준다.

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Fig. 4.

Dipole-dipole resistivity structures for lines (a) L-1, (b) L-2, (c) L-3, and (d) L-4. Geological weak zones of low resistivity (<150 Ω ‧ m) are associated with wet silty clays in weathered soil. The dashed-blue segment including the borehole is shown as close-ups in Fig. 5.

측선 L-2의 거리 36 m와 L-4의 거리 76 m 지점에서 교차하는 BH-2 시추자료(Fig. 2)의 세립질 점토, 실트의 풍화토층와 물리검층자료(Tables 1, 2)는 모든 측선에서 일관되게 나타나는 약 8 m 두께의 전기비저항 연약대(Fig. 4)를 잘 설명해주고 있다. 시추자료와의 상관은 시추공 BH-1과 BH-2 부근을 지나는 측선 L-2와 L-4의 확대 단면(Fig. 5)에서 잘 관찰된다. 붕괴가 발생한 사면 상부의 붕적층 밑에 있는 전기비저항 값이 10~150 Ω ‧ m인 풍화층은 점토, 실트로 구성된 토사층으로서 약 10 m의 두께로 분포하고 있다. 석회암으로 이루어진 연암은 그 표면이 지표로부터 약 10 m 깊이로 200 Ω ‧ m 이상의 비저항 값을 보이고 있다.

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Fig. 5.

Close-ups of resistivity structures near boreholes BH-1 and BH-2 for lines (a) L-2 and (b) L-4. The low-resistivity zones denoted by the dotted red lines correspond closely to the weathered soil horizons identified from borehole data.

이 지역에서 일어난 소규모 산사태는 집중 호우로 인하여 상승하는 지하수위의 영향으로 점토층의 함수율이 증가하고 아울러 강수율이 지질의 평균 침투율보다 높아서 상부의 자갈로 이루어진 붕적층을 쉽게 통과하는 초과침투 현상이 주요 발생 원인으로서, 이 침투수가 실트질 점토로 이루어진 풍화층의 전단계수를 더욱 감소시켜 토사 사면이 불연속 경계면을 따라 파괴되어 미끄러지는 형태로 나타난 것으로 해석된다.

결 론

2014년 집중호우로 충남 태안 신진도리에서 발생한 소규모 산사태와 관련된 지질 연약대를 파악하기 위하여 시추 ‧ 검층 및 전기비저항 자료들을 복합적으로 해석하였다.

물리검층과 하향식 탄성파탐사에 의한 연약대 분석에서 시추공 BH-2에서 N값이 낮게 나온 구간에서 밀도와 포아송 비가 상대적으로 낮게 나타난 것은 토사층의 점토나 실트가 초과 강수와 상승 지하수로 충전되어 수반되는 S파 속도의 변화에 기인하는 것으로서 상대적으로 느슨한 연약지반의 특징으로 해석된다.

토사사면의 붕괴 구간을 중심으로 실시한 쌍극자배열 전기비저항 탐사에서는 8 m 내외의 두께를 가지며 붕괴의 주된 역할을 한 것으로 추정되는 150 Ω ‧ m 이하의 저비저항 연약대를 파악할 수 있었다. 이와 같은 저비저항 이상대는 시추 ‧ 검층자료에서 해석된 세립 실트질 점토로 이루어진 풍화토층과 잘 상관되었다.

시추 조사에서 산사태의 발생으로 하부 BH-1 지점에서 거의 유실되어 없어진 토사층이 상부 BH-2에서는 약 8 m의 두께로 분포하고 불포화 토양수로 일부 충전된 점토 및 실트를 다량 포함하고 있는 점으로 보아 이 풍화토가 전단력이 감소되어 미끄럼 사태의 요인이 되는 역할을 한 것으로 해석하였다.

Acknowledgements

이 논문은 충북대학교 국립대학육성사업(2019) 지원을 받아 작성되었음을 밝힌다.

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