토석류

왜 배우는가: 토석류는 산사태와 이어지는 산지 재해이며, 설계와 방재 답안에서 발생 원리와 피해 범위를 함께 묻는 주제이다. 정의와 발생 원리를 구분해 설명하지 못하면 감점되므로 기본 개념을 정확히 익혀야 한다.

출제 이력: 제137회 1교시 12번, 제126회 1교시 6번, 제116회 1교시 8번, 제93회 1교시 1번, 제87회 1교시 9번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

토석류는 물을 포함한 토사와 암석 덩어리가 계곡을 따라 고농도 혼합류로 빠르게 흘러내리는 산지 사면재해이다.

토석류는 산사태로 생긴 토석이나 계류 바닥에 쌓여 있던 토석이 한꺼번에 하류로 밀려 내려가는 현상이다. 산사태에서 시작되는 경우가 많아 산사태와 발생 경로가 이어지며, 두 현상은 구분해서 설명해야 한다.

핵심 키워드

• 고농도 혼합류: 토사, 암편, 물이 섞여 흐르는 유체로, 고체 비율이 높아 물 흐름과 다르게 거동한다.
• 계류: 산지 계곡을 흐르는 물길이며 토석류가 이동하고 퇴적하는 통로이다.
• 전단력과 전단저항력: 토석을 하류로 밀어내는 힘과 이를 붙잡는 힘이다. 전단력이 전단저항력보다 커지면 토석이 흐르기 시작한다.
• 간극수압: 흙 입자 사이를 채운 물의 압력이다. 간극수압이 올라가면 입자 사이 마찰이 줄어 저항이 떨어진다.
• 유동화: 포화된 흙이 버티던 상태에서 액체처럼 흐르는 상태로 바뀌는 현상이다.
• 항복응력: 흐름이 시작되기 위해 넘어야 하는 최소 응력이다. 토석류는 이 값을 넘어야 움직이고 속도가 느려지면 멈춘다.

2. 개념 풀이

토석류는 산사태 등으로 생긴 토석이나 계류 바닥에 쌓인 토석이 물과 섞여 급경사 수로를 따라 한꺼번에 흘러내리는 지질 현상이다. 물을 포함한 흙과 파쇄된 암석 덩어리가 산비탈을 따라 흘러 계곡 바닥에 두꺼운 진흙 퇴적물을 남기는 것이 특징이다. 흐름 속 고체 체적 농도가 40~50% 초과이고 나머지가 물이므로, 흙 자체가 흐름의 본체가 된다.

토석류의 원리는 힘의 균형으로 설명한다. 호우가 내리면 토사에 물이 스며 간극수압이 올라가고, 입자 사이 마찰이 줄어 전단저항력이 떨어진다. 그 결과 전단력이 저항을 넘으면 사면 물질이 무너지고, 무너진 토석에 물이 더해지면서 유동화가 일어난다. 이때 흐름은 항복응력을 가진 점성 유체와 비슷해서, 속도가 느린 구간에서는 점성이 커 멈추고 속도가 빨라질수록 점성이 낮아져 더 멀리 흐른다. 그래서 토석류는 완만한 지형에 이르면 흐름이 멈춰 쌓인다.

토석류의 발생 형태는 두 가지가 대부분이다.

• 붕괴형: 호우로 산비탈 사면이 무너지고, 붕괴토사가 분출수와 표면 유수에 섞여 급경사면을 따라 곧바로 토석류가 되는 형태이다. 붕락의 충격이 계류 바닥의 흙을 유동화시키는 경우도 이 형태에 든다.
• 계류비탈 침식형: 계류 바닥에 쌓인 흙이 홍수로 급격히 흘러내려 토석류가 되고, 흐름이 계류 비탈면을 침식하며 흙을 더 모아 규모가 커지는 형태이다.

토석류는 머드플로우와 구분해야 한다. 언론 보도는 토석류를 머드플로우라고 부르는 경우가 많지만, 진짜 머드플로우는 모래보다 작은 입자가 주를 이루는 흐름이다. 토석류는 미세한 점토 입자부터 거대한 암괴까지 크기가 다양한 입자를 포함하는 것이 정의상 특징이다. 삼림 지역의 토석류에는 통나무와 나무 그루터기 같은 목재 파편도 많이 실린다.

가파른 수로를 따라 흐르는 토석류는 일반적으로 10 m/s 초과 속도에 이르며, 일부 대규모 흐름은 이보다 빠르다. 이 속도와 고농도 혼합 특성 때문에 토석류는 건물, 도로, 사람에게 매우 큰 충격을 준다. 고체 농도가 약 10~40%인 과농축 홍수는 토석류와 다소 다르게 거동하고, 평상시 하천 흐름은 이보다 농도가 훨씬 낮다.

토석류가 시작되는 필요 조건은 가파른 경사면, 풍부한 느슨한 퇴적물, 흙이나 풍화암의 존재, 그리고 이 물질을 거의 포화 상태로 만들 만큼의 충분한 물이다. 산림이나 덤불에 불이 난 뒤에는 식생이 사라져 사면이 노출되므로 토석류가 더 자주 발생할 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

국토의 많은 부분이 산지인 지형에서 산지 개발과 도로, 주택 건설이 사면 가까이 이루어지면서 토석류가 사람과 시설에 직접 닿는 일이 늘었다. 토석류는 고농도이고 이동 속도가 빨라 한 번 발생하면 피해를 막기 어렵다. 따라서 발생 이전 단계의 조사와 대책이 중요하다.

토석류는 많은 가파른 산악 지역에서 상당한 위험을 주는 재해이다. 일본, 중국, 대만, 미국, 캐나다, 뉴질랜드, 필리핀, 유럽 알프스, 러시아, 카자흐스탄 등 여러 지역에서 피해가 주목받았다. 20세기에도 토석류로 대규모 인명 피해가 발생해 국제적으로 중요한 재해로 다뤄졌다.

일본 후지산 사방사무소의 사례는 대책의 방향을 보여준다. 이 기관은 1969년에 설립되어 오사와 붕괴 사면의 토석류를 통제하기 위해 선상지 위에 일련의 사방댐을 세웠다. 또한 선상지 말단에 수로를 만들어 토석류를 하천으로 안전하게 보냈고, 그 결과 하류 마을이 이전보다 안전해졌다.