토석류 대책시설

왜 배우는가: 토석류는 집중호우 때마다 산지 계곡에서 반복 발생해 인명과 재산 피해를 일으키므로 실무에서 대책시설 계획의 기본이 된다. 시험에서도 발생 원리, 대책 분류, 결정 기준이 함께 묻혀 해마다 출제 빈도가 높다.

출제 이력: 제135회 3교시 4번, 제108회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

토석류 대책시설은 산지 계곡을 따라 이동하는 토석류를 억제·유도·저류하여 하류의 인명과 재산을 보호하는 공작물과 시설의 총칭이다.

• 토석류 (Debris Flow)
• 사방시설
• 사방댐
• 저류공
• 유도제방
• 포화도
• 흐름형 산사태

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 산비탈의 흙과 돌이 폭우로 물에 흠뻑 젖어 계곡을 따라 한꺼번에 쏟아져 내려오는 현상이다. 정식으로는 산지 급사면의 토사와 암편이 강우로 포화되어 물과 섞여 계곡을 따라 빠르게 흐르는 흐름형 산사태를 말한다.

토석류는 흐름 속 물질의 농도로 구분된다. 체적 퇴적물 농도가 약 40~50%를 넘으며 나머지 부피를 물이 채운다. 이보다 농도가 낮으면 일반 하천 흐름이나 과농축 홍수에 가깝다. 따라서 토석류는 물이 흙을 실어 나르는 수준을 넘어, 고체 입자가 흐름의 주된 부분을 차지하는 현상으로 이해해야 한다. 체적 농도 40~50% 초과

토석류는 사면 붕괴와 다르다. 사면 붕괴는 하나의 덩어리가 파괴면을 따라 미끄러지는 반면, 토석류는 느슨한 입자들이 흐름 안에서 각각 독립적으로 움직인다. 그래서 대책도 사면 안정 공법만으로는 부족하고, 이동 경로와 퇴적 구간을 함께 다루어야 한다.

사방(砂防)은 황폐지를 복구하거나 산지 붕괴, 토석 유출, 모래 날림을 막기 위해 공작물을 설치하거나 식물을 심는 것을 뜻한다. 「사방사업법」은 사방사업을 이렇게 정의하고, 사방사업으로 설치한 공작물과 식물을 사방시설로 부른다. 토석류 대책시설은 이 사방시설 가운데 계곡부 토석류를 직접 다루는 시설이다.

3. 등장 배경과 필요성

우리나라는 산지가 국토의 70% 이상을 차지한다. 매년 장마와 집중호우 때 산사태가 반복되며, 자연사면 산사태의 약 90% 이상이 하절기 집중호우와 관련된 토석류 산사태로 보고되어 있다. 토석류는 국내에서 가장 많이 발생하는 산사태 유형이며, 다른 산사태보다 피해 규모도 크다.

발생 조건도 특징적이다. 기반암 위의 토층은 대부분 얇아서 강우 때 빠르게 포화된다. 토석류의 이동 속도는 0.5~30m/s에 이를 정도로 빠르고 폭이 넓지 않아 대피 시간이 짧다.

실제 피해도 기록되어 있다. 2011년 7월 27일 서울 우면산에서는 얕은 토층이 붕괴한 뒤 계곡을 따라 토사를 추가로 쓸어내며 규모가 커졌고, 이 사건으로 33개의 토석류가 발생하여 16명이 사망한 것으로 보고되었다. 1998년 여름 집중호우 때는 지리산 피아골과 뱀사골에서 계곡 야영객이 불어난 물을 피하지 못해 인명 피해가 났다. 계곡부는 토석류와 돌발홍수가 함께 위험한 공간이다.

대책의 필요성은 예측의 한계에서도 나온다. 강우 전에는 유역별 발생 가능성을 정량화할 수 있으나, 실제로 동원될 퇴적물의 양과 최종 토석류 규모를 예측하기는 어렵다. 그래서 하류 보호를 위한 저류형 시설은 건설비가 많이 들고 연간 유지관리가 필요하여 최후의 수단으로 여겨진다. 이런 이유로 발생 억제, 이동 제어, 퇴적 유도를 조합하는 단계적 대책이 필요하다.

일본의 사례도 참고가 된다. 후지산 사방사무소는 1969년 설립되어 오사와 붕괴 하류 충적선상지에 제방과 댐을 조성하여 토석류를 통제하고 하천으로 안전하게 유도하였다. 이처럼 사방은 일본에서 모래 재해를 막는 체계적 사업으로 발전하였다.

4. 구성요소·원리·절차

토석류 대책시설은 발생 억제, 유출 완화, 하류 보호의 세 단계로 구성된다. 산지 상류의 사면 안정 시설, 계곡 중간의 사방댐, 하류의 유도 수로·저류 시설이 역할을 나눠 맡는다. 각 시설은 토석류의 발생 요인(급경사, 느슨한 퇴적물, 집중 강우, 식생 부족) 중 하나 이상을 줄이도록 설계한다.

토석류 대책은 발생 원인을 줄이는 시설과 흐름을 잡는 시설을 함께 배치하는 것이 원칙이다.

발생원 대책은 토층이 얕고 물에 쉽게 포화되는 지역에서 특히 중요하다. 사면 보호공과 배수시설은 지하수위를 낮추어 포화 상태를 늦춘다. 사방댐은 계곡 바닥에 설치하여 토사를 가라앉히고 흐름의 에너지를 줄인다. 유도 수로는 포착되지 못한 토석류를 하천으로 안전하게 보낸다.

토석류의 파괴 원리는 간극수압이 증가하여 전단강도가 떨어지는 데 있다. 따라서 대책시설은 배수로 간극수압을 낮추거나 토사의 이동 에너지를 줄이는 방향으로 작동해야 한다.

토석류 대책 설계의 기본 절차는 다음과 같다.

• 유역 조사: 지형, 지질, 토층 두께, 계곡 경사를 조사한다.
• 발생 위험도 평가: 강우 조건과 토사 공급량을 추정한다.
• 토석류 규모 산정: 유출 토사량과 유속을 계산한다.
• 시설 배치 결정: 발생원, 이동 구간, 하류 보호 구간별로 시설을 배치한다.
• 구조 설계 및 시공: 사방댐의 높이, 여수로 규모, 유도 수로 단면을 정한다.
• 유지관리 계획: 퇴적 토사 준설 시기와 점검 주기를 정한다.

사방댐의 여수로 설계에서는 계획 토석류량과 설계 강우의 유량을 함께 고려한다. 계획 토석류 체적은 유역 면적과 토사 공급 깊이로 추정하고, 여수로 유량은 다음 식으로 검토한다.

$Q = C \cdot i \cdot A$

여기서 Q는 첨두유량(㎥/s), C는 유출계수(무차원), i는 강우강도(mm/h), A는 유역 면적(㎢)이다. 단위 환산 시 1\,\text{mm/h} \cdot 1\,\text{㎢} = 1000\,\text{㎥/h}이다.

5. 관련 법령·기준·표준

산지 토석류 대책은 「사방사업법」을 근거로 시행된다. 이 법은 사방사업을 황폐지 복구, 산지 붕괴와 토석 유출 방지를 위한 공작물 설치와 식물 파종·식재로 정의한다. 사방사업은 산지사방, 해안사방, 야계사방으로 나뉘며, 토석류 대책은 주로 야계사방과 산지사방에 속한다.

사방사업법은 사방지에서 입목 벌채, 토석 채취, 가축 방목, 개간, 사방시설 훼손 등의 행위를 제한한다. 이 제한으로 토지 소유자가 입은 손실에 대해서는 손실보상 규정을 둔다. 일정 규모 이상의 사방사업지에는 산림공학기술자를 배치하도록 한다. 법은 2014년 2월 14일 시행된 법률로 현재 연혁을 확인할 수 있다.

국내 토석류 방지 설계에서 자주 쓰이는 기준값은 다음과 같다. 값은 설계 기준서와 설계 관행에 따른 대표값이며 대상 지역 조건에 맞게 조정한다.

토석류 이동속도는 국내 문헌에서 0.5~30m/s 범위로 보고된다. 이 값은 대피 경보 시간 설정의 근거로 쓰인다. 설계 단계에서는 발생 조건과 이동 특성을 함께 검토한다.

최근 법령 개정은 재해 유형을 넓히는 방향이다. 자연재해대책법은 여러 차례 개정되어 해일, 설해, 낙뢰, 폭염, 가뭄을 차례로 포함했다. 토석류는 산사태의 한 유형으로 사방사업법과 산지 관리 체계에서 함께 다룬다.

6. 유형과 비교

토석류 대책은 토석류와 비슷한 흐름·사면 현상을 먼저 구분하는 데서 출발한다. 같은 물과 흙이 섞여도 고체 농도와 입자 구성에 따라 거동이 달라지고, 그에 맞춰 대책 방향도 달라진다.