A Hybrid Geophysical–Geotechnical Approach for Landslide Stability Assessment

에티오피아의 고원 지대, 지표면이 가파르게 솟아오르고 도로가 산맥을 가로지르는 곳에서는 지표면이 보이는 것만큼 항상 견고하지는 않습니다. 엔지니어와 지질학자들에게 산비탈의 안정성은 두 가지 상반된 힘, 즉 아래로 끌어당기는 토양과 암석의 무게와 이를 결합하여 유지하는 동일한 재료의 내부 강도 사이의 섬세한 균형입니다. 이 강도는 고정된 숫자가 아니며, 날씨에 따라 변합니다. 폭우가 내리면 땅은 흙 입자 사이의 미세한 공간을 물로 채워 입자들을 서로 밀어내며, 이로 인해 흙은 더 무거워지고 약해집니다. 이것이 산사태 과학의 근본적인 과제입니다. 즉, 물, 토양 유형, 그리고 경사면의 형태가 어떻게 상호작용하여 형태를 유지하거나 무너지는지를 이해하는 것입니다. 도로가 언덕을 깎아 만들어질 때, 종종 경사면 하단의 자연적인 지지력을 제거하게 되는데, 만약 토양이 이미 약해져 있거나 지하수위가 높다면 전체 산비탈이 미끄러져 교통을 차단하고 생명을 위협할 수 있습니다.

연구팀은 에티오피아 남서부 붕가 마을(Bonga Town)의 한 도로 구간에서 지속되는 문제를 해결하기 위해 나섰습니다. 아디스아바바와 미잔(Mizan)을 연결하는 이 고속도로 구간은 특히 우기인 6월에서 9월 사이에 반복적인 산사태를 겪어 왔습니다. 암석 채움재(rock fill)를 사용하여 도로를 보수하려는 이전의 시도들에도 불구하고 지표면은 계속 움직였습니다. 바히르 다르 대학교(Bahir Dar University)의 엔지니어들과 인도 및 폴란드 협력 연구진으로 구성된 팀은 정확히 무슨 일이 일어나고 있는지 파악하기 위해 지표면 아래를 들여다보기로 결정했습니다. 그들은 세 가지 다른 방식으로 지구를 관찰했습니다. 깊은 구멍을 뚫어 토양 샘단을 채취했고, 땅을 파지 않고도 지형을 지도화하기 위해 음파와 전류를 사용했으며, 경사면이 스트레스를 받을 때 어떻게 반응할지 테스트하기 위해 디지털 모델을 구축했습니다. 그들의 목표는 단순히 왜 도로가 실패했는지를 보는 것이 아니라, 미래에도 안전을 유지할 수 있는 해결책을 찾는 것이었습니다.

조사는 지구의 소리를 듣고 전기 저항을 느끼는 것으로 시작되었습니다. 연구진은 지표면을 통해 음파를 보내 파동이 얼마나 빨리 전달되는지를 측정하는 탄성파 굴절법(seismic refraction)을 사용했습니다. 파동이 빠를수록 단단한 암석을 의미하며, 느릴수록 부드러운 토양이나 균열이 있는 암석을 나타냅니다. 또한 전기가 지표면을 얼마나 쉽게 통과하는지를 측정하는 전기 비저항 탐사법(electrical resistivity tomography)을 사용했습니다. 젖은 토양과 점토는 건조한 암석보다 전기를 훨씬 더 잘 전도하므로, 이 방법은 물이 고인 곳과 포화된 약한 층을 찾아내는 데 도움이 되었습니다. 이러한 비침습적 테스트는 도로를 따라 뚫린 4개의 깊은 시추공 데이터와 결합되었습니다. 이 구멍들로부터 추출된 토양 샘플은 실험실에서 무게, 수분 함량, 그리고 미끄러지는 데 필요한 힘 등을 측정하기 위해 테스트되었습니다.

결과는 취약한 지형의 모습을 명확하게 보여주었습니다. 도로 아래의 지표면은 복잡한 층의 혼합물입니다. 맨 위에는 도로를 건설하기 위해 수입된 성토재(fill material) 층이 있고, 그 위에는 단단한 적갈색 실트(silt) 층이 놓여 있습니다. 그 아래에는 트라키트(trachyte) 암석 파편이 섞인 점토층이 있으며, 가장 밑바닥에는 풍화된 현무암 층이 있습니다. 결정적인 발견은 지하수위가 지표면과 매우 가까운, 보통 지면에서 불과 1미터 아래에 위치한다는 것이었습니다. 우기 동안 이 수위는 상승하여 토양을 적시고 상부 층을 무겁고 미끄러운 덩어리로 만듭니다. 실험실 테스트 결과, 특히 여름철 우기 동안 토양의 자연 수분 함량이 매우 높아져 결합력을 크게 감소시킨다는 사실이 확인되었습니다.

연구진은 이러한 조건이 도로의 안전에 어떤 영향을 미치는지 확인하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션으로 경사면을 구축했습니다. 그들은 실제 데이터인 토양 무게, 마찰각, 수위를 특수 소프트웨어에 입력하여 '안전율(factor of safety)'을 계산했습니다. 이 숫자는 엔지니어들에게 경사면이 얼마나 안정적인지를 알려주는 간단한 비율입니다. 일반적으로 도로의 경우 1.5 이상의 숫자가 안전하다고 간주되는데, 이는 언덕을 지탱하는 힘이 무너뜨리려는 힘보다 1.5배 더 강하다는 것을 의미합니다. 시뮬레이션 결과, 현재의 습한 조건에서 이 도로의 안전율은 1.347에 불과했습니다. 이는 요구되는 안전 기준치보다 낮으며, 해당 경사면이 불안정하고 미끄러지기 쉽다는 것을 확인시켜 줍니다. 또한 모델은 미끄러짐이 시작될 가능성이 가장 높은 지점이 도로 표면 아래 약 5.5미터 지점이며, 약하고 젖은 토양 층을 가로지르는 곳임을 보여주었습니다.

그 후 연구진은 컴퓨터 모델 내에서 문제를 해결하기 위한 다양한 방법을 테스트했습니다. 그들은 흙을 막아내기 위해 설계된 구조물인 옹벽(retaining wall)을 세우는 아이디어를 검토했습니다. 시뮬레이션은 벽을 추가하는 것이 안전율을 크게 높여 토양이 미끄러지는 것을 막는 데 필요한 추가 저항력을 제공한다는 것을 보여주었습니다. 또한 지오셀(geocells)이나 지오텍스타일(geotextiles)과 같은 지오신세틱(geosynthetic) 재료의 사용도 탐구했습니다. 이것들은 흙 속에 배치할 수 있는 그물 모양의 직물로, 입자들이 서로 떨어지지 않도록 잡아주는 그물처럼 작용하여 토양을 보강합니다. 연구는 이러한 조치들과 함께 지하수위를 낮추기 위한 더 나은 배수 시스템을 병행하는 것이 최선의 길임을 시사합니다. 과도한 물을 제거하고 토양을 보강함으로써, 전체 산비사면을 다시 쌓지 않고도 도로를 안정화할 수 있습니다.

이 연구는 붕가-미잔 도로에서 반복되는 산사태가 단순히 가파른 지형 때문만이 아니라, 토양의 특성과 계절적 강우 사이의 특정한 상호작용 결과라는 점을 강조합니다. 연구는 현재의 암석 채움 보수가 충분하지 않다는 점을 입증했는데, 이는 미끄러짐이 그 아래에서 계속되고 있기 때문입니다. 대신, 증거는 물과 토양 강도에 직접적으로 대응하는 더 포괄적인 접근 방식이 필요함을 가리킵니다. 비록 이 연구가 도로의 특정 구간에 집중되었지만, 사용된 방법론은 에티오피아의 다른 산악 지역에서 발생하는 유사한 문제들을 이해하기 위한 청사진을 제공합니다. 저자들은 시간과 예산의 제약으로 인해 100km에 달하는 고속도로 전체 구간을 조사할 수는 없었음을 인정하면서도, 그들의 발견이 엔지니어들이 이 중요한 기반 시설을 복구하고 비가 올 때도 통행이 가능하도록 보장하기 위한 명확하고 증거에 기반한 가이드를 제공한다고 밝혔습니다.