서 론

무등산국립공원은 2013년 국립공원으로 2018년에는 세계지질공원으로 인정되었다. 고지대 능선을 따라 무등산 응회암으로 형성된 주상절리대가 중봉, 입석대, 서석대, 천왕봉 등으로 넓게 분포되어 있고, 이러한 주상절리대 주변으로 등산로가 인접해 있다. 무등산 주상절리대는 해발 750 m 이상의 고지대에 자리 잡고 있어 기온 및 습도 차에 의한 환경적 영향을 크게 받고 있는 것이 특징이다. 이러한 원인에 의해 주상절리대의 표면 풍화는 물론 크고 작은 균열의 생성과 성장이 활발하게 진행되고 있는 상태이다(Gwangju City, 2013). 국립공원 방문객의 수는 해마다 증가하고 있고, 그만큼 안전사고 또한 빈번하게 발생하고 있다. 주로 탐방로 주변의 급경사지나 낙석 등에 의하여 안전에 대한 위험성이 매우 높다. 설악산 국립공원의 탐방로 구간별 안전사고 분포현황을 확인한 결과, 대형 낙석 발생이 높은 구간이 안전사고 발생이 가장 많은 탐방로 구간으로 보고되었다(Oh and Jun, 2013; Kim et al., 2021b).

국내 국립공원에서 발생하는 안전사고를 대비한 연구가 많이 진행되었으며, 그중 주상절리대의 안정성에 관한 연구를 예로 들면, Lee et al.(2005)은 제주도 산방산 사면에서의 낙석 발생 형태를 위험암괴의 절벽 위치에 따른 위험요인을 4가지 형태로 분류하여 위험암괴의 선정과 낙하 시 위험정도를 평가한 후, 낙석 방지를 위한 안전대책 방법을 제안하였다. Ko et al.(2016)은 무등산국립공원 입석대 주변의 등산객들에 의한 진동을 계측하여 그에 의한 영향 평가와 입석대 주상절리대 자체 하중에 의한 지반변형을 평가하였다. Noh et al.(2020)은 입석대 주상절리 내에 발달해있는 균열 중 중요한 지점을 선정한 후 균열계를 부착하여 주기적인 모니터링을 수행하였으며, 그 결과로부터 주상절리의 거동을 평가하였다. Kim et al.(2021a)은 포항시 달전리 주상절리의 비탈면에 대한 안정성과 낙석 위험 지역의 범위를 파악한 후, 위험에 대비한 대책 방법을 제안하였다. Kim et al.(2021b)은 무등산국립공원의 대표적인 주상절리대인 입석대, 서석대, 그리고 광석대의 불연속면에 대하여 조사를 실시한 후 상용프로그램인 DIPS, RocPlane, RocTopple, 그리고 Swedge를 활용하여 평사투영해석과 한계평형해석을 실시한 결과, 일부 구간에 있어 불안정함을 보고하였다. 이상에서 언급한 바와 같이, 대부분의 선행연구들(Lee et al., 2005; Kim et al., 2021a, 2021b)은 주상절리대의 개별 암반 블록이 아닌 전체 사면의 파괴 유형과 안전율, 그리고 낙석 발생 시 위험 지역 파악 등에 대해 중점적으로 연구하였다. 하지만 주상절리는 그 형태상 암반 블록들이 개별적으로 분리되어 있으므로, 이를 하나의 덩어리로 가정하여 해석하는 것은 문제가 있을 수 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 문제점을 고려하여 무등산국립공원 주상절리대 중 하나인 입석대 주상절리대를 대상으로 각 주상절리를 개별 암반 블록으로 설정하였다. 각 주상절리 암반블록의 거동 상태는 불연속체 수치해석 프로그램인 Itasca사의 3차원 수치해석 프로그램인 3DEC을 이용하여 분석하였다. 최종적으로 수치해석 결과로부터 무등산국립공원 하여 입석대 주상절리대의 안정성을 평가하였다.

연구 지역

본 논문의 연구지역은 행정구역상 광주광역시, 전라남도 담양군, 화순군에 포함되는 무등산국립공원의 입석대 주상절리대로써, 지질학적으로 옥천습곡대 서남부에 위치하며 북동-남서 방향 구조선인 호남전단대가 발달해있다. 중생대 백악기 초에서 신생대 제 3기초까지 있었던 화산활동에 의해 직경 약 40 km 크기의 원형함몰체인 능지분지가 형성되었으며, 이 분지 동쪽으로는 안산암과 유문암으로 구성된 무등산화산암체, 남부-남서부에는 유문암류로 구성된 능주화산암체가 분포하는 것으로 보고 되었다(Kim, 2016; Noh et al., 2020)(Fig. 1a). 무등산국립공원 내 주상절리대를 구성하는 암체는 용암류에 의해 형성된 석영안산암이라 해석하였지만(Ahn, 2010, 2014; Ahn et al., 2014), 현재는 무등산응회암으로 명명되어 사용되고 있다(Gwangju City, 2013). 입석대 주상절리대는 해발 1,017 m에 위치하고, 약 5~18 m 높이의 주상절리 30여개가 동서로 120 m에 걸쳐 빽빽하게 자리하고 있다. 무등산 주상절리대 일대 학술조사 및 세계유산 등재 추진방안 연구 보고서(Gwangju City, 2013)에 따르면, 무등산국립공원 입석대 주상절리대의 크기는 약 20 m 높이의 30여 개 돌기둥이 약 120 m 폭으로 분포하고 있다. 주상절리 모양은 그 한 면의 너비가 0.6~3 m 정도이며, 대부분 5각형 또는 6각형인 것으로 조사되었다. 특징적으로는 주상절리대 내부에 수직 및 수평 절리가 잘 발달되어 있음이 관찰된다. 입석대는 주상절리대의 규모, 자연경관의 빼어남, 그리고 자연문화 체험학습장으로서의 우수성 등을 인정받아 서석대 주상절리대와 함께 2005년에 천연기념물 465호로 지정되었다. 지형적으로 서석대의 사면경사는 약 70° 정도로 높지만, 입석대 암괴지형의 사면경사는 지면의 경사와 유사하게 낮은 특징을 보인다. 입석대의 암괴는 기반암 상태에서 노출된 상태로 서석대에 비해 사면방향으로의 붕괴가 많은 특징을 보인다(Gwangju City, 2013; Noh and Kang, 2021). Fig. 1b에 나타난 바와 같이 입석대 주상절리대 전방에는 전망대가 있으며, 중봉과 입석대, 그리고 서석대를 잇는 등산로가 이를 둘러싸고 있다.

Fig. 1.

(a) Geological map of the study area, (b) Ipseok-dae (modified after Noh et al., 2020).

연구 방법

수치해석 입력 변수

수치해석에 사용된 지반 및 불연속면 물성은 실내시험과 현장조사로부터 얻은 자료를 사용하였다. 실내시험은 무등산응회암에 대한 밀도 측정과 직접전단시험을 실시하였다. 시험편은 입석대 주변의 너덜에 분포하고 있는 신선한 상태의 암괴로부터 적정한 크기의 암편을 채취하여 시험 용도에 맞게 제작하였다(Fig. 2a, 2b). 시험편의 밀도는 0.001 g까지 측정 가능한 Precisa Gravimentrics AG사의 Precisa Balances 320 CT의 전자저울을 이용하여 각 시료에 대한 수중, 건조, 포화 무게를 각각 측정하였다(Fig. 2c, 2d, 2e). 그 결과에 의하면 시험편 MT(Mudeungsan Tuff)-1의 경우 2.69 kN/m³, MT-2는 2.68 kN/m³, 그리고 MT-3은 2.66 kN/m³으로 평균 밀도는 2.68 kN/m³로 나타났다(Table 1).

Fig. 2.

(a) Apparatus and (b) specimens for direct shear testing (modified from Ko et al., 2016).

직접전단시험은 GEOTM & GEO Testing Management사의 GTR01-No1를 사용하여 수행하였다(Fig. 2f). 시험편은 JT(Joint shear Test)-1과 JT-2으로 2개를 사용하였다. 한국암반공학회에서는 직접전단시험을 최소 3회 실시하도록 명시해두었지만, 시험편 제작에 제한이 있어 2개를 이용하였다. 시험편에 대해 각 단계별 수직응력, 전단응력, 그리고 변위를 측정하여 수직강성(normal stiffness, K_n), 전단강성(shear stiffness, K_s), 점착력(cohesion, c), 그리고 마찰각(fiction angle)을 각각 구하였다. 직접전단시험 결과, JT-1의 수직강성은 3.3 GPa/m, 전단강성은 1.07 GPa/m, 점착력은 .06 MPa, 마찰각은 36°으로 나타났고, JT-2의 경우 수직강성은 3.0 GPa/m, 전단강성은0.94 GPa/m, 점착력은 0.42 MPa, 마찰각은 30°으로 나타났다. 직접전단시험 결과를 종합하면, 무등산응회암 절리면의 평균 수직강성은 3.15 GPa/m, 평균 전단강성은 1.00 GPa/m, 평균 점착력은 0.51 MPa, 그리고 평균 마찰각은 33°로 산정되었다(Fig. 3, Table 1).

Fig. 3.

Results of direct shear testing: (a, d) normal stiffness (K_n), (b, e) shear stiffness (K_s), (c, f) cohesion and basic friction angle of (a-c) JT-1 and (d-f) JT-2 (modified from Ko et al., 2016).

입석대 모델링

무등산국립공원 입석대 주성절리대의 거동을 파악하기 위해 개별요소법에 기초한 3차원 수치해석 프로그램인 3DEC(Three Dimensional Distinct Element Code)을 사용하였다. 3DEC은 절리 암반과 같은 불연속 매질에 대한 해석이 가능한 프로그램으로 각 요소들은 미리 결정된 선형 혹은 비선형 거동을 응력-변형률 관계에 의하여 반응하고, 불연속면들은 선형 혹은 비선형 거동을 힘-변위 관계에 의해 지배된다(Itasca, 2007; Kim, 2016).

수치해석 모델링은 입석대 주상절리대 전망대와 등산로 사이의 주상절리 15개에 대하여 현장 조사한 자료를 토대로 실시하였다. 각 무등산 입석대 주상절리 블록은 4각형으로 모델을 단순화하여 모델링하였고, 모든 주상절리 블록을 x축을 기준으로 직렬로 배열했고, 1~10번과 11~15번 블록을 서로 평행하게 모델링하였다(Kim, 2016)(Fig. 4b). 특히 다른 주상절리들에 비해 큰 2번, 4번, 11번, 12번 주상절리의 너비는 1~3 m, 높이는 5~18 m로 설정하였고, 입석대가 놓여있는 지반은 너비 40 m, 폭 40 m, 높이 5 m로 설정하였다(Table 2, Fig. 4). 또한 현장 조사 시 2번, 4번, 11번, 12번 주상절리의 다른 주상절리들에 비해 상대적으로 많은 불연속면이 관찰되었고, 이를 수치해석 모델에 구현하였다. 재료의 물성은 실내시험 결과를 근거로 하여 수직강성, 전단강성, 점착력, 마찰각을 사용하였다. 구성방정식은 절리모델(Joint model) 중에서 쿨롱 슬립모델(Coulomb slip model)을 적용하였다. Coulomb slip model은 기본 절리모델의 구성방정식 중 하나로 3DEC에서 변형하지 않는 블록(rigid block)과 변형하는 블록(deformation block)의 하위 접촉 영역에 비슷한 방식으로 작용한다. 전단과 인장에 의한 파괴를 모두 고려할 수 있고, 절리의 확장도 구현할 수 있다. 탄성 범위 내에서의 거동은 절리의 수직 및 전단강성에 의해 결정된다. 이를 모두 식으로 표현하면 식 (1)과 식 (2)와 같다.

여기서, Ac는 하위접촉영역의 면적, Fsi는 전단력, Fn은 수직력을 의미한다. 사전에 미끄러짐이 발생하지 않은 절리들의 수직인장력은 식 (3)에 의해 제한되고, 최대 전단력은 다음 식 (4)를 따른다.

여기서, T는 절리의 인장강도를 뜻하고, c는 절리면의 점착력, ϕ는 절리면의 마찰각을 의미한다. 수치해석 시 하중 조건은 입석대의 자체 하중만을 고려하였고, 경계조건은 입석대 하부 지반 X, Y, Z 방향의 변위를 고정하였다. 해석은 변위가 수렴할 때까지 진행하였다. 각 주상절리 거동은 각 주상절리의 최하단면의 모서리 4개 지점과 최상단 면의 모서리 4개 지점에서 발생한 변위를 분석하였다.

Fig. 4.

Ipseok-dae columnar joints: (a) aerial photograph and (b) model for numerical analysis using 3DEC.

연구 결과

무등산국립공원 입석대 주상절리대의 안정성을 파악하기 위해 3DEC을 이용하여 수치해석 한 결과는 Fig. 5에서 보여주며, 그 결과를 정리하면 Table 3과 같다. Fig. 5a는 입석대 주상절리의 전체 변위를 나타냈고, Fig. 5b는 X 방향에 대한 변위, Fig. 5c는 Y 방향에 대한 변위, 그리고 Fig. 5d는 Z 방향에 대해 발생한 변위의 결과이다. 결과에서 알 수 있듯이, 최대 변위는 6번 주상절리에서 0.67 mm로 가장 크게 발생하였고, 그다음으로 2번, 12번, 그리고 11번 주상절리 순으로 나타났다(Table 3). 최소 변위는 11번 주상절리에서 0.21 mm로 가장 크게 나타났으며, 이 주상절리에서 박리, 박락, 변질, 그리고 식생의 활동이 가장 활발하게 진행되는 것으로 관찰되었다(Kim, 2016). 또한 11번의 주상절리는 주상절리들 사이 틈이 매우 조밀한 다른 주상절리와는 다르게 단독으로 떨어져 있어(Fig. 4a), 암반 블록의 개별 거동이 잘 관찰될 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 15개의 입석대 주상절리 중 개별 거동 가능성이 가장 높은 11번 주상절리에 대하여 수치해석을 이용한 세밀한 분석을 실시하였다. 수치해석 분석은 Fig. 6과 같이 11번 주상절리 내에 발달한 수평 절리 3개, 지반과 경계면, 그리고 최상부 노출면의 모서리에서 발생한 변위이며, 그 결과를 나타내면 Fig. 7과 같다.

Fig. 5.

Displacement of the Ipseok-dae columnar joints calculated using numerical analysis: (a) total, (b) X direction, (c) Y direction, and (d) Z direction.

Fig. 6.

Points for monitoring movement arranged by vertex, and level.

Fig. 7.

Results of displacement for each vertex (a) 1st, (b) 2nd, (c) 3rd, (d) 4th, and (e) 5th levels.

Fig. 7a는 11번 주상절리와 지반의 경계면에서 발생한 변위의 결과를 나타낸다. 그림에서 보는 바와 같이 V3L1지점에서 0.27 mm의 가장 큰 변위가 발생하였고, 다른 3지점에서는 약 0.21 mm의 유사한 변위를 보였다. Fig. 7b는 11번 주상절리 내 2번째 층에 위치한 수평 절리의 변위 결과를 보여준다. 가장 큰 변위는 V4L2에서 0.46 mm 발생하였으며, V2L2는 0.43 mm, V1L2는 0.42 mm, 그리고 V3L2에서는 0.41 mm로 나타났다. Fig. 7c는 11번 주상절리 내 3번째 층에 위치한 수평 절리의 변위 결과를 나타낸다. 그림에서 알 수 있듯이, 변위는 4지점 모두에서 약 0.21 mm로 유사하게 나타냈다. Fig. 7d는 11번 주상절리 내 4번째 층에 위치한 수평 절리의 변위 결과를 보여준다. 변위는 V4L4에서 약 0.34 mm로 가장 크게 나타났으며, 다른 3지점에서는 0.31 mm로 유사하게 나타났다. Fig. 7e는 11번 주상절리의 표면에서 발생한 변위 결과를 나타낸다. 가장 큰 변위는 V4L5에서 0.45 mm로 나타났고, 다른 3지점에서는 0.39 mm로 유사하게 나타났다.

5개의 분리면 중에서는 2번째 층에서 가장 큰 변위가 발생하였으며, 그다음으로 5번째 층, 4번째 층, 1번째 층, 3번째 층 순으로 나타났다. 4개의 모서리 중에서는 4번 모서리에서 가장 큰 변위가 나타났다. 이러한 변위 결과로부터 11번 주상절리의 거동을 살펴볼 때, 11번 주상절리 암반 블록의 개별 거동은 4개의 블록 중 가장 윗부분과 가장 아래부분에서 크게 발생하는 것으로 나타났다.

이상의 수치해석으로부터 계산된 입석대 주상절리 15개에서 발생한 변위 총량을 고려해 볼 때, 최대 0.5 mm 이내의 변위를 나타냄으로써 외부 작용이 없는 조건하에서 입석대 주상절리대의 거동은 매우 미미할 것으로 판단된다. 무등산국립공원의 문화적 가치 및 역사적 가치, 그리고 등산객의 안전 확보 등을 고려할 때, 지진이나 시공에 의한 진동과 같은 외부 환경에 따른 주상절리의 거동 영향도 함께 고려해야 할 것으로 사료된다. 또한, 무등산국립공원 내에는 크고 작은 규모의 주상절리대가 여러 지점에 분포하고 있으므로 각 분포지에 대한 주상절리의 거동 양상도 추가적으로 분석할 필요성이 있다고 사료된다.

결 론

무등산국립공원 입석대의 거동을 파악하기 위해 불연속체 해석 프로그램인 3DEC을 이용하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석 입력값으로써 무등산응회암의 물리적 및 역학적 특성은 평균 밀도 2.68 kN/m³, 평균 수직강성 3.15 GPa/m, 평균 전단강성 1.00 GPa/m, 평균 점착력 0.51 MPa, 평균 마찰각 33°로 산정되었다. 수치해석 모델링에서 주상절리의 크기는 너비 1~3 m, 높이 5~18 m의 4각형으로 하였으며, 지반은 너비 40 m, 폭 40 m, 높이 5 m로 설정하였다. 수치해석 결과에 의하면, 최대 변위는 6번 주상절리에서 0.67 mm로 가장 크게 나타났으며, 11번 주상절리에서 최소 변위가 0.21 mm로 가장 크게 발생하였다. 최소 변위가 가장 크게 발생한 11번 주상절리에 대하여 5개의 분리면에 의해 구분된 4개 블록의 움직임을 분석한 결과, 주상절리 가장 윗부분과 가장 아랫부분 블록에서 가장 큰 움직임이 발생하였다.

결론적으로, 입석대 주상절리 15개에서 발생한 변위의 총량은 최대 0.5 mm 이내의 변위를 나타냄으로써 외부 작용이 없는 조건하에서 입석대 주상절리대의 거동은 매우 미미할 것으로 판단된다. 하지만, 무등산국립공원의 문화적 가치 및 역사적 가치, 그리고 등산객의 안전 확보 등을 고려할 때, 지진이나 시공에 의한 진동과 같은 외부 환경에 따른 주상절리의 거동 영향도 함께 고려해야 할 것으로 사료된다. 더군다나, 무등산국립공원 내에는 크고 작은 규모의 주상절리대가 여러 지점에 분포하고 있으므로 각 분포지에 대한 주상절리의 거동 양상도 추가로 분석할 필요성이 있다고 사료된다.