1장. 사방공학의 학문적 체계와 국토 보전의 역할
사방공학(Sabang Engineering)은 황폐한 산지나 붕괴된 토지를 복구하고, 토사 유출 및 산사태를 방지하여 국토를 보전하는 공학적 기법을 연구하는 학문이다. 이는 단순히 물리적인 구조물을 설치하는 기술을 넘어, 지질학, 수리학, 토질역학, 그리고 식생공학이 융합된 복합적인 시스템 공학의 성격을 띤다. 사방사업의 근본적인 목적은 지표면의 안정성을 확보하여 하류 지역의 인명과 재산을 보호하고, 산림의 공익적 기능을 조기에 회복시키는 데 있다. 산림기사 자격시험에서 사방공학은 실무와 직결되는 매우 중요한 과목으로, 산지사방, 야계사방, 해안사방의 세 가지 영역을 중심으로 구체적인 설계 기준과 시공 요령을 다룬다.
사방사업은 그 대상지의 특성에 따라 산림 내에서의 토사 발생을 원천적으로 차단하는 산지사방, 계곡을 따라 이동하는 토석을 조절하는 야계사방, 그리고 해안가의 모래 이동을 제어하는 해안사방으로 구분된다. 최근 기후 변화로 인한 국지성 집중호우가 빈번해짐에 따라 산사태의 규모가 대형화되고 토석류의 피해가 증가하고 있어, 예방적 차원의 사방공학적 접근은 그 어느 때보다 중요해지고 있다. 본 보고서는 산림기사 CBT 기출문제를 기반으로 핵심 이론을 체계적으로 재정리하고, 빈출되는 문제 유형과 암기 팁을 통합하여 전문가 수준의 통찰을 제공하고자 한다.
2장. 지표면 침식 메커니즘과 중력 침식의 물리적 특성
토양 침식은 외력에 의해 토양 입자가 분리되어 이동하는 현상으로, 사방공학의 시발점이 되는 기초 이론이다. 침식은 자연적인 풍화 과정인 정상침식과 인위적 혹은 이상 기상에 의한 가속침식으로 나뉜다. 가속침식 중 물에 의한 수식(Water Erosion)은 사방사업의 주된 관리 대상이다.
2-1. 빗물에 의한 수식의 4단계 발달 과정
빗물에 의한 침식은 그 에너지의 형태와 유량의 집중도에 따라 네 단계로 발달하며, 시험에서는 이 순서를 묻는 문제가 매우 빈번하게 출제된다.
* 우격침식(Splash Erosion): 빗방울의 타격 에너지가 지표면을 직접 타격하여 토양 입자를 분산시키고 비산시키는 초기 단계이다. 이는 지피 식생이 없는 나지에서 가장 극명하게 나타나며, 토양 표면의 공극을 막아 침투능을 저하시킨다.
* 면상침식(Sheet Erosion): 빗물이 지표면에 얇은 수막 형태로 흐르면서 토양 전면을 얇고 고르게 깎아내는 단계이다. 유기물이 풍부한 표토를 박리시켜 임지의 비옥도를 급격히 떨어뜨리는 주범이다.
* 누구침식(Rill Erosion): 유량이 특정 지점으로 집중되면서 지표면에 작은 도랑(누구)을 형성하는 단계이다. 이 단계의 도랑은 규모가 작아 경운 작업 등을 통해 쉽게 제거될 수 있으나, 침식의 가속화를 알리는 신호탄이 된다.
* 구곡침식(Gully Erosion): 누구가 확대되어 깊고 넓은 골을 형성하며, 심토까지 파괴하는 가장 왕성한 침식 단계이다. 이 단계에 이르면 단순한 식생 복구로는 한계가 있으며, 물리적인 사방 공작물 설치가 필수적이다.
2-2. 중력 침식의 분류와 산사태 및 땅밀림의 비교
중력 침식은 물의 윤활 작용과 더불어 토괴 자체의 무게에 의해 발생하는 이동 현상이다. 붕괴형(산사태, 산붕), 지활형(땅밀림), 유동형(토석류) 등이 있으며, 특히 산사태와 땅밀림의 차이점을 명확히 이해하는 것이 수험 전략상 핵심이다.
산사태는 주로 호우에 의해 산복부에서 발생하며, 1ha 이하의 면적에서 얕은 깊이로 무너지는 붕괴형 침식이다. 반면 땅밀림은 점성토를 미끄럼면으로 하여 서서히 이동하며, 중력 침식 유형 중 발생 속도가 가장 느린 것으로 정의된다. 또한 토석류는 물을 윤활제로 하여 흙과 돌이 집합적으로 운반되는 유동형 침식의 일종으로, 파괴력이 매우 커 계간사방의 주요 방지 대상이 된다.
3장. 산지사방 공법: 기초 공사와 녹화 공정의 체계화
산지사방은 붕괴된 사면을 안정시키는 기초 공사와 그 위에 식생을 도입하는 녹화 공사로 구분된다. 기초 공사는 지형적인 결함을 수정하여 토사 활동을 원천적으로 봉쇄하는 과정이다.
3-1. 산지 기초 공종의 주요 특징 및 시공 요령
* 비탈다듬기: 붕괴지의 불안정한 토석을 제거하고 사면의 기울기를 안정각으로 조정하는 작업이다. 수정 기울기는 지질에 따라 다르나 대체로 35도 전후를 표준으로 한다. 발생한 뜬흙은 계곡부에 넣고 '땅속흙막이'를 설치하여 고정한다.
* 단끊기: 경사가 급한 사면에서 식생 기반을 조성하기 위해 계단형으로 사면을 깎는 공정이다. 시공 방향은 토사가 흘러내리는 것을 고려하여 반드시 상부에서 하부로 진행해야 한다.
* 땅속흙막이: 비탈다듬기나 단끊기로 생긴 뜬흙의 활동을 방지하기 위해 계곡부에 설치하는 공작물이다. 이는 산지사방의 기초 공사 중에서도 부토 고정에 매우 효과적인 횡공작물이다.
* 누구막이: 누구침식의 진행을 막기 위해 누구를 횡단하여 설치하는 수로 보전 공정이다.
* 비탈힘줄박기: 지하수 용출이 심하거나 지반이 불안정한 곳에 거푸집을 설치하고 콘크리트를 타설하여 격자형 틀을 만드는 공법이다.
3-2. 선떼붙이기 공법의 등급별 설계와 암기 팁
선떼붙이기는 계단을 끊은 전면에 떼를 붙여 사면을 안정시키는 공법으로, 산림기사 시험에서 매회 출제되는 매우 중요한 영역이다. 등급은 수평 연장 1m당 사용되는 떼의 매수에 따라 1급에서 9급까지 구분된다.
* 등급 산정 기준: 1급은 12.5매를 기준으로 하며, 등급이 한 단계 내려갈 때마다(급수가 올라갈 때마다) 1.25매씩 감소한다.
* 1급: 12.5매
* 3급: 10.0매 (기출 빈도가 높음)
* 6급: 6.25매 (2매의 선떼와 1매의 갓떼/바닥떼 사용)
* 9급: 2.5매
* 시공 구조: 계단 나비는 40~60cm, 소단 폭(계단 높이)은 50~70cm가 표준이다. 최상단에 사용하는 떼를 '머리떼'라 부르며, 바닥떼는 발디딤 보호를 위해 필수적이다. 경제성 측면에서는 8~9급이 우수하지만, 안정성 면에서는 저급일수록 취약하다.
3-3. 산비탈 수로공의 선정 기준
사면에서 모여드는 물을 안전하게 배수하기 위한 수로 공사는 집수량과 경사에 따라 공법이 달라진다.
4장. 야계사방 공작물: 사방댐의 안정성과 설계 원리
야계사방은 황폐한 계류의 변동을 막아 토사 유출을 조절하는 사업으로, 사방댐, 골막이, 기슭막이, 수제 등이 주요 공종이다.
4-1. 중력식 사방댐의 4대 안정 조건
사방댐 설계 시 가장 핵심적인 고려 사항은 외력에 대한 저항력이다. 사방댐은 전도, 활동, 제체의 파괴, 기초지반 지지력에 대해 안정해야 한다.
* 전도(Overturning)에 대한 안정: 합력의 작용선이 제저(댐 바닥) 중앙의 1/3 이내를 통과해야 한다. 작용점의 최대 높이는 댐 높이의 1/3 지점이 된다.
* 활동(Sliding)에 대한 안정: 수평 분력의 총합과 수직 분력의 총합, 그리고 제저와 기초지반 간의 마찰계수를 고려하여 댐이 밀려나지 않아야 한다.
* 제체의 파괴에 대한 안정: 제체 내부의 최대 압축 응력 및 인장 응력이 허용치를 초과하지 않아야 한다.
* 기초지반의 지지력에 대한 안정: 최대 압력 강도가 지반의 지지력보다 작아야 침하가 발생하지 않는다.
사방댐의 계획 기울기는 현재 계상 기울기의 1/2~2/3를 표준으로 설계하며, 이를 통해 계상 기울기를 완화하여 종침식을 방지한다. 댐의 물빼기 구멍은 시공 중 유수를 배제하고 댐 뒷면의 수압을 경감시키기 위해 설치한다.
4-2. 골막이와 바닥막이의 차이점
횡공작물 중 사방댐과 유사하지만 기능이 다른 공종들을 명확히 구분해야 한다.
* 골막이(Check Dam): 사방댐보다 규모가 작고, 주로 토사 생산 구역인 구곡에 설치한다. 사방댐과 달리 토사 퇴적 기능보다는 산각 고정과 구곡 침식 방지에 주력하며, **반수면(하류 측 사면)**만 존재하는 것이 특징이다.
* 바닥막이(Bed-girdle): 계상의 침식을 방지하기 위해 계류 바닥에 설치하는 낮은 공작물로, 보통 높이 3m 이하로 시공한다. 사방댐이나 골막이보다 더 낮은 곳에 위치하며 하상의 종단면 형상을 유지하는 역할을 한다.
4-3. 기슭막이와 수제의 배치 전략
계류의 흐름을 조절하여 계안을 보호하는 종공작물이다.
* 기슭막이: 유수로 인한 계안의 횡침식을 방지하고 산각의 안정을 도모한다. 유로의 만곡에 의해 물의 충격을 받는 수충부의 상류 쪽에 계획하는 것이 효과적이다.
* 수제(Spur Dike): 계안으로부터 유심을 향해 돌출시킨 구조물로, 유심의 방향을 변경시켜 침식을 방지한다. 계상 폭이 넓고 기울기가 완만한 곳에 설치하며, 수제의 간격은 보통 수제 길이의 1.25~4.5배 정도로 설정한다.
5장. 수리학적 산정 공식과 수문학적 분석
사방 시설의 규모를 결정하기 위해 유량과 유속을 산정하는 것은 공학적 설계의 필수 과정이다.
5-1. 최대 홍수 유량 산정 공식
* 시우량법(Rational Formula): 1초 동안의 최대 홍수 유량을 산정하는 방법이다.
여기서 Q는 최대 홍수 유량(m^3/s), K는 유거계수, A는 유역 면적(ha), m은 최대 시우량(mm/hr)이다.
* 기출 예시: 면적 200ha, 시우량 100mm, 계수 0.6인 경우 Q = (0.6 * 200 * 100) / 360 = 33.33 m^3/s.
* 합리식법: Q = C * I * A (C 유출계수, I 강우강도, A 면적).
* 비유량법: 유역 면적에 비유량(단위 면적당 유량)을 곱하여 산정한다 (Q = A * q).
5-2. 수로 설계와 평균 유속 공식
수로의 단면적(A)과 유속(V)을 곱하면 유량(Q = A * V)이 산출된다. 유속을 구하기 위해 주로 사용되는 공식은 다음과 같다.
* 매닝(Manning) 공식: 가장 보편적으로 사용되는 평균 유속 공식이다.
(n: 조도계수, R: 경심, I: 수로 기울기).
* 경심(R): 유적(A)을 윤변(P, 물이 닿는 변의 길이)으로 나눈 값이다 (R = A/P).
* 체지(Chezy) 공식: V = C 루트 {R * I}.
* 바진(Bazin) 공식: 기울기가 급하고 유속이 빠른 수로에서 유용하게 사용된다.
조도계수(n)는 수로의 거친 정도를 나타내며, 큰 자갈과 수초가 많은 흙수로에서 그 값이 가장 크다. 또한, 사방댐 방수로 단면 결정의 기준이 되는 계획 홍수량 산정 빈도는 보통 100년 확률을 사용한다.
6장. 해안사방: 비사 방지 및 사구 조성 공법
해안사방은 해풍에 의한 모래의 이동을 제어하고 해안 방재림을 조성하여 배후 지역을 보호하는 데 목적이 있다.
6-1. 정사울세우기와 퇴사울세우기의 핵심 구분
시험에서 가장 혼동하기 쉬운 두 공법의 차이를 명확히 해야 한다.
* 퇴사울세우기: 해풍에 의한 비사를 억류하고 퇴적시켜 인공 모래언덕(사구)을 조성하는 것이 목적이다. 해안 쪽에 설치하여 바람의 에너지를 감쇄시키고 모래를 쌓는다.
* 정사울세우기: 조성된 사구의 육지 쪽에 후방 모래를 고정하여 표면을 안정시키고 식재목의 생육 환경을 조성하는 것이 목적이다. 높이는 1.0~1.2m를 표준으로 하며 정사각형이나 직사각형으로 구획한다.
6-2. 해안 모래언덕의 발달과 식재
해안 사구는 비사가 장애물에 걸려 쌓이는 순서에 따라 발달한다. 치올린 모래언덕 → 설상사구 → 반월사구 순으로 형성된다. 설상사구는 수목이나 사초가 있을 때 모래가 혀 모양으로 비산하며 형성되는 형태이다.
해안 방재림 조성용 묘목은 ha당 10,000본을 식재하는 것이 기준이며, 조림용 수종은 염해에 강하고 울폐력이 커서 수관 밀도가 높아야 한다. 사초심기는 다발심기 시 4~8포기를 한 다발로 하여 30~50cm 간격으로 심는다.
7장. 사방용 식물 재료 및 수종 선정의 원리
사방 수종은 척박하고 건조한 황폐지에서 견딜 수 있는 생존력과 지표면을 빠르게 피복하는 능력이 필수적이다.
7-1. 주요 사방 수종의 특성
* 아까시나무: 척박하고 건조한 지역에서 잘 자라며, 질소 고정 능력이 있고 맹아 갱신이 잘 되어 가장 대표적인 사방 목본 식물로 쓰인다.
* 오리나무류: 리기다소나무와 함께 황폐지 및 훼손지의 복구용 수종으로 매우 적합하다.
* 오리새(Orchard grass): 도입 초본 중 내한성과 내음성이 커서 한랭지 혼파용으로 우수하다.
* 새류(초본): 평떼붙이기나 띠떼심기가 곤란한 곳에 새심기 공법으로 적용되며, 김의털, 억새 등이 재래 초본류에 해당한다.
* 부적합 수종: 은행나무는 가로수용으로 적합하며, 상수리나무는 녹화용보다는 복구용이나 경제림 조성에 쓰인다.
7-2. 종자 파종량 산출 및 발생기대본수
파종량(W) 산출 공식은 다음과 같다.
(단, C: 발생기대본수(본/m^2), P: 순량율, B: 발아율, S: 평균입수(립/g)).
예를 들어, 기대본수 3,000본, 순량율 50%, 발아율 80%, 입수 1000립인 경우 1ha 파종량은 75kg이 산출된다.
8장. 사방 시공 재료 및 역학적 분석
구조물의 내구성을 보장하기 위해 사용되는 석재와 콘크리트의 물리적 성질에 대한 이해가 필요하다.
8-1. 석재와 옹벽의 안정
* 견치돌: 단단하고 치밀한 암석을 특별한 규격으로 다듬은 것으로, 돌쌓기 공사에 널리 쓰인다.
* 돌쌓기 원칙: 세로 줄눈이 일직선이 되지 않도록 파선 줄눈으로 시공해야 하며, 통줄눈은 구조적으로 취약하여 피해야 한다. 돌쌓기 시 가장 윗부분의 돌은 '갓돌'이라 부른다.
* 기울기: 메쌓기는 1:0.3, 돌쌓기 기슭막이는 1:0.3~0.5, 찰쌓기는 1:0.2~0.25를 표준으로 한다.
8-2. 콘크리트 혼화 재료와 양생
* 염화칼슘: 동절기 공사 시 응결 경화를 촉진하기 위해 사용하며, 수화 작용을 돕는다.
* 플라이 애시: 수밀성을 향상시키고 시공성을 개선하지만 방수 전용 재료는 아니다.
* 풍화: 시멘트가 공기 중 수분 및 이산화탄소와 반응하여 탄산칼슘이 생기며 성질이 변하는 현상이다.
* 레디믹스 콘크리트: 공장에서 배합된 콘크리트를 운반 즉시 타설하는 특수 콘크리트로, 충분한 다짐과 양생이 필수적이다.
결론 및 학습 전략 제언
사방공학은 지형과 물의 흐름을 제어하는 물리적 공법과 식생을 이용한 생태적 복원 기술이 결합된 학문이다. 산림기사 시험 합격을 위해서는 다음의 세 가지 핵심 전략이 요구된다.
첫째, 산사태와 땅밀림, 정사울과 퇴사울과 같이 명칭은 유사하지만 물리적 메커니즘이 다른 개념들을 명확히 구분해야 한다. 기출문제에서 오답으로 자주 유도되는 포인트가 바로 이들의 특징을 뒤바꾸는 것이기 때문이다.
둘째, 사방댐의 안정 조건과 수리학적 공식을 숙달해야 한다. 단순 암기를 넘어 유량 산정 공식(Q=CIA)이나 매닝의 유속 공식을 실제 문제에 대입해 수치를 산출하는 연습이 필요하다. 특히 '댐 저면 중앙 1/3'이라는 전도 안정 조건은 반드시 기억해야 할 불변의 법칙이다.
셋째, 시공 규격과 등급을 체계화해야 한다. 선떼붙이기의 매수 계산, 석재 쌓기 기울기, 사방댐의 계획 기울기(1/2~2/3) 등 구체적인 수치들은 단답형 문제와 계산 문제의 근간이 된다.
이 보고서에 정리된 내용은 기출문제의 정수만을 뽑아 이론적으로 재구성한 것으로, 수험생들이 방대한 사방공학의 내용을 체계적으로 이해하고 암기하는 데 최적의 가이드가 될 것이다. 국토 보전의 핵심 기술인 사방공학에 대한 깊은 이해는 자격증 취득을 넘어 실무 현장에서도 안전하고 효율적인 산림 관리를 수행하는 밑거름이 될 것이다.
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