교량기초 세굴방지

왜 배우는가: 교량 기초의 세굴은 홍수 시 교량 붕괴의 주요 원인으로 알려져 있어, 교량 설계와 유지관리에서 가장 먼저 점검하는 위험 요인이다. 하천 준설이나 하상 저하가 일어나면 기존 기초가 노출되어 보강이 필요해지므로 실무에서 반복적으로 다뤄지고, 기술사 시험에서도 원인·방지대책·조치사항을 묻는 형태로 여러 차례 출제되었다.

출제 이력: 제108회 3교시 6번, 제100회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

세굴(Scour)은 흐름의 침식작용으로 교각·교대 주변의 하상재료가 제거되어 기초가 노출되거나 하상이 낮아지는 현상이다.

• 세굴(Scour)
• 단면축소세굴(Contraction scour)
• 국부세굴(Local scour)
• 장기 하상변동(Long-term degradation)
• 세굴방지공(Scour countermeasure)
• 사석보호공(Riprap)
• 하상 저하
• 기초 근입깊이

2. 개념 풀이

세굴은 물이 흐르면서 다리 밑 흙이나 모래를 파내는 현상이다. 교각이 물 속에 서 있으면 물의 흐름이 바뀌고, 그 결과 기초 주변의 흙이 빠져나가 구멍이 생긴다. 이 구멍이 깊어지면 기초가 힘을 받지 못해 교량이 기울거나 무너질 수 있다.

세굴은 원인에 따라 세 가지로 나눈다. 첫째, 장기 하상변동(Long-term degradation) 은 하천 전체의 하상이 시간에 따라 오르거나 낮아지는 변화다. 하천 준설이나 골재 채취가 주된 원인이다. 둘째, 단면축소세굴(Contraction scour) 은 교량이 하천의 통수단면을 줄여 유속이 빨라지면서 하상 전체가 깎이는 현상이다. 셋째, 국부세굴(Local scour) 은 교각이나 교대 주변에서 와류(vortex)가 생겨 특정 지점이 집중적으로 깎이는 현상이다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 단면축소세굴(Contraction scour): 인공구조물에 의해 하천의 통수단면적이 줄어 발생하는 세굴이다. 하상 전체가 넓게 깎인다.
• 국부세굴(Local scour): 교각·교대 주변 와류와 하강류에 의해 발생하는 세굴이다. 국소적으로 깊은 세굴공(scour hole)을 만든다.
• 세굴방지공(Scour countermeasure): 세굴을 막거나 줄이기 위해 설치하는 보호 구조물이다. 사석보호공, 그물망 돌채움공, 말뚝 보호공 등이 있다.

흐름 특성과 하상재료에 따라 세굴 속도는 크게 다르다. 모래나 자갈은 수시간 안에 최대 세굴깊이에 도달하고, 점착성 토양은 수일, 사질암반과 혈암은 수개월, 석회암은 수년, 화강암은 수세기가 걸린다. 따라서 점검 주기와 대응 시점을 정할 때 하상재료를 먼저 확인해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

교량 붕괴의 주요 원인 중 하나가 홍수 시 교량 기초의 세굴이라는 점이 여러 자료에서 확인된다. 세굴은 기초 위 구조물이 멀쩡해 보여도 기초 지지력이 사라져 갑자기 무너지는 특징이 있어, 외관 점검만으로는 발견하기 어렵다. 이 때문에 수중 조사와 세굴 평가가 별도로 필요해졌다.

국내에서도 하천 준설, 보 설치, 하천 정비가 이어지면서 기존 교량의 하상고가 낮아지는 사례가 생기고 있다. 하상이 낮아지면 기초 노출과 근입깊이 부족이 동시에 생겨 교량 안전성이 떨어진다. 따라서 기존 교량에는 기초 보강과 세굴방지공 설치가 필요하다. 신설 교량도 설계 단계에서 계획 하상 세굴을 반영해야 한다.

일반철도 하부구조 계획에서도 세굴을 고려하도록 하고 있다. 기초는 유수의 세굴에 의한 하상 저하를 감안해 지지지반을 판단한 뒤 일반철도 하부구조 계획에 따라 최소한 1m 이상 깊이에 기초를 계획하도록 규정되어 있다. 교대 위치와 교각 방향, 근입심도 하천 흐름과 계획 하상 세굴에 따라 정해야 한다.

세굴은 외국 기준에서도 중요하게 다룬다. 미국 연방도로청(FHWA)은 HEC-18, HEC-23에서 불리한 흐름 패턴을 피하고, 교대를 유선형으로 만들며, 사석 없이도 세굴에 견디는 교각 기초를 설계하도록 권고한다. 국내에서도 하천 점용허가 기준이 기초형식, 세굴심도, 세굴방지사석의 입경을 심사 항목으로 정하고 있다.

4. 구성요소·원리·절차

교량기초 세굴은 하천 흐름이 교각·교대 주변의 하상재료를 깎아내는 현상이다. 세굴의 원인은 크게 장기 하상변동, 단면축소세굴, 국부세굴로 나뉘며, 이 셋을 합산한 최대 세굴심으로 기초의 근입깊이와 방지공 규모를 정한다. 설계는 원인별 세굴량을 따로 구해 더하는 방식으로 진행한다.

표 설명: 세 원인은 발생 시기가 다르다. 장기 하상변동은 수년 이상에 걸쳐 진행되고, 국부세굴은 홍수 중 수시간 내에 최대 깊이에 도달할 수 있다. 따라서 기초 보강은 장기 변동량과 홍수 시 단기 세굴량을 합산해 판단해야 한다.

국부세굴의 원리는 다음과 같다. 접근류가 교각 전면에서 감속하여 정체하면 정체압이 생기고, 이 압력 구배가 하향류를 만든다. 하향류의 속도가 하상입자의 저항을 넘으면 말굽형 와류가 발생하고 세굴공이 깊어진다. 정체압은 수면 부근에서 가장 크므로 세굴은 교각 상부 물 흐름 속도가 큰 구간에서 시작된다.

세굴은 흐름이 구조물 주변에서 하상 입자를 떼어내는 침식 현상이며, 원인에 따라 장기·단면축소·국부 세굴로 구분한다.

세굴 깊이 산정의 기본 절차는 다음과 같다.

• 기존 교량과 하천 자료를 수집하고 홍수 유량과 하상재료 입경을 정한다.
• 장기 하상변동량을 예측하고 하상고 변화를 계산한다.
• 교량 폭에 따른 단면축소세굴 깊이를 산정한다.
• 교각·교대 형상에 따른 국부세굴 깊이를 산정한다.
• 세 값을 합산해 설계 세굴심을 정하고 기초 근입깊이를 결정한다.
• 세굴방지공 규모와 점검 주기를 확정한다.

국부세굴 깊이 산정식에는 HEC-18 계열의 Colorado State University(CSU) 식이 널리 쓰인다. 식의 형태는 다음과 같다.

$y_s = 2K_1K_2K_3\,a^{0.65}\,y_1^{0.35}\,Fr^{0.43}$

여기서 y_s는 국부세굴 깊이(m), a는 교각 폭(m), y_1은 교각 상류 수심(m), Fr은 접근 유속의 Froude 수(무차원), K_1은 교각 형상계수, K_2는 접근각 계수, K_3은 하상 조건계수다.

5. 관련 법령·기준·표준

교량 세굴 관련 기준은 하천 점용허가와 설계지침 두 계통으로 나뉜다. 「하천법」 체계의 하천점용허가 세부기준 제4장 제21조(교량)는 허가 심사 시 교각 단면 형식, 기초형식, 세굴심도, 세굴방지사석의 입경, 세굴방지공법의 적정성을 검토하도록 정한다. 국내 교량 설계는 도로교 설계기준과 철도 설계기준을 따른다. 미국 연방도로청(FHWA)의 HEC-18, HEC-23은 세굴 산정과 방지공 설계의 대표 지침이다.

기준값 표는 다음과 같다.

표 설명: 기초 근입과 교량 높이는 홍수 시 세굴을 전제로 한 최소 조건이다. 사석 입경과 방지공 규모는 세굴심도 산정 결과에 따라 달라지므로 표의 값은 판정의 출발점으로 쓴다. 하상재료별 도달 시간은 점검 주기 결정에 쓰인다.

개정 연혁으로는 하천 점용허가 세부기준이 공작물의 신축·개축·변경 허가 항목에 교량 세굴 검토를 명시하고 있다. 국내 설계지침은 다목적 보 설치 이후 하상보호구조물 길이 산정 기준의 보완 필요성이 제기되었다. 외국의 HEC-18, HEC-23은 평형 최대 세굴심을 기준으로 방지공 길이를 정하는 방식을 쓴다.

6. 유형과 비교

교량기초 세굴은 발생 원인에 따라 장기 하상변동, 단면축소세굴, 국부세굴로 나뉘고, 일부 설계기준은 교대 뒤채움 세굴을 별도로 다룬다. 답안에서는 원인별 분류를 먼저 세우고 각 유형의 발생 위치와 대책을 대응시키는 것이 핵심이다.