세굴 유형

왜 배우는가: 세굴은 교량 붕괴 원인의 상당 부분을 차지하는 대표적 수공구조물 파괴 현상이라 실무 설계·점검의 핵심 검토 항목이다. 시험에서는 세굴의 종류를 구분하고 수축세굴과 국부세굴을 비교하는 문제로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제110회 1교시 10번, 제89회 1교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

세굴(Scour)은 흐름의 침식작용으로 하상이나 제방의 재료가 제거되어 바닥이 파이는 현상이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 세굴(Scour): 흐름에 의해 하상재료가 제거되는 현상
• 단면축소세굴(Contraction Scour): 구조물로 통수단면이 좁아져 전체 단면에서 발생하는 세굴
• 국부세굴(Local Scour): 교각·교대 주변의 와류로 국소적으로 발생하는 세굴
• 장기적 하상변동(Long-term Aggradation/Degradation): 하상 상승 또는 저하로 나타나는 장기 변화
• 일반세굴(General Scour): 교량과 무관하게 하천 자체의 흐름으로 생기는 세굴
• 최대 세굴심(Maximum Scour Depth): 세굴이 도달하는 최종 깊이
• 하상재료(Bed Material): 세굴 속도를 좌우하는 입자 구성
• 와류(Vortex): 구조물 주변 흐름 분리로 생기는 회전 흐름

2. 개념 풀이

세굴은 물이 흐르면서 바닥 흙이나 모래를 깎아내는 현상이다. 물이 구조물을 만나면 흐름이 좁아지거나 휘돌아 가면서 바닥을 더 세게 깎는다. 그래서 교량 기초가 드러나거나 기울어지는 사고로 이어진다.

정식 정의로는 세굴을 흐름의 침식작용에 의해 하천 바닥이나 제방에서 재료가 파이고 이동하는 현상으로 본다. 세굴의 크기는 흐름특성과 하상재료의 구성에 따라 달라진다.

세굴은 원인에 따라 크게 두 축으로 나뉜다. 하나는 단기 변화로 단면축소로 인한 세굴과 국부세굴이다. 다른 하나는 장기 변화로 하상상승 또는 하상저하로 나타나는 변동이다.

단면축소세굴은 교량 같은 인공구조물이 통수단면을 줄여 유속과 바닥 전단응력이 전 단면에서 증가하며 생긴다. 국부세굴은 교각이나 교대 주변에서 흐름이 갈라지며 생기는 와류 때문에 국소적으로 깊게 파이는 현상이다.

세굴 깊이는 하상재료에 따라 다르다. 느슨한 모래·자갈은 세굴이 빠르고, 점착성 토양은 상대적으로 느리다. 다만 점착성 토양도 결국은 사질하상과 비슷한 깊이까지 세굴된다.

3. 등장 배경과 필요성

교량이 하천을 가로지르면서 세굴 문제가 본격적으로 드러났다. 교량 기초는 하상 아래에 묻혀 있어 세굴이 진행되어도 바로 보이지 않는다. 그래서 홍수 때 기초가 노출되거나 교각이 넘어지는 사고가 발생한다.

국내에서도 중·소하천이 산악지형에 많이 위치해 하상경사가 크고 유속이 빠르다. 소교량이 많아 교량 수 대비 세굴 위험 구조물이 많은 편이다. 이 때문에 교량 설계 단계에서 세굴 검토가 필수 절차가 되었다.

세굴을 구분하는 이유는 대책이 다르기 때문이다. 단면축소세굴은 통수단면 확보와 교량 경간 확대로 줄이고, 국부세굴은 기초 깊이 확보와 세굴방지공으로 대응한다. 장기 하상변동은 하천 전체의 유사량 관리와 하도 계획으로 다룬다. 따라서 답안에서는 종류를 먼저 나누고 각 대책을 연결해야 점수를 얻는다.

4. 구성요소·원리·절차

세굴(scour)은 흐름의 침식작용으로 하상이나 제방의 재료가 제거되는 현상이다. 교량 부근의 세굴은 장기 하상변동, 단면축소세굴(contraction scour), 국부세굴(local scour)의 세 성분을 더해 총세굴심을 구한다. 각 성분은 발생 원인과 시간 척도가 다르므로 답안에서 따로 구분해 쓴다.

표의 구분은 세굴이 발생하는 공간 범위에 따른 것이다. 단면축소세굴은 하폭 전체에 걸치고, 국부세굴은 구조물 주변에만 나타난다.

세굴 과정의 원리는 다음과 같다.

• 구조물이 흐름의 통수단면을 줄이면 흐름이 가속되고 바닥 전단응력이 커진다.
• 단면 전체의 하상재료가 이동하여 단면축소세굴이 발생한다.
• 교각·교대 주변에서는 말굽형 와류(horseshoe vortex)와 후류 와류가 생겨 구조물 기초 주변을 깎는다.
• 세굴공이 깊어지면 흐름 패턴이 다시 바뀌어 세굴이 계속 진행한다.

세굴 깊이의 시간 변화는 하상재료에 따라 크게 다르다. 모래나 자갈은 수시간에 최대 세굴깊이에 도달하고, 점착성 토사는 수일, 사질암반과 혈암은 수개월, 석회암은 수년, 화강암은 수세기가 걸린다. 따라서 하상재료 조건이 세굴 설계의 전제가 된다.

세굴 깊이 산정 절차는 다음과 같다.

• 하상재료 조사(입경, 점착성, 암반 여부)와 설계홍수량을 정한다.
• 장기 하상변동량을 과거 하상자료와 하천 변화 추세로 추정한다.
• 단면축소세굴 깊이를 통수단면 축소율과 유속 조건으로 계산한다.
• 교각·교대별 국부세굴 깊이를 경험식으로 계산한다.
• 세 성분을 합산하여 기초 근입깊이와 보호공 규모를 정한다.

국부세굴 깊이는 흐름의 세기, 구조물 폭, 하상재료 입경으로 결정된다. 교각 기준 경험식은 흐름 방향 폭(교각 폭)에 비례하는 형태이며, 흐름 방향 교각 폭을 기준 길이로 쓴다.

5. 관련 법령·기준·표준

교량 세굴 검토는 국내에 단일한 법정 수치가 정해져 있지 않고, 설계기준과 학계·외국 지침의 경험식을 함께 쓴다. 대표 근거는 다음과 같다.

• FHWA HEC-18 (Evaluating Scour at Bridges): 미국 연방도로청이 발간한 교량 세굴 지침이다. 장기 하상변동, 단면축소세굴, 국부세굴의 경험식을 제시하며 총세굴심을 세 성분의 합으로 구한다.
• 국내 교량 설계기준(도로교 설계기준 계열): 기초 설계 시 세굴 깊이를 고려하도록 규정한다. 세부 조항 번호는 확인되지 않았으므로 기준 이름만 쓴다.
• 소하천의 유지·보수 등에 관한 세부기준(제9장 기타시설): 교량 점검 시 교각 국부세굴 심과 교대 주변 세굴 형태(최대세굴심, 세굴범위)를 관찰하도록 규정한다.

기준 수치와 단위는 다음과 같이 정리한다.

위 표의 수치는 세굴 성분 구조와 하상재료별 시간 척도를 보여주는 참고 값이다.

국내 설계 적용 시에는 경험식을 쓰되, HEC-18 경험식이 많은 조건에서 세굴심을 과대 산정한다는 연구 결과가 있다. 설계자는 현장 조건에 맞는 보정과 안전율 적용을 판단해야 한다.

6. 유형과 비교

세굴은 발생 위치와 원인에 따라 일반세굴, 수축세굴, 국부세굴로 나뉜다. 교량 설계에서는 이 세 가지를 합산해 최대 세굴심을 구한다. 일반세굴은 하천 전체의 장기적인 하상 변동이고, 수축세굴과 국부세굴은 구조물에 의한 단기 세굴이다.