하천교량 세굴평가

왜 배우는가: 하천교량은 홍수 때 하상이 깎여 교각·교대 기초가 노출되거나 무너지는 세굴 사고로 가장 많이 손상되는 시설이다. 세굴평가는 설계·점검·보수 판단의 근거가 되므로 수자원개발기술사 시험에서 교량 안전과 연계해 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제134회 2교시 6번, 제117회 3교시 5번, 제92회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

하천교량 세굴평가는 홍수 시 흐름에 의한 하상 침식으로 교각·교대 기초의 지지력과 안정성이 어떻게 변하는지 정량적으로 예측하고 위험도를 등급화하는 절차이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 세굴(Scour)
• 장기 하상변동(Long-term aggradation/degradation)
• 단면축소세굴(Contraction scour)
• 국부세굴(Local scour)
• 세굴취약성(Scour vulnerability)
• 한계 세굴(Scour critical)
• 기초 근입깊이

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 다리 기둥 주변의 흙이 물에 씻겨 나가 기초가 드러나는 현상을 미리 계산하고 점검하는 일이다. 세굴은 흐르는 물의 침식작용으로 하상이나 제방의 재료가 파여 이동하는 현상으로 정의된다. 하상재료에 따라 세굴 양상이 다르다. 느슨한 모래·자갈은 세굴이 빠르고, 점착성 토양은 느리지만 최종 세굴깊이는 사질하상과 비슷해질 수 있다.

세굴평가는 세굴깊이를 구성 요소별로 더해 전체 세굴을 구하는 작업이다. 전체 세굴깊이는 장기 하상변동, 단면축소세굴, 국부세굴의 합으로 본다. 장기 하상변동은 하상이 수년에 걸쳐 올라가거나 내려가는 변화이다. 단면축소세굴은 교량 같은 구조물로 통수단면이 좁아져 전 단면에서 일어나는 세굴이다. 국부세굴은 교각·교대 주변 와류로 생기는 국소적 세굴이다.

세굴 진행 속도도 평가에 중요하다. 모래·자갈은 수시간 안에 최대 세굴깊이에 도달하고, 점착성 하상은 수일, 사질암반·혈암은 수개월, 석회암은 수년, 화강암은 수세기가 걸린다. 따라서 홍수 한 번의 최대 세굴과 장기간 누적 세굴을 구분해 평가해야 한다.

세굴평가는 기존 교량의 세굴 취약성을 등급화하는 작업도 포함한다. 취약성 평가는 서류조사, 현장조사, 세굴취약 해석, 우선순위 부여의 순서로 진행한다. 세굴 위험이 큰 교량은 한계 세굴 등급으로 분류하고 대책을 세운다.

3. 등장 배경과 필요성

교량 붕괴 원인의 상당 부분이 세굴로 보고되어 있다. 국내 하천은 산악지형이 많아 중·소하천이 많고, 하상경사가 커서 유속이 빠르다. 짧은 소교량이 수적으로 많아 세굴 점검의 필요성이 크다.

홍수 시 흐름 방향이 평상시와 달라지고, 교각에 의한 와류가 기초 주변 하상을 깎는다. 설계 단계에서 세굴을 반영하지 않으면 기초 근입깊이가 부족해져 지지력이 떨어진다. 점검 단계에서는 세굴이 이미 진행된 교량의 잔여 안전성을 판단해야 한다.

하천설계기준은 하천에 관련된 사업의 설계기준을 정하는 고시로, 교량 계획 시 하상 세굴을 고려하도록 연결된다. 소하천 세부기준은 교대·교각 주변 세굴형태(최대 세굴심, 세굴범위)를 관찰하고 하상변동 상황을 파악해 교량관리자에게 통지하도록 정하고 있다. 점용허가 세부기준은 교각에 의한 국소세굴이 근접 공작물에 지장을 주지 않도록 세굴방지 대책을 강구하라고 정한다.

세굴 사고는 홍수 중에는 확인이 어렵고 사고 후에는 복구 비용이 크다. 그래서 설계 단계 세굴 산정, 홍수 후 점검, 세굴 취약성 등급화가 함께 필요하다.

4. 구성요소·원리·절차

교량세굴은 하천 바닥의 하상재료가 흐름의 침식작용으로 제거되는 현상이다. 세굴 깊이는 장기 하상변동(Long-term aggradation·degradation), 단면축소세굴(Contraction scour), 국부세굴(Local scour)의 세 성분을 더해 구한다. 구성요소별 특성은 다음과 같다.

원리는 다음과 같다. 교량이 하폭을 좁히면 유속과 바닥 전단응력이 커져 하상재료가 제거된다. 교각·교대 모서리에서는 흐름이 가속되어 말굽형 와류가 생기고, 이 와류가 기초 주변 하상을 깎는다. 하상재료가 모래·자갈처럼 느슨하면 세굴이 빠르고, 점착성 토양이나 암반은 세굴 속도가 느리지만 최종 깊이는 사질하상과 비슷할 수 있다.

교량세굴 평가 절차는 다음과 같다.

• 자료 조사: 교량 이력, 과거 세굴 피해, 하상 종·횡단 자료를 수집한다.
• 현장 조사: 교각·교대 주변 세굴 흔적, 하상재료 시료, 제방 상태를 확인한다.
• 장기 하상변동 예측: 하상상승·저하량을 산정한다.
• 단면축소세굴 산정: 통수단면 축소에 따른 세굴 깊이를 계산한다.
• 국부세굴 산정: 교각·교대 형상과 흐름 조건으로 세굴 깊이를 계산한다.
• 총 세굴 깊이 합산 후 기초 근입 깊이와 비교하여 취약성을 판정한다.

세굴 깊이의 기본 합산식은 다음과 같다.

$d_{s,total} = \Delta y_{LT} + d_{s,contr} + d_{s,local}$

여기서 d_{s,total}은 총 세굴 깊이(m), \Delta y_{LT}은 장기 하상변동량(m), d_{s,contr}은 단면축소세굴 깊이(m), d_{s,local}은 국부세굴 깊이(m)이다.

5. 관련 법령·기준·표준

국내 하천 교량 세굴 관련 기준은 「건설기술 진흥법」에 근거한 하천설계기준(고시)이 기본이다. 이 고시는 하천에 관련된 사업의 일반적 설계기준을 정하며, 제2조에서 설계기준을 별지로 정한다. 재검토기한은 제3조에 따라 3년마다 타당성을 검토하도록 되어 있다.

교량 설치 기준은 하천점용허가 세부기준 제21조(교량)에 있다. 주요 내용은 다음과 같다.

• 협착부, 수충부, 합·분류부, 하상변동이 큰 곳은 교량 설치를 피하는 것이 원칙이다.
• 교각에 의한 국소세굴이 근접 공작물에 지장을 주지 않도록 세굴방지 대책을 강구한다.
• 교대·교각은 제방 정규단면에 설치하지 않고 제방 제외지 측 비탈끝으로부터 10m 이상 떨어뜨린다. 다만 계획홍수량이 500㎥/sec 미만인 하천에서는 5m 이상으로 한다.
• 교각은 원칙적으로 제체 안에 설치하지 않는다.

소하천 유지관리 기준인 소하천의 유지·보수 등에 관한 세부기준 제9장은 교량 점검에서 교각의 국부 세굴심을 고려하도록 하고, 세굴 형태(최대 세굴심, 세굴 범위)를 관찰하도록 규정한다.

국제 기준으로는 미국 연방도로국의 HEC-18(Evaluating Scour at Bridges)이 세굴 깊이 산정식을 제시하고, HEC-23은 세굴 대책 공법을 제시한다. HEC-18 식은 실험실 모래 조건에서 유도되어 과대 예측 경향이 보고되었으므로 국내 적용 시 현장 하상재료에 맞춰 검토해야 한다. 프랑스는 2019년 국가 지침으ls에서 교량 세굴 위험을 4단계(개략, 간이, 상세, 위험관리)로 평가하는 방법을 제시했다.

6. 유형과 비교

교량세굴은 발생 원인과 진행 시간에 따라 장기 하상변동, 단면축소세굴, 국부세굴로 나눈다. 각 세굴은 원인과 평가 방법이 달라 구분해서 산정해야 한다. 아래 표는 세 유형의 원인, 발생 양상, 평가 방식을 비교한 것이다.