하천기본계획 시설물 검토

왜 배우는가: 하천기본계획의 시설물 능력검토는 제방·교량·저류시설이 계획홍수량을 안전하게 소통시키는지 확인하는 절차라서, 하천 계획의 기본 검토 단계이자 실무 설계의 출발점이다. 기술사 시험에서는 검토 대상과 방법을 체계적으로 묻는 문제로 반복해서 출제되었다.

출제 이력: 제132회 1교시 8번, 제125회 2교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

하천기본계획 시설물 검토란 계획홍수량과 계획홍수위를 기준으로 제방·저류시설·횡단시설물·교량의 통수 능력과 안정성을 확인하는 절차다.

• 계획홍수량
• 계획홍수위
• 계획하폭
• 홍수소통능력
• 저류시설
• 횡단시설물
• 교량 능력 검토
• 단면축소세굴

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 하천에 새 시설물을 놓았을 때 큰 홍수가 와도 물이 넘치거나 시설이 무너지지 않는지 미리 따져 보는 일이다. 하천기본계획은 하천관리청이 유역 단위로 세우는 장기 계획이고, 그 안에서 시설물이 기준 홍수를 통과시키는지 검토하는 단계가 시설물 능력검토다.

정식 정의는 다음과 같다. 하천기본계획 시설물 검토는 계획홍수량이 흐를 때 형성되는 계획홍수위를 기준으로, 하천에 설치되는 제방·저류시설·횡단시설물·교량이 수리적 안정성과 통수 능력을 갖추는지 확인하는 과정이다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다.

계획홍수량은 하천 홍수방어의 기준이 되는 홍수량으로, 하천 주변 개발 정도와 하천의 구분에 따라 빈도 규모를 정하고 하천기본계획에서 결정·고시한다.

계획홍수위는 계획홍수량이 하천에 흐를 때 형성되는 수위다. 제방, 교량 등 시설물은 계획홍수량과 계획홍수위를 기준으로 계획한다.

계획하폭은 계획홍수량이 흐르는 데 필요한 적정 규모의 하폭이다. 소하천 구조기준은 계획하폭을 계획홍수량을 원활히 소통시킬 수 있도록 현재 소하천구역과 예정지의 이용·관리계획을 고려해 정하도록 한다.

홍수소통능력은 시설물이 계획홍수량을 막힘 없이 흘려보내는 능력이다. 횡단구조는 이 능력을 기준으로 단단면 또는 복단면을 정한다.

3. 등장 배경과 필요성

하천 시설이 늘어나면 물의 흐름이 바뀌어 상류 수위가 올라가고 하류 세굴이 심해진다. 교량 교각이나 보, 저류지 같은 구조물은 통수단면을 줄여 단면축소세굴과 국부세굴을 일으킨다. 그래서 계획 단계에서 시설별 능력을 검토하지 않으면 치수 목표가 달성되지 않는다.

하천기본계획은 기본홍수량과 계획홍수량, 계획홍수위, 계획하폭을 고시해야 하는 계획이다. 법령도 하천기본계획에 홍수방어시설의 홍수방어계획과 홍수량 배분에 관한 사항을 담도록 한다. 시설물 능력검토는 이 고시 값을 실제 시설 설계에 연결하는 고리이다.

또 저류시설은 홍수량과 홍수위를 낮추기 위한 수단으로 설치한다. 천변저류지는 소하천 수위가 일정 수위 이상이 되면 유수를 저류지로 월류시켜 홍수량을 저감하는 시설이다. 저류시설의 규모와 형식은 본류와 해당 시설의 홍수분담률, 홍수분담량, 홍수조절방식에 따라 정한다. 따라서 저류시설 검토는 본류 홍수량을 얼마나 덜어 주는지를 수치로 확인하는 일이다.

교량은 하천 횡단시설 중 가장 흔한 구조물이다. 교량 경간과 교각 형식, 기초 세굴 대책이 맞지 않으면 홍수 때 교량 붕괴로 이어질 수 있다. 실무에서는 교량 설치 허가 단계에서도 유수 단면 감소에 대한 저감대책과 기초구조물의 세굴 안정성을 확인한다.

4. 구성요소·원리·절차

하천기본계획 시설물 검토는 계획홍수량이 고시된 계획홍수위 이하로 안전하게 흐르는지를 시설별로 확인하는 절차다. 검토 대상은 저류·조절시설, 횡단시설물, 교량의 세 범주로 나뉜다. 각 범주는 홍수 흐름에 주는 영향이 다르므로 검토 초점도 다르다.

저류·조절시설은 홍수량 일부를 일시 저장하거나 월류시켜 하류 첨두유량을 낮춘다. 저류시설의 규모와 형식은 본류와 해당 시설의 홍수분담률, 홍수분담량, 홍수조절방식에 따라 정한다. 따라서 검토에서는 시설 유무보다 본류 첨두유량이 얼마나 줄고 본류 수위가 얼마나 내려가는지를 계산으로 보인다. 유입시설은 유입유량을 안전하게 통과시키고 주변 시설물을 보호하는 구조여야 한다.

횡단시설물은 하도를 가로질러 흐름을 막는 구조물이다. 통수단면이 줄면 상류 수위가 올라 배수위가 생긴다. 그래서 검토는 배수위 산정과 단면 축소에 따른 저감대책의 두 가지다. 보나 하상유지시설에는 상·하류 세굴을 막는 보호공이 함께 계획된다.

교량 검토는 흐름 단면, 교각, 기초를 함께 본다. 교각이 흐름을 막으면 단면축소세굴이 생기고, 교각 주변에는 와류에 의한 국부세굴이 생긴다. 장기 하상변동은 별도로 예측하여 두 단기 세굴에 더한다. 교량 가설로 줄어드는 유수단면은 저류대책이나 하도 확폭으로 보상한다.

검토 절차는 다음과 같다.

• 고시된 계획홍수량과 계획홍수위를 확인한다.
• 저류·조절시설과 횡단시설물을 포함한 수리계산 모형을 만든다.
• 단면별 산정 수위를 계획홍수위와 비교한다.
• 초과 구간은 저류 용량 증대, 단면 확폭, 교량 경간 확대 등 대책을 세우고 다시 계산한다.
• 세굴심도와 기초 안정성을 확인한 뒤 점용허가 또는 계획 반영 여부를 결정한다.

원리의 핵심은 연속방정식이다. 저류지 유입량과 방류량의 차이가 저류량 변화가 된다.

$Q_{in}-Q_{out}=\frac{dS}{dt}$

Q_{in}은 유입유량(㎥/s), Q_{out}은 방류유량(㎥/s), S는 저류량(㎥), t는 시간(s)이다. 횡단 단면의 흐름은 Q=AV로 계산한다. A는 통수단면적(㎡), V는 평균유속(m/s)이다.

5. 관련 법령·기준·표준

시설물 검토의 기준은 하천법 체계에 있다. 하천기본계획은 하천법 제25조에 따라 수립하며, 하천공사 시행에 관한 사항으로 기본홍수량, 계획홍수량, 계획홍수위, 계획하폭을 정한다. 시행규칙 제13조는 이 값들을 주요 지점별로 고시하도록 한다. 시행령 제24조는 계획홍수량과 계획하폭의 경미한 변경 범위를 정한다.

저류시설의 기준은 「하천의 구조·시설 기준에 관한 규칙」 제13조에 있다. 저류지는 하천변에 설치하는 시설이고, 홍수조절지는 본류를 횡단하는 구조물과 본류 주변의 조절지로 구성된다. 규모와 형식은 홍수분담률과 홍수조절방식으로 정한다. 소하천 구조기준의 저류시설 조항도 같은 체계를 따른다.

교량 검토는 「하천점용허가 세부기준」 제21조가 기준이다. 검토 항목은 교각 단면 형식과 유수방향 저촉 여부, 기초구조물의 세굴심도와 세굴방지공법, 유수단면 감소 저감대책, 기존 교량 근접 가설 시 유수 지장 여부 등이다.

위 표의 값은 변경 허용 범위다. 예를 들어 계획홍수량이 500㎥/s인 지점에서 증가 허용 상한은 500×1.10=550㎥/s다. 계획하폭 100m 지점은 확대 시 110m, 축소 시 99m가 상한이다. 이 계산은 경미한 사항을 판단하는 데 쓰며, 그 밖의 변경은 하천기본계획 변경 절차를 거친다.

개정 연혁으로는 하천기본계획 수립 지침의 재검토기한이 3년 주기로 정해져 있다. 시설 기준은 행정 고시 형태이므로 본문의 값은 현행 고시를 기준으로 쓴다.

6. 유형과 비교

하천기본계획 시설물 검토에서 다루는 시설은 저류·조절시설, 횡단시설물, 교량으로 나눠 볼 수 있다. 각 시설은 홍수분담률과 계획홍수위를 기준으로 능력을 검토하므로, 시설별 목적과 검토 기준을 나란히 비교해 두면 답안 구성이 쉬워진다.