교량 세굴 대책

왜 배우는가: 교량 하부구조의 세굴은 홍수 시 교량 붕괴의 주요 원인 중 하나로 알려져 있어, 실무에서 기초 안전성 검토와 대책 선정의 출발점이 된다. 세굴 원인과 대책은 토목시공기술사 시험에서 3교시와 4교시에 걸쳐 반복해서 출제되는 핵심 주제다.

출제 이력: 제129회 3교시 5번, 제112회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장: 세굴은 흐르는 물의 침식작용으로 교량 하부구조 주변의 하상재료가 제거되어 기초가 노출·약화되는 현상이다.

• 세굴(Scour)
• 하상변동(Bed Level Change)
• 단면축소세굴(Contraction Scour)
• 국부세굴(Local Scour)
• 세굴심도(Scour Depth)
• 세굴방지대책(Scour Countermeasure)
• 사석보호공(Riprap)
• HEC-18

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 세굴은 강물이 다리 기둥 아래 흙을 긁어 가져가 구멍을 파는 현상이다. 정식으로는 흐름의 침식작용에 의해 하상 및 제방의 재료가 이동·제거되어 하상고가 국지적으로 낮아지고 통수단면이 넓어지는 현상을 말한다. 세굴은 흐름특성과 하상재료의 구성에 따라 양상이 달라진다.

교량 세굴은 시간 변화에 따라 장기 하상변동과 단기 세굴로 나눈다. 장기 하상변동(장기 하상변동, Long-term Aggradation and Degradation)은 하천 유역의 수리특성과 하천단면 변화에 따라 하상이 서서히 상승하거나 저하하는 현상이다. 단기 세굴은 교량이 설치되어 통수단면이 좁아져 발생하는 단면축소세굴과, 교각이나 교대 주변의 와류로 발생하는 국부세굴로 구분한다. 세 성분을 합산하여 총 세굴심도를 구하는 것이 기본 개념이다.

하상재료에 따라 세굴 속도는 다르다. 느슨한 모래·자갈은 수시간에 최대 세굴깊이에 도달하고, 점착성 토양은 수일, 사질암반과 혈암은 수개월, 석회암은 수년, 화강암은 수세기가 걸린다. 따라서 점착성 토양이라도 최종 세굴깊이는 사질하상과 비슷해질 수 있으므로 하상재료를 단일 토질로 가정하면 설계에 큰 오차가 생긴다.

3. 등장 배경과 필요성

교량은 하천을 가로지르며 하천 단면을 좁히고 교각과 교대를 하상에 세운다. 이 구조물들이 흐름을 바꾸면서 세굴이 발생한다. 산악지형이 많은 국토 특성상 중·소하천의 하상경사가 커서 유속이 빠르고, 짧은 소교량이 많아 세굴 취약 교량의 비율이 높다.

세굴이 진행되면 기초가 노출되어 지지력이 떨어지고, 심하면 교량이 붕괴한다. 미국에서는 1985년과 1987년 홍수 때 다수의 교량이 파손되었고 그 상당 부분이 세굴 영향으로 알려져 있다. 이 때문에 교량 계획 단계부터 세굴 심도를 예측하고 기초형식과 방지공을 함께 검토하는 절차가 필요해졌다.

국내에서도 하천점용허가 기준에서 교량 기초구조물의 적정성을 판단할 때 세굴심도, 세굴방지사석의 입경, 세굴방지공법의 적정 여부를 주요 항목으로 검토하도록 되어 있다. 설계 단계에서 세굴을 고려하지 않으면 시공 후 유지관리 비용이 급증하므로, 세굴 평가는 신설과 보수·보강 모두에서 필수 절차로 자리 잡았다.

4. 구성요소·원리·절차

교량 세굴 대책은 세굴의 원인을 줄이는 방향과 세굴에 저항하는 방향으로 나뉜다. 세굴 원인은 단면축소세굴(contraction scour), 국부세굴(local scour), 그리고 장기 하상변동(aggradation·degradation)으로 구분된다. 실무에서는 세 성분을 합산해 설계 세굴심을 정하고, 이 값에 맞춰 기초를 깊게 하거나 방호공을 설치한다.

세굴 대책의 구성요소를 정리하면 다음과 같다.

원리는 다음과 같다. 교량이 하천 단면을 좁히면 통수 유속이 커지고 하상전단응력이 증가한다. 이 응력이 하상 재료의 한계 저항을 넘으면 재료가 이동한다. 따라서 대책은 유속과 전단응력을 낮추거나, 하상 재료의 저항을 높이는 방식 중 하나를 택한다.

세굴 대책 수립 절차는 다음과 같다.

• 교량 이력과 기존 세굴 피해를 사무실 조사로 확인한다.
• 현장 조사로 하상재료, 하상경사, 유수 방향을 파악한다.
• 장기 하상변동, 단면축소세굴, 국부세굴을 각각 산정하고 합산한다.
• 세굴심과 기초 근입 깊이를 비교해 취약 교량을 선정한다.
• 방호공 종류와 규모를 정하고 설계에 반영한다.
• 홍수 후 점검과 모니터링 계획을 포함한 세굴 관리 계획을 수립한다.

세굴 총심은 다음 식으로 나타낸다.

$d_s = d_{LT} + d_{CS} + d_{LS}$

d_s: 총 세굴심(m), d_{LT}: 장기 하상변동에 의한 세굴(m), d_{CS}: 단면축소세굴(m), d_{LS}: 국부세굴(m).

계산 예시는 다음과 같다(가상의 값). 장기 하상변동 0.5m, 단면축소세굴 1.2m, 국부세굴 2.3m이면 d_s = 0.5 + 1.2 + 2.3 = 4.0m이다. 교각 기초는 이 깊이 이하까지 근입해야 한다. 결과 4.0m는 교각 규모에 비추어 상식 범위다.

세굴 총심은 장기 하상변동, 단면축소세굴, 국부세굴의 합으로 구한다

5. 관련 법령·기준·표준

국내 교량 세굴 대책은 하천 관련 허가 기준과 도로·철도 교량 설계 기준을 함께 본다. 하천 점용허가 세부기준은 교량 신축 시 기초구조물의 적정 여부로 세굴심도, 세굴방지사석의 입경, 세굴방지공법의 적정성을 검토하도록 정한다. 또 유수단면 감소에 대한 저감대책과 저류대책 포함 여부를 확인한다.

미국 연방도로청(FHWA)의 HEC-18은 세굴 산정 경험식을 제시하는 대표 기준이다. 이 기준은 장기 하상변동, 단면축소세굴, 국부세굴을 합산해 총 세굴심을 구하는 방식을 쓴다. HEC-23은 방호공 설계 지침을 담고 있다. 두 기준은 국내 실무에서 참고 기준으로 많이 쓰인다.

기준값 표는 다음과 같다.

표의 기준 중 세굴 최대 도달 시간은 모래·자갈 수시간, 점착성 토양 수일 수준으로 본다. 설계에서는 총 세굴심 산정과 방호 사석 입경 검토에 세굴심도와 사석 입경 두 항목을 우선 적용한다. 세부 수치는 해당 기준에서 확인한다.

개정 연혁으로는 국내 하천 점용 기준이 세굴 검토 항목을 세분화해 왔다.

6. 유형과 비교

교량 세굴은 발생 원인과 진행 시간에 따라 장기 하상변동, 단면축소세굴(contraction scour), 국부세굴(local scour)로 나뉜다. 세 유형은 원인과 대책이 달라 구분해서 답해야 한다. 장기 하상변동은 하천 전체의 토사 수지에서 생기고, 단면축소세굴은 교량 폭으로 통수단면이 줄면서 생기며, 국부세굴은 교각·교대 주변의 와류에서 생긴다.