가물막이 공법

왜 배우는가: 가물막이는 하천·항만 공사에서 물을 차단해 건설 구간을 건조하게 만드는 핵심 가설공법이며, 공법 선정이 공사비·공기·안전을 좌우하므로 시공 관련 문항에서 반복해 출제된다. 공법의 종류와 선정 기준을 체계적으로 알아 두면 두 문항 모두에 답할 수 있다.

출제 이력: 제137회 3교시 6번, 제129회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

가물막이는 하천이나 해안 등 수중에서 공사를 할 때 공사구역 주위를 일시적으로 둘러싸 외수의 침입을 막고 구역 안의 물을 배제하여 건조 상태에서 시공할 수 있게 하는 가설 차수 구조물이다.

답안 첫 줄 정의 문장: 가물막이는 수중·하천 공사 구역 주위를 일시적으로 둘러싸 외수 유입을 차단하고 내부를 건조시켜 본공사를 가능하게 하는 가설 차수구조물이다.

핵심 키워드

• 가물막이(Cofferdam)
• 차수(Water cut-off)
• 가제방(Temporary embankment)
• 강널말뚝(Steel sheet pile)
• 전할 용량(Diversion capacity)
• 월류(Overtopping)
• 배수(Dewatering)
• 설계홍수위(Design flood level)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 물이 흐르는 강이나 바다 한가운데에서 기둥이나 구조 공사를 하려면 먼저 그 자리를 물에서 떼어 내야 한다. 그 임시 울타리가 가물막이다. 공사가 끝나면 철거하는 것이 원칙이므로 가설구조물로 분류된다.

정식 정의는 다음과 같다. 가물막이는 하천이나 바다 등 수중에 공작물을 설치할 때 공사구역의 주위를 일시적으로 둘러쌓아 외수의 침입을 방지하는 가설구조물이며, 공법으로는 성토에 의한 가제방이나 강널말뚝에 의한 지수벽 등이 있다.

핵심 용어를 풀어 보면 다음과 같다.

차수는 외부의 물이 공사 구역으로 들어오지 못하도록 막는 것이다. 차수 성능은 벽체 자체의 불투수성과 하부 지반을 통한 침투 경로 길이로 결정된다.

전류(유수 전환, Diversion)는 가물막이로 막은 구역 밖의 하천 흐름을 별도의 물길로 돌리는 것을 말한다. 상류 가물막이와 하류 가물막이를 함께 설치하여 본댐 부지를 둘러싸는 방식이 대표적이다.

배수는 차수된 구역 안에 남은 물이나 침투수를 펌프로 빼내는 작업이다. 가물막이의 성능은 배수 능력과 함께 평가된다.

3. 등장 배경과 필요성

하천과 항만에서 교각, 호안, 방파제, 취수구, 댐 기초 등을 시공하려면 수위가 높은 상태에서는 작업이 불가능하다. 물을 막지 않으면 기초 굴착과 콘크리트 타설이 이루어지지 않으므로, 가물막이는 수중 시공의 전제 조건이 된다.

특히 국내 하천은 홍수기와 갈수기의 수위 차가 커서 공사 기간을 갈수기에 맞추는 계획이 일반적이다. 이때 가물막이의 설계 기준 수위와 허용 월류 횟수가 공사 안전의 핵심 변수가 된다. 가물막이의 설계 수위는 공사 기간 중 발생 가능한 홍수 수위를 기준으로 정한다.

항만 공사에서는 조수 간만과 파랑이 함께 작용하므로 가물막이가 받는 외력이 하천보다 복합적이다. 해상 작업에서는 해저 지반이 연약하거나 세굴이 발생하기 쉬워 차수와 구조 안정을 동시에 확보해야 한다.

가물막이 공사는 본공사 비용에 비해 금액이 작아 보이지만, 붕괴 시 인명 피해와 본공사 지연이 크게 발생한다. 따라서 공사비 절감보다 안전성과 공기 확보가 공법 선정의 우선 기준이 되는 경우가 많다. 시화호조력발전소 공사처럼 토사 유출을 줄이기 위해 원형셀 공법을 도입한 사례도 공법 선정이 현장 조건에 따라 달라짐을 보여 준다.

이 절에서 정리한 정의와 배경은 2절 이후 공법 종류와 선정 기준의 출발점이 된다.

4. 구성요소·원리·절차

가물막이는 공사 대상 구역 주변을 일시적으로 둘러싸서 외수(하천수·해수)의 유입을 막고, 그 안을 물 없이 굴착·기초 시공이 가능하도록 만드는 가설구조물이다. 구성요소는 차수벽, 지지구조(버팀대·앵커), 본체(성토체·셀·널말뚝)와 배수·양수 설비로 나뉜다. 차수 성능과 구조 안정성이 함께 확보되어야 한다.

가물막이의 차수(Water Cut-off) 원리는 외수와 내부 사이에 침투 경로를 길게 만들고 수압을 구조체가 지지하는 데 있다. 수압은 수심에 비례하므로 수심이 깊을수록 벽체 두께·강성·버팀 간격을 키워야 한다. 누수가 생기면 지반 세굴이나 파이핑으로 이어지므로 차수 연속성이 핵심이다.

구성요소를 정리하면 다음과 같다.

가물막이의 성패는 차수 연속성과 기초 세굴 방지에 달려 있다.

가물막이 시공 절차는 다음과 같다.

• 설계 수위와 유량을 산정하고 가설 기간의 홍수 빈도를 정한다.
• 하천 유로를 전환하거나 한쪽 하도를 먼저 막아 작업 구역을 확보한다.
• 지반 조사 결과에 따라 차수벽과 본체 형식을 선정한다.
• 차수벽을 설치하고 지지구조를 시공한다. 강널말뚝은 연속 타입으로 이음부 누수를 막는다.
• 내부 물을 양수하여 건조 상태를 만든다. 용출수와 침투수는 집수정에서 계속 배수한다.
• 본 공사 완료 후 가물막이를 해체하고 수로를 복원한다.

가물막이의 안정 검토는 활동(Sliding), 전도(Overturning), 파이핑(Piping)에 대해 수행한다. 각 검토는 안전율로 판정하며 다음 식을 기본으로 쓴다.

$F_s = \frac{\sum M_R}{\sum M_D}$

여기서 F_s는 안전율, \sum M_R은 저항 모멘트(kN·m/m), \sum M_D는 전도 모멘트(kN·m/m)이다. 활동 안전율은 저항력 합을 작용 수평력 합으로 나눈 값으로 본다. 파이핑은 출구 동수경사가 한계 동수경사를 넘지 않도록 검토한다.

동수경사 i = \Delta h / L 에서 \Delta h는 내외 수위차(m), L은 침투 경로 길이(m)이다. 침투 경로가 길수록 동수경사가 작아져 파이핑에 유리하다.

5. 관련 법령·기준·표준

가물막이 자체를 규정하는 단일 법규는 없다. 공사기간과 공정 관리는 「공공 건설공사의 공사기간 산정기준」을 따르고, 하천 공사는 「하천법」과 같은 법 시행령의 절차를 따른다. 하천공사를 시행하면 하천관리청은 공사 명칭, 목적, 위치, 착수·준공 연월일 등을 고시해야 한다. 이 고시 의무는 하천법 시행령에 규정되어 있다.

공사기간 산정기준은 가물막이 설치·해체 기간을 준비기간과 작업일수에 포함하도록 한다. 준비기간에는 측량, 가설 설치 등이 들어가며, 기상으로 인한 비작업일수는 해당 지역의 최근 5년 또는 10년 기상 통계를 활용할 수 있다.

공사기간 연장 사유에는 태풍·홍수 같은 불가항력과 문화재 시발굴이 포함된다. 가물막이 공사 중 홍수로 피해가 생기면 시공자는 연장을 요청할 수 있으므로, 기상 기록과 피해 증빙을 확보해 둔다.

하천 공사에서 가물막이 구조 설계에는 수리계산, 설계홍수량 기준, 구조설계기준이 함께 쓰인다. 해상 공사에서는 파랑과 조위 조건을 반영한다. 이 값들은 발주처 설계기준과 현장 조건에 따라 정하며, 본 기준값은 설계 단계에서 확정한다.