교각과 교대주변의 세굴로 인하여 발생한
교량붕괴현상
세굴현상의 일반적 분류
세굴이란 흐르는 물의 침식작용에 의한 결과로서 하천 바닥이나 제방으로부터 파인 물질이 이동되는 현상으로 정의되며 하상재료의 구성에 따라 서로 다른 세굴양상을 보여준다. 예로서 느슨한 입자의 토양은 유수에 의해 세굴이 급격히 일어나나, 점착성이 있거나 다져진 토양은 세굴에 보다 잘 견딘다. 그러나 점착성 혹은 다져진 토양의 경우도 최종적인 세굴깊이(최대세굴심)는 사질하상과 같은 정도의 세굴깊이를 갖는다. 또한 시간적으로도 모래와 자갈로 이루어진 바닥은 몇 시간안에 최대 깊이까지 도달하게 될 것이나 점착성이있는 바닥은 수일 만에, 빙하점토, 사암과 이판암은 수개월, 석회암은 수년, 단단한 화강암은 수세기 에 걸쳐 최대 깊이까지 도달하게 될 것이다.
하천에서의 세굴은 시간에 따라 장기적인 변화와 단기적인 변화로 구분할 수 있다. 장기변화는 하상의 상승이나 저하로 하천과 유역에 있어서의 수리특성과 하천 단면변화와 관련이 있고, 단기변화로는 교량 등의 인공구조물에 의한 하천내의 통수단면적이 축소되어 발생하는 세굴이 있다. 또한 교대와 교각에서 발생하는 국부세굴은 흐름속에 설치된 구조물에 의한 흐름의 간섭에서 발생한다.
따라서 세굴을 장기하상변동, 단면축소세굴, 국부세굴의 세가지 형태로 나누어 평가하는 것이 일반적이다.

장기 하상변동
장기하상변동은 교량이 놓인 하천의 흐름에 의해 발생되는 침식작용과 퇴적작용을 말하며 물의 흐름에 따라 토사가 침식, 운반 퇴적되는 과정으로, 장기적으로 하상의 형상을 변화시킨다. 하상상승(aggradation)은 하천의 다른 단면에서 침식된 물질이 침강하여 퇴적됨으로써 하상이 높아지는 현상이고 하상저하(degration)는 침식에 의하여 하상이 낮아지는 것을 말한다. 이 침식과 퇴적작용은 하천의 유역특성, 상하류의 구조물, 하상재료 등에 영향을 받으며, 특히 홍수특성에 상당히 큰 영향을 받는다.
장기하상변동에 영향을 주는 인자로는 교량 상하류의 댐과 저수지, 유역 토지의 용도변화(도시화, 산림개발), 수로화, 굴곡부의 제거, 하류 바닥높이의 변화, 하상 준설, 하천 안팎으로의 물의 전환, 전체 수계의 자연적인 저하, 굴곡부의 이동, 흐름에 대한 교량의 상대적위치 등이다. 따라서 장기하상변동의 연구는 하천수리학의 지식을 사용해서 이루어져야 하며 이때 교량에 의하여 야기되는 아래와 같은 모든 영향을 고려해야 한다 ; 유역으로부터의 유출(수문학), 수로로의 유사이동(침식), 수로의 유사이송능력(수리학), 이들 인자들에 대한 수로의 반응(지형학과 하천수리학). 이 중 가장 큰 영향은 인간활동에 의해 생긴다고 보며 따라서 하천의 과거역사와 강에 대한 인간활동에 대한 연구가 필요하다. 현재의 물에 대한 연구, 토지이용, 흐름조절활동은 최종적으로 하천의 미래와 관련있는 모든기관과 접촉하여 결정하도록 하여야 한다. 이런 연구를 체계화하는 방법은 다음의 3단계 하천세굴 연구단계를 사용하는 것이 편리하다.
  • 일반지형학과 하천수리학과의 관계에 기초한 정성적 결정
  • 미래상태의 광범위한 계획안에 대해 예상되는 하천계의 반응을 정도높게 제시 할 수있는 공인된 정성적·정 량적인 관계를 사용한 공간지형학적 연구
  • 하천과 유역변화의 결과로 예상되는 하상고의 정량적 변화를 예측하기 위한 유용한 물리적과정의 수학적모형을 사용한 컴퓨터모델링

  • 단면축소세굴
    단면축소세굴은 자연적으로나 혹은 인공적으로 유수단면이 축소됨으로 인해 흐름이 가속을 받게 되어 발생되는 세굴이다. 유수단면이 줄게 되면 평균유속이 증가하고 이에 따라 하상전단응력(bed shear stress)이 증가하게 된다. 이러한 현상 때문에 축소단면에는 다른 곳에 비해 하상재료의 이동이 증가하게 된다. 이렇게 하상재료의 이동이 증가하게 되면 당연히 하상고가 낮아지며 이는 또 유수단면을 증가시키고 유속과 전단응력을 감소시키게 되어 평형상태에 도달하게 된다.
    전반세굴(general scour)은 수로폭 전체를 가로질러 하상이나 제방으로부터 물질이 이동하는 것을 통칭하는 말이다. 전반세굴은 통수단면의 축소, 하류 수위의 변화나 굴곡부에 교량이 위치함으로서 생길수 있다. 어느 경우건 세굴은 유속의 증가에 따른 하상전단응력의 증가에 의해 일어난다. 전반세굴의 형태는 교량양쪽 진입로의 건설, 교량자체의 단면적 등에 의하여 전체 통수단면적이 줄어들어 생기는 것이 일반적이다. 따라서 이를 단면축소세굴(contraction scour)이라고도 한다.
    전반세굴은 통수단면의 감소나 유속의 증가에 의해 생기며, 통수단면이나 수로폭의 감소는 자연적으로 일어나거나 교량의 건설에 의하여 생길 수 있다. 전반세굴은 단면축소세굴의 형태로 나타나고 본문에서는 단면축소세굴에 촛점을 맞추었다. 굴곡부에서는 전반세굴이 교량의 위치에 기인할 수도 있다. 만약 교량이 굴곡부나 굴곡부의 끝에 위치한다면 수로 외측에 흐름이 집중되어 하상은 침식되며 또한 전반세굴은 이동될 수도 있다. 이것은 홍수시 수위가 상승(유량증가)되면 만곡부는 세굴되지만 수위가 떨어지면 퇴적되기 때문이다.
    교량에 의한 흐름의 수축은 하천의 통수단면적의 감소로 생긴다. 수로상에 교대를 설치하거나 교각이 흐름단면적의 축소를 가져올 수 있고 또한 많은 유량이 흐르는 동안 홍수터를 가로지르는 지표류가 교량쪽으로 접근함으로 생길 수 있다. 후자의 경우에서 지표류는 일반적으로 어떤 하상물질도 옮기지 않기 때문에 생기는 것으로서 교량단면에서의 정적세굴에 기인한다. 이 깨끗한 물은 교량교차형 만곡부에 다달으면 하상침식을 일으키고, 교대에서 하도로 되돌아 오면 그곳에서 국부세굴을 증가시킨다. 도류제는 홍수터 흐름이 되돌아 오는 위험성과 그 교대의 세굴위험을 감소시킨다. 그외 전반세굴에 영향을 미치는 인자로는 자연하천의 수축, 홍수터를 넘어 하천교량쪽으로의 긴 진입도로, 결빙, 침강물에 의해 제방을 따라 생긴 소단, 교량개구부 상·하류의 섬이나 사구의 형태, 유송잡물, 수로나 홍수터에서의 식생의 성장 등이 있다.

    국부세굴
    국부세굴은 극히 일부분의 수로폭 부분에서만 일어나는 형태로서 주로 교각, 교대, 돌출부와 제방주위에서 생기고 흐름의 가속과 흐름의 방해에 의해 야기된 와류의 발달에 의해 생긴다. 위에 언급된 세굴형태에 더하여 하천의 흐름방향이 바뀜으로써 교량의 하도부분을 침식시킬 수 있고, 교량이 지나가는 수로에서는 교각과 흐름의 각도가 평행하지 않아 세굴심을 크게 변화 시킬 수 있다. 교량의 안정성에 영향을 미치는 인자로 하천의 지형적 특성, 하천을 가로지른 위치, 홍수의 특성, 하상과 제방물질의 특성 등이 있다.
    국부세굴은 국부적인 흐름의 변화에 의해서 발생되는 세굴이다. 이러한 국부적인 흐름의 변화는 자연적인 것일 수도 있고 인공적인 것일 수도 있으나 일반적으로 국부세굴이라 함은 교각, 교대 등과 같은 교량구조물 주위에서의 흐름양상 변화로 인한 세굴을 일컫는다. 이러한 국부세굴의 원인은 흐름 중에 놓여 있는 구조물로 인해 발생되는 와류(vortex)의 작용이라 알려져 있다. 와류는 교각의 상류측 면에서 물이 돌고, 따라서 흐름이 가속됨으로 인해 발생한다. 교각 주위에서 발생하는 와류 중에서 교각 전면에서 발생하여 하류로 진행하는 와류를 말발굽와류(horse shoe vortex)라 하고 교각 직하류에서 발생되는 와류를 후류와류(wake vortex)라 한다. 이러한 와류들이 교각 주변의 하상토사를 이동시키게 되는 것이다. 이때 그 부분으로부터 하상토사가 유출되는 비율이 들어오는 비율보다 크게 되면 세굴에 의해 하상이 부분적으로 파이게 된다. 세굴심이 깊어짐에 따라 와류의 세기는 줄어들어 유사의 유출율이 감소하여 평형을 이루게 된다. 국부세굴은 비정상흐름(unsteady)과 느슨한 경계(loose boundary)의 상호작용을 포함하는 3차원 문제이다.



    정적세굴과 동적세굴
    세굴은 두가지 형태 즉 정적세굴과 동적세굴로 나누어진다. 상류에서 하천의 하상물질의 이동이 없는 경우 유속 및 소용돌이에 의하여 교각이나 교대주위의 바닥에서 세굴만이 생기는 것을 정적세굴이라하고 상류에서 하상물질이 이동되어 세굴뿐아니라 퇴적도 동시에 발생하는 것을 동적세굴이라 한다.
    굵은 하상물질로 된 하천의 교량은 작은 유량에서는 정적세굴이 생기나 많은 유량일 때는 동적세굴이 생기며 수위가 떨어질 때에는 정적세굴이 생기고 정적세굴은 동적세굴보다 긴 시간이 지나야 최대값에 도달한다. 이것은 정적세굴이 주로 굵은 하상물질의 하천에서 생기기 때문이다. 사실 동적세굴은 몇번의 홍수가 지날때까지도 최대값에 도달하지 않으나 세굴심은 정적세굴보다 약 10%정도 작게 나타난다.
    사구형상의 모래하상하천에서 동적세굴은 평형세굴 깊이 주위를 진동하는데, 그 이유는 하상형상이 사구일 때 하상물질의 이송량이 변동 하기 때문이다. 이 경우(교량의 상류수로에서 하상형상이 사구) 최대 세굴심은 평형세굴심보다 약 30%정도 크다. 평탄하상에서는 동적세굴에 대해 최대세굴심은 평형세굴심과 같다. 역사구가 생기는 상류와 교량이 지나는곳에서 Jain and Fisher(1979)에 의해 조사된 세굴의 최대심은 평형세굴심보다 약 20%정도 크게 나타났다.

    국부세굴에 영향을 미치는 인자
    교각에서 국부세굴을 일으키는 근본적 원인은 하상에서의 와류의 형성이다. 이 와류현상은 유체의 특성, 하천 흐름의 변화, 하상물질의 다양성 및 교각의 형태 등의 인자들의 영향을 받는다. 따라서 교각주위에서의 세굴에 영향을 주는 인자로는 크게 유체자체의 특성인자, 하천내 흐름인자, 하상재료 인자 및 교각의 형태인자로 대별할 수 있다. 이들인자에 대한영향을 살펴보면 아래와 같다.
  • 수심
    수심은 세굴심에 직접적인 영향을 미친다. 수심의 증가는 교각에 비하여 2배이상 세굴심을 증가시킨다. 교대에서는 형태에 따라 1.1에서 2.15배 까지 증가한다.

  • 교각의 크기
    교각의 폭은 세굴심에 직접적인 영향을 미친다. 교각의 폭이 증가하면 세굴심이 증가한다

  • 유속
    유속의 증가에 따라서 세굴의 양상도 달라지게 되는데, 유속이 일정한 값에 도달하게 되면 처음 정적세굴(clear water scour)이 발생하게 되고 점차 유속이 증가하면서 동적세굴(live-bed scour)의 형태로 변화한다. 이 정적세굴과 동적세굴은 시간에 따른 세굴특성도 상이하다. 정적세굴은 시간에 따라 점진적으로 증가하여 일정한 값으로 수렴하지만 동적세굴은 초기에 큰 값으로 증가한 후 진동수렴의 형태를 보인다. 그러나 정적세굴과 동적세굴 모두 유사한 세굴깊이로 수렴하게 되는데, 이 세굴 깊이를 평형세굴깊이라고 한다. 일반적으로 교각주위의 세굴은 유속이 한계속도의 1/2 또는 1/3 이상이 되면 발생하기 시작한다고 한다.
    접근유속의 증가는 세굴심을 증가시킨다. 따라서 상류 또는 사류의 흐름상태는 세굴심에 큰 영향을 미친다. Jain 과 Fisher(1979)는 세굴심은 Froude수의 증가에 비례한다고 밝혔으나 대부분의 연구와 자료는 흐름상태가 상류(Fr<1)인 경우의 행해졌기 때문에 사류(Fr>1)상태에 있어서 국부세굴의 정량적인 해석이 어렵다.

  • 유사의 크기
    하상물질의 입도크기가 모래 크기 정도라면 세굴심에 영향을 주지 않는다. 만약 접근유속이나 소용돌이 또는 교대나 교각에 의한 난류에 의해 움직여지는 더 큰 크기의 하상물질도 최종 또는 최대 세굴심에 영향을 미치지 않고 단지 최대세굴심에 도달하는 시간에만 관계한다. 하상물질중 매우 큰 입자(자갈이나 조약돌)는 세굴구멍의 방호역할을 할 것이다. 또한 하상물질의 입도크기는 교각이나 교대에서의 세굴이 동적세굴인지 정적세굴인지를 결정하는 척도가 된다. 미세한 하상물질(실트와 점토)은 모래보다 더 깊은 세굴심을 가지며 응집력에 의해 서로 붙어 있더라도 마찬가지이다. 응집력의 영향은 최대세굴에 도달하는 시간에만 관계하며 모래하상에서 최대세굴심은 1시간안에 도달되나 응집력있는 하상물질에서는 하루, 한달 또는 몇년까지도 걸릴 수 있다.

  • 교각의 형태
    교각의 형태는 세굴에 중대한 영향을 미친다. 교각에서 앞뒤를 유선형으로 하는것은 말발굽와류(horseshoe vortex)의 세기를 감소시켜 세굴심을 감소시킨다. 교각의 하류쪽 끝을 유선형으로 하는 것은 후류와류의 세기를 감소시킨다. 사각 모서리 교각은 뾰죽한 모서리 교각에 비해 최대 세굴심이 20%정도 커지고 원통형이나 모서리가 둥근 교각에 비해 약 10%정도 커진다. 상류쪽과 하천방향으로 수직벽을 가진 교대는 경사진 교대보다 약 두배의 세굴심을 가진다.

  • 접근각
    교대나 교각에 흐름이 부딪히는 각도는 교각의 길이에 의한 영향에서 잠시 언급한 것 같이 국부세굴에 큰 영향을 미친다. 교대에 의한 세굴심은 제방이 하류에 비스듬하면 감소하고 상류에 비스듬하면 증가한다. Ahmad의 연구에 따르면 제방이 하류에 대해 45°굽은 곳에서 최대세굴심은 20% 감소하는데 반하여 제방이 상류에 대해 45°굽은 곳에서 세굴은 약 10%증가한다.

  • 교각의 길이
    교각이 길지만 흐름과 일렬로 늘어서 있는한 교각의 길이는 세굴심에 별 영향을 미치지 못한다. 다만 교각이 흐름에 대해 비스듬하다면 교각의 길이는 매우 큰 영향을 미친다. 같은 각도에서 교각의 길이가 배가되면 세굴심은 33% 증가한다. 어떤 세굴방정식은 교각길이와 수심 또는 교각폭과의 비와 교각과 흐름이 이루는 각도로서 표시하기도 한다. 또 어떤 식들은 교각의 투영면적을 사용하기도 한다.

  • 하상형상
    하상형상은 국부세굴의 크기에 영향을 미친다. 모래로된 하상의 하천에서 하상의 형상은 Interim과 Pwcedure이 정한것처럼 사련, 사구, 평탄하상, 역사구의 형태로 존재할 수 있다. 하상의 형상은 하상모래의 크기분포, 흐름상태, 유체의 점성계수에 따라 달라지고 또한 흐름이 증가하는 동안 사구에서 평탄하상이나 역 사구로 바뀌어진다. 이것은 흐름이 감소하는 동안에도 뒤바뀔 수 있으며 물의 온도변화나 실트,점토의 함량변화에 의해서도 변할 수 있다. 따라서 하상형상의 형태변화는 유속, 유사이송, 세굴에 변화를 가져오게되며 "Highway in River Environment"(Simons and Richardson, 1963)에 이에 대한 영향을 좀더 자세히 언급하였다.

  • 얼음과 유송잡물
    얼음과 유송잡물은 교각폭의 증가를 가져와 교대와 교각의 형상을 변화시킨다. 교대의 투영길이를 증가시키거나 흐름이 바닥 아래쪽으로 파고들게 하는 것은 국부세굴과 단면축소세굴을 둘다 증가시킨다. 증가의 크기는 아직까지 대부분 밝혀지지 않았지만 유송잡물의 영향은 교각의 폭이나 교대의 길이를 얼마나 늘리는가에 있으므로 세굴 계산에서 고려되어야 한다. 전반세굴과 단면축소세굴에서 유송잡물과 얼음의 영향은 단면축소세굴 방정식에서 교량 개구부의 폭을 감소시키는 흐름방해물의 총합을 산정함으로써 고려되고 얼음에 의한 세굴의 영향은 현장측정결과 3∼6m 까지 되기도 한다.




  • - 참고자료 : http://scour.myongji.ac.kr




    All Rights Reserved ⓒ 대도물산 주식회사 Homepage Development Team
    본사 : 서울 강남구 일원동 642-11 대도빌딩 Tel:02)3411-0721~5 Fax:02)3411-0726
    공장 : 충북 음성군 생극면 차평리 209-1 Tel:043)877-6981~4 Fax:043)877-6985