교량 세굴 방지공 — 사석 크기, 필터, 파괴 모드

교량 세굴 방지공은 세굴을 없애는 시설이 아니라, 세굴이 진행되는 동안 기초 주변 하상이 버티도록 만든 하나의 시스템이다. 그래서 사석(riprap)의 성능은 돌 크기만이 아니라 필터, 두께, 가장자리 처리, 그리고 점검이 함께 결정하고, 이 중 하나만 빠져도 전체가 실패한다.

이 글은 FHWA 수리공학 회람 23호 「Bridge Scour and Stream Instability Countermeasures」 제3판(FHWA-NHI-09-111)을 근거로 한다.

1. 교각 사석의 크기 — 난류를 계수로 반영한다

하상 사석의 표준식은 Isbash(1936) 식이다.

D_50 = 0.692 (K·V)² / (2g(S_s − 1)) — D_50은 사석 크기, V는 유속, S_s는 사석의 비중(통상 2.65), 표준식에서 K = 1.0. — HEC-23 제3판, 식 5.1

D_50 = 0.692 (K·V)² / (2g(S_s − 1)) — D_50은 사석 크기, V는 유속, S_s는 사석의 비중(통상 2.65), 표준식에서 K = 1.0. — HEC-23 제3판, 식 5.1

여기서 K를 키우는 것이 교각 사석 설계의 핵심이다. 난류는 순간 유속을 무장애 흐름의 수준보다 훨씬 높이며, 그 효과를 반영하기 위해 K를 1.0보다 크게 잡는다.

출처권장 K

Hoffmans와 Verheij(1997) — 원형 교각교각 상류의 국부 유속을 쓰고 K를 최대 2.0까지 — 이는 전단응력을 4배로 키우는 것과 같다

HEC-23 설계지침 8원형 교각 1.5, 각형 교각 1.7

Parola(1993)교각·기초 형상과 흐름 경사각에 따라 1.44~1.90

식의 선택 근거도 밝혀져 있다 — NCHRP 24-23에서 여러 식을 세 개의 실험 데이터로 비교한 결과, HEC-23(제2판) 식과 Parola 식이 "교각 사석을 거의 과소설계하지 않으면서도 지나치게 보수적이지 않은" 균형을 가장 잘 준다고 결론지었고, 두 식이 유사하므로 HEC-23 식을 설계 실무에 권장했다.

교대 사석은 다른 계통을 쓴다 — 프루드수 0.8을 기준으로 두 개의 식을 쓰며, 교대 앞굽의 특성 평균 유속을 입력으로 한다. 이 유속 추정법인 SBR(Set Back Ratio) 방법은 2차원 모형으로 검증되었고, 추정 유속이 하도 내 최대 유속을 넘지 않는다면 적합하다는 결론이 제시된다.

2. 필터가 없으면 사석은 시스템이 아니다

문서는 필터의 중요성을 과소평가해서는 안 된다고 못 박고, 그 기능을 세 가지로 정리한다 — 아머층 공극을 통한 원지반 입자의 과도한 이동을 막고, 아머층 아래의 수압을 해소하며, 아머의 무게를 분산해 더 균등한 침하를 만든다.

설계 원칙에는 흔한 오해가 하나 걸려 있다 — 필터는 원지반의 굵은 입자를 잡아 두면서도 침투와 배출이 자유로울 만큼 투수성이어야 하며, 원지반의 모든 입경을 잡을 필요는 없다. 오히려 잔입자가 통과해 더 굵은 기층이 남는 것이 유리하다.

항목기준

입상 필터 두께필터재 d50의 4배 또는 6 in(150 mm) 중 큰 값

수중 시공 시그 두께를 50% 증가

사구(dune)형 하상이 예상될 때지오텍스타일 필터만 사용할 것을 강력히 권고

지오텍스타일의 부력폴리에틸렌·폴리프로필렌의 비중은 0.90~0.96 — 고정하지 않으면 뜬다

유속의 영향가물막이로 격리하지 않으면 약 1.0 ft/s(0.3 m/s)를 넘는 유속에서 지오텍스타일이 돛처럼 작용해 파형으로 요동한다

수중용 복합재두 층의 부직포 사이에 모래를 넣어 꿰맨 제품은 비중 약 1.5~2.0으로 가라앉으며, 약 3.3 ft/s(1 m/s)까지의 유속에서도 취급 가능

접촉면 재료원지반과 닿는 면은 부직포 — 직포보다 마찰각이 크기 때문

3. 실패 방식은 정리되어 있다

호안 사석에 대해 Blodgett과 McConaughy(1986)가 지적한 것은 기존 설계법의 큰 결함이 사석 파괴를 오직 입자 유실로만 가정한 데 있다는 것이다. 그래서 고려해야 할 파괴 모드는 넷이다 — 입자 유실(particle erosion), 병진 활동(translational slide), 수정 슬럼프(modified slump), 슬럼프(slump).

입자 유실의 원인도 열거된다 — 돌 크기 부족, 충격·마모에 의한 개별 돌의 이탈, 사면이 너무 급해 사석의 안식각을 쉽게 초과, 입도가 너무 균등.

교각 사석에는 별도의 모드가 정의되어 있다(Chiew, 1995 — 맑은물 조건, 유속을 점증시키는 실험).

모드내용

전단 파괴사석이 교각 세굴 기구의 하강류와 말굽형 와류를 견디지 못한다

위노잉(winnowing)사석층의 공극과 틈으로 하부의 잔입자가 빠져나간다

가장자리 파괴사석층과 하상 퇴적물의 경계에서 불안정이 시작되어 세굴공이 바깥에서 안쪽으로 진행하며 결국 층 전체를 불안정하게 만든다

이동상 조건에서는 지배 기구가 바뀐다 — 사구가 이동하는 하천, 특히 모래하상 하천에서는 하상형태에 의한 하부 침식이 지배적인 파괴 기구다. 사구의 골이 사석층을 지나가면 돌이 골로 미끄러져 층이 얇아지고, 남은 두께에 따라 위노잉이 시작되어 층 전체가 하상 속으로 가라앉을 수 있다. 다만 층이 충분히 두꺼우면 위노잉은 문제가 되지 않고 침하도 일어나지 않는다.

사석층에는 자체 복원 능력도 있다 — 정상류 조건에서 사석층은 유연성 덕분에 이동하는 하상에 스스로 맞춰가며 비교적 온전하게 보호 기능을 유지할 수 있다. 그러나 유속이 계속 증가하면 전단·위노잉·가장자리 침식이 결합해, 필터가 없는 경우 완전 붕괴나 매몰(embedment) 파괴로 간다.

4. 사석이 있다고 안전한 것은 아니다

이 문서는 1987년 Schoharie Creek 교량 붕괴를 사례로 다룬다. 설계도서는 확대기초를 사석으로 보호하도록 요구했지만, 1953년부터 1987년 사이에 큰 홍수로 사석의 상당 부분이 유실되었다. NTSB가 지목한 추정 원인은 교각 주변 사석을 적절히 유지하지 못한 것이며, 그 결과 확대기초 아래 흙에 심한 침식이 생겼다. 사고의 심각성을 키운 요인으로는 구조적 여용성의 부재가 함께 지적되었다.

점검 이력도 기록되어 있다 — 1979년 점검에서는 교각 주변 사석 대부분이 없어진 것으로 보고되었으나, 1986년 점검은 교각 사석의 상태에서 어떤 문제도 찾아내지 못했다. 여기서 도출되는 결론이 이 장의 요지다.

점검자와 그 감독자는 사석이 있다고 해서 교량이 세굴로부터 안전해지는 것은 아니라는 점을 인식해야 하며, 사석이 없어진 상태를 알아보고 그것이 무엇을 뜻하는지 판단하도록 훈련되어야 한다. — HEC-23 제3판, §5.4.3

점검자와 그 감독자는 사석이 있다고 해서 교량이 세굴로부터 안전해지는 것은 아니라는 점을 인식해야 하며, 사석이 없어진 상태를 알아보고 그것이 무엇을 뜻하는지 판단하도록 훈련되어야 한다. — HEC-23 제3판, §5.4.3

5. 정리

사석 방지공은 돌·필터·두께·가장자리·점검이 함께 작동하는 시스템이다.

교각 사석은 Isbash 식에 난류 보정 K를 넣어 정한다.

K는 원형 1.5, 각형 1.7(설계지침 8), 문헌에 따라 1.44~2.0까지 제시된다.

교대 사석은 Fr = 0.8을 경계로 두 식을 쓰고, SBR로 추정한 특성 유속을 입력한다.

필터는 모든 입경을 잡을 필요가 없다 — 잔입자를 통과시키는 편이 유리하다.

입상 필터는 d50의 4배 또는 6 in 중 큰 값, 수중 시공은 50% 증가다.

사구형 하상에서는 지오텍스타일 필터만 쓸 것이 강력히 권고된다.

호안 파괴 모드는 입자 유실·병진 활동·수정 슬럼프·슬럼프 넷이다.

교각 사석은 전단·위노잉·가장자리 파괴, 이동상에서는 하상형태에 의한 하부 침식이 지배한다.

사석의 존재가 안전을 뜻하지 않으며, 점검자는 사석의 유실을 알아보도록 훈련되어야 한다.

세굴 방지공에서 가장 위험한 가정은 설치했으니 됐다는 것이다. 이 문서가 사석을 "시스템"으로 부르는 이유도 같다 — 돌 크기 계산이 맞아도 필터가 없거나, 층이 얇거나, 유실된 뒤 아무도 알아채지 못하면 그 계산은 아무것도 보호하지 못한다.