2.1 기초 세굴 이론

세굴 현상은 흐르는 물에 의한 침식 작용의 결과로, 하상·제방 및 교각과 교대 주변의 물질이 침식되어 운반되어 지는 현상이다. 하천을 횡단하는 교량에서의 총 세굴은 Fig. 3과 같이 하상의 장기적 저하, 교량에서의 수축 세굴, 교각과 교대에서의 국부세굴로 구성된다.

하상의 장기적 저하(Long-term degradation)는 자연적 혹은 인공적으로 하상이 장기간 동안 변동하는 것이며, 상류로부터의 토사공급 부족 등으로 인한 하상저하나 세굴을 의미한다. 수축세굴(Contraction scour)은 통수면적의 축소로 하상에서의 유속이 증가될 때 전단응력이 증가하여 발생하며, 일반적으로 낮은 유속에서 발생하는 정적세굴과, 높은 유속에서 발생하는 동적세굴로 구분할 수 있다. 국부세굴(Local scour)은 흐름의 장애물인 교각, 교대, 제방 주위에서 흐름의 가속과 장애물에 의해 유발되는 와류(Vortex)가 원인이 되어 하상물질을 이동시키는 현상이다.

수중에 설치된 교량의 세굴이 발생되는 원인은 장기하상변동에 의한 세굴, 단면축소세굴, 국부세굴로 크게 3가지로 구분된다. 이중 장기하상변동에 의한 세굴은 일반적으로 그 영향이 작아, 단면축소세굴과 국부세굴의 합으로 총 세굴량을 산정할 수 있다.

Fig. 3 Types of scour in bridges

2.2 기존 유지관리단계에서의 수중기초 점검 기준

교량기초 세굴에 대한 안전성 평가 방법은 ‘시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침(안전점검·진단 편)’^{(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2019)}에 명시되어 있다. Table 1은 교량기초 세굴에 대한 안정성 평가 방법을 나타낸다. 하천(해상)을 횡단하는 공용중인 교량에 대한 세굴을 포함한 기초안전성 평가방법은 1단계(세굴심 검토)와 2단계(기초 안전성 평가)로 구성되어 있다. 1단계(세굴심 검토)의 경우, 예상세굴심과 기초 근입심도를 비교하여 3가지 경우로 구분한다. 첫째, 예상세굴심이 기초상단에 위치하여 안전조치가 필요 없는 경우이다. 둘째, 기초나 말뚝 내에 예상세굴심이 있는 경우는 구조해석 결과(기초 안전성 평가)에 따라 안전성 평가결과를 수행한다. 여기서 기초지지력 안전율(S.F.)은 ‘지반의 허용지지력/작용응력’이고, 허용변위량은 건설기준코드 등 관련 설계기준을 참조하여 결정한다. 셋째, 예상세굴심이 기초나 말뚝 하단 아래에 위치하는 경우는 긴급한 안전조치가 필요한 경우로 구분한다.

예상세굴심이 기초상단에 위치하여 안전조치가 필요 없는 경우, 적정세굴보호공이 설치되어 있고 공용중 세굴발생이 없을 것으로 예상되는 경우를 “A”로 평가한다. 하지만, 기존에 세굴방지공이 설치되어 있지만 설계기준을 만족하지 못하는 경우를 “B”로 평가한다. 구조해석 결과에 따라 안전율을 확보한 경우는 특별한 안전조치가 필요하지 않는 상태이므로 등급 “C”로 평가하며, 안전율을 확보하지 못한 경우 세굴방지공 설치 등의 긴급한 보수·보강 조치가 필요하므로 등급 “D”로 구분한다. 또한, 교량기초는 기초형식에 따라 지지력, 전도, 활동에 안정하여야 하며 기초의 변위량은 허용변위량을 초과하지 않아야 한다.

이렇듯 ‘시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침(안전점검·진단 편)’^{(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2019)}에는 상기 방법대로 세굴에 대한 안전성평가방법이 체계적으로 제시되어 있으나, 수중 점검 시 수중기초부 현장접근의 어려움과 수중잠수부의 정성적인 평가 및 책임기술자의 판단으로 상태등급이 평가되는 한계성이 존재한다. 이에 단기적으로는 교각 각각의 세굴안전성을 확보하고, 장기적으로는 하상변화를 예측할 수 있는 신뢰성을 기반으로 한 하천세굴량 측정의 정량적인 시스템 구축이 절실한 것으로 판단된다.

2.3 하천교량 수중점검 실태 조사

하천에 설치되어 있는 교량은 기초의 안전성 평가를 위해 통상적으로 5년 마다 수중점검을 실시한다. 수중점검 대상 하천교량은 수심이 1m 이상 유지되는 곳이어야 하며, 1m 미만인 대상교량 기초부는 육안점검으로 대체한다. 수중점검을 실시할 경우 일반적으로 수중잠수부가 직접 물속에 들어가 교량의 상태를 확인하여, 정밀안전진단 등 안전점검 사업책임기술자에게 상황을 설명한다. 최근 정밀안전진단 등에 포함된 수중점검보고서를 참조하였을 때, 대체적으로 수중잠수부가 수중에서 찍은 사진들은 교량의 어느 부위를 촬영했는지, 상태는 어떠한지 식별하기가 곤란한 실정이다. 이러한 수중잠수부의 정성적인 평가는 안전점검(정밀안전진단 등)을 총괄하는 사업책임기술자에게 전달되더라도 정확한 교량의 상태를 평가하는데 객관적인 자료로서 활용가치가 떨어질 수 밖에 없는 실정이다. Fig. 4는 안전진단업체 수중잠수부가 각각 홍원1교, 진위천교, 금강3교의 수중점검 시 해당 교각의 근경사진을 촬영한 사진이다. 사진에서 보듯이 수중 점검 대상인 해당교각에서 어떠한 위치를 촬영했는지 식별이 불가하며, 수중의 부유물질 등으로 인해 사진만으로는 교각상태를 판별이 불가한 것으로 조사되었다. 이러한 환경적 조건에서 수중잠수부는 교각 및 기초의 세굴여부 조사를 실시하여 해당 안전진단업체 사업책임기술자가 수중점검보고서에 최종적인 상태평가를 판별한다. 여기에서의 문제점은 해당 수중교각의 세굴여부에 대한 상태평가를 뒷받침할 만한 객관적인 근거자료를 확보하는 것이 불가능하다는 점이다. 이는 수중이라는 특수한 점검여건 속에서 관리주체를 비롯한 어떠한 점검자도 수중에 설치된 교각들의 직접확인이 불가하다는 것도 한계성으로 지적된다.

또한, 부분적인 초음파 탐사를 시행하여 자료를 제시하기도 하였다. 홍원1교의 경우 2013년과 2019년에 각각 안전진단업체를 통해 수중점검을 실시하였다. Fig. 5는 홍원 1교를 2013년과 2019년에 촬영한 결과를 나타낸다. 점검 결과, 수중 점검 당시 수중잠수사가 촬영 위치에 대한 계량(수치)적인 확인 및 기록이 되지 않아 데이터 결과의 불확실성을 초래하였다. 이러한 방식의 경우 과거 촬영자료와 현재 촬영자료를 서로 비교·검증을 할 수 없어 데이터의 신뢰성을 확보할 수 없고, 나아가서는 장기하상저하 등 세굴에 대한 예방대책 수립에 많은 어려움이 있다.

상기와 같은 하전교량 수중점검 실태 조사를 통해 알 수 있는 점은 현재 하천교량 수중점검 시 교각 기초의 국부세굴 평가를 수중잠수사들의 정성적인 평가에 의존하며, 이를 확인할 수 있는 객관적인 데이터를 확보하지 못한다는 점이다. 또한, 초음파 탐사결과에서 보듯이 과거 기존 수중점검 자료와 현재 자료와의 비교분석이 불가능한 점으로 인해 장기 하상저하에 대한 분석이 불가능한 것으로 나타났다. 따라서 수중교각기초의 세굴 조사를 위하여 단기적으로는 객관적 증명이 가능한 하상지표의 수치지도화를 통해 국부세굴에 대한 판단이 가능할 것으로 판단되며, 장기적으로 이러한 수치지도의 유속변화 등 수중조건에서의 시간의존적인 하상지표면의 변화를 감지 및 예측 할 수 있는 시스템을 구축하여 장기하상저하에 따른 피해를 최소화해야 할 것으로 판단된다.

Fig. 4 Results of underwater photography for bridge inspection

Fig. 5 Comparison of photo in 2013 and 2019 of Hongwon 1st bridge

3.1 3D 하상지도 제작대상 교량 현황

중부내륙고속도로 A교는 ‘시설물의 안전 및 유지관리에 관한 특별법’^{(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2021)} 상 1종 교량으로 2012년에 준공되었으며, 경기도 양평군 한강을 통과하는 교량으로 수중에 설치된 교량은 P(Pier) 4∼7에 해당한다. 수중기초 구간 P(Pier) 4∼7구간의 교량가설공법은 FCM 공법으로 시행되었다.

중부내륙고속도로 A교 수중기초 구간은 퇴적층, 층적층, 풍화대층(풍화토, 풍화암), 연암, 경암의 순서로 토층이 형성되어 있다. P5, P6, P7 조사공에서는 풍화토층이 형성되어 있으나, P4에서는 풍화토층이 확인되지 않았다. 또한, P4, P5 조사공에서는 연암층이 분포하지 않고 있는 것으로 확인되었으며, P4, P5, P6, P7 조사공 모두 경암층이 확인되었다. Table 2 는 중부내륙 고속도로 A교 수중기초 구간의 시추주상도에 따른 토층구성을 나타낸다.

총세굴심은 단면축소세굴심과 교각국부세굴심을 합하여 산정된다. 그러나 교각의 폭이 전체 유수단면적에 비해 크지 않은 경우 단면축소로 인한 세굴은 국부적인 세굴의 10% 내외의 작은 값으로써 무시하여 검토를 수행하였다.여기서 교각에서의 세굴은 암반 깊이 이상으로 발생될 수 없으므로, 산정된 세굴심과 지질조사를 통해 얻어진 암반까지의 깊이를 비교해야 한다. Table 3은 본 교각에서의 암반까지의 깊이와 산정된 세굴심과의 비교를 통해 얻어진 가능한 세굴심 결과를 나타낸다.

3.2 3D 하상지도 초기치 설정

종ㆍ평면도(또는 종단면도)를 기준으로 준공당시 하상면을 3D로 구현하였다. 각 수중교각은 설계 당시 특정한 하상 지반고(E.L.)로 표현되어 있으므로, 2D 상태로 표현되어 있는 한계점이 존재하나 객관적으로 하상 지반고(E.L.) 초기치를 참고할만한 가장 신뢰성 있는 자료로 판단하였다. 여기에 설계도서를 참조하여 각 교각의 제원(교각기초의 크기, 기둥의 규격, 교각중심의 좌표, 교각 기초저면 중심좌표 등)으로 수중교각 기초를 수치화하여 3D 모델링 하였다. Fig. 7은 각 교각의 제원을 데이터화 하여 3D 모델링으로 구현한 것을 나타낸다.

Fig. 7 3D modeling of piers

3.3 음향측심기를 활용한 수중측량 및 검증

3D 하상지도 제작을 위해 사용되는 장비는 ’공간정보의 구축 및 관리 등에 관한 법률 시행령’(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2022)의 제 36조 1항에 규정되어 있는 연안조사측량업의 등록장비 이상 규격으로 수중측량을 실시하였다. 이중 음향측심기는 ‘공공측량 작업규정(제82조 수심측량)’(National Geographic Information Institute, 2020)에서 제시하는 성능 이상으로 적용하였다. 본격적인 수중측량에 앞서 현장조사를 바탕으로 고무보트의 이동경로인 항적도를 작성한다. 이때 수심 0.6m 이하 구간(신호리턴 최소거리 및 오측심 유발) 및 수초 밀집구역(신호간섭, 오측심, 조타제한 등으로 인한 오류 발생)은 피하도록 하고, 하천을 횡단하는 각 교각의 360° 방향으로 수심측량이 가능하도록 항로를 결정한다. 이때 측심위치 측정을 측량장비와 측정간격은 10m를 적용하고, 교각주변은 선회 및 나선형으로 측량작업을 실시한다. 이렇게 수집된 측량정보를 활용하여 50cm 간격의 격자수심도를 작성한다.

3D 하상지도 초기치 설정시 설계도서의 측량제원 등을 이용하여 수중교각을 3D 모델링하였다. 초기치 설정에 대한 검증을 위해 육상에서 접근 가능한 교대 최소 4개 좌표(시ㆍ종점, 양방향)값을 일반측량 결과값과 대조하여 일치여부를 확인하였다. 이는 설계와 시공의 불일치로 인해 교량의 선형 등이 변동 되었을 가능성을 고려하기 위해서이다. 이를 통해 설계도면 매칭시 현장에 설치된 교각과 일치하는 작업을 진행하였다. 수중측량의 모든 기준점은 국토지리정보원 위성기준점 서비스(NR)를 이용하고, 현장 RTK 기준국 설치는 이동국과의 범위를 고려하였으며, 교각 높이에 따른 측위 방법을 Network RTK 또는 RTK를 적용하였다. 수위 관측점은 최대한 정온한 구역에 설치하였으며, 음속 보정 시 1cm 이상 오차가 발생하지 않도록 주의를 기울였다. 3D 하상지도 제작을 위한 인원은 수중잠수사 2명(1조) 및 측량전문가 1명, 업무보조 1명이 투입되어 실시하였으며, 고무보트 과속에 따른 오심측 방지를 위해 8km/hr 이내로 선속을 제한하였다. 교각 주변은 반복 및 선회 관측을 실시하고, 측량 종료 전 원시데이터(Raw Data) 확보여부를 반드시 확인하였다. Fig. 8은 항적도와 수중측량을 나타낸다.

본 연구에서 수중측량 중 발생되는 수위 변화를 고려하지 않을 경우 실제 하천 바닥면의 형상과 차이가 발생되는 문제점을 극복하기 위하여 크게 4단계의 과정을 거쳤다. 첫 번째, 수위측정단계로 조사선박이 수상에서 이동하기 시작할 때의 하천의 초기 수위를 측정한다. 하천의 수위는 하천에 접하는 육상지역에 설치된 수위표 등을 설치하여 확인토록 했다. 두 번째, 수심측정단계로 상기 조사선박이 이동하면서 상기 조사선박에 탑재된 GPS 모듈 및 초음파 송수신기를 이용하여 상기 조사선박의 위치에 따른 수심정보를 측정한다. GPS 모듈은 네트워크 RTK 시스템과 통신하여 조사선박의 정확한 위치 정보를 생성할 수 있도록 하였다. 여기에 Echo Sounder는 조사선박이 이동하는 각각의 수상 위치에서의 하천의 수심 정보를 생성할 수 있도록 하였다. 특히, 수심 정보는 조사선박에 탑재된 바 체크(Bar check) 장비에 의해 보정된 초음파의 수중 음속을 이용하여 측정할 수 있었다. 일반적으로 하천의 염도, 유속, 온도, 밀도 등에 따라 변화할 수 있기 때문에, 수심 정보는 바 체크(Bar check) 장비에 의해 실시간으로 보정된 초음파의 수중 음속을 이용하여 측정됨으로써, 음속 변화에 따른 수심 정보의 오차를 최소화 하였다. 세 번째, 수심보정단계로 상기 하천의 수위 변화를 기초로 상기 수심정보를 보정한다. 하천의 수위 변화는 하천의 수심 정보를 측정한 시점에서 수위표 등을 이용하여 실시간으로 측정한 하천의 실시간 수위 값에서 하천의 초기 수위 값을 뺀 값을 의미하며, 수심 정보는 실제 측정된 수심 값에서 하천의 수위 변화를 뺀 값으로 보정될 수 있다. 하천의 수위는 조사 기간 동안 발생하는 조석 등과 같은 다양한 원인으로 인해 변화할 수 있기 때문이다. 따라서 수심 정보는 수위 변화가 반영되도록 보정됨으로써, 조사 기간 동안 발생하는 하천의 수위 변화에 따른 수심정보의 오차를 줄일 수 있다. 네 번째, 지도제작단계로 상기 수심정보단계에서 보정된 상기 수심 정보를 기초로 상기 하천의 바닥면에 대한 3차원 지도를 제작하는 지도제작 단계를 포함하는 3D 세굴지도 제작단계이다. Fig. 9는 초기 수위 측정을 위한 수위표 설치 전경과 바 체크(Bar check)를 이용한 음속보정 전경사진이다.

상기와 같은 절차로 수중측량은 완료되었으나, 실제 수심과의 차이를 검증하기 위해 수중잠수사가 직접잠수를 통하여 수심을 측정하였다. 이러한 측정방법은 수중측량 성과물에 대한 객관적 신뢰도를 확보하기 위함이고, 오차가 크게 발생할 경우는 수중잠수사가 측정한 결과치를 기준으로 보정하는 것이 보편타당할 것으로 판단되었기 때문이다. 구체적인 수심 검증방법은 Echo Sounder를 이용하여 수중측량과 동일시간에 수중잠수사가 교각 주변 지반의 수심을 샘플체킹(교량별 2∼4개 지점)하였다. 수중잠수사가 수심을 측정하는 방법은 검교정을 완료한 수심측정장비(잠수용) 또는 측량용 스태프를 이용하여 수심을 측정하였다. Fig. 10은 echo sounder와 수심측정장비를 이용한 수심 측정을 나타낸다.

우선 2022년 정밀안전진단 대상이 아닌 OO 저수지에 설치된 교량을 대상으로 수심검증을 하였으며, 이곳은 물의 흐름이 없고 수심이 비교적 낮아 Echo Sounder 측정수심과 수중잠수사 검증수심의 차이는 없었다.

유속이 존재하는 현장 수심검증은 총 4개소의 하천교량 교각을 대상으로 진행하여 장비의 수중측량 정확도 및 객관적인 신뢰성을 확보하였다.

중부내륙고속도로 A교는 P4, P7 2개 지점을 검증하였다. P7(A 검측점)에서는 Echo Sounder 측정수심이 2.00m, 수심측정장비 측정수심은 2.00m로 측정되었으며, P4(B 검측점)에서는 Echo Sounder 측정수심이 2.50m, 수심측정장비 측정수심은 2.50m로 측정되었다. 이로써 중부내륙고속도로 A교에서는 Echo Sounder 측정수심과 수심측정장비 측정수심 사이의 오차가 발생하지 않았다.

남해고속도로 C교는 P3, P6 2개 지점을 검증하였다. P3(A 검측점)에서는 Echo Sounder 측정수심이 2.03m, 수심측정장비 측정수심은 2.00m로 측정되었으며, P6(B 검측점)에서는 Echo Sounder 측정수심이 2.01m, 수심측정장비 측정수심은 2.00m로 측정되었다. 이로써 P3(A 검측점)의 오차는 3cm, P6(B 검측점)의 오차는 1cm로 확인 되었으며, 평균 2cm의 오차가 발생하였다.

중부내륙고속도로 D교는 P9, P13 각각 2개소(총4개 지점)을 검증하였다. P13(A 검측점, B 검측점)에서는 Echo Sounder 측정수심이 각각 2.80m, 2.80m, 수심측정장비 측정수심은 각각 2.91m, 2.80m로 측정되었으며, P9(C 검측점, D검측점)에서는 Echo Sounder 측정수심이 각각 4.40m, 4.20m, 수심측정장비 측정수심은 각각 4.40m, 4.30m로 측정되었다. 이로써 P13(A 검측점)의 오차는 11cm, P9(D 검측점)의 오차는 10cm로 확인 되었으며, 평균 5.25cm(4개 지점)의 오차가 발생하였다.

부산외곽고속도로 E교는 PY, P9 각각 2개소(총4개 지점)을 검증하였다. PY(A 검측점, B 검측점)에서는 Echo Sounder 측정수심이 각각 2.01m, 2.00m, 수심측정장비 측정수심은 각각 2.00m, 2.00m로 측정되었으며, P9(C 검측점, D검측점)에서는 Echo Sounder 측정수심이 각각 4.80m, 4.50m, 수심측정장비 측정수심은 각각 4.75m, 4.50m로 측정되었다. 이로써 PY(A 검측점)의 오차는 1cm, P9(C 검측점)의 오차는 5cm로 확인 되었으며, 평균 1.5cm(4개 지점)의 오차가 발생하였다.

오차가 발생되는 이유는 여러 가지가 존재할 수 있으나, 하천의 혼탁도, 측정당시 조위의 변화, 수심의 정도, 수심측량 지점과 수중잠수사의 측정지점의 위치오차 등으로 추론할 수 있다.

현장검증상태 조사결과 정온의 상태인 OO 저수지에서는 수중측량 결과와 현장 수심측정 결과 사이에 오차가 발생하지 않았으며, 유속의 흐름이 발생되는 하천의 경우에는 4곳에서 0∼5.25cm의 오차가 발생하였다. 결과를 종합하면, 두 방법의 측정 결과는 정온 상태의 경우 오차가 없으며, 유속이 있는 경우 오차가 크지 않은 것으로 나타났다.

Fig. 8 Track chart and underwater survey

Fig. 9 Initial water level measurement and correction of sound velocity

Fig. 10 Measurements of echo sounder and measuring depth equipment