1. 교량세굴이란
하천에 설치된 교량의 교각, 교대 주변이나 수공구조물 주변에는 매년마다 폭우, 집중호우 등에 의한 홍수로 인해 토사가 세굴되거나, 그 구조물이 침식되어 구조물에 악영향을 초래하고 있다.
또한 근래에 들어서는 우리 나라의 강우 형태가 이상 기후로 인한 집중호우의 형태로 변해 많은 양의 비가 단시간에 내려 하천의 유량과 유속을 급속히 증가시켜 설계 홍수량을 초과하는 경우가 자주 발생하고 있어 이러한 토사세굴로 인한 수중의 구조물을 보수하거나, 사전에 토사세굴을 예방하기 위한 공사의 중요성이 대두되고 있다.
일반적으로 문제가 되는 것은 교각 둘레 및 교대 전면에 발생하는 와류에 의한 국부세굴로 교각 저면의 말굽형 와류(horseshoe vortex)와 교각 후면에서 발생하는 웨이크 와류(wake vortex)에 의해서 하상물질이 제거되어 세굴이 발생한다.
기존교량의 교각을 세굴로부터 보호하는 방안에는 (1)하상물질의 저항력 증가와 (2)세굴유발인자의 약화의 두 방안이 있다.
기존 교량의 국부세굴 방지공법으로 보다 적극적인 방안은 하상물질의 저항력 증가 방안으로 사석, 돌망태, 콘크리트 블럭 및 테트라포드 등 굴요성이 좋은 재료를 채워 넣는 채움 공법이 대체적으로 사용된다.
이러한 채움 공법은 채움재 각 개체간의 연결이 없거나 미약하여 교각에 의해 바닥유속이 크게 증가하거나 상향침투류가 강한 곳에서는 채움재 개체의 크기가 비현실적으로 과대해져 시공이 불리한 경우가 많다.
이러한 단점을 보완하기 위해 최근에는 콘크리트 블럭을 케이블 등으로 묶어 인위적으로 개체간의 연결 또는 물림효과를 증대시킴으로써 국부적인 강한 유속에 전체로써 저항하고, 보호공 하부 작은 입자의 부상·유실에 의한 부등침하에도 유연하게 대처할 수 있는 매트보호공법이 활발히 연구되고 있다.
이러한 매트공법에는 돌망태 보호공, 콘크리트블럭 및 매트공법이 대표적으로 이용된다.
그러나 이러한 종래의 방법들은 여러 가지 관점에서 많은 문제점을 안고 있다.
사석을 채우는 공법인 경우에 적정 규모의 사석을 확보하는 것이 어렵고, 석산 개발에 따른 환경파괴를 유발하며, 홍수시 설치된 사석이 유실되기도 하는 등 많은 문제점을 안고 있다. 콘크리트 블록을 설치하는 공법의 경우에는 대형 콘크리트 블록의 자체 형상으로 인하여 교량기초 주변 하상의 굴곡부를 완전하게 보호하지 못하며, 양압력에 의한 토사의 유출을 막기위한 필터 재료가 별도로 요구되며, 콘크리트 블록 설치를 위하여 많은 인력 및 기간이 소요된다.
이에 도로공사에서는 수행중인 연구과제 ‘고속도로 공용중인 교량의 세굴안정대책 수립’과 관련해 상기의 문제점들을 해결할 신공법을 (주)건설기술개발공사와 공동으로 개발하고 특허를 취득하였으며 본 공법에 대해 현장 시험 시공을 수행했다.

2. 토목섬유대를 이용한 세굴방호공
토목섬유대를 이용한 세굴방호공은 새롭게 개발된 일종의 매트공법으로 교각 및 교대기초 주변에 형상에 맞게 제작된 토목섬유대를 포설하고 그 섬유대 내부에 유동상태의 콘크리트나 모르터 또는 현장의 모래, 토사 등을 주입시켜 완성한다.
교각 기초 주변에 발생한 국부 세굴 부위는 먼저 자유형상의 섬유대를 포설하고 콘크리트나 모르터 또는 모래, 토사등을 주입시켜 세굴된 부분을 메우고 그 상부에 매트 형식의 토목섬유대 세굴 방호공을 형성하는 단계로 이루어진다.
매트의 가장자리가 세굴되었을 경우 그 부분이 자연스럽게 가라앉아 매트 본체를 보호할 수 있도록 설계하였으며, 매트 본체의 중간 중간에 부력에 저항할 수 있도록 콘크리트가 채워지지 않도록 재봉하였고 또한 이 부분은 고강도의 토목섬유가 이중으로 겹쳐져 재단되어 양압력에 의한 토사의 유출을 막을 수 있다. 시공은 섬유대를 흐름에 밀려가지 않도록 고정시키고, 섬유대에 마련된 주입구를 통하여 콘크리트나 모르터를 채워 경화시킨다. 교각의 형상에 따라 섬유대 사이에 지퍼를 부착하여 연결하는 방법을 사용할 수도 있다.

3. 시험시공
토목섬유대에 의한 세굴방호공의 현장적용성과 세굴방호효과 등을 검증하기 위하여 시험시공을 실시했다.
대상교량은 갈수기에는 유량이 적어서 시공상태를 점검할 수 있고, 홍수시에는 유량이 많으며, 하상지반이 토사여서 국부세굴이 발생되어 있는 교량을 선택하였다.
이러한 조건을 만족하는 교량으로 경부고속도로상의 병천2교를 선정하였는데 교각이 흐름 방향에 대하여 비스듬하게 위치하고 있어 세굴이 크게 발생할 조건이었다.
토목섬유대를 설치할 교각으로 유심부에 위치하면서 흐름 전면에 노출된 교각(이 후 A교각)과 흐름 후면에 위치한 1개 교각(이 후 B교각)을 선정하였으며, 매트 설치 전 측정한 최대세굴심은 B교각에서 1.7m 였다.
토목섬유대는 교각둘레로 1.5배의 폭만큼 직사각형 형태로 시공하였으며 A는 30cm, B는 15cm의 폭으로 설치했다.
수중 콘크리트의 강도 측정을 위해 같은 재질의 섬유대에 콘크리트를 동일 조건으로 주입, 양생하여 강도 측정을 했다.
토목섬유대 세굴방호공은 먼저 교각 주변의 하상면을 고르게 정리하였으며 국부세굴이 발생한 부분에는 토사를 채워넣었다.
두께별로 제작된 토목섬유를 교각 형상에 맞게 재단하고 가장자리 부분에 유연섬유대(tubular)를 볼트를 이용하여 연결하였으며, 토목섬유대와 교각이 완전히 밀착될 수 있도록 교각둘레부분은 노끈을 삽입하였다.
그 다음 토목섬유대를 교각주변에 포설하고, 주입구를 통하여 콘크리트를 주입했다. 이 때 콘크리트의 배합과 주입압을 잘 조정하여야 토목섬유대에 골고루 콘크리트가 채워질 수 있다.

4. 시험시공 결과 분석
시공성 측면에서 본 공법은 유량이 많은 교량에 대하여 콘크리트 주입 전에 토목섬유대가 흐름에 대하여 떠내려 가지 않을 조건만 만족한다면 매우 설치가 간단하고 소요 공사기간이 짧은 것으로 나타났다.
2개 교각에 대하여 교각 형상에 맞도록 토목섬유대를 재단하고 콘크리트를 주입하는 것에 2일이면 충분하였다.
무엇보다 우수한 결과를 보인 것은 형상 제작이 자유로와 교각둘레와 하상면에 대한 밀착성있었다.
이는 국부세굴이 발생하기 쉬운 교각둘레를 와류로부터 완벽하게 보호할 수 있고, 유량이 많아 별도의 하상면 정리가 어려운 교각 주변에도 굴곡에 상관없이 하상면을 보호할 수 있을 것으로 기대된다.
실제 홍수 후에 교각둘레는 국부세굴이 전혀 발생하지 않았다.
시공시 타설한 강도시험용 섬유대를 건져 3개의 시편을 만들어 20일 강도 측정 결과 모두 200kg/cm2 이상의 압축강도가 발현되었다.
7월 하순과 8월의 중부지역 집중호우시 지름 40cm 이상의 암편이 이동해온 상황에서 30cm 및 15cm 방호공 모두 본체의 이동 흔적을 발견할 수 없었고 교각 주변의 세굴을 잘 보호한 것을 확인 할 수 있었다.
토목섬유대 매트 가장자리가 세굴되어 파임에 따라 자연스럽게 가라앉아 방호공 본체가 안정될 수 있도록 설계된 유연섬유대(tubular) 부분은 그 효과가 확인됐다.

5. 결론 및 향후 연구방향
토목섬유대를 이용한 세굴방호공은 타공법에 비하여 시공성, 세굴방호효과가 뛰어난 것이 입증되었으며, 특히 교각둘레의 국부세굴의 방호효과는 매우 탁월한 것으로 평가됐다.
또한 시공비가 저렴하여 충분한 경제성을 확보할 수 있을 것으로 보인다.
향후 유연섬유대(tubular)의 기능을 강화하고, 유속별로 안정성을 확보할 수 있는 적정두께 결정을 위한 연구를 수행할 것이다.