이 보고서는 미국 교통연구위원회 산하의 NCHRP 프로젝트 24-34 “교량 세굴 예측을 위한 리스크 기반의 접근방법”의 결과에 근거하고 있음. 이 프로젝트의 목적은: (1) 하천 횡단에서 세굴 깊이 추정을 확률에 연결하기 위해 사용될 수 있는 리스크 및 신뢰성 기반의 방법을 개발하고; (2) 이 방법을 확대하여 구조 및 지반공학자들에 의해 사용되는 하중지지 요소 설계(load and resistance factor design, LRFD) 방법과 일관적인 교량의 서비스 수명에 대한 목표 신뢰성을 결정하기 위한 사전적인 접근방법을 제공하는 것임.

교량의 세굴 예측과 관련된 불확실성 ？ 수리학적, 모델/방정식의 불확실성 ？ 이 기술되고 평가됨.  가장 폭넓게 사용되는 l-차원의 수리학적 모델(Hydrologic Engineering Center River Analysis System, HEC-RAS)을 몬테 카를로(Monte Carlo) 시뮬레이션 기법과 연결하는 소프트웨어 도구의 개발도 포함됨. 확률치(세굴 요소) 표가 제시되어, 교량이 수리학적 불확실성, 교량 크기 및 교각 크기에 대한 특정 기준을 맞출 때 세굴 깊이의 추정치와 초과하는 조건부 확률과 연결되도록 함. 이 표는 교각의 세굴, 수축 세굴, 교대의 세굴 및 전체 세굴을 다룸.

복잡한 기초 시스템과 채널 조건에 대해, 지역 특유의 조건에 대한 세굴 요소를 제공하기 위해 단계별 절차가 제시됨. 제한된 수의 홍수 사건의 재현빈도의 조건부 확률과 관련된 불확실성을 포함하는 통합 기법은, 교량의 서비스 수명 동안 설계 세굴 깊이를 초과하는 비조건부 확률을 추정하기 위한 신뢰성 분석 프레임워크를 제공함. 상세한 사례를 통하여 이 방법의 다양한 적용가능성을 기술함.

이 안내서가 근거하고 있는 연구는, 구조 및 지반공학자들에 의해 사용된 하중지지 요소 설계와 일관된 확률론적 절차를 개발하였음. 하중지지 요소 설계는 최신의 분석 및 설계 방법과, 적용된 하중 및 재료 성질의 다양에 근거하여 하중지지 요소를 포함함. 교량의 수명 동안 균등한 안전도를 확실히 하기 위해 이러한 하중지지 요소가 실제 교량 통계치로부터 검정되었음. 하중지지 요소 설계는 교량 설계자로 하여금 설계 목적에 중점을 두거나 상태를 제한할 수 있도록 함. 이는 교량의 각 부분에서 유사한 파괴 확률로 이어질 수 있음. 하중지지 요소 설계의 명세서로 설계된 교량은 상대적으로 균등한 안전도를 가지도록 의도되어, 우수한 서비스 제공성과 장기적인 유지관리성을 담보하는데 도움이 됨.

교량 공학 분야에서 폭넓은 믿음은, 입력요소와 수리학적 모델링의 불확실성과 함께 설명되지 않은 편차는 세굴 깊이의 지나치게 보수적인 추정치로 이어짐. 이러한 인식은 고가의 불필요하게 깊은 기초의 설계 및 건설로 이어짐. 이 안내서는 이러한 인식과 실제 사이의 간극을 좁히고, 구조 및 지반공학자들에 의해 현재 사용되는 설계 절차와 수리학적 설계 접근방법을 조율하는 교량의 세굴 추정치에 대한 리스크 및 신뢰성 기반의 신뢰구간을 제공함. 수리학적 공학자들은 현재 확률론적 방법을 교량의 수리학적 설계에 포함하는 세굴 계산을 수행하는 방안을 가지고 있음.

이 보고서는 실제 업무담당자들을 위해 작성되었음. 이 안내서를 지지하는 연구는 다음의 단계를 포함하였음:

1.    교량의 세굴 예측을 위한 수리학적 분석의 분야에서 문헌 검토를 완료하고 현재의 사례를 평가함. 여기에는 수리학에서 확률론적 방법의 사용을 포함함. 문헌 검토에는, 구조 및 지반공학자들에 의해 사용된 하중지지 요소 설계에 대한 강조를 하면서 리스크 및 신뢰성 분석이 공학 설계에 포함된 다른 학문분야도 포함하였음.
2.    교량의 세굴 예측를 결정하는데 신뢰성 이론을 적용하고, 이 프로젝트의 목적을 지원하기 위해 가용한 데이타의 양과 질을 연구함.
3.    수리학 및 모델/방정식의 불확실성을 포함하여 교량의 세굴 예측에서 사용된 변수들과 접근방법과 관련된 불확실성의을 파악하고 평가함.
4.    가장 폭넓게 사용된 l-차원의 수리학적 모델(HEC-RAS)과 몬테 카를로 시뮬레이션 기법을 연계하는 연구 차원의 소프트웨어의 연구 및 생산을 실행하기 위한 개념적 접근방법을 개발함.
5.    교량이 수리학적 불확실성, 교량 크기 및 교각 크기에 대한 특정 기준을 맞출 때, 세굴 깊이의 추정치와 조건부 초과 확률과 연계하기 위해 사용될 수 있는 확률치(세굴 요소) 표를 개발함.
6.    복잡한 기초 시스템과 채널 조건에 대해서, 지역 특유의 상태에 대한 세굴 요소와 확률 기반의 추정치를 개발하기 위한 접근방법을 제공하는 단계별 절차를 개발함.
7.    교량의 선정된 서비스 수명에 대한 비조건부 초과 확률을 추정하기 위한 신뢰성 분석 프레임워크에 조건부 확률 예측과 관련된 불확실성을 포함하는 통합기법을 개발함.
8.    이러한 방법의 모든 적용가능성을 검증하기 위한 상세한 사례를 제공함.
9.    이러한 독립형 안내서를 생산함
10.     프로젝트의 결과 및 연구 결과를 실행하기 위한 제안을 확대하는 추가적인 연구를 파악함.
 

하중지지 요소 설계는 적용된 하중 및 재료 성질의 다양성에 근거한 하중지지 요소와 최신의 분석 및 설계 방법을 포함함. 이러한 하중지지 요소는 교량의 수명 동안 균등한 안전도를 확실히 하기 위해 실제 교턍 통계치로부터 검정되었음. 하중지지 요소 설계는 교량 설계자들로 하여금 설계 목적에 중점을 두거나 상태를 제한하도록 하는데, 이는 교량의 각 부분에서 유사한 파괴 확률로 이어질 수 있도록 함. 하중지지 요소 설계 명세서로 설계된 교량은 상대적으로 균등한 안전도를 가지도록 하고, 이는 우수한 서비스 및 장기적인 유지관리성을 확실히 함.
 

교량의 세굴 적용사례는 이 안내서의 핵심임; 그러나 이 문서에서 기술된 기법은 기존 또는 미래의 교통 시설에 대한 파괴 리스크와 잠재적 위협을 평가하기 위해 사용될 수 있음. 교통 시설에 가까운 곳에서 세굴을 방지하기 위한 구조적 해결책 또는 대책에 대한 필요성을 평가하고 정당화하기 위해 이 기법이 사용될 수 있음. 제방과 같은 교량 부속구조물, 유속 통제 구조물 등은 이 문서에 있는 기법을 사용하여 리스크 및 신뢰성 분석로부터 혜택을 얻을 수 있음.

특정 사례로써, 홍수 사건 동안 교량에 쌓인 식물 잔해물은 교량에 지속적인 위협을 조성함. 잔해의 축적은 하천의 흐름을 방해하고 제약을 가하며 방향을 바꾸는데, 이는 홍수 또는 교량 기초에서의 과도한 세굴로 이어질 수 있음. “NCHRP 보고서 653: 잔해가 교각의 세굴에 미치는 영향”은 잔해를 가진 교각에서 세굴의 위협 증가를 계산하기 위한 접근방법을 제공함. 이 연구는 또한 연구소 차원의 연구로부터 나온 광범위한 데이타도 제공함. 이 연구에서 개발된 세굴 방정식은 결정론적이고, 잔해를 가진 교각에서 더 넓은 교각으로의 변환을 제공함. 이 방정식과 가용한 데이타를 사용하여, 상세한 확률 분석을 수행하기 위해 이 안내서에서 소개된 기법을 사용하는 것이 가능함.
 

큰 하천 시스템을 다라 많은 지역과 큰 도시 지역에 인접한 곳에서, 제방과 같은 홍수 통제시설은 홍수로부터 대중을 보호하기 위해 사용됨. 미국 육군 공병단(U.S. Army Corps of Engineers, USACE)은 국가 제방 데이타베이스(National Levee Data Base, NLD)를 개발하여 국가 제방에 대한 종합적인 정보에 대한 초점을 제공함. 이 데이타베이스는 시설에 대한 정보를 포함하고, 홍수 리스크 소통, 국가 홍수 보험 프로그램(National Flood Insurance Program, NFIP)을 위한 제방 시스템 평가, 제방 시스템 검사, 범람원 관리 및 리스크 평가와 같은 활동을 연계함. 이 안내서에서 개발된 기법과, 많은 수의 홍수 사건에 대한 수리학적 인자들의 시뮬레이션을 통해 리스크를 정량화하기 위한 통계적인 방법은 하나의 홍수 사건으로부터나 시설의 잔여 서비스 수명 동안 홍수 통제시설에 대한 리스크의 정량적 평가를 가능케 함. 특히, 이 기법은 설계 홍수 고도를 초과하는 확률을 구축하거나 결정적 유속의 발생 확률을 결정하도록 할 수 있음.

국가적으로, 대략 2,000개의 연방정부 관할 제방은 13,000 마일에 퍼져있고; 20,000개가 넘는 비연방정부 관할 제방도 존재함. 미국 육군 공병단과 같은 기관이 매우 우수한 수리공학자, 연방정부에 대한 리스크를 평가하고 신뢰성을 평가하는 과학자들을 가지고 있지만, 다른 제방 소유주들은 이에 상응하는 기술적 지원 수준을 갖추고 있지 못함. 민간 제방 지구, 더 작은 규모의 지자체 및 민간 소유주들에 대해서는, NCHRP 보고서 761에서 제시된 리스크 평가기법은 홍수 통제 인프라에 대한 잠재적 위협을 파악하고 우선순위를 결정하며 평가하는 접근방법을 제공함.
 

제방 안정화 및 재생 대책의 상당부분이 실패하였는데, 이는 설계자들이 제방의 설계수명 동안 구조물의 신뢰성이나 설계 홍수 동안 파괴 리스크를 구축할 수 없었기 때문임. 추가로, 수로 복원과 제방 보호에 대해 환경적으로 민감한 생물공학적 접근방법에 대한 관심이 증가하고 있음. 전통적이고 생물공학적 대책에 대한 설계는 수리학적, 지형학적, 지반공학적, 건설 및 유지관리 요소들에 대한 고려를 필요로 함. 생물공학적 대책의 대다수는 수로 복원에 대해 적용되어 왔고 수년 동안 살아남았음. 하지만 이러한 대책의 성능에 대해서 공학계에서는 상당한 회의론이 존재하고 있음. 특히 지속성과 서비스 수명 예상치, 생물공학적 대체에 대한 유지관리 요구사항에 대해서 정보가 거의 가용하지 않음.

많은 수의 홍수에 대해 수리학적 조건을 시뮬레이션하기 위해 이 안내서에서 개발된 기법들은 수로 복원 구조물에 대한 리스크를 정량적으로 평가할 수 있도록 함. 이 기법은 유속과 전단응력과 같은 결정적인 수리학적 설계 인자들에 대한 초과 확률 구축할 수 있음. 재생 프로젝트의 대다수가 만곡부를 설치하고 침식으로부터의 보호를 요구하기 때문에, 설계 세굴 깊이를 초과하는 확률을 결정하는 능력은, 이 보고서에서 제시된 기법의 분명한 하나의 사례임.