연방 고속도로청(Federal Highway Administration, FHWA)은 주 교통부(Departments of Transportation, DOTs)로 하여금 기존의 교량에 대한 세굴 가능성을 평가하고 신규 교량에 대한 세굴 깊이를 추정할 수 있도록 설계 지침서 ？ HEC(Hydraulic Engineering Circular) 문서 ？ 를 개발하였음. HEC-18 지침서에 있는 세굴 모델은 주로 실험실의 수로(flume) 연구와 제한적인 현장 데이터 검증으로 개발된 경험적 방정식에 근거하였음. 이러한 소규모 모델은 균일한 수리학적 인자들과 하상 퇴적의 특성을 가정함으로써 현장 상태의 복잡성을 단순화함. 게다가, 이러한 실험실 연구는 일반적으로, 직사각형의 똑바른 수로를 균일한 접근방법 ？ 유속, 유심 및 비점착성 저상물질 ？ 으로 시뮬레이션함. 모델 연구에서 대표되는 범람원은 종종 균일한 조도(roughness)를 가짐. 하지만, 다양한 너비의 수로, 균질하지 않은 조도를 가진 범람원, 그리고 다양한 점착성을 가진 이질적인 퇴적물은 대부분의 교량 지역에서 일반적임.

 

세굴 절차의 복잡한 특성 때문에, HEC-18에서 제안되는 이러한 세굴 예측 방정식은 교량의 세굴 설계를 위해 적절한 안전율이 고려되도록 보수적인 세굴 깊이 추정치를 제공하는 경향이 있음. HEC-18 방법을 사용하여 합리적인 교량의 세굴 예측을 얻기 위해서, 설계자는 잘 훈련되어야 하고 여러 해에 걸친 설계 경험을 가져야 함. 이들은 현장의 상태를 주의깊게 평가하고 건전한 가정을 해야 함. 신규 교량에 대한 세굴 깊이의 정확한 예측은 매우 중요함. 세굴 깊이에 대한 과소평가는 값비싼 교량의 보수나 교량의 파괴로 이어질 수 있고, 과대평가는 고가의 불필요한 깊은 기초를 설치하게 할 수 있음. 기존의 교량에 대한 세굴 가능성 평가도 중요함. 세굴 깊이에 대한 과대 평가는 더 많은 교량을 “세굴에 심각한(scour critical)” 등급으로 잘못 분류할 수 있어 불필요한 교량 교체나 세굴 방지책의 설치로 이어질 수 있음. 사실상, “세굴에 심각한” 교량으로 선별된 교량들 중 일부는 가정이나 공학적 판단의 부적절한 사용과 세굴 예측 방정식의 정확성 부족 때문에 생긴 세굴 과대평가로 인한 것일 수 있음.

 

현재 루이지애나 교통개발부(Louisiana Department of Transportation and Development, LADOTD)는 교량의 세굴 설계를 위해 FHWA에 의해 제공된 HEC-18 방법을 사용하고 있음. 보통 세굴 깊이에 대한 보수적인 추정으로 이어지는 현재의 설계 방법과 관련된 비용은 매우 클 수 있음. 다른 한편으로, LADOTD는 세굴에 취약한 상당수의 교량 구조물에 대한 데이터베이스를 개발하여 유지하고 있음. 이러한 교량은 모니터링되고, 수문학적, 수리학적 데이터는 수집됨. 하중 저항 계수 설계(load resistance factor design, LRFD) 방법이 시행됨에 따라, 추정된 세굴 데이터와 이렇게 추정된 세굴 프로파일에 도달하는데 걸리는 실제 시간의 신뢰성에 중점을 두는데, 왜냐하면 이러한 데이터는 교량에 대한 세굴 깊이를 예측하는데 필요하기 때문임. 추가로, 여러 다른 하상 물질은 다른 비율로 세굴되고, HEC-18은 세굴 깊이를 항상 정확하게 예측하지 않음. 더 신뢰성있는 세굴 예측방법이 필요함. 특히, 루이지애나에는 점토와 실트질 점토가 일반적이고 독특한 기후특성(예를 들어, 집중강우, 폭풍 및 허리케인)을 가지고 있어서 더욱 그러함.

세굴 예측에 대한 문헌 검토에 의하면, 현재의 설계 방법에는 여러 제한사항이 있음:

 

(1) HEC-18 방법은 세굴 깊이만 예측하고 세굴 비율이나 세굴까지의 시간은 예측하지 못함.
(2) 이 방법은 점착성이 없는 토양과 퇴적물로부터의 데이터에 근거하여 개발되어, 점토나 실트질 점토와 같은 점착성 토양에는 맞지 않음.
(3) 이 방법은 수문학적 데이터에 대한 가정(예를 들어, 100년 또는 500년 주기의 범람)을 사용함. 하지만 특정 지형이나 기후를 가진 지역의 수문학적 특성을 고려하지 않음.
(4) 이 방법은 모델을 검정하거나 가정을 검증하기 위한 장기적인(10년 이상의) 현장 세굴 조사 데이타가 부족함.

 

사실상, 이 방법은 교량의 교대와 수축 개구에서의 세굴 깊이를 과대추정함. 세굴 깊이에 대한 이 같은 과대 예측은 불필요한 고심도 기초의 건설이나 불필요한 방호대책의 설치로 이어짐. 따라서, 더 정확하고 개선된 세굴 예측 및 평가 방법이 필요함. 이러한 필요성에 따라, 이 프로젝트은 루이지애나의 교량 및 기후환경에 중점을 두고, 새로운 세굴 예측 및 평가 방법을 개발하는 목표를 가지고 있음.
 

이 프로젝트의 전반적인 목적은 루이지애나의 특별한 기상학적, 기후적 특성과 토양/퇴적물 특성을 고려하여 루이지애나 주에서 세굴 깊이와 세굴 비율 예측을 위한 보다 신뢰성있는 도구를 개발하는 것이었음. 새롭게 개발된 세굴 예측 방법은 FHWA가 승인한 HEC-18에 의해 설정된 기본적인 프레임워크에 여전히 근거하고 있지만, 통계적으로 파생된 일부 새로운 구성요소를 포함하고 있음.

 

이 프로젝트의 목표를 달성하기 위해, 세부적인 목적이 다음과 같이 제안되었음:

 

- 현장 측정에서 얻어진 역사적 세굴 데이터를 분석함
- 현장에서 조사된 세굴 데이터와 예측된 결과와의 비교를 통하여 현재의 LADOTD의 세굴 예측 방법(HEC-18 방법)을 평가함.
- 교량의 세굴 깊이를 예측하기 위해 다른 주에서 사용된 대안적인 설계 방법을 평가함.
- 대학에서 개발되어 가용한 세굴 비율 예측 방법을 평가함.
- 장기적인 현장 조사 세굴 데이터, 장기적인 연속 기록 수문기상학적/수리학적 데이타에 대한 다변량 통계분석을 사용함으로써 현재의 세굴 예측 모델의 프레임워크에 근거하여 현장 특유의 세굴 예측 방법을 개발함.
 

- HEC-18 방법의 세굴 예측은 보수적인 결과를 산출하는 경향이 있어서, 값비싼 설계와 불필요한 고심도 또는 대형의 교량 기초로 이어짐.
- HEC-18 방법은 점착성 토양에 대해 부정확한 세굴 예측을 제공할 것임.
- HEC-18 방법은 범람이나 흐름의 지속기간을 고려하지 않아서, 세굴 비율을 예측할 수 없음.
- 기존 방법의 대부분(HEC-18, SRICOS-EFA 등이 포함됨)은 과거의 범람 데이터에서 통계적으로 파생된 범람 추정치를 사용함.
- SRICOS-EFA 방법은 토양의 침식성(erodibility)과 과거의 범람 배출 수문곡선(flood discharge hydrographs)을 고려하여 세굴 비율을 예측할 수 있음.
- 하상 토양 또는 퇴적물의 침식 특성은 세굴 깊이와 비율의 개발에서 중요한 역할을 담당함. 따라서, 지반적 특성이 고려될 필요가 있음.
- 어떤 기존의 방법도 세굴의 평가를 위해 장기적이고, 실시간 강우 데이터를 사용하지 않음.
- 어떤 기존의 방법도 장기적인 현장 세굴 조사 데이터와 예측되거나 설계된 세굴과의 비교를 하지 않음.
 

- 선택된 교량 지역의 연구는 강우가 위성 원격 감지 데이터에서 수집될 수 있음을 보여주었음.
- 유역의 수문학적 모델은 GIS 소프트웨어를 사용하여 구축될 수 있음.
- 수문학적 분석은 증발산의 영향을 고려할 필요가 있는데, 이는 특히 건조 및 고온 계절에 더욱 그러함. 이는 HEC-HMS를 사용하는 동안 상대적인 변수에 대해 조정될 수 있음.
 

- 세굴 분석을 위해 범람의 수리학적 성질을 도출하기 위해 위성 원격 감지 데이터를 사용하는 새로운 방법이 이 연구에서 개발되어 검증되었음.
- 이 방법은 세굴 분석을 위해 정확한 수리학적 데이터를 산출할 수 있어서, 다른 방법에서 사용되는 것처럼 범람에 대한 가정을 할 필요가 없음.
- 개발된 방법은 또한 교량의 설계에 사용될 수 있는 수면위(water surface elevation)에 대한 기술적 대안을 제공함.
 

- HEC-18 방법에 근거하여 계산된 세굴 깊이와 조사된 세굴 깊이 사이에는 상당한 차이가 존재함. 모든 사례에서 전자는 후자보다 항상 더 컸고, 그 비율은 0.07에서 0.60이었음.
- HEC-18 방법은 보통 보수적인 설계를 산출함.
- HEC-18 방법은 여러 다른 토양 타입에서 세굴의 발전에 차이를 두지 않음. 이처럼, HEC-18 방법에 근거하여 계산된 세굴 깊이는 토양 타입의 영향을 반영하지 않음.
- 세굴 조사 기록은 기존의 세굴 설계방법에 대한 검증과 새롭고 신뢰성있는 경험적 세굴 설계 방법의 개발을 위해 유용한 데이터를 제공함.
 

교량 세굴은 흐름, 토양 및 장애물 특성을 포함하는 매우 복잡한 절차임. 세굴의 발전에대한 철저한 이해와 보다 신뢰성있는 설계방법의 개발은 수리공학, 지반공학 등의 연구자와 기술자로부터의 협력적인 노력을 필요로 함. 이 연구에 근거하여, 다음의 제안사항이 제시됨:

 

이 연구는 실제의 정확한 범람 데이터에 근거하여 세굴 깊이를 도출하였고 교량 세굴 조사 데이터베이스는 실제의 세굴 깊이를 제공할 수 있기 때문에, 여러 다른 토양 타입의 영향을 고려하거나 더 많은 토양 성질을 세굴 방정식에 포함시킴으로써 기존의 세굴 방정식을 수정할 필요가 있음.

기존의 교량 세굴 데이터베이스는 하상 토양에 대한 제한적인 지반공학적 데이타만을 제공할 수 있기 때문에 미래의 연구에는 세굴 분석에 필요한 토양 성질을 얻기 위해 보다 광범위한 지반공학적 현장 연구와 시험 프로그램이 포함되어야 함.

- 이 연구는 사례 연구로써 여러 다른 강우량을 가진 7개의 교량을 분석하였음. 미래의 연구는 더 많은 사례 연구를 포함으로써 이 연구를 확장할 수 있음.
- 이 프로젝트에서 조사된 교량은 모두 해안 파도, 조류 및 해안 기후상태와 떨어져 있음. 그러나, 루이지애나는 매우 긴 해안선을 가지고 있고 루이지애나 해안을 따라 많은 교량이 있음. 따라서, 이러한 해안 상태가 교량의 세굴에 미치는 영향을 고려하는 연구를 수행할 필요가 있음.
- 토양의 지반공학적 특성과 관련된 오차를 평가하고, 충분한 지반공학적 데이터를 가진 일부 사례 연구를 사용하여 HEC-18을 수정하기 위해 두 번째 단계의 연구가 수행될 필요가 있음. 이와 같은 연구는 또한 보다 상세한 지반공학적 현장 조사와 실험실의 테스트 프로그램을 필요로 할 것임.