02 교통 및 기하구조

2-1 집 중 호 우 시 주 행 안 전 성 제 고 를 위 한 고 속 도 로

수 막 현 상 예 방 설 계 대 책

 

교통 및 기하구조 ❙ 73

교통 및

기하구조

21

교통 및 기하구조

집중호우시 주행안전성 제고를 위한 고속도로

수막현상 예방 설계대책

설계처-1791

(2014.07.11)

1 추진배경

☐ 최근 이상기후로 인한 집중호우로 노면배수 불량구간에서 수막

현상, 물튀김, 포장파손 등으로 도로주행에 불리한 요소로 작용

☐차량 미끄럼사고의 주요 원인인 수막현상에 대한 설계대책이

미비한 실정으로, 발생원인 분석 및 해결방안 마련으로 주행

안전성을 향상코자함

2 현 실태 및 문제점

☐ 최근 이상기후로 설계 강우량을 초과하는 집중호우 빈발

ㅇ 국지성 집중호우에 대처 위해 설계 강우강도 상향(22.7%~49.0%)

강릉 서울 인천 대전 광주 부산

125.9 157.1 143 .3 149.9 142.2 151.1

186.0 209.6 188.6 183.9 218.0 225.2

10분 강우강도(2011년 이전) 5분 강우강도(2012년 이후)

(단위 : mm/hr)

(도로 배수시설 설계 및 관리지침, 국토부, 2012.11)

☐ 노면배수 취약구간 최소화를 위한 지속적인 노력

ㅇ 노면배수를 고려한 선형설계【도로시설규칙, 국토부】

- (노면경사) 횡단경사1.5%~2.0%, 종단경사0.3%~0.5%이상 바람직

- (선형조합) 오목형 종단곡선의 저점부와 평면곡선의 변곡점이 겹치

는 경우 배수상 문제가 되므로 피하는 것이 바람직

ㅇ 포장 그루빙 확대 시행방안 검토【도로포07202-42, 2003.3.24】

- (시행효과) 노면배수효과 우수(10배), 노면결빙 및 수막현상 억제

- (설치위치) 노면 결빙 또는 노면 물고임 우려구간 등

ㅇ 배수 취약구간 연속배수시설 적용방안【설계처-1404, 2012.5.18】

- (설치구간) 종단경사 저점부(-0.5% ~ +0.5%) 연속배수시설 적용

74 ❙ 교통 및 기하구조

☐ 강우시 차량 미끄러짐의 주요 원인인 수막현상* 대책 미비

ㅇ 차도내에서 배제된 우수를 처리하기 위한 길어깨 및 중분대측

배수시설은 지속적으로 보완되어 설치되고 있으나,

☞ 집수정 추가 설치, 연속배수시설 적용, 중앙분리대 기초 경사조정 등

ㅇ 편경사 변화구간 등에서는 노면수심이 두꺼워져 길어깨 및 중분

대측 배수시설만으로 차도내 수막현상을 예방 하는데는 한계

* Hydroplaning : 젖은 노면을 고속으로 주행시 타이어가 노면과 접촉하지 않아 조종이 불가능한 상태

☐ 수막현상 및 기하구조와 관련한 국내 연구활동 부족

ㅇ 해외의 경우, 수막현상과 도로 포장상태, 기하구조 등과의

관련성에 관한 연구가 활발히 진행되고 있는 것과는 달리,

• Pavement and geometric design criteria for minimizing hydroplaning(미국 Gallaway, 1979)

• Road surface characteristics and condition(호주 John McLean Graham Foley, 1998)

• Hydroplaning-The trouble with Highway Cross Slope(미국 John C. Glennon, 2006)

• Hydroplaning speed and infrastructure characteristics(프랑스 V. Cerezo외 3, 2013)외 다수

ㅇ 국내의 경우, 주로 자동차 타이어 개발 연구 중심으로 이루어

졌으며, 도로의 기하구조와 관련한 연구 활동은 전무한 실정

수막현상 발생구간 예측 및 최소화를 통한

고속도로 주행 안전성 향상 설계추진 필요

교통 및 기하구조 ❙ 75

교통 및

기하구조

3 수막현상 발생원인 분석

□ (편경사 변화구간) 노면수심 및 경사에 따라 수막현상 유발

ㅇ 수막현상 관련 국내외 연구자료

구 분 연구내용

도로선형별 미끄럼 저항

특성 연구(도로공사, 2001)

- 노면의 최저수위 2.5mm ~ 10.0mm, 차량

속도 80km/h이상 주행시 수막현상 발생

Pavement and Geometric

design criteria for

minimizing hydroplaning

(미 Gallaway, 1979)

- 합성경사에 따른 노면수심 및 수막현상

발생속도에 관한 경험식 제안

Hydroplaning - The truble

with Highway Cross Slope

(미 John C. Glennon, 2006)

- 지방지역 고속도로의 경우 노면수심 0.1in

(2.5mm), 연장 30ft(9.1m), 차량속도 45mph

(72km/h) 이상주행시수막현상발생

ㅇ 수막현상 발생구간 예측

Gallaway가 제안한 경험방정식 및 국내외 연구자료 토대로 강우

강도, 유로길이, 합성경사에 따른 수막현상 발생 가능구간 판단

- (수막현상 발생 가능 속도)     ×       × 

여기서, SD : 타이어 마찰저항 상실율(일반적으로 10%적용)

P : 타이어 공기압(165kPa), TD : 타이어 트레드깊이(5mm)

A : 강수면적(   ×      ×  )

WD : 노면수심(         , mm)

TXD : 포장 타이닝 깊이(3mm), I : 강우강도(mm/hr), S : 합성경사(%),

L : 유로길이(     ×      , m) (W : 포장폭, SG : 종단경사, SC : 횡단경사)

- (수막현상 판단기준) 수막 2.5mm이상구간 80km/h주행시 발생

☞ 강우량 50mm/h*이상(5분지속)의 집중호우시 수막현상 발생 가능

* 강우지속시간 5분 적용시 1년에 수회 발생 가능(설계빈도 2년 전국 주요지점 평균 확률강우량 : 125.7mm/h)

76 ❙ 교통 및 기하구조

- (수막현상 발생위치) 유로작도 및 경험식을 통해 위치 선정

‣ 완경사 구간(S= 0.5%)

‣ 급경사 구간(S= 3.0%)

(편도 2차로, 강우강도 125.7mm/h인 경우 유로작도 예시)

☞ 편경사 변화구간(±2.0% ~ ∓2.0%)내 에서 수막현상 발생

구 분 완경사(S= 0.5%) 급경사(S= 3.0%) 비 고

편도 2차로 ±0.5% ~ ∓1.0% Level ~ ∓1.5%

편도 3차로 ±1.0% ~ ∓1.2% ±0.3% ~ ∓1.7%

편도 4차로 ±1.5% ~ ∓1.5% ±0.7% ~ ∓1.9%

편도 5차로 ±1.8% ~ ∓1.8% ±1.0% ~ ∓2.0%

* 노면배수의 경우 일반적으로 10년 설계빈도를 적용하나, 수막현상의 특성(80km/h이상 주행시 발생)을 고려 「도로

배수시설 설계 및 관리지침(국토부)」에 제시한 최소 설계빈도(2년)의 확률강우량 125.7mm/h 적용

▣ 집중호우시 편경사 변화구간에서는 수막현상 발생으로 차량

미끄러짐 위험이 크므로 이를 억제할 수 있는 대책 필요

- (완경사의 경우) 유로의 길이는 짧으나 유속이 느려져 발생

- (급경사의 경우) 유속은 빠르나 유로의 길이가 길어져 발생

* 연결로의 경우 60km/h이하 주행으로 수막현상 미발생

교통 및 기하구조 ❙ 77

교통 및

기하구조

□ (종단곡선 저점) 종단곡선 길이가 길수록 물흐름 지체 발생

ㅇ 노면배수 고려 없이 비교적 큰 종단곡선 변화비율 적용

- 시거확보와 충격완화 위해 최소값은 규정하고 있으나, 배수를 고려

한 한계값 기준 부재로 설계자에 따라 다양하게 적용

☞ 함양~창녕구간 오목(SAG)구간 종단곡선 적용현황

구 분

설계기

준

(최소값)

적 용

비 고

평균 최소 최대

종단곡선 변화비율

(m/%)

35 113 45 226

최소값의

1.3~6.5배 적용

종단곡선의 길이(m) 85 207 130 500

- 큰 값을 적용할수록 시각적으로 유리하지만 수평에 가까운 구간

(Level ~ 0.3%)이 과다하게 발생하여 노면배수 측면에서 불리

- 특히, 종단곡선 저점부가 수막현상 발생 예상지점인 편경사 변화

지점과 겹쳐 설치되는 경우에는 수막현상을 가중시킬 우려가 큼

▣ 노면수의 원활한 배제 및 수막현상 방지를 위해 종단곡선

변화비율 제한 및 편경사 변화지점과 중복 설치 배제 필요

※ 배수를 고려한 종단곡선 변화비율(미AASHTO)

- 종단경사가 수평이 되는 지점으로

부터 15m이내에서 종단경사가 최

소 0.3%가 되어야 하며, 그에 대한

종단곡선 변화비율 K=50m/%이하

가 되도록 함

경사의 대수차A(%)

오목종단곡선의 길이(m)

오목종단곡선의 설계지배요소-일반도로 조건 (미국)

78 ❙ 교통 및 기하구조

4 주행 안전성 향상대책

□ 추진 방향

(현 행) (개 선)

편경사

변화부

수막현상 발생대책 기준 미비

-발생지점 및 원인분석 미흡

-설계자 판단에 따라 대책공법 반영

수막현상 원인분석 및 대책 수립

-유로작도및경험식적용정확한위치선정

-발생지점 배수촉진 그루빙 설치

종단

저점부

종단선형 설계기준 미비

-종단곡선변화비율한계값기준부재

-수평구간과다설치로배수불량원인

배수 고려한 선형설계 기준 제시

- 종단곡선 변화비율 권장값 제시

- 수평구간내 적정 편경사 유지

□ 편경사 변화구간

수막현상 발생 예상지점 토공부 유도 및 배수촉진 그루빙 설치

ㅇ (선형조합) 교량부 및 터널 시종점부에 편경사 변화구간 설치 지양

- 단, 공사비 증가 수반 등 부득이한 경우 별도 수막 예방대책 강구

☞ 시공성 확보(교량부) 및 교통사고 다발지점(터널 시종점부) 회피

ㅇ (배수촉진) 수막현상 발생 예상지점에 배수홈 그루빙 설치

- 집중호우시 노면경사 및 유로길이 영향으로 수막두께가 두꺼워지는 지점

본선 차로수

(편도)

배수홈 그루빙 설치위치

← (종단 상류측) 편경사 변화구간 (종단 하류측) →

±2.0% ±1.5% ±1.0% ±0.5% level ∓0.5% ∓1.0% ∓1.5% ∓2.0%

2차로

3차로

4차로

5차로

【별첨#1 : 배수홈 그루빙 설치 예시】

교통 및 기하구조 ❙ 79

교통 및

기하구조

☞ 배수홈 설치규격 및 간격

설치규격 설치간격

배수홈(횡방향 그루빙 TYPE-E 30×4)

* 종방향 타이닝 또는 그루빙과 함께 설치

집수정 위치고려 10m내외

(물흐름 방향으로 45°~90°)

※ 배수홈은 횡방향 배수처리용 최소 규격을 적용하였으며, 향후 배수효과 및

주행소음 등에 대한 지속적인 모니터링을 통해 최적의 규격 결정 필요

□ 종단곡선 저점부

종단 수평구간 설치 최소화 및 적정 편경사 유지

ㅇ (종단곡선 변화비율) 기준값 이하로 권장

구 분 설계속도

종단곡선 변화비율(m/%)

비 고

최소값 최대값(권장)

본 선

120 55 110*

100 35 80*

연결로

80 25

50

60 15

50 10

40 6

* 주행의 안전성․쾌적성 등을 고려하여 규정치의 1.5~2.0배 정도의 값 이상 바람직(일본 도로구조령)

ㅇ (선형조합) 종단곡선 저점부에 편경사 변화구간 설치 지양

- 단, 연결로 등 부득이한 경우에도 S=±0.5%이상 구간으로 이동 설치

☞ 종단이 수평에 가까운 구간에서는 2.0%이상의 편경사 유지

※ (도로시설규칙) 오목형 종단곡선상의 저점부에 평면곡선의 변곡점 설치를 피할 것

80 ❙ 교통 및 기하구조

5 적용방안 및 향후계획

☐ 적용방안

ㅇ (설계단계) 설계중이거나 미발주 노선 본 방침 적용

ㅇ (시공단계) 공사주관(시행)부서에서 필요시 본 방침 적용

- 시공현황 등 고려하여 공사주관(시행)부서에서 판단하여 적용

ㅇ (공용단계) 공용도로 노면배수 취약구간 선정시 활용

☐ 향후계획

ㅇ 수막현상 발생 최소화 방안 연구용역 시행

- 수막현상 최소화 공법 개발(그루빙 최적화, 배수성 포장 적용성 등)

- 수막현상 발생구간 예측 프로그램 개발 등

교통 및 기하구조 ❙ 81

교통 및

기하구조

배수홈 그루빙 설치 예시(2차로)

o 종단하향 0.5%

o 종단하향 1.0%

o 종단하향 2.0%

o 종단하향 3.0%

※ “종단상향”의 경우 중분대와 길어깨 위치만 바뀌고, 배수홈 그루빙 설치위치 및 간격은 동일함.

82 ❙ 교통 및 기하구조

배수홈 그루빙 설치 예시(3차로)

o 종단하향 0.5%

o 종단하향 1.0%

o 종단하향 2.0%

o 종단하향 3.0%

※ “종단상향”의 경우 중분대와 길어깨 위치만 바뀌고, 배수홈 그루빙 설치위치 및 간격은 동일함.

교통 및 기하구조 ❙ 83

교통 및

기하구조

배수홈 그루빙 설치 예시(4차로)

o 종단하향 0.5%

o 종단하향 1.0%

o 종단하향 2.0%

o 종단하향 3.0%

※ “종단상향”의 경우 중분대와 길어깨 위치만 바뀌고, 배수홈 그루빙 설치위치 및 간격은 동일함.

84 ❙ 교통 및 기하구조

배수홈 그루빙 설치 예시(5차로)

o 종단하향 0.5%

o 종단하향 1.0%

o 종단하향 2.0%

o 종단하향 3.0%

※ “종단상향”의 경우 중분대와 길어깨 위치만 바뀌고, 배수홈 그루빙 설치위치 및 간격은 동일함.