水 工 學
大 韓 土 木 學 會 論 文 集第26卷 第2B 號·2006年 3月 pp. 179 ~ 186
도시지역에서 빗물받이의 막힘계수 산정에 관한 실험적 연구
An Experimental Study for Clogging Factors Estimation of Grate Inlets in Urban Area
김정수*·권인섭**·윤세의***·이종태****
Kim, Jung Soo · Kwon, In Sup · Yoon, Sei Eui · Lee, Jong Tae
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Abstract
Effective interception area of street grate inlets was decreased by clogging with trash, debris, and sand. It also decreased the interception capability of grate inlets and increased the inundation area in street. Therefore, it is necessary to analyze the clog- ging characteristics and interception capability change by clogging for appropriate design and management of grate inlets.
Hydraulic experimental apparatus which can be changed the gutter transverse slopes, longitudinal slopes of street and clogging condition of grate inlet (40 × 50 cm) was installed for this study. 81 total experiments were conducted with 8 different clog- ging condition. The interception capacities of grate inlets clogged curb direction are smaller than those of clogged flow direc- tion. As the longitudinal slopes of street increase, the interception capacity of grate inlet decreases due to splash-over phenomena. This is also observed at grate inlets which has no clogging condition. In general, 50% of clogging factor was selected in design of grate inlet in foreign country. The clogging factor for same clogging condition are suggested 0.25 ~ 0.65 in domestic urban area.
Keywords : Grate inlets, Interception capacity, Clogging factor, Urban runoff
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요 지
빗물받이가 자갈 , 토사 및 기타 유송잡물에 의하여 막히게 되면 , 유입구의 순 면적이 감소하게 되므로 설치된 빗물받이는 제 기능을 다하지 못하여 도로의 침수피해를 가중시키는 요인이 된다 . 그러므로 빗물받이의 합리적인 설계와 관리를 위하여
빗물받이의 막힘 현상을 분석할 필요가 있다 . 본 연구에서는 8 가지의 막힘 조건을 가진 40 × 50 cm 규모의 빗물받이를 설치 하여 도로의 종경사 , 측구의 횡경사 및 막힘 정도를 변화시키면서 총 81 회의 실험을 실시하였다 . 실측자료를 분석한 결과 빗물받이 유입구가 연석방향으로 막힌 경우가 흐름방향으로 막힌 경우보다 차집효율이 현저하게 감소하였다 . 막힘 조건을 가 진 유입부에서도 도로의 종경사가 증가할수록 유속이 증가하여 물의 튐 현상 (splash-over) 이 크게 발생하여 빗물받이의 차집
효율을 감소시킨다 . 또한 빗물받이의 설계 시 외국에서 일반적으로 채택되고 있는 막힘 정도가 50% 일 경우에 도로의 종경 사와 측구의 횡경사의 변화를 고려한 국내 빗물받이의 막힘계수는 0.25~0.65 로 판단된다 .
핵심용어 : 빗물받이 , 차집효율 , 막힘계수 , 도시유출
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1. 서 론
도시지역에서 해마다 반복되는 여름철의 호우로 인한 홍수 재해 뿐만 아니라 국지적인 집중호우에 의하여 많은 피해가 발생되고 있다. 국지적인 집중호우는 유출량이 급격하게 증 가하는 저지대와 하수관거의 불량 및 용량 부족지역을 중심 으로 침수피해를 상습적으로 발생시키고 있다. 또한, 도시화 과정으로 인한 불투수 면적의 증가는 첨두유량의 증가와 첨 두유량의 도달시간 감소 등의 수문학적 특성의 변화에 따른 이유로 침수피해가 더욱더 증가된다.
도시지역에서의 빗물은 도로를 통해 이동하고 배수된다. 도 로 배수시설은 측구, 도수로, 집수정, 배수관, 배수암거와 도 시계획도로에 설치되는 빗물받이, 맨홀 등으로 구성된다. 도 로의 배수시설은 도로면의 안전을 확보하기 위한 목적뿐만 아니라 도로 이외의 지역에 흐르는 유출수의 배수를 위한 기능도 포함되어 있다. 그러나 도로변에 설치되어 있는 빗물 받이 등과 같은 하수도 시설에서 빗물이 원활하게 배수되지 않아 노면수가 정체되고, 이 노면수가 인근 주택가로 유입되 어 침수피해를 가중시키고 있다. 정체된 노면수는 교통체증 과 미끄럼에 의한 사고의 원인이 되며, 포장체 내에 박리 *
경기대학교토목환경공학부토목공학박사과정(E-mail: [email protected])
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경기대학교토목환경공학부토목공학석사과정(E-mail: [email protected]) ***
정회원·경기대학교토목환경공학부교수(E-mail: [email protected])
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정회원·경기대학교토목환경공학부교수(E-mail: [email protected])
(stripping) 현상과 포트홀 (port hole) 현상을 발생시켜 도로의 파손을 야기한다 . 또한 도로지역의 침수는 지하철과 같은 지 하공간에 설치된 구조물에 치명적인 영향을 야기할 수 있다 .
이러한 점들을 고려할 때 , 침수피해에 의한 시민들의 재산 을 보호하고 도로 서비스의 수준과 교통안전을 유지하기 위 한 합리적인 배수시설이 필요하다 . 그러므로 빗물받이의 차 집효율과 차집능력의 분석이 필요하며 도로 조건에 따른 빗 물받이의 설치간격 , 적정크기 및 관리방안을 마련하여 상습 침수지역의 빗물 배제 능력을 향상시킴으로써 도시 홍수피 해의 경감대책을 수립해야 한다 . 빗물받이의 차집효율에 관 한 국외 연구는 ASCE(1992), FHWA(1984, 1996) 등이 있 으며 , 국내에서는 서울특별시 (2002), 이종태 (2002, 2003), 윤
세의 (2003) 등이 있다 . 그러나 빗물받이의 설계 시 이러한 상
황을 고려하여 설치하더라도 빗물받이가 자갈 , 토사 및 기타 유송잡물에 의하여 막히게 되면 , 유입구의 순 면적이 감소하 게 되므로 설치된 빗물받이 유입구는 제 기능을 다하지 못 하여 도로의 침수피해를 가중시키는 요인이 된다 . 그러므로 빗물받이의 합리적인 설계와 관리를 위하여 빗물받이의 막 힘 현상을 분석할 필요가 있다 .
Clark County Regional Flood Control District(1990), Urban Drainage and Flood Control District(2001), Virginia Department of Transportation(2002), Nevada Department
of Transportation(2005) 은 단일 빗물받이 설계 시에 막힘
정도를 50% 로 고려하여 설계하게 되어있다 . Guo(2000) 는
감소계수를 고려한 연속 빗물받이에 대한 막힘 계수 식을 제시하였다 . California Department of Transportation(2001)
는 빗물받이의 막힘 계수를 지역의 특성을 고려하여 경험적 인 방법으로 산정할 것을 제시하고 , 자료가 없는 경우에 고
속도로의 경우에는 0.33, 도시 도로의 경우에는 0.5 의 막힘
계수를 가정할 것을 제시하였다 . Connecticut Department of Transportation(2002) 은 막힘의 정도가 50% 인 집수구에는
막힘에 대한 안전계수를 2, 막힘의 정도가 0%~50% 인 집수 구에는 막힘에 대한 안전계수를 1~2 를 적용하고 , 나무가 잘 자라지 않는 간선도로의 중앙 , 저지 , 배수로에는 막힘의 정 도를 20% 로 가정하여 막힘에 대한 안전계수를 1.25 로 적용
하였다 . 이와 같이 외국의 경우에는 빗물받이의 막힘 계수와 막힘 계수를 고려한 차집효율에 대한 연구가 진행되고 있지 만 , 국내에서는 빗물받이의 막힘 특성에 관한 연구는 전무한 실정이다 . 그림 1 은 실제 국내 도로에서 여러 유형으로 막 혀있는 빗물받이 유입구의 모습이다 .
본 연구에서는 빗물받이 유입구가 토사 및 유송잡물에 의 한 막힘에 따라서 차집효율에 미치는 영향을 분석하기 위하
여 , 8 가지의 막힘 조건을 가진 40 × 50 cm 규모의 빗물받이
유입구를 설치하여 도로의 종경사 , 측구의 횡경사 및 막힘 정 도를 변화시키면서 실험을 실시하여 막힘계수를 제시하였다 . 2. 막힘계수
단일 빗물받이 유입구의 막힘 계수를 산정하기 위하여
Colorado Department of Transportation(1990), Urban Drainage and Flood Control District(1969), Clark County Regional Flood Control District(1990) 에서는 식 (1) 을 제 안하였다 .
(1)
여기서 , Q
a는 실제 차집유량 , C
o는 막힘 계수 , Q
i는 막힘이 없을 때의 차집유량이다 . 막힘을 고려하지 않은 차집유량은 실험 결과를 이용할 수 있으며 , 빗물받이의 크기가 40 × 50
cm 일 경우의 경험식인 식 (2) 로 계산할 수 있다 ( 이종태 등 ,
2003).
(2)
여기서 , Q
m는 측구의 총유량 ( l /sec), S
x는 도로면의 횡경사
(m/m), S
L는 도로의 종경사 (m/m) 이다 .
빗물받이가 연속적으로 설치되어 있을 경우에 막힘정도
50% 의 가정을 상류부 빗물받이부터 하류부의 빗물받이까지 동일하게 적용하면 유송잡물이 상류부에서 걸리는 현상을 고 려하지 못하여 하류부 빗물받이의 막힘계수를 과대 산정하 게 된다 . 따라서 연속된 빗물받이의 감소계수는 식 (3) 과 같 다 (Guo, 2000a, b, c).
C
i+1= eC
i(3)
여기서 , C는 막힘계수 , e는 감소계수 , i는 i번째 빗물받이 유 입구이다 . 연속되는 유입구의 수를 고려하기 위한 연속 빗물 받이의 막힘계수는 식 (4) 와 같다 .
(4)
여기서 , C는 연속 빗물받이의 막힘계수 , C
o는 단일 빗물받이 의 막힘계수 , e는 감소계수 , N은 빗물받이의 수 , K는 단일
Q
a= ( 1 C –
o)Q
iQ
i= 1.486Q
m0.899S
x0.124S
L–0.0278C C
o--- 1 e e N ( + + +
2e
3+… e +
N–1) C
o--- N e
i–1i=1 i N=