토사퇴적 방지를 위한 하수관거 최소유속 산정기법

Abstract

하수관은 평상시 개수로의 흐름특성을 가지며, 관로 흐름이 되는 경우는 설계 강우를 초과하는 홍수사상이 발생할 때로서 흐름특성을 해석하기에는 무리가 있다. 개수로 흐름은 Froude number에 의하여 상류와 사류로 구분되며 등류수로로 가정하여 유출량 또는 흐름변위를 산정한다. 기존 하수관거 설계 또는 해석시에는 이러한 개수로 흐름특성을 충분히 고려하지 않고 관내 흐름을 모두 등류로 가정하여 해석하는 것이 일반적이었다. 이러한 불명확한 가정은 홍수 초기와 후기에서 가속흐름 또는 감속흐름이 발생하기 때문에 등류조건과는 상당한 수리특성 차이를 보인다. 따라서 이러한 개수로 흐름특성 차이를 분명히 파악한 후 마찰계수를 산정하여야만 하수관거 흐름조건을 보다 정밀하게 파악할 수 있다.

현재 하수관거의 설계 또는 검토시 사용되고 있는 기존 마찰계수 경험식은 상수관 해석에 이용되는 Hazen-Williams식이나 개수로 해석에 이용되는 Manning식으로 유체 흐름조건의 불명확한 선택, 차원의 불일치, 물리적 가정의 오류 등 많은 모순점을 내포하고 있어 하수관거 설계시 반복시산 등의 복잡한 과정을 거쳐야만 한다. 따라서 하수관거 설계시 원활한 하수의 통수를 위하여 개수로 마찰흐름 특성을 충분히 반영하면서도 형식이 단순한 지수형 마찰계수 산정식(유동훈, 이민호, 2000)을 활용하는 것이 정확한 개수로 흐름해석 및 수식도출에 유리하다.

보통 하수관 설계시 고려되는 유량은 10∼20년 빈도의 계획유량이며 이는 장기간의 토사 및 이물질의 퇴적으로 인한 통수능에 지장을 초래할 우려가 크다. 하수가 관거 내를 유하할 때 유속이 느리면 관거 바닥에 침전물이 많이 퇴적되어 준설작업 등으로 유지관리비가 증가하고, 반대로 유속이 너무 빠르면 관내에 유입된 모래와 자갈 등에 의한 마찰 마모 및 손상이 격심해져 관거의 내용년수를 줄인다. 또한 하수관거 내 유수에 함유된 부유물의 퇴적현상으로 형성된 하상형상은 관거의 통수능력 저하 및 청천시 악취유발 등의 문제점이 있음에도 불구하고 보통 하수관 설계시 고려되지 않고 있는 실정이다. 따라서 하수관거내 발생될 수 있는 토사 및 침전물의 퇴적과 관거내 침식을 방지하기 위해서는 정기적으로 퇴적된 토사 및 이물질을 청소할 수 있는 적정한 유속의 확보가 필요하다.

본 연구에서는 부적절한 유량도입으로 인하여 하수관거에 발생될 수 있는 토사 및 이물질 퇴적을 방지하고자 1년에 2～3회 하수관거를 청소할 수 있는 유량을 관거내 수심이 관거높이에 0.5배인 경우로 가정하여 형상비 관계수치를 활용하였으며 Shields Curve로부터 유도된 임계마찰 Froude number를 적용함으로써 토사의 이동과 관련된 세굴조건을 고려하였다. 또한 하수관거의 흐름 및 하수암거 내 퇴적된 토사로 인한 하상형상을 보다 정밀하게 파악하고 최소유속 산정시 고려하여 적정 최소유속을 산정하고자 한다. 이는 부적절한 기준으로 인한 하수의 통수능 장애 및 홍수발생 방지에 그 목적이 있다.