도로 배수시설 설계시 수리 및 수문요소 분석이 적절하게 적용되어야 하지만, 현재는 계산의 복잡함 때문에 충분히 고려되지 못하고 있다. 본 연구에서는 강우지속시간이 10분 이하인 도로배수유역에 적합한 분단위 강우강도식의 개발, 국내 도로배수유역의 지형 특성을 사실적으로 반영할 수 있는 운동파 모형 이론을 접목한 표면 박류 강우-유출 모형의 개발및검증, 노면배수시설설계, 암거단면규격산정및각종수로설계등의모형개발, 개발된 모형들을 도로설계자가 쉽게 익혀서 신속 정확하게 활용할 수 있도록 사용자 편의를 고려한 도로배수설계 전산프로그램을 개발하였다. 개발된 모형을 이용하여 적용성 검토를 수행하였으며, 현행 설계 방법과 개발된 설계 방법을 비교한 결과 노면 배수시설의 설치 간격은 6~65% 짧게 계산되었으며, 횡단 배수시설의 단면 크기는 6~140% 크게 계산되었다.
도로 배수시설 설계시 수리 및 수문요소 분석이 적절하게 적용되어야 하지만, 현재는 계산의 복잡함 때문에 충분히 고려되지 못하고 있다. 본 연구에서는 강우지속시간이 10분 이하인 도로배수유역에 적합한 분단위 강우강도식의 개발, 국내 도로배수유역의 지형 특성을 사실적으로 반영할 수 있는 운동파 모형 이론을 접목한 표면 박류 강우-유출 모형의 개발및검증, 노면배수시설설계, 암거단면규격산정및각종수로설계등의모형개발, 개발된 모형들을 도로설계자가 쉽게 익혀서 신속 정확하게 활용할 수 있도록 사용자 편의를 고려한 도로배수설계 전산프로그램을 개발하였다. 개발된 모형을 이용하여 적용성 검토를 수행하였으며, 현행 설계 방법과 개발된 설계 방법을 비교한 결과 노면 배수시설의 설치 간격은 6~65% 짧게 계산되었으며, 횡단 배수시설의 단면 크기는 6~140% 크게 계산되었다.
Due to the calculation difficulty on the hydraulic and hydrologic analysis for road drainage facilities design, these analysis techniques are not applicable. This study's result are development of minutely rainfall-intensity equation suitable for road drainage area, verification of rainfall-runoff m...
Due to the calculation difficulty on the hydraulic and hydrologic analysis for road drainage facilities design, these analysis techniques are not applicable. This study's result are development of minutely rainfall-intensity equation suitable for road drainage area, verification of rainfall-runoff model joining kinematic wave theory for road drainage area, computational model based GUI for road surface drainage facilities spacing and culvert's size decision and various road drainage channel design. Applicable test on the developed model is proceed, result that in case of road surface dranage facilities spacing is narrower 6~65% than present spacing calculation method, in other case of road cross dranage facilities size is bigger 6~140% than present size decision method.
Due to the calculation difficulty on the hydraulic and hydrologic analysis for road drainage facilities design, these analysis techniques are not applicable. This study's result are development of minutely rainfall-intensity equation suitable for road drainage area, verification of rainfall-runoff model joining kinematic wave theory for road drainage area, computational model based GUI for road surface drainage facilities spacing and culvert's size decision and various road drainage channel design. Applicable test on the developed model is proceed, result that in case of road surface dranage facilities spacing is narrower 6~65% than present spacing calculation method, in other case of road cross dranage facilities size is bigger 6~140% than present size decision method.
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문제 정의
도로 배수시설 설계에서 수리, 수문학적 이해가 중요한 요소이지만 지금까지 도로 배수유역에 적합하지 않은 배수유역의 구분, 강우강도 산정 방법을 적용하였다. 본 연구에서는 도로 배수시설 설계에서 수리, 수문학적 문제점들을 파악하여 배수시설 설계 개선 방향을 제시하였다.
따라서 발전된 수리 수문 해석기술을 반영하는 동시에 설계 실무에 실질적인 도움이 될 수 있도록 도로배수 설계지침을 개선하고, 설계 지침에 의한 설계가 가능하도록 전산프로그램 등의 설계도구들을 개발할 필요가 있다. 본 연구의 최종 목적은 향상된 수리 수문해석 방법을 이용하여 새로운 도로 배수설계 프로그램의 개발과 이를 통한 현행 도로 배수설계 지침의 개선에 있으며, 이를 위하여 Fig. 1과 같은 계획을 수립하여 연구를 수행하였다.
가설 설정
본 연구에서 설계 대상으로 선정한 각종 수로시설물은 V형 측구, 산마루 측구, 소단측구 시설이다. V형 측구와 산마루 측구의 설계는 배수유역으로부터 유입되는 홍수량을 통수할 수 있는 최소 단면규격을 결정하는 것으로서, 수로로 유입되는 유량은 선형적으로 증가하고 배수유역으로부터 유입되는 단위폭당 유량은 일정한 것으로 가정하여 단면규격 산정 프로그램을 개발하였다. 소단측구 시설물의 설계는 유출구 또는 도수로의 간격을 결정하는 것으로 앞에서 언급한 노면배수설계 모형을 기반으로 소단측구의 단면형상을 반영하여 도수로의 설치 간격을 결정하도록 만들어진 모형이다.
암거 흐름해석은 Culvert Master 소프트웨어(Bentley)를 벤치마킹하여 개발하였으며(Bentely Systems, 2007), 암거 흐름해석을 위한 통제단면을 유입부 통제(inlet control)와 유출부 통제(outlet control)의 두 가지로 가정하여 흐름의 통제 단면별 유입부 상류수위를 계산하고, 더 큰 상류수위를 갖는 통제 방식이 암거의 흐름을 통제하는 것으로 한다. 유입부 통제를 가정하는 경우는 암거 내 마찰력과 미소손실을 무시하고 유입부 상류수위를 산정하며, 유출부 통제를 가정하는 경우는 유입 및 유출손실 뿐 아니라 마찰손실도 고려하여 전통적인 개수로 흐름 해석 방법으로 유입부 상류수위를 산정한다.
제안 방법
전술한 Eqs. (4) and (5)와 같이 수립된 표면 박류 강우-유출 모형을 검증하기 위해, 지표요소와 수로요소의 조합에 따라 Fig. 3과 같은 두 가지 형태의 가상 유역을 만들어, 각 유역에서 지표요소의 경사, 조도계수, 폭, 수로요소의 경사, 수로단면형상, 강우강도와 지속시간이 주어진 경우 수로유량(Q)을 모의하였다(Table 4).
1) 주어진 조건의 모든 수로암거와 횡단배수관 단면규격에 대한 흐름해석을 수행한다.
3) 암거 내 흐름 통제단면 위치에 따라 적절한 공식을 사용하여 단면규격별 상류수위(HWE), 암거 직경에 대한 상류 수심의 비율(H/D), 유출유속(Vout)을 결정한다.
강우지속시간 10분 이하의 I-D-F 관계식을 유도하여 도로 배수시설 설계에 적합한 전국 분단위 강우강도식의 개발, 지역 의존성이 약한 물리적 모형인 운동파 모형과 운동량 방정식을 이용하여 도로 배수유역에 적합한 설계홍수량 산정 모형을 개발하였다. 도로의 횡단 배수시설 설계에 있어서, 암거 흐름해석 및 단면규격 설계를 위해 상용 Culvert Master 소프트웨어를 벤치마킹하여 모형을 개발하였으며, 도로 노면의 배수시설 설치간격 결정을 위해 도로 노면과 같이 선형 배수로에 대한 등류·부등류 해석 모형 개발 및 배수시설 설치간격 전산 모형을 개발하였다.
국내 노면배수시설의 설계실무에서 이용하는 설계방법은 Model I의 방법과 동일하므로 노면배수시설에 ModelI을 적용하여 설계한 결과는 현행 수리계산서의 결과와 동일하게 된다. 도달시간을 설계변수로 고려하는 Model II와 Model VI를 적용하기 위해서는 분단위 강우강도식이 요구되며, 각 설계 모형을 적용하는 과정에서 일관성을 유지하기 위하여 Model I과 Model III를 적용하는 경우에도 서울 지점 강우강도식의 지속시간 10분의 값인 121mm/hr를 이용하였다.
도로의 횡단 배수시설 설계에 있어서, 암거 흐름해석 및 단면규격 설계를 위해 상용 Culvert Master 소프트웨어를 벤치마킹하여 모형을 개발하였으며, 도로 노면의 배수시설 설치간격 결정을 위해 도로 노면과 같이 선형 배수로에 대한 등류·부등류 해석모형개발및배수시설설치간격전산모형을개발하였다.
분단위 강우강도식 개발 과정 및 절차는 아래와 같은데, 우선대상유역 내 1분 단위 강우자료와 시단위 강우자료를 수집하여 대상 지점을 설정하고, 설정된 지점에 대해 Random Cascade 모형의 매개변수를 산정하였으며, 매개변수의 공간적 분포 특성을 파악하였다. 매개변수의 공간적 분포 특성을 고려하여 Random Cascade 모형을 1분 단위 강우자료가 없는 지점의 시단위 강우자료에 적용하여 1분 단위 강우자료를 재생산하고, 이를 직접 빈도해석하여 분단위 강우강도식을 유도한 뒤, 결과로 도출된 분단위 강우강도식을 이용하여 전국에 대한 공간적 확장을 수행하였다.
본 연구에서는 지표요소 1개와 주수로요소 1개를 포함하는 유역의 유출을 모의하는 모형과 지표요소 2개와 주수로요소 1개를 포함하는 유역의 유출을 모의하는 모형을 각각 수립하였다(Fig. 3).
도로 배수유역의 배수구조물 설계시 설계홍수량 산정의 주요 인자인 강우지속시간은 대부분 10분 이내에 존재하고 있으나, 현재는 강우지속시간 10분 이상인 경우에만 적용 가능한 시단위 강우강도식을 사용하고 있으며(건설교통부, 2000), 이러한 10분 이하의 강우지속시간을 입력변수로 하여 설계홍수량을 산정할 수 있는 기법이 부재하기 때문에 본 연구에서는 국내에 관측된 1분 단위 강우자료가 시 공간적으로 부족한 현실에서, 가능한 높은 정확도를 가진 분단위 I-D-F 관계식의 개발을 목표로 하였으며, 이용할 수 있는 방안으로는 i) 가용한 1분 단위 강우자료를 직접 해석하여 강우강도식을 개발하는 방법, ii) 시단위 강우자료를 분단위 자료로 변환하여 이용하는 방법(random cascade 모형, fractal 모형 등), iii) 시단위 자료와 분단위 자료 사이의 관계를 통계적으로 정량화하여 주어진 시단위 자료에 대한 분단위 자료의 특성을 추정하여 이용하는 방법(모포마 분포) 등이 있으며(유철상 등, 2007), 본 연구에서는 상기한 방법 중 시단위 강우자료를 분단위 자료로 변환하여 이용하는 Random Cascade 모형방법을 이용하였다. 분단위 강우강도식 개발 과정 및 절차는 아래와 같은데, 우선대상유역 내 1분 단위 강우자료와 시단위 강우자료를 수집하여 대상 지점을 설정하고, 설정된 지점에 대해 Random Cascade 모형의 매개변수를 산정하였으며, 매개변수의 공간적 분포 특성을 파악하였다. 매개변수의 공간적 분포 특성을 고려하여 Random Cascade 모형을 1분 단위 강우자료가 없는 지점의 시단위 강우자료에 적용하여 1분 단위 강우자료를 재생산하고, 이를 직접 빈도해석하여 분단위 강우강도식을 유도한 뒤, 결과로 도출된 분단위 강우강도식을 이용하여 전국에 대한 공간적 확장을 수행하였다.
분단위 강우강도식 매개변수 산정을 위하여 전국 강우 관측소(Table 3) 지점의강우지속시간10분이하의I-D-F 관계식을 유도하였고, 대표적으로 서울 지점의 분단위 I-D-F 관계 곡선식은 Fig. 2와 같다(국토해양부, 2010).
암거 흐름 해석 모형을 기반으로 하여 단면규격 산정모형을 개발하였고 암거의 최적 단면규격은 다음의 과정을 거쳐 설계한다.
유출 모의가 검증된 표면 박류 강우-유출 모형을 기반으로 최대 홍수량이 발생하는 도달시간을 산정하여 설계홍수량을 결정할 수 있도록 임계지속기간의 개념을 반영하여 모형을 수정하였으며, 서울 지점의 분단위 강우강도식(Japanese, 재현기간 10년)을 입력 자료로 이용하여 설계홍수량 검증에 사용된 대상유역(Fig. 4)에 대하여 설계한 결과를 Fig. 5에 제시하였으며, 이 때 임계지속기간이란 강우가 유역 내 최원점에서 배수로에 도달하는데 소요되는 유입시간과 배수로를 통하여 유역출구에 이르기까지의 유하시간의 합으로 취하게 되는 설계 강우강도 결정에 있어 중요한 인자이며, 강우지속시간이 도달시간과 유사해질 때의 지속시간으로 결정되므로, 유출 수문곡선은 첨두유량이 발생한 후에 바로 감소하는 모향을 가지게 되었고, Table 5와 같이 지속시간과 도달시간이 동일하게 결정되었음을 알 수 있다.
대상 데이터
개발된 도로 배수설계 프로그램을설계 실무 현장에 적용하기 위하여 국내 도로현장 중 산지부 도로의 특성을 가진 강원도 지역 국도 4개 현장과 도심지와 산지부가 포함된 경기도 지역 국도 2개 현장을 검토 대상으로 선정하였다(Table 7).
본 연구에서 설계 대상으로 선정한 각종 수로시설물은 V형 측구, 산마루 측구, 소단측구 시설이다. V형 측구와 산마루 측구의 설계는 배수유역으로부터 유입되는 홍수량을 통수할 수 있는 최소 단면규격을 결정하는 것으로서, 수로로 유입되는 유량은 선형적으로 증가하고 배수유역으로부터 유입되는 단위폭당 유량은 일정한 것으로 가정하여 단면규격 산정 프로그램을 개발하였다.
데이터처리
개발된 암거 흐름해석 모형의 검증을 위하여 암거의 형태별(BOX, PIPE) 흐름을 모의하고 Culvert Master의 결과(상류수위, H/D, 유출유속)와 비교하였다(Fig. 6).
이론/모형
선형 배수로 흐름에 대한 지배 방정식으로는 Eq. (10)과 같은 유한 차분형태의 대수방정식을 이용하였다(Naqvi, 2003).
(2)에서 중력과 마찰력이 평형을 이루므로 흐름은 등류이고, 등류는 Manning 공식이나 Chezy 공식으로 기술되며, 본 연구에서는 Eq. (3)과 같은 Manning 공식을 사용하였다.
도로 배수유역의 배수구조물 설계시 설계홍수량 산정의 주요 인자인 강우지속시간은 대부분 10분 이내에 존재하고 있으나, 현재는 강우지속시간 10분 이상인 경우에만 적용 가능한 시단위 강우강도식을 사용하고 있으며(건설교통부, 2000), 이러한 10분 이하의 강우지속시간을 입력변수로 하여 설계홍수량을 산정할 수 있는 기법이 부재하기 때문에 본 연구에서는 국내에 관측된 1분 단위 강우자료가 시 공간적으로 부족한 현실에서, 가능한 높은 정확도를 가진 분단위 I-D-F 관계식의 개발을 목표로 하였으며, 이용할 수 있는 방안으로는 i) 가용한 1분 단위 강우자료를 직접 해석하여 강우강도식을 개발하는 방법, ii) 시단위 강우자료를 분단위 자료로 변환하여 이용하는 방법(random cascade 모형, fractal 모형 등), iii) 시단위 자료와 분단위 자료 사이의 관계를 통계적으로 정량화하여 주어진 시단위 자료에 대한 분단위 자료의 특성을 추정하여 이용하는 방법(모포마 분포) 등이 있으며(유철상 등, 2007), 본 연구에서는 상기한 방법 중 시단위 강우자료를 분단위 자료로 변환하여 이용하는 Random Cascade 모형방법을 이용하였다. 분단위 강우강도식 개발 과정 및 절차는 아래와 같은데, 우선대상유역 내 1분 단위 강우자료와 시단위 강우자료를 수집하여 대상 지점을 설정하고, 설정된 지점에 대해 Random Cascade 모형의 매개변수를 산정하였으며, 매개변수의 공간적 분포 특성을 파악하였다.
(9)의 에너지 방정식을 이용하여 유입부 상류수심을 산정하는데 개수로의 정상 부등류로서 흐름특성이 점진적으로 변하는 점변류(gradually varied flow)에 대한 기본식이다. 부등류 해석에서 각 지점의 수심은 Newton-Raphson 방법에 의하여 구할 수 있다(Naqvi, 2003).
분단위 강우강도식의 형태는 수자원 계획 및 설계에서 일반적으로 사용하는 강우강도 공식인 Talbot, Sherman, Japanese, Semi-Log 형태를 활용하였으며(건설교통부, 2000), 서울지점에 대한 시단위 강우강도식과 분단위 강우강도식의 매개변수를 비교한 내용은 Table 2와 같다.
성능/효과
Fig. 3에서 수립된 유역에 대한 표면박류 강우-유출 모형의 검증을 수행하였으며, Fig. 4와 같이 대표적 강우-유출 모형인 HEC-1 모형(Hydraulic Engineering Center, 1990)의 운동파 이론에 의한 강우-유출 모의 기능을 사용하여 도출된 유출수문곡선 결과와 비교하였으며, 적용 결과가 거의 유사함을 알 수 있다.
Table 7과 같이 선정된 대상 현장에 대하여 본 연구를 통하여 개발된 도로배수설계 프로그램을 적용하여 노면 배수시설의 설치간격을 비교 검토하였으며, Fig. 9 및 Table 8과 같이 현행 설계방법과 개발된 설계 방법을 단순 비교하였을 때 성토부 도수로의 경우는 설치간격이 6～50%, 절토부 L형 측구 집수정의 경우는 설치간격이 15～65% 짧아지는 결과가 도출되었다.
Table 7과 같이 선정된 대상 현장에 대하여 본 연구를 통하여 개발된 도로배수설계 프로그램을 적용하여 횡단 배수시설의 단면규격을 비교 검토하였으며, Table 9와 같이 현행 설계방법과 개발된 설계방법을 단순 비교하였을 때 구형 암거의 경우 단면 규격이 33～140%, 원형 암거의 경우는 단면규격이 6～73% 커지는 결과가 도출되었다.
개발된도로 배수시설설계프로그램에 대해국도 6개 현장을 선정하여 적용성 검토를 수행하였으며, 노면 배수시설 설치간격은 현행 설계 방법과 개발된 설계 방법을 비교한 결과 성토부 도수로는 6∼50%, 절토부 L형 측구 집수정은 15∼65% 짧아지는 결론이 도출되었으며, 횡단 배 수시설인 암거의 단면규격은 배수관의경우33∼140%, 배수암거의 경우 6∼73% 커지는 결과가 도출되었다.
후속연구
향후 추가 연구로는 도로 배수유역 실제 현장의 관측값과 수리모형 실험 결과로 도출되는 수리·수문 특성값에 대한 비교 검토가 필요하다고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
단면규격 산정모형을 개발할때 어떤 모형을 기반으로 하였는가?
암거 흐름 해석 모형을 기반으로 하여 단면규격 산정모형을 개발하였고 암거의 최적 단면규격은 다음의 과정을 거쳐 설계한다.
배수구조물 설계시 설계홍수량 산정의 주요 인자인 강우지속시간은 몇 분 이내에 존재하는가?
도로 배수유역의 배수구조물 설계시 설계홍수량 산정의 주요 인자인 강우지속시간은 대부분 10분 이내에 존재하고 있으나, 현재는 강우지속시간 10분 이상인 경우에만 적용 가능한 시단위 강우강도식을 사용하고 있으며(건설교통부, 2000), 이러한 10분 이하의 강우지속시간을 입력변수로 하여 설계홍수량을 산정할 수 있는 기법이 부재하기 때문에 본 연구에서는 국내에 관측된 1분 단위 강우자료가 시 공간적으로 부족한 현실에서, 가능한 높은 정확도를 가진 분단위 I-D-F 관계식의 개발을 목표로 하였으며, 이용할수 있는 방안으로는 i) 가용한 1분 단위강우자료를 직접 해석하여 강우강도식을개발하는 방법, ii) 시단위 강우자료를 분단위 자료로 변환하여 이용하는 방법(random cascade 모형, fractal 모형 등), iii) 시단위 자료와 분단위 자료 사이의 관계를 통계적으로 정량화하여 주어진 시단위 자료에 대한 분단위 자료의 특성을 추정하여 이용하는 방법(모포마 분포) 등이 있으며(유철상 등, 2007), 본 연구에서는 상기한 방법 중 시단위 강우자료를 분단위 자료로 변환하여 이용하는 Random Cascade 모형방법을 이용하였다. 분단위 강우강도식 개발 과정 및 절차는 아래와 같은데, 우선대상유역 내 1분 단위강우자료와 시단위 강우자료를 수집하여 대상 지점을 설정하고, 설정된 지점에 대해 Random Cascade 모형의 매개변수를 산정하였으며, 매개변수의 공간적 분포 특성을 파악하였다.
도로 배수설계에사용되고있는설계 기술은 크게 2가지 측면에서 문제점은 무엇인가?
현재 도로 배수설계에사용되고있는설계 기술은 크게 2가지 측면에서 문제점을 가지고 있다. 첫째는 도로 배수시설 설계의 주요 인자인 유출량 계산에 있어, 하천 유역과는 규모면에서 상이한 소규모 도로 배수유역에 적합하게 개발된 계산 방법이 없다는 것이며, 둘째는 도로 노면의 우수 거동에 대한 해석 기술의 부재를 꼽을 수 있는데, 하천 유역과 거동 양상이 다른 도로 노면에 적합한 이론적 근거 없이 설계를 수행하고 있다는 것이다(이만석 등, 2007). 이와 같은 문제점을 해결하기 위해서 Table 1과 같은 개선 방향을 설정하였다.
참고문헌 (10)
건설교통부 (2000). 한국 확률강우량도.
건설교통부 (2003). 도로암거표준도.
건설교통부 (2006). 국도건설공사 설계실무요령.
국토해양부 (2010). 친환경.지능형 도로설계 기술개발 최종보고서.
이만석, 구혜진, 김흥래, 박태권, 유철상, 전경수(2007). "기상변화에 대응하기 위한 새로운 개념의 도로 배수설계 방향." 한국도로학회학술발표회논문집, 한국도로학회, pp. 349-354.
유철상, 박창열, 김경준, 전경수(2007). "모포마 분포를 적용한 분단위 강우강도-지속시간-재현기간 관계의 유도." 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제40권, 제8호, pp. 643-654.
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