일반적으로 관거 및 맨홀 등의 도시 배수 시스템에서의 유사 및 유송잡물의 퇴적은 유수 흐름의 저항, 합류식 하수도의 조기 운영 및 도시 침수 및 주수로에서의 필연적인 오염 발생 등의 하수도 시설에 심각한 영향을 미친다. 그러므로 배수관과 연결된 합류맨홀에서 유사의 거동 특성 및 퇴적 양상을 분석할 필요가 있다. 본 연구에서는 문헌조사 및 현장조사를 실시하여 실험장치를 제작하고 실험조건을 선정하였다. 선정된 실험조건인 맨홀 형상 조건(사각형, 원형), 유사 유입 조건, 유입 유사량 및 유사 유입 관거를 변화시키면서 실시하였다. 맨홀 내부에 경사형 benching을 설치한 개선형 합류맨홀은 맨홀의 형상에 관계없이 합류맨홀 내 유사퇴적을 저감시키는 데에 상당한 효과를 나타내고 있으므로 도시 배수 시스템에서 개선형 합류맨홀은 관거 시설의 배수능력을 증대시킬 것으로 판단된다.
일반적으로 관거 및 맨홀 등의 도시 배수 시스템에서의 유사 및 유송잡물의 퇴적은 유수 흐름의 저항, 합류식 하수도의 조기 운영 및 도시 침수 및 주수로에서의 필연적인 오염 발생 등의 하수도 시설에 심각한 영향을 미친다. 그러므로 배수관과 연결된 합류맨홀에서 유사의 거동 특성 및 퇴적 양상을 분석할 필요가 있다. 본 연구에서는 문헌조사 및 현장조사를 실시하여 실험장치를 제작하고 실험조건을 선정하였다. 선정된 실험조건인 맨홀 형상 조건(사각형, 원형), 유사 유입 조건, 유입 유사량 및 유사 유입 관거를 변화시키면서 실시하였다. 맨홀 내부에 경사형 benching을 설치한 개선형 합류맨홀은 맨홀의 형상에 관계없이 합류맨홀 내 유사퇴적을 저감시키는 데에 상당한 효과를 나타내고 있으므로 도시 배수 시스템에서 개선형 합류맨홀은 관거 시설의 배수능력을 증대시킬 것으로 판단된다.
Accumulation of sediment within pipelines, manholes, and other components of urban sewer systems can have a bad influence on sewerage arrangements, such as the resistance of the passage of flows, the cause of urban flooding and the premature operation of combined sewer overflows, and the inevitable ...
Accumulation of sediment within pipelines, manholes, and other components of urban sewer systems can have a bad influence on sewerage arrangements, such as the resistance of the passage of flows, the cause of urban flooding and the premature operation of combined sewer overflows, and the inevitable pollution of watercourses. Therefore, it is necessary to understand the movements and sedimentation of sediment loads in combining junction manholes by experiments. In this study, hydraulic experimental apparatus which can change the manhole shapes (square, circle) were installed to measure deposited sedimentation quantity. The quantity of deposited sediment loads was measured by different conditions, for instance, the inflow conditions of sediment (continuous and certain period), the amount of inflow sediment, and the variation of inflow pipe of sediment. The combining junction manhole that was set up a inclined benching have the considerable effect of reduction of sedimentation in manholes without apropos of the change of manhole shapes. Therefore, the improved manhole could be increased the drainage capacity of sewerage arrangements in urban sewer systems.
Accumulation of sediment within pipelines, manholes, and other components of urban sewer systems can have a bad influence on sewerage arrangements, such as the resistance of the passage of flows, the cause of urban flooding and the premature operation of combined sewer overflows, and the inevitable pollution of watercourses. Therefore, it is necessary to understand the movements and sedimentation of sediment loads in combining junction manholes by experiments. In this study, hydraulic experimental apparatus which can change the manhole shapes (square, circle) were installed to measure deposited sedimentation quantity. The quantity of deposited sediment loads was measured by different conditions, for instance, the inflow conditions of sediment (continuous and certain period), the amount of inflow sediment, and the variation of inflow pipe of sediment. The combining junction manhole that was set up a inclined benching have the considerable effect of reduction of sedimentation in manholes without apropos of the change of manhole shapes. Therefore, the improved manhole could be increased the drainage capacity of sewerage arrangements in urban sewer systems.
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문제 정의
강우발생 시간 동안 유입되는 실제 관거 및 맨홀에서의 유사 유입은 우리나라의 계절적인 영향으로 여름철의 강우발생 시간동안에는 지속적으로 유입이 이루어지기도 하고, 봄과 가을철의 강우 시에는 일정시간 유사 유입이 발생하고 강우가 끝나면 맨홀이나 관로에 일정량이 남아있다가 다음 강우 시에 거동하는 등의 형태를 반복하고 있다. 따라서 본 연구에서는 맨홀에서의 유사 퇴적 형상 및 특성을 분석하기 위하여 2가지 유사유입형태를 실험조건으로 선정하였다. 유사 유입이 지속적으로 발생하여 맨홀 내의 유사의 거동이 평형상태에 도달한 경우인 연속유입 형태와 유사가 지속적으로 맨홀로 유입되다가 유사 유입은 중단되고 유량만 흘러 평형상태에 도달한 경우인 일정기간유입 형태로 나누어서 실험을 실시하였다.
이는 10 g/sec이하의 유사 유입량이 직선유입관거로 동일하게 연속적으로 유입되는 경우 측면유입관거로부터의 유사 유입이 합류맨홀 내의 유사퇴적량의 변화에 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 측면유입관거로부터의 유사 유입이 합류맨홀 내 퇴적에 영향을 미치지 않는 범위를 알아보기 위하여 유입유사량을 5 g/sec에서 10 g/sec의 범위를 세분하여 실험을 실시하였다(Fig. 10). Fig.
본 연구에서는 두 개의 유입관과 한 개의 유출관으로 구성된 합류맨홀에서의 유송 토사의 퇴적 형상과 퇴적량의 산정 및 맨홀 내 퇴적 저감방안을 제시하기 위하여 토사유입장치, 연결관, 합류맨홀, 토사차집장치 등의 수리실험 장치를 제작하였다. 합류맨홀은 하수도시설기준(환경부, 2005)의 표준 1호 맨홀(원형맨홀)과 특 1호 맨홀(사각형 맨홀)을 선정하여 1/5 축소모형으로 제작하였다.
본 연구에서는 배수 시스템의 설계 및 시공에 일반적으로 사용되는 두 개의 유입관과 한 개의 유출관으로 구성된 합류맨홀에서의 유사 거동 특성, 퇴적 형상 및 맨홀 내 퇴적 저감방안을 분석하기 위하여 문헌 조사 및 현장조사를 실시하였으며, 조사결과를 바탕으로 수리실험 장치를 제작하였다. 합류맨홀에서의 퇴적 양상 및 퇴적량의 산정을 위하여 하수도시설기준(환경부, 2005)의 표준 1호 맨홀(원형맨홀)과 특 1호 맨홀(사각형 맨홀)을 선정하여 1/5 축소모형으로 맨홀을 제작하였다.
본 연구에서는 전절의 현장 조사를 통하여 분석된 유송토사를 일반적인 배수 관거 및 맨홀으로 유입되는 유사로 판단하고 모형실험에서 사용가능한 실험 유사를 선정하기 위하여 일반모래, 주문진 표준사, 안트라사이트, 규조토, NO.200체를 통과한 모래, 이들 5가지 유사에 대하여 입자 Reynolds수를 검토하였다. 검토결과 Table 4와 같이 모든 실험유사가 3.
전절에서의 결과로부터 알 수 있듯이 합류맨홀 내의 유사퇴적은 유출관을 기준으로 직선으로부터 유입되는 유사에 의한 영향이 상당히 크게 작용하고 있으므로 본 연구에서는 직선유입관거에서만 유사가 유입되는 경우(IS)의 실험을 실시하였다. 실험조건은 전절의 실험조건과 동일하였으며, 직선유입관거에서만 유사가 유입될 경우 맨홀의 형상과 유사유입조건(연속유입, 일정기간유입) 및 유사유입량 변화에 따른 합류맨홀 내 유사 퇴적량을 실측하였다(Table 10).
가설 설정
또한 유입 유사량은 계절적, 지역적 특성 및 맨홀의 설치위치 등에 많은 다양한 인자들의 영향을 받으므로 유입 유사량의 정량화된 결과를 도출하기에는 많은 문제점을 가지고 있다. 그러므로 본 연구에서는 침수피해의 발생지역이 주로 도심지임을 고려하여 전절에서 제한된 조건하에서 분석되어진 서울시 하수도 준설량 보다는 많은 유사가 유입되는 것으로 가정하고 일반적인 경우의 유입 유사량을 개략적으로 0.75 g/sec로 추정하였으며, 다량의 유사가 유입되는 경우를 가정하여 유입 유사량을 10, 15 g/sec로 추정하였다.
Table 1의 준설실적을 바탕으로 맨홀로 유입되는 유사량을 개략적으로 예측하기 위하여 기상청의 강우자료를 조사하였다. 일반적으로 유사유출은 일강우량이 20 mm 이상일 경우에만 발생하는 것으로 가정하고 맨홀의 준설 실적이 2004년 이후부터 수록되어 있어서 2004～2008년의 기간의 준설량을 검토하고, 매년 서울시에서 20 mm 이상의 강우가 발생한 일수를 조사하였다. 조사결과 지난 2004년에서 2008년까지 강우가 20 mm 이상 발생한 일수는 30일이었다.
제안 방법
또한 맨홀 및 관거로 유입되는 유송토사는 유역의 지역 변화에 따른 유입유사의 특성, 계절적 특성변화에 따른 맨홀에서의 유입수문곡선의 변화 및 맨홀의 설치조건과 맨홀 내부의 구조적인 변화 등의 다양한 인자에 영향을 받고 있어서 대단히 복잡한 현상을 보여준다. 그러므로 본 연구에서는 맨홀내로 유입되는 유송토사는 토사만을 고려하였으며, 맨홀로의 유입 가능한 유사량을 검토하기 위하여 하수도 시설기준(환경부, 2005)과 하수도통계(환경부, 2001～2008)에서 서울시의 하수관거 준설량을 조사하였다. 하수도 시설 기준에서는 신시가지 토지조성 완료 후 1.
그러므로 본 연구에서는 수리모형의 Froude 상사를 만족시키기 위하여 아크릴 맨홀 및 아크릴 관로는 하수도시설기준(2005)상의 특1호 맨홀(0.9 × 0.9 m)과 표준 1호 맨홀(내직경 0.9 m)의 기성품과 직경 0.3 m의 유입 및 유출관을 1/5로 축소하여 제작하였고, 합류맨홀 내 유사의 퇴적을 저감할 수 있는 개선안도 함께 제작하였다(Table 6).
합류맨홀은 하수도시설기준(환경부, 2005)의 표준 1호 맨홀(원형맨홀)과 특 1호 맨홀(사각형 맨홀)을 선정하여 1/5 축소모형으로 제작하였다. 또한 문헌 조사와 현장 조사를 실시하여 맨홀에 퇴적되어 있는 토사의 특성을 분석하였으며, 분석결과를 바탕으로 수리실험 조건을 선정하였다. 선정된 실험조건에 따라 유사유입조건(연속유입, 일정기간유입), 유사유입량, 유사유입관거 조건 및 맨홀의 형상 변화에 따른 합류맨홀 내 유사퇴적 형상 및 퇴적량을 실측하였으며, 실측된 결과와 유사 퇴적 저감안의 비교 분석을 실시하여 합류맨홀 내 유사의 퇴적을 저감할 수 있는 방안을 제시하였다.
유사 유입이 지속적으로 발생하여 맨홀 내의 유사의 거동이 평형상태에 도달한 경우인 연속유입 형태와 유사가 지속적으로 맨홀로 유입되다가 유사 유입은 중단되고 유량만 흘러 평형상태에 도달한 경우인 일정기간유입 형태로 나누어서 실험을 실시하였다. 또한 유사 유입관거에 따른 합류맨홀 내의 퇴적 변화를 알아보기 위하여 직선유입관거와 측면유입관거에서 모두 유사가 유입되는 경우(IS + IL), 측면유입관거에서만 유사가 유입되는 경우(IL, Injection of sediment load at Lateral pipe) 및 직선유입관거에서만 유사가 유입되는 경우(IS, Injection of sediment load at Straight pipe)로 나누어 실험을 실시하였다.
실험 관거에는 유량계를 설치하여 실험유량이 정확하고 원활히 공급되는지 확인하였다. 또한 유출관로의 끝에는 유사를 차집 할 수 있는 별도의 장치를 설치하였으며, 유사의 공급은 직선 연결관거로 유입되는 상류부분과 측면 연결관거로 유입되는 상류부분에 각각 유사 공급 장치를 제작하여 설치하고 벨브를 통해 유사유입량을 조절하면서 실험을 실시하였다. 본 연구에서 제작되어진 수리 실험 수로의 전경을 나타내고 있다(Fig.
맨홀 내 유송 토사의 비중 및 입경 등의 특성 파악을 위하여 실제 하수도에서 준설된 토사를 채취하여 입도 분석을 실시하였다. 시료는 화성시 향남읍에 위치한 향남하수 처리장에서 당일 준설된 토사(토사 A)와 채취일 2∼3일 전 미리 준설되었던 토사(토사 B)의 2종류를 채취하여 입도분석을 실시하였다.
본 연구의 실험에서 모형의 축척에 관련된 변수들 Xr(1/5)과 Yr(1/5)이 먼저 결정되었으므로, 완화된 흐름의 상사(ΔFΔM≠1)와 유사의 이동상사(ΔFs = 1)를 이용하여 모형사에 관련된 변수 Dr과 Ss를 결정하면 된다.
사각형 합류맨홀에서의 유송 토사의 퇴적 형상과 퇴적량의 산정 및 맨홀 내 퇴적 저감방안을 제시하기 위하여 유사유입조건(연속유입, 일정기간유입), 유사유입량 변화에 따른 합류맨홀 내 유사 퇴적량을 실측하였으며, 실측퇴적량은 Table 8과 같다. Table 8에서 유사유입 조건이 연속 유입조건일 때, 기본 사각형 합류맨홀에서의 맨홀내 유사 퇴적량은 유사유입량의 변화에 따라서 각각 453, 808, 819 g으로 측정되었으며, 개선된 사각형 합류맨홀에서는 각각 114, 229, 377 g으로 측정되어 개선된 맨홀에서의 유사 퇴적량이 감소하는 것으로 나타났다.
합류맨홀에서의 퇴적 양상 및 퇴적량의 산정을 위하여 하수도시설기준(환경부, 2005)의 표준 1호 맨홀(원형맨홀)과 특 1호 맨홀(사각형 맨홀)을 선정하여 1/5 축소모형으로 맨홀을 제작하였다. 선정된 실험조건에 따라 유사유입조건(연속유입, 일정기간유입), 유사유입량, 유사유입관거 조건 및 맨홀의 형상 변화에 따른 합류맨홀 내 유사 퇴적 형상 및 퇴적량의 실측을 위한 수리실험을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
또한 문헌 조사와 현장 조사를 실시하여 맨홀에 퇴적되어 있는 토사의 특성을 분석하였으며, 분석결과를 바탕으로 수리실험 조건을 선정하였다. 선정된 실험조건에 따라 유사유입조건(연속유입, 일정기간유입), 유사유입량, 유사유입관거 조건 및 맨홀의 형상 변화에 따른 합류맨홀 내 유사퇴적 형상 및 퇴적량을 실측하였으며, 실측된 결과와 유사 퇴적 저감안의 비교 분석을 실시하여 합류맨홀 내 유사의 퇴적을 저감할 수 있는 방안을 제시하였다.
실험 유량의 원활한 공급을 위하여 지하 저수조의 물을 고수조로 양정하여 일정 수위를 유지하도록 하였으며, 고수조에서 연결관거로 물을 공급할 때, 관내의 흐름을 정류상태로 유지하기 위하여 정류 수조를 설치하여 연결 관거와 연결하였다. 실험 관거에는 유량계를 설치하여 실험유량이 정확하고 원활히 공급되는지 확인하였다. 또한 유출관로의 끝에는 유사를 차집 할 수 있는 별도의 장치를 설치하였으며, 유사의 공급은 직선 연결관거로 유입되는 상류부분과 측면 연결관거로 유입되는 상류부분에 각각 유사 공급 장치를 제작하여 설치하고 벨브를 통해 유사유입량을 조절하면서 실험을 실시하였다.
5 m로 제작하였다. 실험 유량의 원활한 공급을 위하여 지하 저수조의 물을 고수조로 양정하여 일정 수위를 유지하도록 하였으며, 고수조에서 연결관거로 물을 공급할 때, 관내의 흐름을 정류상태로 유지하기 위하여 정류 수조를 설치하여 연결 관거와 연결하였다. 실험 관거에는 유량계를 설치하여 실험유량이 정확하고 원활히 공급되는지 확인하였다.
전절에서의 결과로부터 알 수 있듯이 합류맨홀 내의 유사퇴적은 유출관을 기준으로 직선으로부터 유입되는 유사에 의한 영향이 상당히 크게 작용하고 있으므로 본 연구에서는 직선유입관거에서만 유사가 유입되는 경우(IS)의 실험을 실시하였다. 실험조건은 전절의 실험조건과 동일하였으며, 직선유입관거에서만 유사가 유입될 경우 맨홀의 형상과 유사유입조건(연속유입, 일정기간유입) 및 유사유입량 변화에 따른 합류맨홀 내 유사 퇴적량을 실측하였다(Table 10).
유출관을 기준으로 측면으로부터 유입되는 유사에 의한 사각형 합류맨홀 내 퇴적 양상의 변화를 알아보기 위하여 측면유입관거에서만 유사가 유입되는 경우(IL)의 실험을 실시하였다. 여기서 사각형 맨홀로 유입되는 실험유량은 측면유입관거와 직선유입관거 모두 동일하게 1.27ℓ/sec이고, 측면유입관거에서 사각형 맨홀로 유입되는 유사량은 연속유입과 일정기간 유입 조건에서 각각 0.75, 10, 15 g/sec로 결정하여 실험을 실시하였다. Fig.
연속 유입조건과 일정기간 유입조건에서 직선 및 측면유입관거에서 유사가 유입되는 조건(IS+IL)과 직선유입관거에서 유입되는 조건(IS)의 맨홀 내 유사 퇴적량을 비교하여 각각 Figs. 8 and 9에 나타내었다.
원형 합류맨홀에서의 유송 토사의 퇴적 형상과 퇴적량의 산정 및 맨홀 내 퇴적 저감방안을 제시하기 위하여 유사유입조건(연속유입, 일정기간유입), 유사유입량 변화에 따른 합류맨홀 내 유사 퇴적량을 실측하였으며, 실측 퇴적량은 Table 9와 같다. Table 9에서 유사유입 조건이 연속 유입조건일 때, 기본 원형 합류맨홀에서의 맨홀 내 유사 퇴적량은 유사유입량의 변화에 따라서 각각 386, 542, 712 g으로 측정되었으며, 개선된 원형 합류맨홀에서는 각각 87, 219, 227 g으로 측정되어 개선된 맨홀에서의 유사퇴적량이 감소하는 것으로 나타났다.
따라서 본 연구에서는 맨홀에서의 유사 퇴적 형상 및 특성을 분석하기 위하여 2가지 유사유입형태를 실험조건으로 선정하였다. 유사 유입이 지속적으로 발생하여 맨홀 내의 유사의 거동이 평형상태에 도달한 경우인 연속유입 형태와 유사가 지속적으로 맨홀로 유입되다가 유사 유입은 중단되고 유량만 흘러 평형상태에 도달한 경우인 일정기간유입 형태로 나누어서 실험을 실시하였다. 또한 유사 유입관거에 따른 합류맨홀 내의 퇴적 변화를 알아보기 위하여 직선유입관거와 측면유입관거에서 모두 유사가 유입되는 경우(IS + IL), 측면유입관거에서만 유사가 유입되는 경우(IL, Injection of sediment load at Lateral pipe) 및 직선유입관거에서만 유사가 유입되는 경우(IS, Injection of sediment load at Straight pipe)로 나누어 실험을 실시하였다.
유출관을 기준으로 측면으로부터 유입되는 유사에 의한 사각형 합류맨홀 내 퇴적 양상의 변화를 알아보기 위하여 측면유입관거에서만 유사가 유입되는 경우(IL)의 실험을 실시하였다. 여기서 사각형 맨홀로 유입되는 실험유량은 측면유입관거와 직선유입관거 모두 동일하게 1.
합류맨홀에서의 유송 토사의 퇴적 형상과 퇴적량의 산정 및 맨홀 내 퇴적 저감방안을 제시하기 위한 수리실험 모형은 고수조, 정류용 수조, 아크릴관거, 아크릴 맨홀, 차집통 등으로 구성되어있다. 윤세의 등(2008)은 맨홀에서의 손실계수 산정을 위한 수리실험 결과를 바탕으로 개수로와 관수로가 혼재하는 맨홀의 수리 모형에서는 Froude상사를 적용하는 것이 타당함을 제시하였다.
본 연구에서는 배수 시스템의 설계 및 시공에 일반적으로 사용되는 두 개의 유입관과 한 개의 유출관으로 구성된 합류맨홀에서의 유사 거동 특성, 퇴적 형상 및 맨홀 내 퇴적 저감방안을 분석하기 위하여 문헌 조사 및 현장조사를 실시하였으며, 조사결과를 바탕으로 수리실험 장치를 제작하였다. 합류맨홀에서의 퇴적 양상 및 퇴적량의 산정을 위하여 하수도시설기준(환경부, 2005)의 표준 1호 맨홀(원형맨홀)과 특 1호 맨홀(사각형 맨홀)을 선정하여 1/5 축소모형으로 맨홀을 제작하였다. 선정된 실험조건에 따라 유사유입조건(연속유입, 일정기간유입), 유사유입량, 유사유입관거 조건 및 맨홀의 형상 변화에 따른 합류맨홀 내 유사 퇴적 형상 및 퇴적량의 실측을 위한 수리실험을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 두 개의 유입관과 한 개의 유출관으로 구성된 합류맨홀에서의 유송 토사의 퇴적 형상과 퇴적량의 산정 및 맨홀 내 퇴적 저감방안을 제시하기 위하여 토사유입장치, 연결관, 합류맨홀, 토사차집장치 등의 수리실험 장치를 제작하였다. 합류맨홀은 하수도시설기준(환경부, 2005)의 표준 1호 맨홀(원형맨홀)과 특 1호 맨홀(사각형 맨홀)을 선정하여 1/5 축소모형으로 제작하였다. 또한 문헌 조사와 현장 조사를 실시하여 맨홀에 퇴적되어 있는 토사의 특성을 분석하였으며, 분석결과를 바탕으로 수리실험 조건을 선정하였다.
대상 데이터
3 ton으로 조사되었다. Table 1의 준설실적을 바탕으로 맨홀로 유입되는 유사량을 개략적으로 예측하기 위하여 기상청의 강우자료를 조사하였다. 일반적으로 유사유출은 일강우량이 20 mm 이상일 경우에만 발생하는 것으로 가정하고 맨홀의 준설 실적이 2004년 이후부터 수록되어 있어서 2004～2008년의 기간의 준설량을 검토하고, 매년 서울시에서 20 mm 이상의 강우가 발생한 일수를 조사하였다.
관로의 길이는 흐름의 확립을 위하여 직선 연결구간은 합류맨홀의 상류방향으로 4.5 m, 측면 연결구간은 합류맨홀 상류 방향으로 2.5 m, 합류맨홀 하류방향으로 4.5 m로 제작하였다. 실험 유량의 원활한 공급을 위하여 지하 저수조의 물을 고수조로 양정하여 일정 수위를 유지하도록 하였으며, 고수조에서 연결관거로 물을 공급할 때, 관내의 흐름을 정류상태로 유지하기 위하여 정류 수조를 설치하여 연결 관거와 연결하였다.
맨홀 내 유사 거동특성을 분석하기 위하여 Table 5에서 알 수 있듯이 5가지 실험유사에 대하여 입자 Reynols수와 흐름 및 유사이동 상사성을 검토하였으며, 모형 수리실험에 사용가능한 실험 유사를 본 연구에서는 평균 입경(D50)과 비중의 차이를 고려할 수 있으며, 입자의 크기가 전반적으로 일정한 주문진 표준사를 실험유사로 선정하였다.
시료는 화성시 향남읍에 위치한 향남하수 처리장에서 당일 준설된 토사(토사 A)와 채취일 2∼3일 전 미리 준설되었던 토사(토사 B)의 2종류를 채취하여 입도분석을 실시하였다.
이론/모형
관거 내 유하 유량은 설계빈도의 강우량, 유역의 토지이용현황 등의 영향을 받는다. 특히, 실무에서 관거를 설계할 때 설계유속을 1.0～3.0 m/sec의 범위에서 사용하고 있음을 고려하여 이를 Froude 상사법칙에 적용한 후 실험유속을 결정하고 관거의 면적을 고려하여 유입유량을 결정하였다. 그러므로 본 연구에서는 실제 유입관에서의 설계유속인 1.
성능/효과
1) 유사유입관거 조건 및 유사 유입조건의 변화에 관계없이 합류맨홀 내에 퇴적되는 유사 퇴적량은 사각형 합류맨홀보다 원형 합류맨홀에서 더 적은 양이 퇴적되는 것을 알 수 있었으며, 합류맨홀의 형상 및 유사유입조건에 관계없이 측면 관거에서만 유입된 유사는 합류맨홀 내의 유사 퇴적에 거의 영향을 미치는 않는 것을 알 수 있으므로 합류맨홀 내 유사퇴적은 직선유입관거로부터 유입되는 유사에 의한 영향이 더 큰 것으로 판단된다.
2) 합류맨홀의 형상에 관계없이 측면유입유사의 농도가 5.5‰ 이상이 되면 합류맨홀 내 유사 퇴적에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
3) 기본형 합류맨홀과 개선형 합류맨홀 내의 유사 퇴적량을 비교하면 맨홀의 형상, 유사유입조건및 유사유입량에 관계없이 기본형 합류맨홀보다 개선형 합류맨홀이 약 75～77%의 유사 퇴적 저감효과를 나타내고 있었다. 이는 두 개의 유입관과 한 개의 유출관으로 구성된 T자형 합류맨홀의 경우 맨홀 내부에 경사형 benching을 설치한 개선형 합류맨홀은 맨홀의 형상에 관계없이 합류맨홀 내 유사퇴적을 저감시키는 데에 상당한 효과를 나타내고 있으므로 도시 배수 시스템에서 개선형 합류맨홀은 관거 시설의 배수능력을 증대시킬 것으로 판단된다.
5는 연속유입 유사량이 10 g/sec일 경우의 사각형 합류맨홀 내에서의 유사거동을 나타나고 있다. Fig. 5에서 측면유입관거로부터 유입된 유사가 직선유입관거로부터 유입되는 유량에 의해서 유입되는 즉시 부유하여 유출관으로 배출되는 현상을 나타내었으며, 이로 인하여 사각형 합류맨홀 내에 퇴적되는 유사량은 기본 사각형 합류맨홀의 연속유입의 조건에서만 미소량인 5～12 g이 퇴적되었으며, 기본 원형 및 개선된 사각형과 원형 합류맨홀에서는 연속유입조건과 일정기간 유입의 조건의 모든 경우에서 퇴적되지 않는 것을 알 수 있었다. 이는 측면 관거로부터의 유입 유사는 합류맨홀 내의 유사 퇴적에 거의 영향을 미치는 않는 것을 알 수 있으므로 합류맨홀 내 유사퇴적은 직선유입관거로부터 유입되는 유사에 의한 영향이 더 큰 것으로 판단된다.
Fig. 9의 일정기간 유사 유입조건에서 맨홀의 형상 및 유사 유입관거 조건 변화에 관계없이 동일한 퇴적량을 나타내었고, 기본 합류맨홀 내의 유사 퇴적량은 40～110 g정도였으며, 개선된 사각형 합류맨홀에서는 최대 25 g 이하의 미량이 퇴적하였고 개선된 원형 합류맨홀에서는 유사가 퇴적하지 않고 모두 배출되는 것을 확인하였다. 그러므로 개선형 합류맨홀은 유사 유입조건, 유사 유입관거조건 및 맨홀의 형상 변화 조건에 관계없이 합류맨홀 내 유사퇴적의 저감뿐만 아니라 퇴적경향의 변화가 미미하므로 도시 배수 관거 시설의 맨홀 및 관거 청소 등의 유지관리에 도움을 줄 것으로 판단된다.
Table 10에서 유사유입 조건이 연속 유입조건과 일정기간 유입조건에서 기본 사각형 합류맨홀과 개선된 사각형 합류맨홀에서의 맨홀 내 유사 퇴적량은 유사유입량의 증가할수록 퇴적유사량은 증가하고 있었으며, 개선된 사각형 합류맨홀에서의 유사퇴적량이 기본 사각형 합류맨홀에서보다 감소하는 것으로 나타났다. 원형 합류맨홀에 서의 맨홀 내 유사 퇴적량은 사각형 합류맨홀의 경우와 동일한 경향을 보이고 있었으며, 개선된 원형 합류맨홀에서는 맨홀 내 유사퇴적량이 발생하지 않았다.
사각형 합류맨홀에서의 유송 토사의 퇴적 형상과 퇴적량의 산정 및 맨홀 내 퇴적 저감방안을 제시하기 위하여 유사유입조건(연속유입, 일정기간유입), 유사유입량 변화에 따른 합류맨홀 내 유사 퇴적량을 실측하였으며, 실측퇴적량은 Table 8과 같다. Table 8에서 유사유입 조건이 연속 유입조건일 때, 기본 사각형 합류맨홀에서의 맨홀내 유사 퇴적량은 유사유입량의 변화에 따라서 각각 453, 808, 819 g으로 측정되었으며, 개선된 사각형 합류맨홀에서는 각각 114, 229, 377 g으로 측정되어 개선된 맨홀에서의 유사 퇴적량이 감소하는 것으로 나타났다. 또한 유사유입 조건이 일정기간유입 조건일 때, 기본 사각형 합류맨홀에서의 맨홀 내 유사 퇴적량은 유사유입량의 변화에 따라서 각각 58, 89, 136 g으로 측정되었으며, 개선된 사각형 합류맨홀의 경우 유사유입량이 0.
이는 10 g/sec 이하의 유사 유입량이 직선유입관거로 동일하게 연속적으로 유입되는 경우 측면유입관거로부터의 유사 유입이 합류맨홀 내의 유사퇴적량의 변화에 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다. 그러나 개선된 사각형 합류맨홀에서는 유사 유입관거 조건 변화에 관계없이 동일한 퇴적량을 나타내었고, 개선된 원형 합류맨홀에서는 직선유입관거에서만 유사가 유입된 경우보다 직선과 측면유입관거에서 유사가 유입된 경우에 합류맨홀 내의 유사퇴적량이 많게 측정되었으나 그 차이는 미소하였으며, 유사 퇴적경향이 유사하게 나타났다.
0 m/sec의 범위에서 사용하고 있음을 고려하여 이를 Froude 상사법칙에 적용한 후 실험유속을 결정하고 관거의 면적을 고려하여 유입유량을 결정하였다. 그러므로 본 연구에서는 실제 유입관에서의 설계유속인 1.0 m/sec를 Froude 상사법칙을 적용하여 합류맨홀의 상류부에서의 관거 내 실험유속을 직선 연결 관거와 측면 연결 관거에서 각각 0.45 m/sec로 선택하였으므로 유입관거에서의 실험유량은 각각 1.27ℓ/sec이고 유출관거에서의 유량은 2.54ℓ/sec이다(Table 7).
그러므로 본 연구의 수리실험 조건에서와 같이 측면유입유사의 농도가 5.5‰ 이상이 되면 합류맨홀 내 유사 퇴적에 영향을 미치지 않을 것으로 판단된다.
기본 사각형 합류맨홀과 개선된 사각형 합류맨홀 내의 유사 퇴적량을 비교하면 유사유입조건과 유사유입량에 관계없이 기본 사각형 합류맨홀보다 개선된 사각형 합류맨홀에서의 유사 퇴적 저감효과를 나타내고 있었다. 유사유입량이 0.
3은 유사유입 조건이 연속 유입조건(10 g/sec) 일 때, 기본 사각형 합류맨홀에서의 퇴적형상과 합류맨홀 내부의 유사의 퇴적을 저감하기 위하여 맨홀 유입관을 기준으로 우측 맨홀 내부벽에 경사형 benching을 설치한 개선된 사각형 합류맨홀에서의 퇴적형상을 나타내고 있다. 기본 사각형 합류맨홀에서는 직선유입관거로부터 유입된 유사가 맨홀로 유입되면서 좌우로 퇴적되고, 측면유입관거에서 유입되는 유입수에 의하여 부유되면서 유출관으로 배출되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 측면유입관거로부터 유입된 유사는 직선유입관거에서 유입되는 유입수에 의해 곧바로 부유되어 배출되는 것을 확인하였으며, 사각형 합류맨홀 내의 유사퇴적은 직선유입관거로부터 맨홀의 우측 모서리에 집중되었다.
당일 준설된 토사 A의 입자가 토사 B보다 전반적으로 크게 나타났으나 그 차이는 미소하였다. 따라서 두 유송토사를 산술 평균하면 평균 입경(D50)은 약 0.70 mm로 산정되었다(Table 3).
75 g/sec의 경우 연속유입조건에서는 최대 75%의 유사 퇴적 저감효율을 보였으며, 일정기간유입 조건에서는 개선된 사각형 합류맨홀에서는 퇴적이 발생하지 않았다. 또한 기본 원형 합류맨홀과 개선된 원형 합류맨홀 내의 유사 퇴적량을 비교하면, 사각형 합류맨홀의 경우에서와 동일하게 유사유입조건과 유사유입량의 변화에 관계없이 개선된 원형 합류맨홀에서의 유사 퇴적 저감효과를 나타내고 있었다. 원형 합류맨홀에서도 유사유입량이 0.
Table 8에서 유사유입 조건이 연속 유입조건일 때, 기본 사각형 합류맨홀에서의 맨홀내 유사 퇴적량은 유사유입량의 변화에 따라서 각각 453, 808, 819 g으로 측정되었으며, 개선된 사각형 합류맨홀에서는 각각 114, 229, 377 g으로 측정되어 개선된 맨홀에서의 유사 퇴적량이 감소하는 것으로 나타났다. 또한 유사유입 조건이 일정기간유입 조건일 때, 기본 사각형 합류맨홀에서의 맨홀 내 유사 퇴적량은 유사유입량의 변화에 따라서 각각 58, 89, 136 g으로 측정되었으며, 개선된 사각형 합류맨홀의 경우 유사유입량이 0.75 g/sec일 때는 유사퇴적량이 발생하지 않았으며, 유사유입량이 10 g/sec와 15 g/sec에서는 각각 12, 28 g으로 측정되어 연속유입 조건과 동일하게 개선된 맨홀에서의 유사 퇴적량이 감소하는 것으로 나타났다.
Table 9에서 유사유입 조건이 연속 유입조건일 때, 기본 원형 합류맨홀에서의 맨홀 내 유사 퇴적량은 유사유입량의 변화에 따라서 각각 386, 542, 712 g으로 측정되었으며, 개선된 원형 합류맨홀에서는 각각 87, 219, 227 g으로 측정되어 개선된 맨홀에서의 유사퇴적량이 감소하는 것으로 나타났다. 또한 유사유입 조건이 일정기간유입 조건일 때, 기본 원형 합류맨홀에서의 맨홀 내 유사 퇴적량은 유사유입량의 변화에 따라서 각각 44, 45, 50 g으로 측정되었으며, 개선된 원형 합류맨홀의 경우 본 연구의 유입유사량 조건에서는 맨홀 내 유사퇴적량이 발생하지 않았다.
원형 합류맨홀에 서의 맨홀 내 유사 퇴적량은 사각형 합류맨홀의 경우와 동일한 경향을 보이고 있었으며, 개선된 원형 합류맨홀에서는 맨홀 내 유사퇴적량이 발생하지 않았다. 또한 유사유입조건과 관계없이 원형 합류맨홀 내의 유사 퇴적량이 사각형 합류맨홀 내의 유사 퇴적량보다 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 맨홀 내 퇴적된 유사를 유출관으로 배출시키는 데에 있어서 사각형 맨홀의 모서리부분에 사수역을 발생시켜 보다 많은 퇴적을 발생시키고 있으므로 맨홀 내와 흐름의 영향이 사각형 맨홀보다는 원형 맨홀에서 크게 발생하는 것으로 판단된다.
그러나 하수도통계의 준설량은 서울시 전체 맨홀에서의 준설량이 아니라는 점과 동일 맨홀을 대상으로 매년 준설이 이루어지 않는다는 점에서 맨홀 내 유사 거동 실험 시, 유입 유사량으로 판단하기에는 비현실적이라고 판단된다. 또한 유역 내에서 발생되는 유사의 많은 양이 관로에 퇴적된다는 점 등을 고려한다면, 예측된 맨홀 1개소 당 유사유입량은 실제의 유입량과 다소차이가 있을 것으로 판단되며, 맨홀의 설치장소 및 위치에 따라 많은 변동성을 보일 것으로 판단된다.
기본 사각형 합류맨홀에서는 직선유입관거로부터 유입된 유사가 맨홀로 유입되면서 좌우로 퇴적되고, 측면유입관거에서 유입되는 유입수에 의하여 부유되면서 유출관으로 배출되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 측면유입관거로부터 유입된 유사는 직선유입관거에서 유입되는 유입수에 의해 곧바로 부유되어 배출되는 것을 확인하였으며, 사각형 합류맨홀 내의 유사퇴적은 직선유입관거로부터 맨홀의 우측 모서리에 집중되었다. 반면에 개선형 사각형 합류맨홀에서는 맨홀 내 우측에 설치된 경사형 benching에 의해 맨홀 내부의 유수 흐름이 많이 교란되어 직선유입관거에서 맨홀로 유입되는 유사를 많이 부유시키고 있었으며, 부유된 유사의 대부분은 유출관으로 배출되었다.
조사결과 지난 2004년에서 2008년까지 강우가 20 mm 이상 발생한 일수는 30일이었다. 서울시 하수도 준설량과 전체 맨홀개소 및 강우일수를 근거로 맨홀 1개소 당 유입되는 유사량을 산출한 결과 0.38～0.60 g/s 정도 되는 것으로 나타났다(Table 2). 그러나 하수도통계의 준설량은 서울시 전체 맨홀에서의 준설량이 아니라는 점과 동일 맨홀을 대상으로 매년 준설이 이루어지 않는다는 점에서 맨홀 내 유사 거동 실험 시, 유입 유사량으로 판단하기에는 비현실적이라고 판단된다.
1은 토사 A와 B의 입도분석을 실시한 결과를 나타내는 입도분포곡선이다. 입도분석 결과 토사 A의 평균 입경(D50)은 0.78 mm로 나타났으며, 토사 B의 평균 입경(D50)은 0.61 mm로 분석되었다. 당일 준설된 토사 A의 입자가 토사 B보다 전반적으로 크게 나타났으나 그 차이는 미소하였다.
전절의 Fig. 8에서 10 g/sec 이상의 유사가 연속적으로 유입되는 기본형 맨홀일 때, 직선 및 측면에서 유입되는 경우(IS+IL)와 직선에서만 유입되는 경우(IS)를 비교하여 보면 합류맨홀 내의 유사 퇴적량은 거의 일치하는 것으로 나타났다. 이는 10 g/sec이하의 유사 유입량이 직선유입관거로 동일하게 연속적으로 유입되는 경우 측면유입관거로부터의 유사 유입이 합류맨홀 내의 유사퇴적량의 변화에 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.
후속연구
이는 유입되는 유사의 양이 미소할 경우에는 측면 관거로부터 유입되는 유사가 합류맨홀 내의 유사퇴적에 큰 영향을 미치지만 일정량 이상의 유사 유입량이 발생하게 되면 측면 관거로부터 유입되는 유사는 합류맨홀 내의 유사퇴적에 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다. 그러나 본 연구의 제한적인 실험조건 하에서 도출된 결론이므로 실제적인 현상을 반영하기 위해서는 지속적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
5‰ 이상이 되면 합류맨홀 내 유사 퇴적에 영향을 미치지 않을 것으로 판단된다. 그러나 위의 내용은 본 연구의 제한적인 실험조건 하에서 도출되었으므로 실제적인 현상에 반영하기 위해서는 지속적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
9의 일정기간 유사 유입조건에서 맨홀의 형상 및 유사 유입관거 조건 변화에 관계없이 동일한 퇴적량을 나타내었고, 기본 합류맨홀 내의 유사 퇴적량은 40～110 g정도였으며, 개선된 사각형 합류맨홀에서는 최대 25 g 이하의 미량이 퇴적하였고 개선된 원형 합류맨홀에서는 유사가 퇴적하지 않고 모두 배출되는 것을 확인하였다. 그러므로 개선형 합류맨홀은 유사 유입조건, 유사 유입관거조건 및 맨홀의 형상 변화 조건에 관계없이 합류맨홀 내 유사퇴적의 저감뿐만 아니라 퇴적경향의 변화가 미미하므로 도시 배수 관거 시설의 맨홀 및 관거 청소 등의 유지관리에 도움을 줄 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
일반적으로 도시 배수 시스템에서의 유사 및 유송잡물의 퇴적은 하수도에 어떤 영향을 미치는가?
일반적으로 관거 및 맨홀 등의 도시 배수 시스템에서의 유사 및 유송잡물의 퇴적은 유수 흐름의 저항, 합류식 하수도의 조기 운영 및 도시 침수 및 주수로에서의 필연적인 오염 발생 등의 하수도 시설에 심각한 영향을 미친다. 그러므로 배수관과 연결된 합류맨홀에서 유사의 거동 특성 및 퇴적 양상을 분석할 필요가 있다.
맨홀의 형상에 관계없이 합류맨홀 내 유사퇴적을 저감시키는 데에 상당한 효과를 가져오며 도시 배수 시스템에 큰 도움을 줄 것으로 여겨지는 맨홀은 무엇인가?
선정된 실험조건인 맨홀 형상 조건(사각형, 원형), 유사 유입 조건, 유입 유사량 및 유사 유입 관거를 변화시키면서 실시하였다. 맨홀 내부에 경사형 benching을 설치한 개선형 합류맨홀은 맨홀의 형상에 관계없이 합류맨홀 내 유사퇴적을 저감시키는 데에 상당한 효과를 나타내고 있으므로 도시 배수 시스템에서 개선형 합류맨홀은 관거 시설의 배수능력을 증대시킬 것으로 판단된다.
맨홀 등의 도시 배수 시스템에서의 유사 및 유송잡물의 퇴적은 하수도 시설에 심각한 영향을 미칠 수 있기 때문에 어떤 양상을 분석해야 하는가?
일반적으로 관거 및 맨홀 등의 도시 배수 시스템에서의 유사 및 유송잡물의 퇴적은 유수 흐름의 저항, 합류식 하수도의 조기 운영 및 도시 침수 및 주수로에서의 필연적인 오염 발생 등의 하수도 시설에 심각한 영향을 미친다. 그러므로 배수관과 연결된 합류맨홀에서 유사의 거동 특성 및 퇴적 양상을 분석할 필요가 있다. 본 연구에서는 문헌조사 및 현장조사를 실시하여 실험장치를 제작하고 실험조건을 선정하였다.
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