청천시 오수량을 고려한 합류식 하수도 소류력 설계법과 이를 활용한 하수관거 개보수방안 A combined sewer design method using tractive force considering wastewater flow on non-rainy days and its application for improvement methods of sewer원문보기
When domestic sewage and rainwater runoff are discharged into a single sewer pipe, it is called a "combined sewer system." The sewage design standards in Korea specify the flow velocity based only on the volume of rainfall; therefore, sedimentation occurs on non-rainy days owing to the reduced flow ...
When domestic sewage and rainwater runoff are discharged into a single sewer pipe, it is called a "combined sewer system." The sewage design standards in Korea specify the flow velocity based only on the volume of rainfall; therefore, sedimentation occurs on non-rainy days owing to the reduced flow rate and velocity. This sedimentation reduces the discharge capacity, causes unpleasant odors, and exacerbates the problem of combined sewer overflow concentration. To address this problem, the amount of sewage on non-rainy days, not just the volume of rainfall, should also be considered. There are various theories on sedimentation in sewer movement. This study introduces a self-cleansing velocity based on tractive force theory. By applying a self-cleansing velocity equivalent to the critical shear stress of a sand particle, sedimentation can be reduced on non-rainy days. The amount of sewage changes according to the water use pattern of citizens. The design hourly maximum wastewater flow was considered as a representative value, and the velocity of this flow should be more than the self-cleansing velocity. This design method requires a steeper gradient than existing design criteria. Therefore, the existing sewer pipelines need to be improved and repaired accordingly. In this study, five types of improvement and repair methods that can maximize the use of existing pipelines and minimize the depth of excavation are proposed. The key technologies utilized are trenchless sewer rehabilitation and complex cross-section pipes. Trenchless sewer rehabilitation is a popular sewage repair method. However, it is complex because the cross-section pipes do not have a universal design and require continuous research and development. In an old metropolis with a combined sewer system, it is difficult to carry out excavation work; hence, the methods presented in this study may be useful in the future.
When domestic sewage and rainwater runoff are discharged into a single sewer pipe, it is called a "combined sewer system." The sewage design standards in Korea specify the flow velocity based only on the volume of rainfall; therefore, sedimentation occurs on non-rainy days owing to the reduced flow rate and velocity. This sedimentation reduces the discharge capacity, causes unpleasant odors, and exacerbates the problem of combined sewer overflow concentration. To address this problem, the amount of sewage on non-rainy days, not just the volume of rainfall, should also be considered. There are various theories on sedimentation in sewer movement. This study introduces a self-cleansing velocity based on tractive force theory. By applying a self-cleansing velocity equivalent to the critical shear stress of a sand particle, sedimentation can be reduced on non-rainy days. The amount of sewage changes according to the water use pattern of citizens. The design hourly maximum wastewater flow was considered as a representative value, and the velocity of this flow should be more than the self-cleansing velocity. This design method requires a steeper gradient than existing design criteria. Therefore, the existing sewer pipelines need to be improved and repaired accordingly. In this study, five types of improvement and repair methods that can maximize the use of existing pipelines and minimize the depth of excavation are proposed. The key technologies utilized are trenchless sewer rehabilitation and complex cross-section pipes. Trenchless sewer rehabilitation is a popular sewage repair method. However, it is complex because the cross-section pipes do not have a universal design and require continuous research and development. In an old metropolis with a combined sewer system, it is difficult to carry out excavation work; hence, the methods presented in this study may be useful in the future.
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문제 정의
퇴적물의 이동 형태는 소류사와 부유사로 구분되고, 이들의 이동 특성에 따라 침강속도, 퇴적물의 농도, 점착성 등을 계산한다. 그러나 기존 하수도 설계 방법과의 연결성 문제, 국내 하수도 환경과의 적합성 여부, 혹은 청천시 유량에 대한 적합성 여부에 대해서는 연구가 필요하기 때문에 본 연구 에서는 소류력 이론을 적용한 설계방법을 소개한다.
본 연구는 그 대안으로 동수반경을 조절하여 유속을 증가시키는 간이복합단면과 복합단면 하수관을 제안하였다. 이 기술들은 원형관에 비하여 청천시에 높은 유속을 갖기 때문에 원형관에 비하여 굴착 깊이를 저감할 수 있다.
아래에는 개보수 방안의 주요 기술이면서 소류력을 증가시키는 간이복합단면과 복합단면 하수관에 대해서 소개하였다.
청천시 오수량이 매주 적다는 것과 Manning’s equation에서 동수반경이 유속을 결정하는 요인 중 하나이기 때문이다. 이러한 원리를 이용하여 하수관의 조도계수나 동수반경을 상승시켜 굴착 및 경사조정을 최소화할 수 있는 개보수 방안을 제안하였다.
그러나 서울시와 같은 대도시의 모든 하수관에 새로운 경사 기준을 적용하기에는 막대한 예산이 필요하기 때문에 적용이 힘들다. 이를 위해서 굴착 및 경사 조정을 절감하는 하수관거 개보수 방안을 제시하고자 한다.
복합단면은 원형관이나 사각형관 같이 한 가지 형상을 갖는 것이 아니라, 여러 가지 단면이 중첩되어 구성되는 단면이다. 하수관이 개발된 이래로 다양한 형상의 단면이 사용되어 왔는데, 본 연구에서는 하부에 작은 반원형의 보조관을 갖는 복합단면을 적용하고자 한다.
새로운 하수도설계기준이 도입되면 신규 하수도 공사지역은 적용이 용이하지만, 노후화 및 기타 파손으로 인한 하수도 개보수 대상지는 예산을 고려해서 개보수 방안을 결정해야 한다. 합류식 하수도에서 청천시 오수량에 대해 소류력을 적용하는 설계방법은 기존의 우수량만을 고려할 때 보다 좀 더 다양한 방안을 고려하는 것에 대한 논증을 뒷받침해 준다. 청천시 오수량이 매주 적다는 것과 Manning’s equation에서 동수반경이 유속을 결정하는 요인 중 하나이기 때문이다.
제안 방법
하수도 경사 설계에 소류력과 자가세정유속기준을 적용하기 위해서는 하수도설계기준에 해당 내용이 반영되어야 한다. 본 연구는 현행 하수도설계기준에서 경사를 설계하기 위한 절차에서 소류력과 자가세정유속기준이 필요한 부분을 설정하였고, 이를 반영하여 설계흐름도를 작성하였다.
6은 가공이 용이한 stainless steel로 간이복합단면을 제작하여 비굴착공법으로 테스트베드의 A line 에 설치한 모습이다. 사람이 맨홀에 들어가서 500 mm 길이의 간이복합단면을 밀어 넣었고, 각 간이복합단면은 볼트로 연결하였고, 연결부를 방수재료를 사용하여 마감처리 하였다. 시공 초기에는 사람의 힘으로 밀어 넣을 수 있지만, 시공 연장이 10 m가 넘어 가면 사람이 직접 밀어 넣는 것이 쉽지 않아 반대편 맨홀에서 윈치를 이용해서 견인했다.
2의 테스트베드에 위치한 하수관로 중 하나인 A line에 적용 하였다. 설계의 단순화를 위해 미래 추정치를 사용하지 않고, 현재 상태를 기준으로 하였다. 합리식 Q=0.
시공 초기에는 사람의 힘으로 밀어 넣을 수 있지만, 시공 연장이 10 m가 넘어 가면 사람이 직접 밀어 넣는 것이 쉽지 않아 반대편 맨홀에서 윈치를 이용해서 견인했다. 시공이 끝난 후 간이복합단면의 시점과 종점을 콘크리트로 마감하여 간이복합단면을 고정하고, 하수도설계기준에 따라 인버트는 하류 하수관의 연장이기 때문에 상부 맨홀의 인버트를 간이복합단면 형상으로 현장 타설하여 시공하였다.
3과 같다. 오수량과 우수량을 각각 산정한 후 유량에 부합하는 하수관을 설계한다. 오수량의 설계기준은 계획시간 최대오수량이고, 계산 방법은 두 가지가 있다.
하수관거 설계시 주요 유량 기준은 계획시간최대오수량, 계획우수량, 우천시 계획하수량의 세 가지이다. 이를 바탕으로 다섯 가지 항목에 대해서 유속, 경사, 여유율을 검토한다. 경사는 하류로 갈수록 작아져야 하고, 유속은 빨라져야 한다.
대상 데이터
테스트베드의 하수관은 준공년도가 오래되어 정비가 필요하지만, 경사가 좋지 않아 기존의 하수도설계 기준 및 기술로는 퇴적 및 악취를 방지할 수 있는 수준의 유속을 만들기 어려운 실정이다. 본 연구는 58개의 하수관로 중 하나인 Fig. 2의 A line에 본 연구에서 제시하는 자가세정유속과 개보수를 위해 제시하는 기술들을 예시로 적용하여 유속 개선 효과를 나타내었으며, A line 하수관로의 현황은 Table 1과 같다.
이론/모형
현행 하수도 설계기준에는 유속을 Manning’s equation, Kutter equation, Hazen·Williams equation의 3가지 공식으로 구하도록 한다.
성능/효과
5%가 초기관로에 해당한다. 초기관로가 많아 오수량이 적고, 낮은 유속으로 인해 모든 관로가 퇴적되었고, 퇴적의 단면적이 평균 8%이다. 경사가 거의 없는 평탄 지역이며, 하수관로 중 가장 긴 구간의 시점과 종점맨홀의 관저고 차이가 3.
후속연구
난형관은 하수도용 불포화 폴리에스테르 수지 콘크리트 난형관(SPS-KWWA M 212-7342)이 2019년에 한국상하수도협회에 의해서 단체표준으로 지정되어 앞으로 사용이 가능할 것이다. 반면 Fig.
간이복합단면은 기존관에 삽입 설치하는 기술로, 비굴착 시공이 가능하고, 테스트베드에 설치되었다. 복합단면 하수관은 샘플 제작은 되었지만, 샘플에 대한 성능 검증이 필요하며, 대량 생산 방안이 마련되어야 현장에서 사용이 가능할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
하수도의 역할은 무엇인가?
하수도는 하수·분뇨의 유출 및 처리·이용, 그리고 슬러지처리·이용의 기능을 가진 것으로 침수 예방과 생활환경 개선 및 수질보전이 주요 역할이다 (Ministry of environment, 2017a). 이 중 생활구역으로부터 하수를 배재하기 위해 지하에 하수관거를 매설하는데, 배재방식에 따라 분류식 하수도와 합류식 하수도로 구분한다.
하수도란 무엇인가?
하수도는 하수·분뇨의 유출 및 처리·이용, 그리고 슬러지처리·이용의 기능을 가진 것으로 침수 예방과 생활환경 개선 및 수질보전이 주요 역할이다 (Ministry of environment, 2017a). 이 중 생활구역으로부터 하수를 배재하기 위해 지하에 하수관거를 매설하는데, 배재방식에 따라 분류식 하수도와 합류식 하수도로 구분한다.
분류식 하수도의 장점은 무엇인가?
분류식 하수도는 오수관과 우수관이 별로도 매설되고, 합류식 하수도는 하나의 관에서 오수와 우수를 함께 이송한다. 분류식은 오수만을 처리장으로 이송하기 때문에 처리장 운영과 우천시 하천에 오수를 방류하는 일이 없어서 수질 관리상 유리하다. 그러나 오염도가 높은 초기우수가 하천에 직접 방류된다는 점, 오수관의 매설깊이가 깊어지는 점, 관로의 종류가 두 가지다보니 시공의 복잡성이 올라간다는 점 등의 단점이 있어 상황에 따라 분류식과 합류식이 사용된다 (Lee et al.
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