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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.26 No.2 pp.177-189
DOI :

사각형 중간맨홀에서의 유사 퇴적 분석 및 산정식 제안

김정수1*, 송주일2, 임창수2, 윤세의2
1 부천대학교 토목과 2 경기대학교 토목공학과

Analysis and Suggestion of Estimation Equation for Sedimentation in Square Manholes with Straight Path

Jung Soo Kim1*, Ju Il Song2, Chang-Soo Rim2, Sei Eui Yoon2

Abstract

Sediment load deposited in sewers and manholes reduces not only the capacity of pipes but also the efficiency of the whole sewersystem. This causes the inundations of the low places and overflows at manholes, Moreover, sulfides and bad odor can occur due todeposited sediment with organic loads in manholes. Movements of sediment load in manholes are complicated depending on manhole size,location, inside structure, sediment load type, and time. Therefore, it is necessary to understand the movements of sediment load inmanholes by experiments. In this study, experiments were implemented by a square manhole with straight path to measure depositedsedimentation quantity. The experimental apparatus was consisted of a high water tank, an upstream tank, test pipes, a sediment supplier,a manhole, and a downstream tank to measure the experimental discharge. The quantity of deposited sediment load was measured bydifferent conditions, such as the inflow condition of sediment(continuous and certain period), the amount of inflow sediment, discharge, andthe type of sediment. Jumoonjin sand(S=2.63, D50=0.55mm), general sand(GS, S=2.65, D50=1.83mm) and anthracite (S=1.45, D50=0.80mm) were employed for the experiment. The velocities in inflow pipe were 0.45 m/s, 0.67 m/s, and 0.9 m/s. Sediment loadmovement and sedimentation quantity in manhole were influenced by many factors such as velocity, shear stress, viscosity, amount ofsediment, sediment size, and specific gravity. Suggested regression equations can estimated the quantity of deposited sediment in thestraight path square manholes. The connoted equations that were evaluated through the experimental study have velocity range from 0.45to 0.9m/sec. The study results illustrates that appropriation of design velocity ragne between 1.0 and 2.0m/sec could implement tomaintain and manage manholes.keywords : Manholes, Sediment load,

1 김정수.pdf1.31MB

1. 서 론

도시 지역에서 해마다 반복되는 국지성 집중호우는 하천 연안이나 유출량이 급격히 증가하는 저지대 및 하수관거가 불량하거나 부족한 지역을 중심으로 상습적인 침수피해를 발생시키고 있다. 도시지역에 내린 빗물은 우수 관거 시스템에 의하여 배수되므로 우수 관거 시스템의 우수 배제 능력의 증가는 도심지의 침수 피해를 방지하기 위한 필수적인 요소라 할 수 있다. 그러나 도시 유역에서 발생하여 배수관거 및 맨홀 등에 퇴적된 유송잡물 및 토사는 관거 시설의 통수능을 감소시키고 내배수 시스템의 기능을 감소시켜 저지대 침수 및 맨홀에서의 역류의 주요한 원인이 되고 있다. 또한 관거의 최소 유속이 유지되지 않으면 오염물이 침전되고, 관거내의 유하시간이 길어져 침전물 부패로 인한 황하물질및 악취 등이 발생될 수 있다. 따라서 하수도시설기준(환경부, 2005)에서는 관거 및 맨홀 내 퇴적물이 쌓이는 것을 방지하지 위하여 인버트 등을 설치하여 하수의 흐름을 원활히 하도록 규정하고 있으나 관거시설의 설계나 시공 시에 이러한 설치 규정이 준수되지 않는 실정이다. 따라서 관거 시설 내 맨홀에서의 유사 거동 및 퇴적 특성 분석에 대한 연구와 보다 구체적인 저감 방안 및 설치 기준이 요구되는 실정이다. 그러므로 우수 관거 시스템의 우수 배제 능력을 증가시켜 도심지의 침수 및 배수를 원활하게 하기 위한 관거 시설의 적정 설계 기준이 필요하며, 합리적인 설계 방법 및 저감 방법을 제시하기 위하여 배수관과 연결된 과부하 사각형 맨홀 내에서의 유사 거동 특성 및 퇴적 양상을 분석할 필요가 있다.

 국외에서는 Parker(1990)는 관거 내 유사이송의 한계조건 및 이송량 분석에 관한 연구를 실시하였으며, Keigwegt et al.(1992)는 관거내 유사입자의 거동에 관한 연구를 실시하였다. Buxton et al.(2002)는 관거 내 유사 차집에 관한 실험적 연구를 실시하였으며, Butler et al.(2003)과 Sutter et al.(2003)는 관거 내의 토사퇴적 저감 연구를 실시하였다. 또한 Lau et al.(2007)과 Stovin et al.(2010)은 맨홀에서의 오염물의 지체시간 및 확산에 관한 실험적 연구가 진행하였다. 한편 국내에서는 여창건 등(2003)은 수리 실험을 통하여 하수관거 내 유속 및 소류력 확보를 위한 Flushing 방법을 제시하였으며, 유동훈 등(2007)은 관경, 관종, 비중, 토사입경 및 유량 등을 고려한 하수관의 설계방법을 제시하였고, 심재호 등(2007)은 원형 배수관거 내의 토사이동 특성에 관한 연구를 진행하였다. 또한 박무종(2008)은 도시유역에서 발생하는 유사량의 산정 방법을 제시하였으며, 이재수(2008)는 합류식 관거 내 퇴적고형물의 산정기법을 제시하였고, 조현국(2009)은 원형 우수관거에서의 비점착성 토사 이동에 관한 연구를 진행하였다. 이와 같이 국내 및 국외에서 관거 시설의 유사와 관련된 연구는 주로 관거내의 유사거동 특성을 규명하는 것이었다. 따라서 관거와 연결된 맨홀에서의 유사 거동 및 퇴적에 관한 특성의 분석에 관한 연구는 매우 미흡한 실정이다.

유역에서 유사가 발생하는 원인은 겨울철 도로제설 작업을 위한 모래, 산업쓰레기, 건설현장, 토양 침식 등이 있었다. 유사는 크게 토양으로부터 직접적으로 비롯되는 토사(sedimentation), 나무, 잔디, 동물의 배설물, 동물사체 등의 유기물(organics), 자동차, 담배, 도시쓰레기, 기타 등의 쓰레기 중금속, 비료, 살충제 등의 화학적 오염물질 등을 일컫는다(박무종과 이재수, 2004). 또한 관거 및 맨홀로 유입되는 유사는 유입유사의 특성, 맨홀에서의 유입수문곡선, 계절적인 특성변화 및 맨홀의 크기 및 위치, 맨홀의 내부 구조 등의 다양한 인자에 영향을 받고 있어서 대단히 복잡한 현상을 보여준다. 그러므로 본 연구에서는 문헌 조사 및 현장 조사를 실시하여 맨홀에 퇴적되어 있는 토사의 특성을 조사하였으며, 조사결과를 바탕으로 수리실험 장치를 제작하였다. 사각형 중간맨홀에서의 퇴적 양상 및 퇴적량의 산정을 위하여 하수도시설기준(환경부,2005)의 특 1호 맨홀을 선정하여 1/5 축소모형으로 맨홀을 제작하였다. 선정된 실험조건에 따라 유사의 종류, 유사유입조건(연속유입, 일정기간유입), 유사유입량, 유입 관거의 유속 변화에 따른 맨홀 내 유사 퇴적 형상 및 퇴적량을 실측하였으며, 실측된 결과를 이용하여 유입 유사 조건에 따른 맨홀 내 퇴적량을 산정할 수 있는 실험식을 제시하였다. 

Table 1. Discharge of sediment load by unit load approach

Table 2. Injection discharge of sediment load to manholes

2. 맨홀 내 퇴적유사 조사

2.1. 기초자료 조사

우수 관거로 유입 가능한 유사량을 검토하기 위하여 하수도 시설기준(환경부, 2005)과 하수도통계(환경부, 2001-2008)에서 서울시의 하수관거 준설량을 조사하였다. 하수도 시설기준에서는 신시가지 토지조성 완료 후 1.5㎥/ha・yr, 택지조성공사 기간 중 별도의 시설 조치가 없는 경우 150㎥/ha・yr의 유사가 발생하는 것으로 제시하고 있으며, 원단위법은 지표상태에 따라 단위면적당 발생하는 연간 토사유출량을 Table 1과 같이 제시하고 있다.

 또한, 2001년부터 2008년까지 하수도통계(환경부,2001-2008)에서 서울시의 하수도 준설량을 조사한 결과는 Table 2와 같았다. 2008년도 하수도통계 자료에 의하면 서울시에 존재하는 맨홀은 총 209,004개소가 존재하는 것으로 조사되었다. 또한 2001년부터 2008년까지의 평균 하수도 준설량은 261,136.3ton으로 조사되었다. 맨홀로 유입되는 유사량을 개략적으로 예측하기 위하여 우선 유사유출은 일강우량이 20mm이상일 경우에만 발생하는 것으로 가정하였다. 기상청의 강우자료를 2001년-2008년의 기간을 검토하여 매년 서울시에서 20mm이상의 강우가 발생한 일수를 조사였다. 조사결과 지난 2001년에서 2008년까지 강우가 20mm이상 발생한 일수는 17-24일이었다. 서울시 하수도 준설량과 전체 맨홀개소 및 강우일수를 근거로 맨홀 1개소 당 유입되는 유사량을 산출한 결과 3.31-10.34g/s정도되는 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. 또한 유역 내에서 발생되는 유사의 많은 량이 관거에 퇴적된다는 점 등을 고려한다면, 예측된 맨홀 1개소 당 유사유입량은 실제의 유입량과 다소차이가 있을 것으로 판단되며, 맨홀의 설치 장소 및 위치에 따라 많은 변동성을 보일 것으로 판단된다.

2.2. 현장조사

맨홀 내 유송 토사의 비중 및 입경 등의 특성 파악을 위하여 실제 하수도에서 준설된 토사를 채취하여 입도 분석을 실시하였다. 시료는 화성시 향남읍에 위치한 향남하수처리장에서 채취일 2∼3일전 미리 준설되었던 토사(토사 A)와 당일 준설된 토사(토사 B)의 2종류를 채취하여 입도 분석을 실시하였다. Fig. 1은 토사 A와 B의 입도분석을 실시한 결과를 나타내는 입도분포곡선이다. 입도분석 결과 토사 A의 평균 입경(D50)은 0.61mm로 나타났으며, 토사 B의 평균 입경(D50)은 0.78mm로 분석되었다. 당일 준설된 토사 B의 입자가 토사 A보다 전반적으로 크게 나타났으나 그 차이는 미소하였다. 따라서 두 유송토사를 산술 평균하면 평균 입경(D50 )은 약 0.70mm로 산정되었다. 

Fig. 1. Results of particle size analysis(Hyang Nam sewage disposal plant, 20 June)

Table 3. Grain size of sediment load(Hyang Nam sewage disposal plant, 20 June)

3. 수리실험

3.1. 수리학적 상사성

 윤세의 등(2008)은 손실계수 산정 수리실험 결과를 바탕으로 개수로와 관수로가 혼재하는 맨홀의 수리 모형에서는 Froude 상사를 적용하는 것이 타당함을 제시하였다. 그러므로 맨홀 내부 흐름파악을 위한 수리모형은 Froude 상사를 만족해야 한다. 그러나 Henderson(1966)은 수심이 큰 경우, 즉 Froude 수가 1보다 상당히 작아서 Froude 상사가 그다지 중요하지 않다고 판단될 때 Froude 수의 상사를 다음과 같이 완화할 수 있음을 제안하였다.

여기서, F는 Froude 수, Vr은 유속비, Yr은 수직길이 비, 그리고 첨자 r은 원형과 모형비이다.

또한 유사이동은 점성력을 함께 고려해야 한다. Manning의 평균유속공식의 비로부터 다음과 같은 점성력의 상사를 만족하는 식을 유도할 수 있다.
 

여기서, Sr은 경사축척으로써 Yr/Xr과 같고, Rr은 동수반경비, Xr은 수평길이비, 그리고 nr은 조도계수비로써 Strickler는 다음과 같이 제안하였다.
 

여기서, Dr은 모형사와 원형사의 입경비이다. 흐름의 상사를 만족시키기 위해서는 Froude 상사와 Manning 평균유속공식 비의 상사가 동시에 이루어져야 한다. 수심에 비해 하폭이 상당히 큰 하천의 경우 Rr은 Yr이므로 위 식들로부터 다음과 같은 흐름의 상사조건식을 유도할 수 있다.
 

하상변동을 일으키는 유사입자의 운동과 하상형상은 Shields곡선 상의 위치에 의해 결정되는 것으로 알려져 있으므로 유사이동의 상사를 만족하기 위해서는 다음의 두 식으로 표현되는 Shields의 유입함수와 입자 Reynolds 수가 원형과 모형에서 동일하게 유지되도록 조정하여야 한다.
 

여기서, Fs 는 Shields의 유입함수로써 일종의 Froude 수로 볼 수 있으며, 입자 Froude 수로 정의하기도 한다. Ψ는 전단강도, τ0 는 마찰응력으로써γRS와 같고, Ss는 입자의 비중, Re*는 입자 Reynolds수,   u*는 전단속도, 그리고 v는 물의 동점성계수이다.

Novak과 Cabelka(1981)는 경험식을 이용해서 Re*가 3.5이상이 되면 입자에 작용하는 힘이 주로 형상마찰에 의한 것으로써 점성력의 영향은 무시할 수 있음을 밝혔다. 입자 Reynolds수를 무시하는 경우에 원형과 모형간의 유사이동에 대한 상사성을 확보하기 위해서는 다음 식과 같이 Shields의 유입 함수 상사조건만을 만족하면 된다.

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. 

3.2. 실험유사 결정

 본 연구에서는 전절의 현장 조사를 통하여 분석된 유송 토사를 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 3.5이상의 값을 보였다. 그러므로 점성력을 무시하고 원형과 모형간의 유사이동에 대한 상사성을 확보하기 위하여 Shields의 유입함수 상사조건만 만족하면 되는 것으로 검토되었다. 또한, 완화된 흐름의 상사와 유사의 이동상사를 확인한 결과는 Table 5에 나타내었다.

Table 4. Reynolds Number of particles

Table 5. Review results of flow and transfer of sediment load similarity law

 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 있는 주문진 표준사, 안트라사이트, 일반모래 3가지를 실험유사로 선정하였다(Fig. 2). 그러므로 유사 퇴적량의 상대적 비교를 위한 실험에서는 주문진 표준사만을 이용하고, 퇴적량 예측 실험식 제시를 위한 실험시 선정된 3가지를 유사를 이용하였다. 이들 3가지 유사의 평균 입경(D50) 및 비중은 Table 6과 같다.

Fig. 2. Experimental sediment load

Table 6. Average grain size and specific gravity of experimental sediment load

3.3. 수리실험 모형 제작

수리실험 모형은 고수조, 정류용 수조, 아크릴관거, 아크릴 맨홀, 차집통 등으로 구성되어있다. 아크릴 맨홀 및 아크릴 관거는 하수도시설기준(2005)상의 특 1호 맨홀(0.9m×0.9m)과 표준 1호 맨홀(내 직경 0.9m)의 기성품과 직경 0.3m의 유입 및 유출관을 1/5로 축소하여 제작하였고, 관거의 길이는 흐름의 확립(일반적으로 50D이상)을 위하여 맨홀 상류방향으로 4.5m(75D), 하류방향으로 4.5m로 제작하였다. 실험 유량의 원활한 공급을 위하여 지하 저수조의 물을 고수조로 양정하여 일정 수위를 유지하도록 하였다. 고수조에서 연결관거로 물을 공급할 때 관내의 흐름을 정류상태로 유지하기 위하여 정류 수조(폭 1.2m, 길이 1.5m, 높이 1.2m)를 설치하여 연결 관거와 연결하였다. 실험 관거에는 유량계를 설치하여 실험유량이 정확하고 원활히 공급되는지 확인하였다. 또한 유출관거의 끝에는 유사를 차집 할 수 있는 별도의 장치를 설치하였으며, 유사의 공급은 유사 공급 장치를 제작하여 설치하고 벨브를 통해 유사유입량을 조절하면서 실험을 실시하였다(Fig. 3). Fig. 4는 본 연구에서 제작되어진 수리 실험 수로의 전경을 나타내고 있다. 

Fig. 3. Supplied and trapped equipment of sediment load

Fig. 4. View of experimental apparatus

3.4. 실험조건 선정

맨홀 내에 퇴적된 유사는 도시 배수 시설의 통수능을 저하시키는 한 원인임과 동시에 맨홀에서의 통수능을 저하시켜 도심지 침수피해의 심각한 원인중 하나이다. 관거 및 맨홀 내 퇴적 유사량은 유사 유입량에 영향을 받는다. 이러한 유사 유입량은 계절적, 지역적 특성 및 설치위치 등에 많은 영향을 받으므로 유사 유입량의 정량화된 결과를 도출하기에는 많은 문제점을 가지고 있다. 그러므로 본 연구에서는 침수피해의 발생지역이 주로 도심지임을 고려하여 2.1절에서 분석되어진 서울시 하수도 준설량을 기준으로 유입 유사량을 개략적으로 0.75, 10, 15g/sec로 추정하였다.

실제 관거 및 맨홀에서의 유사 유입 및 거동은 강우발생 시간동안 유입되는데 지속적으로 유입이 이루어지기도 하고, 일정시간 후 유사유입이 중단되거나 혹은 강우가 끝나면 맨홀이나 관거에 일정량이 남아 있다가 다음 강우 시, 거동하는 등의 형태를 반복하고 있다. 따라서 본 연구에서는 맨홀에서의 유사 거동 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 관거 내 유하 유량은 설계빈도의 강우량, 유역의 토지이용현황 등의 영향을 받는다. 특히, 실무에서 관거를 설계할 때 설계유속을 1.0-3.0 m/s의 범위에서 사용하고 있음을 고려하여 이를 Froude 상사법칙에 적용한 후 실험유속을 결정하고 관거의 면적을 고려하여 유입유량을 결정하였다. 따라서 본 연구의 실험에서 사용한 관거 내 실험유속은 0.45, 0.67, 0.9m/s이었으며, 실험유량은 1.27, 1.9, 2.54ℓ/s이다. 

4. 실험결과 및 분석

4.1. 유사퇴적량 비교 및 고찰

사각형 중간맨홀에서 유사거동의 특성분석을 위하여 유사의 종류, 유사유입조건(연속유입, 일정기간유입), 유사유입량, 유입 관거의 유속 변화에 따른 맨홀 내 유사 퇴적량을 실측하였다. Table. 7은 맨홀에서의 연속유입(10g/s)과 일정기간 유입(10g/s)시, 실험유사 각각의 유사퇴적형상을 보여주고 있다. 유사의 연속유입의 경우에 평면에서 확인한 주문진 표준사와 안트라사이트의 퇴적형상은 맨홀 바닥의 중앙부의 좌우로 퇴적이 되었으며, 측면에서 확인한 퇴적형상은 맨홀 중앙부분에서 유출관 쪽으로 퇴적높이가 증가하는 경향을 보이고 있다. 그러나 일반 모래의 경우에는 전반적으로 유사가 맨홀바닥 전체에 퇴적이 되었고, 측면에서 확인한 퇴적 형상은 맨홀중앙에서 가장 높게 퇴적이 되고 유입관과 유출관 쪽으로 퇴적높이가 감소하였다. 또한 일정기간 유입의 경우에는 세 종류의 실험 유사가 모두 맨홀 바닥의 중앙부의 좌우로 퇴적되면서 유출관 쪽으로 주로 퇴적되는 형상을 나타내고 있다. 이는 유출관 쪽의 맨홀 내 좌우 부분에서 흐름의와 현상에 따른 사수역이 발생하면서 흐름의 소통을 감소시키기 때문이라고 판단된다. 그러므로 맨홀 내 사수역이 발생하는 부분에 대한 구조적인 변경을 실시하면 맨홀 내 유사 퇴적량이 저감 될 것으로 판단된다.

Table 7. Sedimentation shape in square manhole with changing sort of sediment load

또한 Table. 8은 유입유사(주문진표준사, 안트라사이트, 모래), 유입 관거의 유속변화 및 유사 유입 형태에 따른 맨홀에 퇴적량을 측정한 결과이다. 연속유입 시 주문진 표준사의 경우에는 유속이 증가하면서 퇴적량은 감소하는 경향을 보인다. 이는 안트라사이트에서도 비슷한 경향을 보이지만 유사유입량이 15.0g/s가 되고 유속이 0.68m/s일 때, 맨홀 내 퇴적 유사량이 가장 많을 것을 알 수 있다. 모래의 경우는 또한 유속이 증가하면 유사퇴적량은 감소하지만 15.0 g/s의 유사가 유입될 때는 0.9m/s의 유속에서 0.67 m/s때보다 퇴적량이 소폭 증가함을 알 수 있다. 일정기간 주입시에는 유속별로 퇴적량이 큰 차이를 보이지 않았지만 중간유속인0.67 m/s에서 퇴적량이 소폭 증가하고 다시 감소하는 경향을 보였다.

Table 8. Sedimentation quantity with change of experimental conditions

Fig. 6은 연속유입의 경우 유입관거의 유속별 각 실험유사의 유사유입량에 따른 퇴적량의 변화를 보여주고 있다. 전반적으로 유입관거의 유속변화과 유입 유사량이 증가하는 경우 실험 유사의 변화와는 상관없이 퇴적량은 증가하였다. 유입관거의 유속이 0.45 m/s일 때는 단위중량이 가장 작은 안트라사이트의 퇴적량이 가장 적었고, 단위중량이 가장 큰 모래의 퇴적량이 가장 많았으며, 주문진 표준사는 그 사이에 위치하였다. 그러나 유입관거의 유속이 0.67 m/s로 증가하게 되면 오히려 주문진 표준사의 퇴적량이 가장 많은 것으로 나타났다. 유입관거의 유속을 다시 0.9 m/s로 증가시키면 모래와 주문진 표준사의 퇴적량은 큰 차이를 보이지 않았다. 이는 맨홀 내 유사의 퇴적은 유입 유사의 비중이 작은 경우(안트라사이트)에는 유입 유속의 증가에 따라서 맨홀 내 퇴적량이 감소하지만, 비중이 비슷한 경우(주문진표준사, 모래)에는 유사의 입경과 유입 유속의 변화에 의하여 맨홀 내에서 유사의 부유 양상이 변화되며, 유속이 증가할수록 변화된 부유 양상은 맨홀 내의 퇴적 양상이 변화시키므로 맨홀 내 유사의 퇴적량은 유사의 입경과 유입 유속에 많은 영향을 나타내고 있다고 판단된다. 따라서 사각형 중간 맨홀에서 비중과 평균입경이 각각 다른 실험유사, 유입 관거의 유속, 유입 유사량 및 유사유입조건 등의 실험조건이 바뀔 때에 맨홀 내에서는 매우 다양한 퇴적양상을 보이고 있으므로 정확한 맨홀 내 유사 퇴적량을 결정하기 위해서는 본 연구보다는 많은 실험 조건에 대한 수리 실험이 필요할 것으로 판단된다. 

Fig. 6. Variation of Sedimentation quantity with change of injection sediment load

4.2. 유사 퇴적량 산정식 제안

맨홀에서의 유사 퇴적량의 산정은 퇴적된 유사에 의해 맨홀에서의 배수 기능을 제대로 발휘하기 위한 유지 및 관리의 근거자료를 제공해 줄 수 있을 것으로 판단된다. 특히, 맨홀의 준설시기를 결정하거나 여름철 강우가 잦은 기간 동안 준설 우선 구역을 파악할 수 있어 맨홀의 배수 능력 상실에 의한 침수피해 등을 줄이는 데 도움을 줄 수 있다. 본 연구에서는 수리모형실험 결과를 바탕으로 사각형 중간맨홀 내부에서의 유사 퇴적량 산정이 가능한 회귀식을 제시하고자 하였다.

 관거에서 유사의 이동 및 퇴적에 미치는 인자는 관거의 평균유속, 전단속도, 전단응력, 점성계수, 유사유입량, 평균입경, 유사의 수중 단위중량 등 매우 다양하다. 그러므로 맨홀 내에서도 이와 같은 인자들이 맨홀 내 유사 퇴적량에 많을 영향을 줄 것으로 판단된다. 이러한 전단속도 및 전단응력 등은 맨홀 내부에서 3차원 흐름 형태이므로 산술적으로 전단속도 및 전단응력 값들을 산정하기에는 현실적으로 어려움이 있다. 그러나 전절의 실험결과 맨홀 내 유사퇴적량(qm)은 유사유입량(qin), 유사의 수중 단위중량(γs′), 평균입경(D50), 그리고 유입관거의 평균유속(V)에 지배적임을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 이들 인자를 이용하여 식 (8)과 식 (9)와 같이 무차원 관계식을 제시하고자 하였다.

Fig. 7. Result of dimensionless analysis

 Fig. 7은 식 (9)의 무차원수 관계를 도시하여 나타낸 것이다. 음영구역은 안트라사이트의 변화를 보여준다. 연속유입의 경우 유입 유사량이 증가함으로써 그래프가 우측 상향으로 전파되고 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한 유속이 증가함으로써 qm /(γs' D350)의 값 또한 감소하는 결과를 확인할수 있다. 상대적으로 비중이 작은 안트라사이트의 경우 qm /(γs' D350)의 변화 기울기가 작았다. 그러나 일정기간유입의 경우 특별한 관계성을 발견할 수 없었다. 따라서 식 (9)에 의한 무차원 관계식을 제시하는데 어려움이 있었다.

실제 맨홀내의 유사퇴적량을 예측하고자 할 때에는 관거에서의 유속을 파악하기 힘든 경우가 많다. 따라서 맨홀 내 유사 퇴적량을 종속변수로 두고 유입 관거의 유속변화는 무시한 채 나머지 인자인 유사유입량(qin ), 유사의 수중단위중량(γs′), 평균입경(D50)을 이용하여 식 (10)과 같은 관계식을 제시하여 본 연구의 실험 결과에 적용하였다.
 

Fig. 8은 연속유입과 일정기간유입시의 유사유입량, 수중단위중량, 평균입경과 맨홀 내 유사 퇴적량의 관계와 관계식을 도시한 것이다. 연속유입의 경우 결정계수는 0.71, 일정유입의 경우는 0.6으로 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다. 이 관계식은 실험유속이 0.45-0.9m/s의 범위 것으로 이를 실제 크기의 관거 유속을 환산하면 1.0∼2.0m/s가 된다. 따라서 본 연구에서는 관거의 설계유속을 1.0∼ 2.0m/s의 범위로 한정하고 단위시간의 유사유입량과 유사의 단위중량, 평균입경을 알고 있을 경우에 맨홀 내 유사 퇴적량을 예측할 수 있는 개략식을 Table 9에 제시하였다. Table 9에서 제시된 식을 이용하면 맨홀 내 유사 퇴적량을 예측 가능 할 것으로 판단된다. 그러나 유사 실험은 많은 불확실성을 갖기 때문에 일반적인 설계 및 퇴적량 산정에 적용할 경우에는 신중을 기할 필요가 있다고 판단된다. 

Fig. 8. Variation of sedimentation quantity with conditions of sediment load injection

Table 9. Estimation equations of sedimentation quantity with conditions of sediment load injection

5. 결 론

본 연구에서는 우수 배수 시스템의 설계 및 시공에 일반적으로 사용되는 사각형 중간맨홀에서의 유사 거동 특성 및 퇴적 형태를 분석하기 위하여 문헌 조사 및 현장조사를 실시하였으며, 조사결과를 바탕으로 수리실험 장치를 제작하였다. 사각형 중간 맨홀에서의 퇴적 양상 및 퇴적량의 산정을 위하여 하수도시설기준(환경부, 2005)의 특 1호 맨홀을 선정하여 1/5 축소모형으로 맨홀을 제작하였다. 선정된 실험조건에 따라 유사의 종류, 유사유입조건(연속유입, 일정기간유입), 유사유입량, 유입 관거의 유속변화에 따른 맨홀 내 유사 퇴적량을 실측을 위한 수리실험을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

 (1) 유사의 연속유입의 경우에 평면에서 확인한 주문진 표준사와 안트라사이트의 퇴적형상은 맨홀 바닥의 중앙부의 좌우로 퇴적이 되었으며, 측면에서 확인한 퇴적형상은 맨홀 중앙부분에서 유출관 쪽으로 퇴적높이가 증가하는 경향을 보이고 있다. 그러나 일반 모래의 경우에는 전반적으로 유사가 맨홀 바닥 전체에 퇴적이 되었고, 측면에서 확인한 퇴적 형상은 맨홀중앙에서 가장 높게 퇴적이 되고 유입관과 유출관 쪽으로 퇴적높이가 감소하였다. 또한 일정기간 유입의 경우에는 세 종류의 실험 유사가 모두 맨홀 바닥의 중앙부의 좌우로 퇴적되면서 유출관 쪽으로 주로 퇴적되는 형상을 나타내고 있다. 이는 유출관 쪽의 맨홀 내 좌우 부분에서 흐름의와 현상에 따른 사수역이 발생하면서 흐름의 소통을 감소시키기 때문이라고 판단된다. 그러므로 맨홀 내 사수역이 발생하는 부분에 대한 구조적인 변경을 실시하면 맨홀 내 유사 퇴적량이 저감 될 것으로 판단된다.

(2) 맨홀 내 유사의 퇴적은 유입 유사의 비중이 작은 경우(안트라사이트)에는 유입 유속의 증가에 따라서 맨홀 내 퇴적량이 감소하지만, 비중이 비슷한 경우(주문진표준사, 모래)에는 유사의 입경과 유입 유속의 변화에 의하여 맨홀 내에서 유사의 부유양상이 변화되며, 유속이 증가할수록 변화된 부유양상은 맨홀 내의 퇴적 양상이 변화시키므로 맨홀 내 유사의 퇴적량은 유사의 입경과 유입 유속에 많은 영향을 나타내고 있다고 판단된다.

(3) 관거의 설계유속을 1.0∼2.0m/s의 범위로 한정하고 단위시간의 유사유입량과 유사의 단위중량, 평균입경을 알고 있을 경우에 맨홀 내 유사 퇴적량을 산정할 수 있는 개략식을 Table 9에 제시하였다. Table 9에서 제시된 식을 이용하면 맨홀 내 유사 퇴적량의 산정이 가능 할 것으로 판단된다. 그러나 유사 실험은 많은 불확실성을 갖기 때문에 일반적인 설계 및 퇴적량 산정에 적용할 경우에는 신중을 기할 필요가 있다고 판단된다. 

감사의 글

본 연구는 국토해양부가 출연하고 한국건설교통기술평가원에서 위탁시행한 건설기술혁신사업(08기술혁신F01)에 의한 차세대홍수방어기술개발연구단의 연구비 지원에 의해 수행되었습니다. 

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