Water Engineering

KSCE JOURNAL OF CIVIL AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING RESEARCH. August 2021. 377-386
https://doi.org/10.12652/Ksce.2021.41.4.0377

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 기본이론

  • 3. 수리실험

  •   3.1 실험조건 선정

  •   3.2 수리실험 모형

  • 4. 실험결과

  •   4.1 도로 종경사 변화에 따른 차집유량

  •   4.2 도로 조건에 의한 흐름 폭 변화

  •   4.3 차집유량 산정식 도출

  •   4.4 상관관계 분석

  • 5. 결 론

1. 서 론

도시유역의 도시화가 진행되면서 유역의 표면은 시멘트 및 아스팔트 등으로 포장되어 불투수 면적이 증가하면서 강우량의 침투와 증발량이 적어지고 하수관거 시설을 통하여 하천으로 급속하게 배수되고 있다. 도시계획이 잘 수립되고 물순환 시설 및 배수시설 들이 적절한 계획에 의하여 설치되어 있다면 도시 유역에서의 배수 및 침수 등의 문제는 어느 정도 해결이 가능하지만 우리나라의 대도시는 도시화가 급속하게 진행되면서 집중호우 발생 시, 유역 및 도로의 표면으로부터 유출되는 도시유출량을 차집하고 배수하는 시설에 대한 적정한 계획 및 적절한 용량 산정이 미흡한 실정이다. 이와 같이 도시화와 기후변화 및 국지성 집중호우를 감당하지 못하는 배수시설로 인하여 발생하는 도시 홍수는 인구와 시설이 밀집한 지역에서 막대한 홍수 피해를 유발하기 때문에 이에 대한 내수 침수 방재는 중요하다.

국내에서는 2000년대 이후부터 국지성 집중호우로 인한 도심침수가 빈번하게 발생되고 있다. 특히 서울과 같은 과밀한 도심지는 도시 유역의 도로의 구성 비율이 상대적으로 높아 도로부에서의 배수능력의 저하는 도심지 침수로 이어지는 경우가 자주 발생되고 있으며, 사당사거리 및 강남대로와 같이 도로의 경사부 형성 및 도로 교차로 합류점으로의 배수로 인한 침수는 배수시설의 설계빈도를 초과하지 않는 경우에도 도로가 침수되어 통행 및 보행의 불편으로 이어지고 있는 실정이다. 이와 같이 도로의 표면에서 유출되는 유출량이 증대는 인근 유역 및 도로부로 유입된 빗물이 모여 빠르게 도로를 타고 측구부로 모이게 된다. 그러나 측구부에 설치된 일차적인 배수시설인 빗물받이가 적정 배수 간격 및 크기로 설치되어 있지 않을 경우에는 도로 및 측구부로 유출되는 빗물이 원활하게 배수되지 못하여 도로의 교차로에서 정체 노면수를 증가시키고 정체된 노면수가 인근 주거지로 유입됨으로써 내수 침수피해를 가중시키는 요인이 된다. 기존 설치된 관거 시설은 간선 관거와 지선 관거를 각각 10년과 5년으로 설계빈도를 설정하여 계획되고 시공되었으나, Ministry of Environment(2018)에서는 간선과 지선의 설계빈도를 각각 30년과 10년으로 상향시켰으며, 기존 방재성능 강우량 기준도 상향되어 배수시설 설치를 위한 관거 시설의 설계기준 및 시공에 관한 사항의 수정 및 보안이 필요한 실정이다, 특히 도로 측구에 설치되는 빗물받이는 5년 빈도를 기준으로 설치되고 있어, 국지성 집중호우 및 설계빈도 초과하는 강우의 경우 빗물받이의 차집 기능이 저하되고 미차집 유량은 도로 교차로의 합류부로 유입되어 침수를 발생시키고 있는 실정이다.

현재 국내의 도로 빗물받이 설계 및 시공은 미국의 Federal Highway Administration(1996; 2001)의 Hydraulic Engineering Circular NO. 22 (HEC-22)를 준용하여 빗물받이 유입구 형태 및 도로 조건에 따른 설치간격 기준을 적용하고 도로의 연석을 넘지 않는 측구부의 흐름이 유출되는 것을 가정하여 산정하고 있으며, 빗물받이 유입속도, 흐름 폭 및 튐 유속 등의 세부기준을 HEC-22의 내용을 그대로 인용하고 있다. 그러나 HEC-22에서 제시된 빗물받이는 국내의 빗물받이와 형상 및 크기가 상이하므로 국내 여건에 맞는 측구 흐름 폭 및 빗물받이 튐 유속 등에 대한 연구가 필요하다.

Whiffin and Young(1973)은 빗물받이와 빗물받이 거리에 도로의 폭을 곱하여 그 면적에 떨어지는 빗물이 모두 유입부로 유입된다고 가정하고 합리식과 Manning의 평균 유속공식을 사용하여 유입부 간격의 계산식을 제시하였다. Burgi and Gober(1977)Pugh (1980)는 빗물받이 유입부의 차집효율을 수리학적 실험을 통하여 결정하였다. Linsely et al.(1992)는 실험을 통하여 빗물받이 최소길이를 제시하였고, Wong(1994)은 대상지역을 싱가포르로 선정하고 측구로 흐르는 유입유량 산정식을 제시하였다. Guo(2000; 2009)는 빗물받이의 막힘에 따라 유입량을 산정하였으며, 쇠살대와 연석 유입구의 차집유량으로 조합 유입구의 유입량을 산정하는 식을 제시하였다. Federal Highway Administration(2001)는 도로에서 측구로 흘러들어가는 빗물의 흐름을 분석하여 흐름 폭과 관련한 유입부의 도로 종방향 경사로 흘러들어오는 유입유량 및 횡방향 유입유량의 값을 유속과 빗물받이 길이에 관한 차집유량 계산식을 제시하였다. 또한, Russo et al.(2006)은 도로 종단경사에 따른 빗물받이 설치 간격을 10년 빈도, 2차선의 종단경사별로 제시하였고, Kemper and Schlenkhoff(2015)는 빗물받이의 모형을 바꿔가며 빗물받이 유입유량, 종경사에 따른 흐름 폭과 차집유량을 나타내었다.

빗물받이의 흐름 폭과 빗물받이의 차집 유입량 산정에 관한 국내 연구는 매우 미흡한 상태이다. Yi and Cho(2002)은 빗물받이 덮개의 유형별, 측구 종경사별 차집효율을 측정한 결과룰 제시하였으며, Lee et al.(2003)은 빗물받이 도로 측구 종경사 및 횡경사 별 실험을 통해 차집율을 측정한 결과와 계산식을 제시하였다. 또한 Kim et al.(2006)은 빗물받이 유입규의 규모 및 도로조건 변화에 따른 차집효율을 분석 및 유입구의 도로조건별 빗물받이 간격에 따른 차집능력을 실험하였다. 또한, Gwak et al.(2016)은 도로 빗물받이 유입구의 차집유량 산정식을 도로 조건별, 유입유량별, 종경사와 횡경사 별로 측정하였고, 측구 크기에 따른 차집유량 산정식을 제시하였다. 이와 같이 국내외의 빗물받이에 관한 연구에서 빗물받이 형상, 빗물받이의 크기 및 도로의 조건 변화에 따른 빗물받이에 대한 차집효율에 관련한 연구는 지속적으로 수행되어 도로 빗물받이의 차집효율을 도로 종경사 및 횡경사 등의 도로 조건, 표면 유출 우수량, 빗물받이의 형상 변화를 고려하여 산정하고 있다. 그 이유는 빗물받이로 차집 되지 못한 많은 노면 유출수로 인해 측구에서의 흐름 폭이 넓어져 정체 노면수를 증가시키기 때문이다. 그러므로 도로의 흐름 폭과 빗물받이의 차집유량의 관계와 도로 및 측구부에서의 흐름 분석에 관한 연구가 필요하다.

본 연구에서는 도로 흐름 폭에 따른 차집유량을 분석하기 위하여 현장조사 및 문헌조사 결과를 바탕으로 실험조건 및 수리실험수로 모형을 제작하였다. 설계빈도 30년까지의 도로 유출량을 고려하여 수리실험을 수행하였으며, 노면에서 유입되어 측구로 흘러가는 측구부의 흐름 폭과 빗물받이 차집효율을 실측하였다. 또한, 실험결과를 활용하여 측구 흐름 폭 및 도로의 조건을 반영한 빗물받이 차집유량 산정식을 도출하였다.

2. 기본이론

도로 위에 떨어진 강우는 도로의 횡경사와 종경사의 영향으로 빗물이 빠르게 도로의 양쪽 측구로 유입되어 측구부에서의 유출 흐름을 형성한다. 이는 강우강도와 도로차선에 따른 도로의 면적에 따라서 도로 빗물받이로 향하는 유입유량이 증가되며, 측구에서 유량은 도로의 흐름 폭을 증가시킨다. 이와 같이 형성된 도로 흐름 폭은 빗물받이 차집에 중요한 인자가 된다. 따라서 도로에서 배수 능력을 평가하기 위해 측구 및 도로에서의 흐름 폭과 빗물받이의 차집유량 관계 분석이 필요하다.

Fig. 1에서 유입유량에 따른 흐름 깊이는 Eq. (1)과 같이 도로 횡단 경사와 관련된다.

(1)
d=TSX

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Fig. 1.

Uniform Section

균일한 도로에서 흐름의 단면적은 Eq. (2)와 같으며, 동수반경은 Eq. (3)과 같다. 따라서 도로 및 측구를 따라 흐르는 도로 표면 유출 흐름을 계산하기 위해서는 수면의 상단의 넓이가 측구의 폭보다 상당한 차이를 나타내므로 Izzard(1947)Eq. (4)와 같이 수정 매닝방정식(manning’s equation)을 제안하였다.

(2)
A=Td2=T2SX2
(3)
R=T(1+SX)T
(4)
Q=KUnSX1.67SL0.5T2.67

또한, 흐름 폭(T)은 Eq. (5)와 같다.

(5)
T=QnKUSX1.67SL0.50.375

여기서, Q는 도로 유출량(m3/sec), KU는 보정계수(0.376), T는 흐름 폭, n은 매닝의 조도계수(0.013), SX는 도로 횡경사, SL은 도로종경사이다.

빗물받이에 의해서 차집된 유량은 측구의 폭 안에서 흐르는 측구의 흐름과 차도를 통해서 흐르는 도로의 흐름으로 나누어진다. 내부 수표면 마찰을 무시한다면 측구 흐름과 도로의 흐름으로 적용할 수 있으며, 전체 유량은 Eq. (6)과 같다.

(6)
Q=Qx+Qw

여기서, Qx는 도로의 유량, Qw는 측구의 유량이다.

3. 수리실험

3.1 실험조건 선정

강우사상 변화에 따른 도로 측구에서의 흐름 폭 변화를 측정하고 측구 흐름 폭 변화에 따른 빗물받이의 차집유량을 산정하기 위하여 도로 기하학적 조건과 도로 유출량 변화를 고려하여 수리실험 조건을 산정하였다. 도로의 종경사는 Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs(2012)에 제시된 고속도로와 간선도로의 설계속도별 최대 종단경사를 반영하여 최대 10 %를 넘지 않는 도로 종경사 2, 4, 6, 8, 10 %로 선정하였고, 횡경사의 경우 일반적인 도로에서 도로의 노면 횡경사와 동일하게 2 %의 측구 횡경사를 유지하는 경우가 많으므로 이를 반영하여 측구 횡경사는 2 %로 고정하였다. 일반적으로 도로에 떨어지는 빗물은 중앙차선을 기준으로 양쪽 측구로 흘러가므로 편도차선을 선택하였으며, 국내의 간선도로와 지선도로의 현황을 고려하여 2차선(6 m), 3차선(9 m) 및 4차선(12 m)을 선택하였다.

Ministry of Environment(2018)에서는 우수배제계획 중 계획우수량에서 관거시설 설계를 위한 최대계획우수유출량의 산정은 합리식을 원칙으로 하고 있다. 따라서 본 연구의 실험유량은 Gwak et al.(2016)과 동일하게 도로표면 유출량(m3/s)을 합리식(QT=0.2778·I·CjAj)을 이용하여 산정하였다. 도로표면 유출계수(C)는 Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs(2003)의 유출계수의 범위에서 도로의 아스팔트와 콘크리트의 최대 유출계수인 0.95를 선택하였고, 강우강도(mm/hr_I)는 Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs(2011)에서 제시한 6차 다항식을 적용하였으며, 도달시간은 Kerby식을 사용하였다. 도로차선 및 경사변화를 고려한 배수면적(km2_A)이다. 설계빈도는 배수관거의 방재성능을 강화를 위하여 지선 10년, 간선 30년 빈도로 상향된 것을 반영하여 5년, 10년, 20년, 30년의 설계빈도를 선택하였다. 상기 조건을 반영하여 합리식으로 산정된 도로표면 유출량은 7.7~22.4 l/s이다. 이는 Froude 상사법칙을 이용한 실험 유량인 1.36~3.96 l/s이다.

쇠살대 빗물받이 유입부는 국내 간선 및 지선도로에서 가장 많이 설치되고 있는 40×50 cm, 교차로나 도로 침수지역에 주로 사용되는 40×100 cm, 현재 실질적으로 설치가 드물지만 향후 국지성 집중호우에 따른 우수유출량 증가에 대비하고 도로와 측구에서의 흐름 특성과 차집 특성을 고려한 40×150 cm의 세 종류의 빗물받이를 선택하였다. 본 연구에서 선택한 수리실험 조건은 Table 1과 같다.

Table 1.

Experimental Conditions

Longitudinal
slope (%)
Transverse
slope (%)
Design frequency
(year)
Lane Discharge
(l/s)
Size of grate inlet
(cm×cm)
2, 4, 6,
8, 10
2 5, 10, 20, 30 2, 3, 4 1.36 ~ 3.96 40×50
40×100
40×150

3.2 수리실험 모형

본 연구에서는 제시된 수리 조건에 적합한 수리 실험을 수행하기 위해서 실제 도로 20 m, 도로 및 측구 폭 2.1 m 반영하고 도로의 종경사 및 횡경사를 구현하기 위하여 수리실험 수로를 Froude 상사법칙을 적용하여 1/2 축소된 수리실험 장치를 제작하였다(Fig. 2). Fig. 2에서 실험 유량의 원활한 공급을 위하여 지하 저수조의 물을 펌프를 이용하여 고수조로 양정하여 일정 수위를 유지하도록 하였다. 또한, 고수조에서 도로 표면흐름의 수로부로 물을 공급하기 위하여 약 6 m의 접근 수로부를 연결하여 유입유량의 흐름이 안정화하였다. 또한, 접근 수로부 끝 부분에 실험 유입유량을 측정할 수 있도록 삼각위어를 설치하였다(Fig. 3(a)). 흘러나오는 물이 정류 흐름이 발생하도록 유도하기 위해 실험 수로부 상류부에는 필름을 채워 넣고 그 위로 플라스틱 그물을 덮어 정류 흐름을 유도하도록 하였다. 노면은 실제 도로와 유사한 환경을 조성하기 위해서 기초 노상으로 베니어판을 설치하고, 그 위로 아스팔트 롤 싱글을 도포하였다. 또한, 측구와 도로 부분의 색을 다르게 하므로 흐름을 구별할 수 있도록 하였다.

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Fig. 2.

Panoramic View of Experimental Waterway

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Fig. 3.

Equipment of Experimental Waterway

종경사와 횡경사를 각각 조절해야 하므로 수리 실험 장치를 아연도금사각파이프로 기초 두 개의 프레임을 제작하여 종경사 조절은 외부 프레임으로 조절하고 횡경사 조절은 내부 프레임으로 조절하였다. 종경사 조정은 Fig. 3(b)에서와 같이 도로 5 m지점과 9 m지점에 바깥쪽 프레임에 아이잭을 설치하였다. 이로 인해 0~10 %의 모든 경사를 조절할 수 있도록 하여 실험조건인 종경사 2, 4, 6, 8, 10 % 변화가 가능하도록 제작하였다.

또한, 하류부의 처짐을 최소화하기 위하여 수동자키 2개로 실험장치 끝부분을 지지하였다. 횡경사 미세조정을 위하여 나사형의 조절장치를 제작하였으며 바깥쪽 프레임과 안쪽 프레임 연결을 위한 베어링 부분에 설치하여 실험조건인 횡경사 2 % 만들기 위해 모두 조절 가능하도록 하였다(Fig. 3(c)). 빗물받이 유입구는 실제 빗물받이 유입구의 제작에 사용되는 평철 아연도금을 재료를 사용하였으며, 가로 200 mm, 세로 250 mm, 500 mm, 750 mm, 높이 25 mm의 크기에 종방향 쇠살대의 두께는 5 mm, 앵글 및 횡방향 쇠살대의 두께는 2.5 mm로 하여 실제 설치되는 쇠살대 빗물받이 유입구를 1/2로 축소하여 제작하였다. 빗물받이 유입부로의 차집유량을 측정을 위하여 실험수로의 정류장치로부터 10 m 하류부에 빗물받이 유입부를 설치하였다.

유입유량은 물을 고수조로 양정해 일정 수위를 유지시켜 삼각위어를 통해 나온 유량을 측정하였다. 또한, 실험실의 바닥 경사를 고려해 종경사를 조정하기 위해 실험실 바닥 휠 레벨측량 및 광파기 측량으로 먼저 측정하였고, 바닥경사를 고려해 도로 종경사를 측정하였다. 도로표면 유출 흐름에서 흐름 폭에 의한 차집유량 산정식을 제시하기 위해서 흐름폭을 설치된 빗물받이 유입부에서 50 cm 상류 지점에서 측정하였다. 설치된 빗물받이 유입부의 아래에 차집통을 설치하여 일정시간 동안 유입되는 유량을 차집통에 받고, 받은 유입유량을 유입시간으로 나누어서 빗물받이 유입부의 차집유량을 측정하였으며, 흐름수로부의 하단부에도 차집통을 설치하여 차집되지 않고 유출되는 유량을 측정하였다(Fig. 4).

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Fig. 4.

Measurement of Flow Data

4. 실험결과

도로의 횡경사(2 %)를 고정하고, 도로의 종경사 변화와 유입유량에 따른 도로 측구 규격별 차집유량과 흐름 폭을 측정하였다. Froude 상사법칙을 이용하여 도로조건 및 실제 유입유량을 환산하여 실험하였고, 결과 값은 모두 다시 실제 도로조건과 유량으로 환산하여 나타내었다. 도로 측구에서의 흐름 폭 변화와 빗물받이의 차집유량의 관계를 도출하기 위하여, 측구 앞 50 cm부근에서 흐름 폭과 차집유량을 측정하여 도로의 기하학적 및 수문학적 조건변화가 고려된 측구 흐름 폭과 빗물받이 차집유량의 관계를 도출하였다.

4.1 도로 종경사 변화에 따른 차집유량

도로의 종경사 및 설계 빈도에 따른 도로 유출량의 변화를 고려한 빗물받이 크기별 차집유량의 변화를 Fig. 5에 도시하였다. Fig. 5에서 동일 크기의 빗물받이에서 도로 종경사가 증가할수록 차집효율은 약 2~3 % 증가하였으며, 빗물받이 규모가 40×50 cm에서 40×100 cm로 증가하였을 경우 약 4 %의 차집효율이 증가하였고, 40×150 cm로 증가 할 경우 약 7~8 %증가하는 것으로 나타났다. 따라서 본 실험에서는 유입유량 증가에 따른 차집 효율은 감소하는 것으로 나타냈고, 도로 종경사가 증가할수록 차집율이 증가하였다. 또한 빗물받이의 크기가 증가할수록 차집효율이 증가하였다. 이는 기존 Gwak et al.(2016)의 연구와 유사한 결과를 나타내고 있으며, 기존 연구가 측구 횡경사의 변화에 따른 빗물받이의 차집효율 측정에 관한 연구인 반면 본 연구는 일반적인 도로 횡경사 및 측구 경사 2 %로 고정하고 도로 종경사의 변화에 따른 차집효율 변화를 분석한 결과이다.

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Fig. 5.

Change of Intercepted Efficiency according to the Inflow Discharge

4.2 도로 조건에 의한 흐름 폭 변화

유입유량과 도로조건 및 빗물받이의 크기 변화에 따른 도로 측구에서의 흐름 폭의 변화를 측정하였다(Table 2). Table 2는 동일 빗물받이가 설치되었을 경우 도로 종경사 변화에 따른 측구 흐름 폭의 변화를 나타내고 있다. 또한, 동일 도로종경사에서 유입유량의 변화에 따른 흐름 폭을 나타내고 있다. Table 2에서 동일유량이 도로의 측구부로 유입되고 도로의 종경사 2 %일 경우 최소유량에서는 흐름 폭이 46.5 cm, 중간유량에서는 54.5 cm 최대유량에서는 64 cm로 측정되었으며, 종경사가 6 %일 경우에는 각각 45 cm, 50 cm, 62 cm로 종경사 2 %일 경우보다 감소하였고, 종경사가 10 %일 경우에는 각각 41 cm, 47.5 cm, 55.5 cm로 감소하는 것으로 측정되었다. 따라서 유입유량이 동일할 경우 도로의 종경사 변화에 따라서 5.5~8.5 cm정도 감소하는 것으로 나타났으며, 전체적으로 동일유량에서 도로 종경사가 2 % 증가할 때마다 약 2 cm 정도 흐름 폭이 감소하는 것으로 나타났다. 이는 도로 종경사가 증가할수록 측구로 유입되는 흐름속도가 빨라지면서 흐름 폭이 감소하므로 측구로 흘러들어가는 유입유량이 증가하는 것으로 판단된다.

Table 2.

Change of Flow Width according to the Longitudinal Slope

Discharge
(l/sec)
Longitudinal Slope
2 % 6 % 10 %
1.4 /media/sites/ksce/2021-041-04/N0110410406/images/Figure_KSCE_41_04_06_T2-1.jpg /media/sites/ksce/2021-041-04/N0110410406/images/Figure_KSCE_41_04_06_T2-2.jpg /media/sites/ksce/2021-041-04/N0110410406/images/Figure_KSCE_41_04_06_T2-3.jpg
2.6 /media/sites/ksce/2021-041-04/N0110410406/images/Figure_KSCE_41_04_06_T2-4.jpg /media/sites/ksce/2021-041-04/N0110410406/images/Figure_KSCE_41_04_06_T2-5.jpg /media/sites/ksce/2021-041-04/N0110410406/images/Figure_KSCE_41_04_06_T2-6.jpg
4.00 /media/sites/ksce/2021-041-04/N0110410406/images/Figure_KSCE_41_04_06_T2-7.jpg /media/sites/ksce/2021-041-04/N0110410406/images/Figure_KSCE_41_04_06_T2-8.jpg /media/sites/ksce/2021-041-04/N0110410406/images/Figure_KSCE_41_04_06_T2-9.jpg

또한, 설계빈도 조건 변화에 따른 도로 유출량 변화에 따라서 측구로 유입되는 유입유량의 변화도 도로 종경사가 2 % 경우 최소유량(1.4 l/s)에서 흐름 폭 46.5 cm이고, 최대유량(4.0 l/s)에서 64 cm로 약 20 cm정도 증가하였으며, 도로종경사 10 %의 경우 최소유량(1.4 l/s)에서 흐름 폭 41 cm이고 최대유량(4.0 l/s)에서 흐름 폭이 55.5 cm로 약 15 cm정도 증가하였다. 따라서 동일 종경사에서 도로 유출 유량의 변화에 따른 흐름 폭의 변화는 측구로의 유출유량이 증가할수록 흐름 폭이 증가하였으며, 도로종경사가 증가할수록 흐름 폭의 감소가 더 크게 나타나고 있음을 알 수 있다. 이는 빗물받이 차집효율의 변화에도 영향을 미치는 것으로 판단된다. 또한, 빗물받이 규모 변화에 따른 흐름 폭의 변화는 나타나지 않았으며, 도로 및 측구에서의 흐름 폭은 도로의 기하학적 특성과 설계빈도의 변화에 따른 유출량의 변화에 따라 변화되는 것으로 판단된다. 그러나 연속적으로 설치된 도로 구간에서의 흐름 폭은 빗물받이에서 차집되는 차집유량에 따라서 미 차집되어 하류부로 가중되는 유출량이 변화되므로 빗물받이 규모별 차집유량의 차이에 의해서 측구 흐름 폭이 달라질 수 있을 것으로 판단된다. 이는 빗물받이 유입부의 유입유속의 영향에 따라서 결정되는 것으로 사료되며 이에 대한 추가 연구가 필요하다.

도로의 종경사와 빗물받이의 크기 변화에 따른 차집효율과 흐름 폭의 관계를 Table 3에 나타내었다. Table 3에서 유입유량이 증가할수록 흐름 폭은 증가하였으며, 차집효율은 감소하였다. 이는 유입유량 증가에 따라 측구로의 유출흐름의 형성보다는 미 차집 유량이 늘어남에 따라서 흐름 폭이 증가하는 것이며, 이처럼 미 차집되어 하류부로 가중되는 유출량의 증가에 따라서 차집효율이 감소하는 것으로 판단된다. 또한, 도로의 종경사가 증가함에 따라서 흐름 폭은 감소하는 것으로 나타났다. 이는 Table 2의 설명에서와 같이 종경사가 증가하면서 도로에서 유출되는 흐름이 측구부로 빠르게 유입되면서 측구부 흐름을 더욱 형성함으로써 흐름 폭을 감소시키는 것으로 판단된다. 이와 같은 흐름 폭의 감소는 측구부에서의 유입유량 및 유입속도를 증가시켜서 빗물받이로의 차집효율을 증대시키는 것으로 판단된다.

Table 3.

The Relationship between Intercepted Efficiency and Flow Width

Longitudinal
slope
grate inlet size (cm×cm)
40×50 40×100 40×150
2 % /media/sites/ksce/2021-041-04/N0110410406/images/Figure_KSCE_41_04_06_T3-1.jpg /media/sites/ksce/2021-041-04/N0110410406/images/Figure_KSCE_41_04_06_T3-2.jpg /media/sites/ksce/2021-041-04/N0110410406/images/Figure_KSCE_41_04_06_T3-3.jpg
4 % /media/sites/ksce/2021-041-04/N0110410406/images/Figure_KSCE_41_04_06_T3-4.jpg /media/sites/ksce/2021-041-04/N0110410406/images/Figure_KSCE_41_04_06_T3-5.jpg /media/sites/ksce/2021-041-04/N0110410406/images/Figure_KSCE_41_04_06_T3-6.jpg
6 % /media/sites/ksce/2021-041-04/N0110410406/images/Figure_KSCE_41_04_06_T3-7.jpg /media/sites/ksce/2021-041-04/N0110410406/images/Figure_KSCE_41_04_06_T3-8.jpg /media/sites/ksce/2021-041-04/N0110410406/images/Figure_KSCE_41_04_06_T3-9.jpg
8 % /media/sites/ksce/2021-041-04/N0110410406/images/Figure_KSCE_41_04_06_T3-10.jpg /media/sites/ksce/2021-041-04/N0110410406/images/Figure_KSCE_41_04_06_T3-11.jpg /media/sites/ksce/2021-041-04/N0110410406/images/Figure_KSCE_41_04_06_T3-12.jpg
10 % /media/sites/ksce/2021-041-04/N0110410406/images/Figure_KSCE_41_04_06_T3-13.jpg /media/sites/ksce/2021-041-04/N0110410406/images/Figure_KSCE_41_04_06_T3-14.jpg /media/sites/ksce/2021-041-04/N0110410406/images/Figure_KSCE_41_04_06_T3-15.jpg

또한, 빗물받이의 크기가 증가함에 따른 흐름 폭의 변화는 거의 없었으나 도로 종경사의 증가에 따라서 약 2~3 %의 차집효율 증대를 나타내고 있다. 이는 Table 4와 같이 빗물받이 측면부로의 차집유량이 증가하면서 빗물받이의 차집효율이 증대된 것으로 판단된다. Table 4는 동일유량과 동일 종경사에서의 빗물받이의 유입 흐름을 나타내고 있다. Table 4에서 도로 조건과 유량 조건이 동일한 경우 40×50 cm의 빗물받이는 빗물받이 후면으로 흘러 들어가는 유량을 차집하지 못하고 있으나, 40×150 cm의 빗물받이는 측면으로 유입되는 상당 부분의 도로 유출량을 차집하고 있었으며, 이와 같은 현상은 도로 종경사가 증가할수록 차집효율이 더 증대되는 것을 알 수 있었다.

Table 4.

Change of Transverse Intercepted Discharge according to the Grate Inlet Size

Inlet size
(cm×cm)
Discharge
(l/sec)
Intercepted flow pattern
40×50 1.4 /media/sites/ksce/2021-041-04/N0110410406/images/Figure_KSCE_41_04_06_T4-1.jpg
40×100 2.6 /media/sites/ksce/2021-041-04/N0110410406/images/Figure_KSCE_41_04_06_T4-2.jpg
40×150 4.0 /media/sites/ksce/2021-041-04/N0110410406/images/Figure_KSCE_41_04_06_T4-3.jpg

따라서 Tables 3 and 4의 흐름 폭과 빗물받이의 차집효율 관계를 종합적으로 정리하면, 도로의 종경사가 증가하면서 측구부로의 유출량이 증가하고 이로 인해 흐름 폭이 감소되며, 이에 따른 빗물받이의 차집효율은 증가하는 것으로 나타났다. 이와 같은 현상은 빗물받이의 규모가 증가할수록 빗물받이 측면부로의 유출량을 집중시켜 빗물받이의 크기가 증대할수록 차집효율을 상승시키는 것으로 판단된다. 그러므로 도로 측구에 설치되는 빗물받이에서 차집효율은 유입유량에 따른 흐름 폭과 도로 경사 조건 및 빗물받이의 크기에 영향을 모두 고려하여야 한다.

4.3 차집유량 산정식 도출

전 절의 수리실험의 결과를 고려하여 도로 종경사, 측구에서의 흐름 폭 및 빗물받이의 크기를 고려한 빗물받이의 차집유량 산정식을 도출하기 위하여 도로 횡경사 및 측구 횡경사를 2 %로 고정시키고 도로 종경사, 유입유량, 도로 실험조건을 변화시키며 측정된 빗물받이의 차집유량과 측구 흐름 폭을 기본 자료로 구성하고 IBM SPSS Statistics 24 통계분석 프로그램을 활용하여 회귀분석을 실시하였으며, 빗물받이 규모 및 흐름 폭을 고려한 빗물받이 차집유량 산정식을 Eq. (7)과 같이 제시하였다.

(7)
Qi=4.69Qm0.948T-0.45G0.079SL0.033

여기서, Qm은 유입유량(m3/s), T는 흐름폭(cm), G는 측구 흐름방향 크기(cm), SL은 종경사이고, 회귀분석에 따른 영향력이 큰 변수 순서로 정렬해 놓았다. 회귀분석결과 차집유량 실측치와 Eq. (7)의 차집유량 값을 비교하기 위해 분산분석을 실시한 결과 유의확률이 0.05이하로 유의하다 할 수 있으며, 결정계수(R2)가 0.99로 높은 유효성을 보이고 있는 것으로 나타났다.

4.4 상관관계 분석

본 연구에서 제안한 빗물받이 차집유량 산정식의 적용성을 확인하기 위하여 실측 차집유량과 제안된 식에 의해서 계산된 차집유량의 상관관계를 분석하였다. 실측 차집유량과 계산 차집유량 사이의 관계를 알아보기 위하여 빗물받이 유입구의 크기변화에 따른 산포도(scatter plot)를 Fig. 6에 도시하였다.

(8)
r=i=1n(xi-x¯)(yi-y¯)i=1n(xi-x¯)2i=1n(yi-y¯)2

/media/sites/ksce/2021-041-04/N0110410406/images/Figure_KSCE_41_04_06_F6.jpg
Fig. 6.

Results of Correlation Analysis between Observed and Estimated Intercepted Flows with Grate Inlet Size

Fig. 6에서의 산포도는 전체적으로 양의 상관관계를 나타내고 있으므로 Eq. (7)은 도로 종경사 변화에 따른 빗물받이 차집유량이 증가하는 경향을 정확하게 계산하고 있는 것으로 판단된다. 또한, 양의 상관관계를 가지는 두 변수 간의 상관관계의 크기를 나타내기 위하여 현재 가장 많이 사용되는 피어슨 상관계수(Pearson Correlation Coefficient, r)를 계산하였다(Eq. (8)). Eq. (8)에 의해서 계산된 각 상관계수는 Fig. 6에 산포도에 같이 나타내었다. Fig. 6에서 전반적으로 상관계수는 0.99이상을 나타내고 있으므로 Eq. (7)은 빗물받이 유입구의 차집유량을 상당히 정확하게 계산하고 있는 것으로 판단된다.

5. 결 론

본 연구에서는 상향된 설계빈도를 고려한 빗물받이 유입부의 적정 설계에서의 빗물받이 유입구의 차집유량 산정하기 위해서 흐름 폭을 측정하고, 도로조건 및 설계빈도 변화에 따른 수리실험을 측정하였다. 도로 종경사는 도심지 내 간선도로와 고속도로의 최대 종경사를 반영하여 2~10 %의 도로 조건을 반영하였고, 측구 횡경사는 일반도로 횡경사인 2 %를 선정하였다. 도로 차선조건은 중앙차선과 보도를 경계를 2, 3, 4 차선을 선정하였으며, 실험유량은 설계 빈도 상황을 고려하여 실제 도로 조건의 5년, 10년, 20년, 30년의 설계빈도 유수유출량인 7.7~22.4 l/s의 유량으로 결정하고 실험유량으로 환산하였다. 실험모형은 Froude 상사법칙을 이용하여 1/2 축소하여 제작하였고, 빗물받이 유입구는 40×50 cm, 40×100 cm, 40×150 cm의 유입구를 선정하였다. 이와 같은 수리실험 조건을 반영하여 약 600회 실험을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 도로의 조건변화(도로 종경사 및 횡경사, 차선) 및 설계빈도(5~30년) 변화에 따른 흐름 폭과 빗물받이 규모(40×50 cm, 40×100 cm, 40×150 cm)를 고려하여 빗물받이의 차집유량을 산정할 수 있는 차집유량 산정식을 제시하였다. 산정된 도출식은 도로에서의 빗물받이 설계에 기초자료로 활용될 것으로 판단된다.

(2) 빗물받이 유입구에서 전면부와 측면부로의 유입은 도로에서 형성된 흐름 폭에 영향을 받으며, 측구 종경사의 증가에 따라 빗물받이로 유입되는 흐름 폭을 감소시켜 흐름을 빗물받이로 유도하여 전면부와 측면부로 흘러 들어가는 차집유량을 증대시킨다.

(3) 도로의 종경사가 증가하면 노면 유출수를 빠르게 측구 방향으로 유도하여 흐름 폭을 감소시키면서 측구 흐름이 증가한다. 이와 같이 측구 흐름으로 집중된 유출수는 빗물받이의 전면부로 상당량이 유입되어 빗물받이의 차집효율을 증대시킨다.

(4) 측구 흐름방향으로 빗물받이 유입부의 길이의 증가는 빗물받이 유입규의 횡유입량을 증가하여 차집효율을 증대시킨다.

Acknowledgements

본 연구는 2017년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단 지원을 받아 수행된 기초연구사업(No.2017 R1D1A1B03035823)입니다.

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