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Ⅳ. 배 수 공 설 계
4.1 수문 및 배수조사
4.1.1 배수시설 개요
도로의 배수시설은 도로구조를 보존하는데 중요한 역할을 하는 시설이며, 특히 4차로 국도이상의 도로에서는 노면배수의 양부가 도로의 기능을 좌우한다고 할 수 있다.
즉 노면배수가 나쁘면 우수가 노면에 정체하여 교통흐름에 장애를 주며 노면하의 함수량을 증가시켜 지반의 지지력을 약화시킨다.
그러므로 노면배수처리에 따라서 신속한 노면배수와 침투수의 차단, 침투된 물의 지하배수, 도로인접지로부터의 배수처리를 적절하게 하여야 하며 배수시설을 설치함에 있어서는 현지의 상황, 특히 지형, 지질, 기상상태등의 조건을 충분히 고려하여야 하며 공용후의 청소, 점검 등 유지관리도 고려하여야 한다.
4.1.2 현지조사
수문자료모집은 축척 1/25,000, 1/50,000 지형도를 이용하여 유역면적과 구조물 예정위치별 유량을 추정한 후 현지조사를 실시하였으며, 현지조사시 과거의 최고 홍수위, 기존구조물의 규격 및 기타 필요한 자료를 수집하였다.
◦ 관할관청 및 현지주민에게 직접적으로 홍수위에 대한 모든 자료를 협조받아 종합적으로 판단하였다.
◦ 계획된 구조물 설치지점의 상․하류 부근에 있는 기존 구조물의 규격 및 연장, 범람여부조사
◦ 현지조사 자료를 토대로 구조물위치, 규격 등 구조물 현황을 실시설계편에 수록하였으며, 배수유역도 및 수리계산서 근거는 부록에 첨부하였다.
◦ 본 노선은 소여천을 횡단하여 종점부에 응천과 병행하여 통과하고 있다.
4.1.3 수문자료의 수집분석
가. 강우량 (Rainfall)
본 설계노선에 인접하고 대체적으로 장기 우량기록치를 보유한 지점의 중앙기상대의 강우량 통계자료를 근거로 작성된 각각의 강우량-강우기간-강우빈도곡선 (Rainfall Intensity-Duration-Frequency Curve)을 이용하여 본 노선에 있어서 소요확률년에 대한 임의의 지속시간 강우량도 산정하였다.
나. 계획홍수량 산정
본 과업에서는 유역면적 4km2, 하폭 12m미만을 암거로 4km2이상은 교량으로 검토하였다. 계획홍수위 계산은 유역면적이 4km2미만이거나 유역 또는 하도의 저수효과를 기대할수 없는 소화천에는 합리식(Rational Method)을 적용하고 일반적으로 수문자료가 미흡한 40km2미만의 중소하천에는 표준유출법(Standard Runoff Method)을 쓰며, 유역면적 40km2이상의 장대하천에는 수문곡선추적법(Envelope Hydrograph)을 적용하였다.
1) 합리식 (Rational Method) A < 4km2
합리식은 강우량과 유출량의 관계가 비례적이며 강우강도는 유역전체 지역이 균일하다는 가정이므로 모순점이 있으나 유역면적이 작은 경우에는 오차가 적게 되므로, 소규모의 구조물에 사용한다.
여기서, Q
: 첨두홍수량 (㎥/sec)
I
: 홍수도달시간내의 평균강우강도 (mm/hr)
A
: 유역면적 (㎢)
C
: 유출계수
또한 합리식의 홍수도달도시간은 평지하천에 적용도가 높은 Kraven씨 표값과 산지하천에 적용도가 높은 것으로 알려진 Rizha 공식을 종합적으로 고려하여 결정한다.
유 출 계 수 (C)
구 분
C 의 값
포 장 면
0.9
급 경 사 의 산 지
0.8
답 , 급 경 사 의 경 작 지
0.8
완 경 사 의 구 릉 지 경 작 지
0.7
시 가 지
0.7
평 탄 한 구 릉 지 의 경 작 지
0.6
평 탄 한 경 작 지
0.5
산 림
0.3
조 밀 한 잡 목 지 역
0.2
K r a v e n 의 값
하 천 경 사 : I
홍 수 도 달 속 도 : W
1 > 1/100
W₁= 3.5 m/sec
1/100 > 1 > 1/200
W₂= 3.0 m/sec
1 > 1/200
W₃= 2.1 m/sec
여기서, L,ℓ
: 상시 하곡을 이루는 최원지점부터 유출을 구하고자 하는 지점
까지의 수평거리 (km,m)
H
: 최원지점과 배수지점과의 표고차 (m)
W1, W2
: 홍수도달속도 (m/sec,km/hr)
2) 표준유출법 (Standard Runoff Method), 4km2 ≤ A < 40km2
유역면적이 4.0km2 이상, 40.0km2 이하 일때에 적용하는 식은 다음과 같다.
Qd = RF × LF × FF × Q
여기서, Qd
: 설계유출량 (m3/sec)
RF
: 강우계수
LF
: 지역계수
FF
: 생기빈도계수
Q
: 표준유출율
본 방법은 유역면적이 4～40km2의 중소하천의 유출량 측정자료를 근거로하여 유역면적과 유출량의 관계를 통계적으로 구하여 표준유출량으로 하고, 지역별 강우량분포, 지형조건, 확률빈도 등을 감안하여 조정, 설계유출량으로 하는 방법이다.
지 역 계 수 LF (Land Factors)
구 분
지 역 계 수
비 고
평탄한 지형, 약간의 구릉지
0.8
구 릉 지
1.0
산 지
1.2
급경사의 산지
1.4
생 기 빈 도 계 수 (Frequency Factors)
구 분
확 률 빈 도 계 수
비 고
5년 확률
0.60
10년 확률
0.75
25년 확률
1.00
50년 확률
1.25
100년 확률
1.60
3) 수문곡선 추적법 (Envelope Hydrograph)
유역면적 40km2 이상이 되는 장대하천에 대한 계획홍수량은 주요 하천의 수문관측소 자료를 Webull-Plot 방법에 대한 확률홍수량과 유역특성과의 다량상관 분석을 행하여 유역면적과 유출량과의 관계곡선을 작성한 것으로 수정수문곡선을 이용하여 구한다.
다. 설계빈도 적용
구조물의 종류별 설계빈도 적용기준은 다음과 같다.
◦ 교 량
∙ 소 교 량 - 50년
∙ 장 대 교 - 100년 (L≥100m)
◦ 암거 및 배수관 : 25년
◦ 측 구 : 5년
◦ 노면배수 : 3년
4.1.4 배수시설 수리계산
가. 설계자료
◦ 설계유량(Qd)의 산출은 합리식 (Qd = 0.278CIA)
◦ 구조물의 연장 (L)
◦ 구조물의 구배 (So)
◦ 도로의 계획고 및 하천제방의 높이를 감안하여 유입구 사용 최고수위(HW) 결정
◦ 자연하천의 최고유속
나. 구조물의 규격 결정
구조물 유입구 부근의 수위(A.H.W)와 구조물의 높이(D)와의 비가 1.2 정도가 되도록 도표를 사용하여 구조물의 규격을 가정한다.
다. 구조물 입구 조건에 의한 수위 산출
도표를 사용하여 가정한 구조물에 대한 유입구의 수위(H.W)를 구하고 허용 최고수위(A.H.W)보다 클 때는 구조물의 규격을 변경 계산을 반복하여 결정
라. 구조물 출입조건에 의한 유입구 부분의 수위(H.W)는 다음 식으로 결정
H.W = H + ho + So L
여기서, H.W : 구조물 출입조건에 의한 입구부근의 수위
H : 수위의 감소
ho : 출입구조물 바닥에서 Hydraulic Grade Line까지의 높이를 다음 값
중에서 큰 값을 취하였다.
또는 ho = 0.75D (배수관의 경우)
ho = 0.80D (암거의 경우)
단, dc는 임계수위로 사용하여 구하였음.
So : 구조물의 구배
L : 구조물의 연장
마. 수위(H.W)의 검토 및 규격 변경
구조물의 유입구 조건으로 구한 수위가 유출구 조건으로 구한 수위보다 큰 경우에는 입구부근의 수위는 구조물의 유입구 조건에 의하여 결정되며 출구조건으로 구한 수위가 클 경우에는 유입구 부근의 수위는 출구조건에 의하여 결정하였다.
4.1.5 배수시설 설계
본 설계구간의 배수시설물은 현장조사, 배수구조물 합동조사 및 협의된 자료를 참고로 설계하였으며, 그 내용은 다음과 같다.
가. 암거 및 횡단배수관
◦ 암거 및 배수관은 일반적으로 토사 등의 퇴적에 의한 단면의 축소등을 고려하여 20%의 단면적의 여유를 두었으며, 암거의 최고수위는 포장층보다 낮게 하였다.
◦ 암거의 경사는 자연경사로 하되 가능한 한 0.5% 보다 완만하게 하지 않도록 하였다. (최소경사 0.3%)
◦ 암거의 신설규격은 1.5×1.5 이상으로 하였다.
◦ 암거의 내면은 유수저항을 최소로 하기 위하여 평활하게 하였다.
◦ 배수관의 경우 침식 및 유지관리를 고려해서 최소규격은 Φ800m/m을 원칙으로 하고 종배수관이나 부체도로 횡배수관, 관경의 크기가 제한을 받는 곳에는 최소 600～1,200m/m로 계획하였다.
◦ 유속은 토사의 침전과 내측의 마모 및 유출구의 세굴을 방지하기 위하여 0.6～3.0m/sec의 범위가 되도록 설계하는 것이 좋으나 편절, 편성, 비탈면 성토지역 등 지형상 부득이하여 유속이 커질 경우 유출부에 세굴과 침식방지를 위하여 유속감세공, 차수공, 수로보호용(Con'c)등을 설치하였다.
나. 종단배수관
기존 농로 및 도로분기 구간과 측구의 신설로 전, 답에 경작장비의 출입이 어려운 곳 등에 설치하였으며, 최소규격은 Φ600m/m로 하였다.
다. 설계기준
1) 암 거
◦ 암거 구조단면 설계는 강도설계법을 적용
◦ 암거구조도면은 표준도(한국도로공사)를 사용하였으며 표준도에 없는 것은 규격별로 구조계산을 하여 설계하였다.
◦ 본선상에 설치되는 암거중 피복토가 적어 암거구조물 상단이 노상층 이상에 위치할 경우 암거본체와 흙쌓기 접속부에 발생이 예상되는 단차를 방지하기 위하여 암거벽체 배면에 받침구조물을 설치하고 접속스라브(Approach Slab)를 설치토록 한다.
◦ 암거 사각이 15°이상인 구간에는 사각부 보강철근을 가산하여 취약부분인 사각부를 보강하였다.
2) 횡단배수관
◦ 배수관은 종래에 사용되어 온 현장제작 콘크리트(R.C)관, 원심력 철근 콘크리트관, 진동 및 전압 철근 콘크리트관(V.R) 및 파형강관(CORRUGATED STEEL PIPE)이 있다. 이들은 각각 서로의 특징을 지니고 있으므로 그 특징을 최대한 고려하여 적절한 설치위치, 공사기간 및 현장여건을 충분히 검토하여 진동 및 전압 철근콘크리트관(V.R관)으로 선정 사용하였다.
배 수 관 종 류 별 비 교
구 분
원심력 철근 콘크리트 관
현 장 제 작 콘크리트 관
파 형 강 관
V. R 관
피토고
∘관경에 따라 2.0m～5.0m까지 사용가능
∘관경에 따라 1.0m～16.0m까지 사용가능
∘관경에따라30.0m까지 가능
∘관경에 따라 외압 16t/m3까지 사용가능
특 징
∘계산결과Φ200mm의 경우 토피2.0m Φ800mm의 경우 5.0m이상에서 균열이 생김
∘운반과정에서 파손이 생김
∘노면배수용으로는 가능하지만 높은 성토고의 도로에서 요구되는 응력에 미치지 못함.
∘현장타설이므로 시공상 품질관리에 주의
∘공기가 길어지는 단점이 있음
∘도로에서 요구되는 응력에 따라 두께, 철근량을 조정하여 사용이 가능
∘외압강도가 우수하고 점하중으로 인하여 변형 또는 파괴되지 않음
∘기존 배수관의 연결부위에 약점이 있음
∘시공이 간편
∘화기에 약함
∘외압강도가 우수하고 부식 저항성이 매우 우수
∘내면이 평탄하고 제품의 규격이 일정
∘수밀성이 좋으며 충격에 강함
∘노면하중, 토압에 대하여 응력이 강하며 변형이 없음
∘유지관리가 용이하며 RUBBERRING 설치 가능
건의안
○
적 용
○
◦ 횡배수관 설계시 토피 H = 5.0m 이상인 구간에 대하여는 고성토가 되므로서 배수관의 균열 및 파괴가 예상되어 배수관 보호시설을 보강토록 하였다.
4.2 통로암거 설치현황
본 계획도로로 인하여 농로 및 마을연결로가 두절되는 것을 피하고 차량주행의 원활함과 주민의 안전과 편의를 도모하기 위하여 통로암거를 설치하였으며 특히 장래 개발가능성 및 면도이상의 도로에는 2@5.0×5.0 규격의 통로BOX를 계획하였고, 모든 통로 BOX 규격을 최소 3.0×3.0m 이상으로 계획하여 주민이용에 불편이 없도록 하였다.
4.3 노면배수 및 측구
4.3.1 개 요
도로의 노면배수를 위하여 도로의 표준횡단구배를 2%로 하고 성토부는 다이크로 유도하여 배수관 및 도수로로 연결하여 외부로부터 도로 본체로 침입하는 유입수를 막도록 하였다. 절토부에는 노견끝에 L형 측구를 설치하여 노상에 침투하는 지하수를 차단하고 지하수위를 낮추기 위하여 측구 밑에 맹암거를 설치하여 도로법면에서 유입되는 침투수를 처리토록 하여 도로 본체를 보호하도록 하였다.
4.3.2 설계유량 결정
설계유량의 산출은 합리식을 사용하며 설계빈도는 다음과 같다.
∘ Qd = 0.278×C×I×A
∘ 측 구 : 5년
∘ 노면배수 및 기타 : 3년
4.3.3 노면배수시설
가. 토사측구
산지, 평지 및 농경지 등 용지확보가 유리한 구간에 설치하며, 흙쌓기 비탈면 끝에 위치하여 도로배수를 자연수로 연결시킨다.
나. V형 측구
L형 측구와 토사측구의 연결부분이나 땅깍기, 흙쌓기부에서 흙쌓기 비탈면에 단차가 심하고 세굴된 가능성이 많은 곳에 설치하며 현지 여건상 필요한 구간에 설치할 수 있다.
다. L형 측구
노면 및 땅깍기 비탈면의 배수 및 도로보호의 목적으로 설치한다. 각 형식별 적용기준은 다음표와 같으며 지역여건 및 측구연장 등에 따라 시공성 및 미관을 고려 적절한 형식을 선정할 수 있다.
L 형 측 구 형 식
구 분
형 식
설 치 기 준
비 고
TYPE - 1
- 토사, 리핑암 및 발파암 절토구간에
절토고가 10m 이하에 설치
TYPE - 2
- 발파 절토구간에 절토고가 10m
이상에 설치
TYPE - 3
- 성토부 다이크
TYPE - 4
- 부체도로, 진출입로에 설치
라. 산마루 측구
땅깍기부 비탈면 정상 끝단에서 2.0m 벗어난 지점에 설치하며 지형상 필요한 곳에만 설치토록 한다.
마. 땅깍기 비탈면 소단 측구
20.0m 이상의 땅깍기 비탈면 소단 3.0m 끝에서 50.0cm지점에 U형측구(300×300)을 설치하여 우수등에 의하여 비탈면이 침식되거나 활동하는 것을 방지한다.
종단구배에 따라 배수처리하는 것을 원칙으로 하고 20.0m 이상 땅깍기 구간이 끝나는 곳에서는 산마루측구와 연결 또는 방류하여 비탈면이 유실되지 않도록 설치한다.
바. 지하배수 (맹암거)
지하배수 시설은 노면하의 지하수위를 저하시켜 포장체의 지지력을 확보하고 도로에 접근하는 사면, 옹벽 등의 파괴를 방지하기 위해 설치한다.
기존 국도가 개통후 예상했던 바와는 달리 성토구간보다 절토구간에서의 포장파괴가 심했던 것은 지하배수 불충분에서 나타난 결과라 하겠다. 일반적으로 흙은 함수량이 증가하면 강도가 감소하므로 지지력을 유지시키기 위해서 물의 침입을 방지하도록 하여야 한다. 노상에 침투하는 지하수를 차단하기 위하여 또는 지하수위를 낮추기 위해 절토부 길어깨 L형 측구밑에 지하배수구를 설치하였다.
지하배수구 TYPE별 적용기준
구 분
형 식
사 용 구 간
비 고
TYPE - 1
∘절토부 L형 측구 밑에 유공관 맹암거를 토사구간에 설치
부직포 사용
TYPE - 2
∘절토부 L형 측구 밑에 유공관 맹암거를 리핑암, 발파암 구간에 설치
-
사. 집수정 설치
집수정 설치는 절토부에 L형 측구의 배수량이 부족할 경우 설치하였다.
절토부에 설치되는 집수정의 간격은 절토부의 높이에 따라 우수량이 변하므로 최대간격을 일정하게 결정할 수 없으며, 따라서 절토부의 폭원을 변화시켜 수리계산하여 L형 측구의 배수용량을 검토한 후 결정하였다.
본 설계구간에서는 표준구간의 집수정 최대간격을 유지관리측면을 고려하여 50.0m로 설계하였다.
S : 절토부 집수정 간격 (M)
Q : L형 측구의 배수용량(m3/sec)
C1 : 0.9 (포장면)
C2 : 0.6 (절개부)
아. 성토부 도수로
성토부 도수로는 다이크에 의해서 모인 노면수를 배제하기 위하여 설치하며, 그 간격은 다이크의 배수용량을 검토하여 표준구간 최소 20m, 최대 100m, 노견의 물만을 배제할 경우 최대 200m로 하였다.
흙쌓기부 도수로의 간격은 다음 식으로 계산한다.
여기서, S : 흙쌓기부 도수로의 간격 (M)
Q : 길어깨(또는 측구)의 허용통수량 (m3/sec)
(Manning 공식으로 계산한 최대통수량의 80%)
C : 유출계수 (0.9로 함)
γ : 설계 강우강도 (mm/hr)
W : 집수폭 (M)
도수로의 설치는 설치위치에서 직접콘크리트를 타설하여 설치하는 방법과 현장부근에서 제작하여 제작된 콘크리트제품을 현장에서 운반 설치하는 방법이 있지만 본 설계구간에서는 현장타설 콘크리트로 설계하였다.
자. 길어깨 배수시설
L형 측구의 통수능력은 도수로 및 집수정 설치간격을 결정하는 가장 중요한 요소이다.
노면에 유입된 유출량이 측구의 통수능력을 초과하는 곳에서는 도수로 및 집수정에 의한 종방향 배수관을 설치하여 측구의 물을 밖으로 배제하여야 한다.
차. 유량 Q의 계산
Q = 1/360×C×γ×A (A < 4.0km2 : 합리식)
여기서, Q : 유량 (m3/sec)
γ : 평균강우강도 (mm/hr)
A : 유역면적 (m2)
C : 유출계수
여기서, 강우강도를 결정하는 도달시간은 계산상 1분이 되지 않으나, 최소 도달시간은 0.166Hour (=10min)로 정하고 있으므로 강우강도시간은 10분으로 하고 3년마다의 강우강도를 사용한다.
◦ 권역별 확률 강우강도식 (지역 Ⅰ, 3년 강우강도)
= 117.3mm/hr
① 성토부 다이크 도수로인 경우
② L형 측구인 경우
W1 : 도로의 폭원 (m)
W2 : 절개부의 폭원 (m)
C1 : 유출계수 (포장면 : 0.9)
C2 : 유출계수 (절개지 : 0.6)
S : 집수정의 설치간격 (m)
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