KR101311000B1

KR101311000B1 - 지하수 굴착공 국소배출 및 침전 토사 제거를 위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101311000B1
Application number: KR1020130003641A
Authority: KR
Inventors: 조희남; 최성욱; 박상진; 조은섭; 이병대; 이달희; 김창옥
Original assignee: 주식회사 지앤지테크놀러지
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2013-01-11
Publication date: 2013-09-24

Abstract

본 발명은 지하수 굴착공 국소배출 및 침전 토사 제거를 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 지하수 굴착공의 공벽과 지하수 수맥에 물리적 충격을 최소화 하면서 지하수 굴착공 바닥에 쌓인 토사류를 외부로 배출 제거할 수 있도록 하되 고심도 지하수 굴착공의 경우에도 효율적으로 토사류 배출 제거가 용이하도록 한 것이다.
본 발명에 의한 지하수 굴착공 국소배출 및 침전 토사 제거를 위한 장치는, 압축공기 공급수단과; 지중에 형성된 굴착공의 바닥부를 포함하는 내부에 삽입되며, 상기 압축공기 공급수단으로부터 공급받은 압축공기를 상기 굴착공의 바닥부에서 상부로 분사하여 압력차에 의해 상기 굴착공의 바닥부에 쌓인 토사를 흡입 및 지상으로 압송하는 이젝터수단과; 상기 이젝터와 연결되어 상기 이젝터에 공급되는 압축공기의 압력과 압축공기공급량을 조정하여 공급될 수 있도록 한 정압밸브장치와; 상기 이젝터수단과 연결되어 상기 이젝터수단에 의해 압송되는 토사를 배출하는 배출수단과; 상기 배출수단에 의해 배출되는 토사를 저장하는 토사 저장수단으로 구성된다.

Description

지하수 굴착공 국소배출 및 침전 토사 제거를 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR REMOVING LOCAL EMISSION AND PRECIPITATED SAND OF UNDERGROUND WATER EXCAVATION WORK}

본 발명은 지하수 굴착공 국소배출 및 침전 토사 제거를 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지하수 굴착공(지하수 관정, 지하수 수질측정망, 지열 지중열교환기 굴착공 등)의 일부 오염에 의해 탁도가 극심한 구간에 대한 오염지하수 국소배출과 바닥에 쌓이는 토사류를 지하수 굴착공에 물리적 충격을 최소화 하면서 외부로 배출 제거하여 청소할 수 있도록 하여 지하수 굴착공의 운용의 효율성을 제고하도록 한 지하수 굴착공 국소배출 및 침전 토사 제거를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

호수나 댐건설을 통한 인공호수, 하천이나 강물 등 지표수는 인류의 물 사용량의 폭발적인 증가로 이미 그 고갈이 예견되고 있으며 한국 역시 미래의 물 기근 국가로 분류되어 있는 실정이다. 이에 따라 지하수는 미래 인류의 새로운 수자원으로서 조명되고 있으며 한국 또한 지하수의 사용량이 계속 증가 추세에 있어 그 사용량 비율이 전체 용수 사용량의 약 10%에 육박하고 있으나 선진각국의 개발 현황과 대비하여 보면 향후 국내 지하수 사용 비율은 지속적으로 증가되어 20%를 상회할 것이라는 예측이 가능하여 현재의 지하수 사용량에 비해 약 2.5배가 넘는 약 60억톤의 개발 잠재량을 보유하고 있다고 분석되고 있다.

그러나 후세에 길이 물려줄 지하수가 개발과정과 사용과정에서 제대로 관리되지 못함으로써 국가의 중요한 지하자원의 하나인 지하수가 고갈되어지고 재개발에 따른 무분별한 굴착 등으로 인해 황폐화 되어 가고 있다는 것은 국가적 재앙이라 해도 과언이 아닐 것이다.

지하수는 통상 개발된 후 약 5-10년이 경과하게 되면 지하수가 풍성히 잔존 매장되어 있는 상황에서도 지하수 심정 내로 지하수가 유입되는 수로인 수맥이 지하수와 함께 유입되는 토사 슬러지 등에 의해 점차 막혀가고 종국에는 연결된 수맥이 차폐되어 채수되는 지하수가 급감하게 됨으로써 사용이 어려워져 폐공처리하게 되어지곤 하였다. 또한 지하수 심정을 정기적인 청소를 시행하지 않음으로써 지하수 심정 내벽은 물때등 오염물질로 덮히게 되고 수맥을 따라 유입된 토사 슬러지가 지하수 심정 바닥에 쌓이게 되어 심할 경우 지하수 심정 펌프에까지 이르러 지하수 수질을 악화시킴은 물론 심정 펌프가 손상을 일으키는 경우도 발생하곤 하였다. 종래 압축공기를 지하수 심정 내에 주입하여 압축공기의 부양력과 팽창력을 이용한 써징이라는 작업을 시행하여 지하수 심정의 청소와 막힌 수맥을 뚫기 위한 효과를 얻고자 하였으나 이 또한 데이터상 확실한 효과를 기대하기 어려웠다.

특히 신.재생에너지 중 지열시스템에서 일반 지하수 관정과 운용 형태면에서 유사한 개방형 지열 시스템의 경우에는 지열 굴착공에 쌓이는 토사류로 인해 지중 열교환기 내에서 내부케이싱의 스트레이너 설치구간을 막아 지하수의 흐름에 장애를 발생시킴으로써 지열 시스템 전체의 운용에 막대한 지장을 초래하는 경우도 발생되곤 한다.

따라서 정기적으로 지하수 굴착공 바닥에 쌓이는 토사류는 사후관리라는 법적제도의 충족을 위해서 뿐 아니라 정상적인 시설 운용 및 이용을 위해서도 정기적으로 청소를 하여 외부로 배출시켜 주어야 하는데 청소의 방법으로서는 고압의 압축공기를 강제로 지하수 바닥까지 투입하여 압축공기의 부력을 이용하여 토사류를 외부로 배출시켜주는 방법을 사용하여 왔다.

그런데 이러한 방법은 고압의 압축공기가 지하수 굴착공벽과 지하수 수맥에 까지 강한 영향을 미치게 되어 지하수 공벽이 불안정해져서 무너지거나 지하수 수질에 악형향을 주는 문제점이 있었다.

다른 방법으로서는 압축공기를 이용한 이젝터를 사용하는 것으로서 통상의 이젝터는 100m 이내의 저심도에서는 효과적으로 토사류 청소가 가능한 편이나 200m이상의 고심도 지하수 굴착공에 적용할 경우 높은 압력의 공기압축기가 필요하게 되며 토사류의 배출효율도 높지 않은 문제점이 있었다.

또한, 지하수 굴착공 일부 구간에서 내부케이싱에 대해 천공을 하거나 지하수 굴착공의 공벽에 대해 물리적 작업을 진행하게 될 경우 천공칩이나 공벽에서 박리된 미세물질로 인해 지하수의 탁도가 극심하게 높아져 수중카메라를 통한 내부 확인 및 감시가 불가능하게 되는 경우가 허다하였다. 따라서 이러한 작업구간에 대한 국소배출을 위한 장치의 필요성이 대두되고 있다.

공개특허 제10-1996-0007469호 실용신안등록 제20-0351612호 등록특허 제10-0714431호 등록특허 제10-338257호 등록특허 제10-0651052호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 지하수 굴착공의 공벽과 지하수 수맥에 물리적 충격을 최소화 하면서 일부 오염으로 인해 탁도가 극심한 구간에 대한 오염지하수 국소배출과 지하수 굴착공 바닥에 쌓인 토사류를 외부로 배출 제거할 수 있도록 하되 고심도 지하수 굴착공의 경우에도 효율적으로 토사류 배출 제거가 용이한 지하수 굴착공 국소배출 및 침전 토사 제거를 위한 장치 및 방법을 제공하려는데 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 지하수 굴착공 국소배출 및 침전 토사 제거를 위한 장치는, 압축공기 공급수단과; 지중에 형성된 굴착공의 바닥부를 포함하는 내부에 삽입되며, 상기 압축공기 공급수단으로부터 공급받은 압축공기를 상기 굴착공의 바닥부에서 상부로 분사하여 압력차에 의해 상기 굴착공의 바닥부에 쌓인 토사를 흡입 및 지상으로 압송하는 이젝터와; 상기 이젝터와 연결되어 상기 이젝터에 공급되는 압축공기의 압력과 압축공기공급량을 조정하여 공급될 수 있도록 한 정압밸브장치와;상기 이젝터에 의해 압송되는 토사를 배출하는 배출수단으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 지하수 굴착공 국소배출 및 침전 토사 제거를 위한 장치 및 방법에 의하면, 종래 고압의 압축공기을 주입하여 지하수 굴착공 바닥에 토사류를 제거할 경우 지하수 공착공벽과 지하수 수맥에 물리적 충격이 강하게 작용하여 악 영향이 미쳤던 반면 본 발명에서는 직접적인 물리적 충격없이 지하수 굴착공 바닥의 토사류 배출.제거가 가능할 수 있게 되며 일부 오염에 의해 탁도가 극심한 구간에 대한 오염지하수 국소배출이 가능하여 지하수 굴착공 내부 작업구간의 탁도를 개선하여 작업 효율성을 크게 높일 수 있게 된다.

또한, 이젝터를 2개 이상 다단으로 설치하여 구성하게 되며 각각 다른 심도에 설치된 이젝터에 적정 압력을 유지시켜주도록 구성된 정압밸브장치를 설치하여 운용하게 됨으로써 통상 200m 이상 또는 개방형 지열 지중 열교환기의 설치심도인 500m에 이르는 고심도 지하수 굴착공에 대하여서도 효율적이고 완벽한 지하수 굴착공 바닥 토사류 배출 제거 청소가 용이한 기술확보가 가능하게 되는 효과를 갖게 된다. 따라서, 지하수 관정의 사후관리(에어써징등) 과정에서나 지하수 이용과정에서 지하수 굴착공 바닥에 쌓인 토사류 제거가 이루어지지 않음으로써 발생되었던 지하수 관정과 수질측정망 관정 및 지열 지중열교환기 굴착공의 기능확보와 성능개선 효과를 얻을 수 있게 되어 관련 산업발전에 크게 기여하게 될 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 지하수 굴착공 침전 토사 제거 장치의 개요도.
도 2는 본 발명에 의한 지하수 굴착공 침전 토사 제거 장치에 적용된 이젝터의 설치 상태를 도시한 확대도.
도 3은 본 발명에 의한 지하수 굴착공 침전 토사 제거 장치에 적용된 제1이젝터의 설치 상태 평면도.
도 4a와 도 4b는 각각 본 발명에 의한 지하수 굴착공 침전 토사 제거 장치에 적용된 제1,2이젝터의 구성을 보인 단면도.
도 5는 본 발명에 의한 지하수 굴착공 침전 토사 제거 장치에 적용된 정압밸브의 예시도.
도 6은 본 발명에 의한 지하수 굴착공 침전 토사 제거 장치에 적용된 토사 저장수단의 예시도.
도 7은 본 발명에 의한 지하수 굴착공 침전 토사 제거 장치에 압력관이 적용된 예시도.
도 8은 본 발명에 의한 지하수 굴착공 침전 토사 제거 장치에 적용된 토사 저장수단의 다른 예시도.
도 9는 본 발명에 의한 지하수 굴착공 침전 토사 제거 장치에 적용된 이젝터의 단면도.
도 10 내지 도 12는 각각 본 발명에 의한 지하수 굴착공 침전 토사 제거 장치에 적용된 이젝터의 다른 예를 도시한 사시도, 단면도, 평면도.
도 13은 본 발명에 의한 지하수 굴착공 침전 토사 제거 장치에 3개의 이젝터가 적용된 예시도.

도 1에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 따른 지하수 굴착공 침전 토사 제거 장치는, 압축공기를 공급하는 압축공기 공급수단(10)과; 압축공기 공급수단(10)으로부터 공급되는 압축공기를 지중의 굴착공(1) 내부에 분사하여 굴착공(1)의 바닥부에 쌓인 토사를 제거하여 압송하는 것으로 1개 이상의 이젝터 바람직하게 2개 이상의 이젝터(20,30)[이하에서는 제1,2이젝터(20,30)를 예로 들어 설명함]로 구성된 이젝터 수단과; 상기 이젝터와 연결되어 상기 이젝터에 공급되는 압축공기의 압력과 압축공기공급량을 조정하여 공급될 수 있도록 한 정압밸브장치와; 상기 이젝터 수단에 의해 압송되는 토사(지하수 포함)를 지상으로 배출하는 배출수단(40)으로 구성된다.

압축공기 공급수단(10)은 공기 압축기(11), 공기 압축기(11)에 의해 압축된 압축공기를 제1,2이젝터(20,30)에 공급하는 제1,2압축공기관(12,13)으로 구성된다. 공기 압축기(11)에서 압축된 압축공기를 제1,2압축공기관(12,13)에 균등한 압력[여기서 균등한 압력은 제1이젝터(20)에 의해 압송되는 토사가 제2이젝터(30)에 의해 원활하게 배출되도록 하기 위한 압력을 말함]으로 분배할 수 있도록 정압밸브(14)가 구성될 수 있다. 물론, 압축공기가 정압밸브(14)를 통해 제1,2압축공기관(12,13)에 분배되지 않고 제1,2압축공기관(12,13)이 각각 공기압축기(11)에 연결될 수도 있다.

제1이젝터(20)와 제2이젝터(30)는 각각 제1,2압축공기관(12,13)을 통해 압축공기를 공급받지만, 상호 간에는 하나의 배출 라인을 구성하도록 배출수단을 통해 연쇄적으로 연결된다. 즉, 굴착공(1)의 바닥부에 배치되는 제1이젝터(20)에 의해 굴착공(1)의 바닥에 쌓인 토사가 제2이젝터(30)에 압송되고, 제2이젝터(30)는 제1이젝터(20)에 의해 압송된 토사를 토사 저장수단으로 압송하여 배출한다.

제1이젝터(20)는 압축공기를 이용하여 굴착공(1)의 바닥부에 쌓인 토사를 제거하는 것으로, 압축공기를 토사에 직접 분사하는 방식이 아니라 압력차에 의해 토사를 흡입하여 압송하는 방식이기 때문에 굴착공(1)의 균열과 수맥의 변화를 주지 않으며 다음과 같이 구성된다.

도 4a에서 보이는 바와 같이, 제1이젝터(20)는, 내부에 벤추리형 유로(21a)가 구비된 이젝터 바디(21), 제1압축공기관(12)과 연결되어 압축공기를 공급받으며 이 압축공기를 이젝터 바디(21)에 분사하는 이젝터 노즐(22)로 구성된다.

벤추리형 유로(21a)는 도면에서 보이는 것처럼, 이젝터 바디(21)의 중앙부에 유로의 단면적이 좁아지는 형태로 형성될 수 있고, 이젝터 바디(21)의 단부에 유로의 단면적이 좁아지는 형태로 형성될 수도 있다.

이젝터 바디(21)는 원통형의 몸체 내부에 벤추리 유로(21a)가 구성된 것이며, 둘레부에 이젝터 노즐(22)을 삽입 설치하기 위한 홀이 가공된다.

이젝터 노즐(22)은 압축공기를 유입받아 분사할 수 있는 관형으로서 일측의 유입단이 제1압축공기관(12)과 연결되고 타측의 토출단이 벤추리형 유로(21a)의 앞쪽(단면적이 좁은 부분의 하류)에 상부를 향해 개방되도록 배치되어 압축공기를 저부에서 상부로 고압 분사한다.

이때 일측의 유입단은 통상의 엘보우로 구성하게 될 경우 곡률반경으로 인해 설치시 필요하는 직경 공간이 지나치게 크게 될 수 있어 유입홀(23a)을 내부에 가공한 연결블록(23,33)으로 제작하여 이젝터바디(21)에 고정하거나 이젝터바디(21) 몸체 측면에 유입홀(23a)을 일체로 가공하여 구성되도록 하였다.

이와 같은 구조에 따라 이젝터 노즐(22)에서 고압의 압축공기를 분사하면 베르누이의 법칙에 의해 이젝터 노즐(22) 후단의 압력은 낮아지게 되고 이로 인해 강한 흡입력이 형성되며, 이 흡입력으로 제1이젝터(20)는 지하수 굴착공(1)의 바닥부에 있는 토사류를 흡인하여 제2이젝터(30)로 압송한다. 제2이젝터(30)는 제1이젝터(20)와 동일한 구조로서 제1이젝터(20)에 의해 압송되는 토사를 지상으로 배출한다.

또한 이젝터 노즐(22)에 공급되는 압축공기를 공급하기 위한 제1압축공기관(12)을 연결하기 위해 일반 배관용 엘보우를 사용하게 되면 곡률 반경이 커지게 되어 직경이 협소한 지하수 굴착공(1) 내부에 삽입 설치하는 것이 어려울 수 있으므로 이젝터 바디(21) 외주면에 엘보우의 기능을 하는 연결블럭(23)을 부착할 수 있다.

연결블럭(23) 내부에는 엘보우 형태인 "ㄱ" 자 형태의 유로가 형성되어져 있으며 일측에는 제1압축공기관(12)이 연결되며 타측에는 이젝터 노즐(22)이 연결된다.

특히 이젝터 노즐(22)은 벤추리 유로(21a)에 삽입길이를 조정할 수 있도록 제1압축공기관(12)[또는 연결블록(23)]과 연결되는 유입부(22a), 유입부(22a)에 거리 조정 내지 교체 가능하게 연결되어 압축공기의 분사압력을 조정하는 토출캡(22b)으로 분할 형성된다. 토출캡(22b)은 유입부(22a)에 나사 체결되어 유입부(22a)를 기준으로 하여 전후진함으로써 토출 위치를 조정하므로 결과적으로 압축공기의 분사압력을 조정할 수 있다.

제1이젝터(20)에 공급되는 압축공기의 압력을 조정하기 위하여 정압밸브(24)가 갖추어질 수 있다.

정압밸브(24)는 제1압축공기관(12)과 이젝터 노즐(22)의 사이에 연결되며 압력조정 노브(24a)에 의해 내부 유로의 통기면적이 변하게 되어 압축공기의 공급압력을 조정한다.

제1이젝터(20)는 굴착공(1)의 바닥부에 쌓인 토사를 직접 흡입하는 것이므로 유입부에 흡입 디퓨져(25)가 연결되어 사용될 수 있다. 흡입 디퓨져(25)는 토사를 유입하는 것이며, 제1,2이젝터(20,30)와 배출수단(30)의 폐색 방지를 위하여 일정 크기 이상의 토사가 유입되지 않도록 스크린이 구성될 수 있다.

한편, 제1이젝터(20)가 굴착공(1)의 바닥부에 정위치될 수 있도록 웨이트(26)가 구성된다. 웨이트(26)는 바람직하게 흡입 디퓨져(25)에 설치된다.

물론 하단의 제1이젝터(20)를 충분한 무게를 갖는 구조로 제작하여 동일한 효과를 구현할 수도 있으며 이러한 경우 제1이젝터(20)가 웨이트(26)의 기능과 범위를 포함한 것으로 간주되어야 할 것이다.

또한 웨이트(26)의 외주연에는 브러쉬(28)를 부착하여 제1이젝터(20)의 상승과 하강의 반복을 통해 지하수 굴착공 내벽의 세척이 가능하도록 하였다. 물론 브러쉬(28)는 제1이젝터(20) 상부 또는 하부 위치에 독립된 관체 형태로 설치될 수도 있음은 당연하다.

도 2와 도 3에 도시된 것처럼, 제1이젝터(20)의 이젝터 바디(21)의 둘레부에는 토사의 배출시 흔들림을 잡아줄 수 있도록 가이드(27)가 적용된다.

가이드(27)는 다수개가 원주방향을 따라 일정 간격을 두고 배열되어 제1이젝터(20)가 정해진 위치에 배치되도록 한다. 나아가서 가이드(27)는 굴착공(1)의 크기에 상관없이 제1이젝터(20)가 굴착공(1)의 정위치에 배열될 수 있도록 탄성부재(예컨대 판스프링)로 구성될 수 있다.

도 4b에서 보이는 것처럼, 제2이젝터(30)는 제1이젝터(20)와 동일한 구조로 이루어져, 제1이젝터(20)와 동일한 방식으로 부호를 부여하며, 단, 이젝터 바디(31)의 유입부가 제1이젝터(20)의 이젝터 바디(21)와 연결되어 제1이젝터(20)에 의해 압송되는 토사를 흡입하여 압송한다.

제2이젝터(30)는 배출수단(40)의 제1배출관(41)을 통해 제1이젝터(20)와 연결된다.

제1,2이젝터(20,30)를 2단으로 설치(2단 이상도 포함)하는 경우 동일한 압축공기관을 연결하게 되면 바닥부쪽에 가까운 이젝터에 공급되는 압력이 낮을 수밖에 없고 따라서 상부에 배치되는 제2이젝터(30)쪽으로 압축공기가 집중 공급되어지게 되고 설치심도가 보다 깊은 하단의 제1이젝터(20) 쪽으로는 제2이젝터(30)보다 적은 양의 압축공기(토사의 배출기능이 확보될 수 없는 압력)가 공급되는 문제가 발생될 수 있다.

이러한 문제를 없앨 수 있도록 제2압축공기관(13)에 분기티를 설치하여 상단의 제2이젝터(30) 쪽에 분기되는 제2압축공기관(13)에 정압밸브(34)를 설치한다.

정압밸브(34)는 상단의 제2이젝터(30)가 설치된 심도에서 공급되어지는 압축공기의 압력을 일정하게 조정하고 세팅하여 일정하게 공급함으로써 필요이상의 압축공기의 압력이나 압축공기의 량이 투입되지 않도록 하여 하단의 제1이젝터(20)로 압축공기가 정해진 압력이상을 유지하면서 원활히 공급되어질 수 있도록 한 것이다.

정압밸브는 공기압축기(11)에 연결하여 지상에 설치[도 1의 정압밸브(14), 또는 도 5의 정압밸브(14-1,14-2)]되어질 수 있으며 이 경우에는 각 이젝터(20,30)에 독립적으로 제1,2압축공기관(12,13)을 연결하여야 하며, 단일 압축공기관을 연결하는 경우에는 도 4b에서 보이는 것처럼, 상단의 제2이젝터(30)에 독립된 정압밸브(34)를 결합하여 동일한 기능을 갖게 할 수도 있다.

여기에서 정압밸브는 이미 주입압력이 세팅되어 있거나 조정장치가 부착되어 있는 밸브형태이며 글로우브밸브 등 개폐를 조절할 수 있는 밸브장치류를 모두 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

즉, 상기 정압밸브는 세팅된 고정압력에 의해 운용되어지는 것이 아니며 현장 여건에 따라 수시로 세팅압력을 조절할 수 있는 구조이며 통상의 압력조절밸브의 기능과 형태를 취하고 있되 충분한 압축공기의 유량을 확보할 수 있도록 한 구조로 이해하면 될 것이다.

또한, 상기 정압밸브는 압력조절과 함께 일정 유량의 압축공기의 량을 세팅할 수 있는 정유량밸브기능을 포함한 것으로 이해되어져야 할 것이다.

배출수단(40)은 제1이젝터(20)와 제2이젝터(30)를 연결하는 제1배출관(41), 제2이젝터(30)와 상기 토사 저장수단을 연결하는 제2배출관(42)으로 구성될 수 있다.

제1,2배출관(41,42)은 강관이나 고밀도 폴리에칠렌관 등을 사용하여 구성할 수 있으며 특히 고밀도 폴리에칠렌관을 사용하게 되는 경우에는 제1,2이젝터(20,30)에 고리를 사용하여 와이어(43,44)를 연결하여 하중을 견디게 하거나 인양시 윈치(45)를 이용하여 작업이 용이하도록 할 수 있다. 또한 고밀도 폴리에칠렌관을 사용하게 되는 경우에는 배출관 휠(46)을 사용하여 지하수 굴착공 내부에 삽입하거나 인양시 편리성을 높일 수도 있다.

한편 지상에 위치하는 제2배출관(42)에는 차단밸브(42a)를 설치하여 배출 도중 일시적으로 차단밸브(42a)의 차단과 개방을 반복함으로써 하단의 제1이젝터(20) 하부에 설치된 흡입 디퓨져(25)를 통해 고압의 압축공기가 분사할 수 있도록 함으로써 토사류가 지하수 굴착공(1) 바닥에 오랜 기간 침적되어 고형화됨으로써 흡입 디퓨져(25)로 흡인되기 어려운 형태가 되더라도 분쇄를 통해 흡인 배출이 용이하도록 할 수도 있으며 흡인과정에서 흡입디퓨져(25)나 제1,2배출관(41,42)이 토사류로 막힌 경우 역방향으로 압축공기를 강하게 주입하여 통수시키는 효과를 취할 수도 있다.

상기 토사 저장수단은, 배출수단(40)에 의해 배출된 토사를 저장하며, 이 토사는 토사와 지하수가 혼합된 혼합유체인 것이므로 토사와 지하수를 분리하여 지하수를 굴착공(1) 또는 다른 저장조에 환수하도록 구성되는 것이 바람직하다. 즉, 지하수를 계속 배출함으로써 지하수 수위가 낮아져 배출효율이 떨어지거나 지하수의 불필요한 유출로 인하여 굴착공 주변의 침수가 발생되는 문제가 발생되지 않도록 한다.

상기 토사 저장수단은, 도 6에서 보이는 바와 같이, 격벽(51)에 의해 서로 구획되는 토사 저장부와 지하수 저장부가 구비된 저장조(50), 저장조(500의 지하수 저장부에 저장되는 지하수를 굴착공(1)에 환수하는 환수관(52)으로 구성될 수 있다.

제2배출관(42)은 토출단이 저장조(50)의 토사 저장부에 대응하여 토사와 지하수의 혼합유체를 토사 저장부에 배출하고, 토사는 토사 저장부에 침전되고 지하수는 격벽(51)을 오버플로우하여 지하수 저장부에 옮겨진다. 또는 격벽(51)은 토사는 통과하지 못하는 크기의 스크린 형태일 수 있다. 물론, 토사 저장부에 저장된 토사를 배출할 수 있도록 배출관이 구성될 수도 있다.

도 8은 토사 저장수단의 다른 예로서, 내부에 저장공간이 구비되며 제2배출관(42)과 연결되어 제2배출관(42)을 통해 유입되는 토사와 지하수를 저장하되, 비중에 의해 토사가 바닥에 침전되도록 저장하는 밀폐형의 저장탱크(60), 저장탱크(60)의 바닥부에 연결되는 토사 퇴출관(61), 저장탱크(60)의 상부에 연결되며 저장탱크(60)에 저장된 지하수를 굴착공(1)에 환수하는 환수관(62)으로 구성된다.

저장탱크(60)의 상단에는 에어벤트(63)를 설치하여 굴착공(1)에서 배출된 압축공기를 배출하도록 한다.

지금까지는 제1,2이젝터(20,30)를 통한 압축공기에 의해 굴착공(1)의 토사를 지상으로 배출하는 것으로 설명하였으나, 굴착공(1) 내부의 지하수에 압축공기를 공급하면 지하수의 수압이 토사에 작용하여 제1이젝터(20)에 의한 배출이 증대되는 점에 착안하여 지하수 수면에 압축공기를 공급하도록 구성될 수도 있다. 도 7에서 보이는 것처럼, 굴착공(1)의 입구측에 덮개(2)에 의해 밀폐되는 밀폐형 케이싱(3)을 설치하고 케이싱(1)의 내부에 압축공기를 지하수 수면에 분사하는 압력관(70)을 설치한다.

한편, 제1이젝터(20) 상부의 지하수를 압축공기의 부양력으로 밀어 올리게 되고 이렇게 밀려 올라가는 지하수가 있었던 공간은 비워지게 되는데 지하수인 물은 비압축성이고 비수축성이 있는 특성이 있기 때문에 지하수가 있던 공간 즉 비워진 공간이 다시 채워질 수 있도록 강한 압축공기의 상승력에 반하여 제1이젝터(20) 하부에는 강한 흡인력이 형성되어지게 되는 것이다.

이러한 이젝터의 배출원리를 이용하게 될 경우 이젝터의 형태는 전술한 벤추리 유로를 갖는 이젝터 바디 및 이젝터 노즐을 배치하는 형태와 달리 도 10 내지 도 12에서 보이는 것처럼, 이젝터(80)는 토사 배출유로(81a)를 갖는 원통형의 내관(81), 내관(81)의 외주연에 형성되며 압축공기 토출부(82)를 형성하는 외관(83), 압축공기 토출부(82)에 압축공기를 공급하는 압축공기 유입부(84)로 구성되는 것이 바람직하다.

압축공기 토출부(82)는 토사 배출부(81a)의 둘레부에 원주방향을 따라 일정 간격을 두고 배열될 수 있고, 별도의 노즐이 결합될 수도 있다.

이러한 형태는 벤추리 유로를 갖는 이젝터 바디를 구성하는 경우 이젝터 노즐과 벤추리 유로 사이의 좁은 간극으로 인해 일어나는 토사에 의한 폐색을 방지할 수 있고, 내관(81)과 외관(83)을 결합한 이젝터의 경우에는 충분한 배출구경을 확보할 수 있어 운용 중 폐색의 우려가 전혀 없다.

내관(81)과 외관(83)은 상단과 하단이 각각 동일한 직경을 갖도록 하여 구성할 수 있으나 외관(83) 하부에는 압축공기가 내관(81)을 통해 다수의 압축공기 토출부(82)에 균등하게 분배되도록 볼륨을 확대한 포켓부(85)를 구성할 수도 있다.

내관(81)과 외관(83)의 상단부에는 격판 원형링을 설치하고 노즐을 구성하여 주입된 압축공기가 적정 압력을 유지하면서 노즐을 통해 분사되도록 할 수도 있다.

압축공기 토출부(82) 내지 노즐은 배출관 중심을 향해 분사될 수 있도록 분사각도를 셋팅하여 효율적인 배출이 이루어지도록 할 수도 있다.

도 13은 3개의 이젝터(20,30-1,30-2)가 사용된 예를 도시한 것으로, 가장 하단의 제1이젝터(20)는 공기압축기(11)와 부스터 컴프레서(15)를 통해 직접 연결될 수 있고, 상부의 제2,3이젝터(30-1,30-2)는 정압밸브 등을 통해 공기압축기(11)와 연결될 수 있다.

즉, 제1이젝터(20)가 고심도(예를 들어 500m)에 설치되는 경우 1차 압축된 공기를 직렬로 배관을 연결하여 가압하는 부스터 컴프레서(15)를 이용하여 재차 압축하여 고압력으로 생산된 압축공기를 제1이젝터(20)에 공급하여 고심도의 수압을 극복하고 배출이 이루어지도록 하는 한편 1차 압축된 압축공기는 분배하여 상단의 제2,3이젝터(30-1,30-2)에 공급되도록 함으로써 하단의 제1이젝터(20)의 배출이 더욱 용이하게 할 수 있다.

또한, 벤츄리 유로를 갖는 이젝터 바디와 이젝터 노즐을 구성한 이젝터의 경우에는 높은 흡입압력이 소요되지 않는 상단의 제2 또는 제3이젝터(30-1,30-2)의 경우에는 이젝터 바디와 이젝터 노즐의 설치간극을 넓게 하여 하단의 제1 또는 제2이젝터(20,30-1)에서 배출되는 지하수와 모래가 큰 저항없이도 낮은 압력에서 지하수의 배출이 용이하도록 할 수도 있다.

또한, 이젝터를 설치하여 고압의 압축공기를 주입하여 배출하는 경우 각 단의 이젝터의 경우에는 지하수 관정 수심에 따라 높은 압축공기 주입압력이 필요하였으나 본 발명에서와 같이 정압밸브장치를 설치한 다단 이젝터의 경우에는 순차적으로 이젝터를 작동시킬 경우 각 단에서 흡입력을 보상하여 주게 되어 통상의 이젝터보다 낮은 주입압력으로도 깊은 심도의 모래를 배출시킬 수 있게 된다.

물론, 상단의 이젝터의 가동에 따라 제2배출관(42) 내부에 담겨있는 지하수를 배출하게 됨으로써 하단 이젝터의 흡입 배출이 용이하게 되는 효과를 얻을 수 도 있다.

또한, 이젝터와 정압밸브는 각각 독립된 형태에서부터 한 몸체로 제작하여 운용할 수도 있다. 또한, 제1,2압축공기관(12,13)이 각각 독립적으로 설치되지 않고 이젝터와 정압밸브가 수중에 함께 설치되어져 도 2에서와 같이 상단의 제2압축공기관(13)과 하단의 제1압축공기관(12)이 연결되어 한 라인으로 구성되어지게 되는 경우에는 상단의 제2압축공기관(13)이 하단의 제1압축공기관(12)보다 그 직경을 크게 하여 압축공기의 유동저항을 줄일 수 있도록 하였다.

한편 정압밸브의 전단에는 체크밸브를 설치하여 고압의 압축공기에 의해 배출되는 지하수가 정압밸브로 유입되지 않고 차단될 수 있도록 한다.

상단의 이젝터와 하단의 이젝터는 설치심도에 따라 구분된 것이며 상단의 이젝터와 하단의 이젝터는 각각 1개 이상, 다수개로 이루어져 있을 수도 있다. 즉 상단 이젝터와 하단 이젝터를 합치게 되면 2개 이상 3개, 4개 등 다수개로 구성될 수도 있다.

본 발명에 의한 지하수 굴착공 침전 토사 제거 방법은, 지하수 굴착공 침전 토사 제거 장치의 압축공기 공급수단(10)과 토사 저장수단(50 또는 60)을 지상에 설치하고, 배출수단(40)과 함께 제1,2이젝터(20,30)를 굴착공(1) 내부에 삽입 설치하는 공정 - 지하수 굴착공 침전 토사 제거 장치의 압축공기 공급수단(10)을 통해 제1,2이젝터(20,30)에 압축공기를 공급하여 압축공기가 굴착공(1)의 저부에서 지상을 향해 흐르도록 분사함으로써 굴착공(1) 안에 있는 토사와 지하수에 상류를 향하는 흐름을 형성하여 굴착공(1) 안에 있는 토사를 지상의 토사 저장수단(50 또는 60)으로 배출하도록 하는 공정으로 이루어진다.

이때, 굴착공(1)의 심도에 따라 저심도에서는 제1이젝터(20)가 굴착공(1)의 바닥부에 배치되도록 설치하여 토사를 제거할 수 있고, 고심도의 경우 제1이젝터(20)를 일정 깊이씩 하강시켜 다단계에 걸쳐 토사를 제거할 수도 있다.

또한, 제1이젝터(20)에 의한 흡인 효율을 증대하기 위하여 굴착공(1) 안에 압축공기를 주입하여 굴착공(1) 안의 지하수를 가압함으로써 굴착공(1) 안의 지하수가 토사와 함께 제1이젝터(20)에 의해 더욱 신속하게 배출되도록 할 수 있다.

본 발명에서는 이젝터에 압축공기를 주입하는 예를 들어 설명하였으나 압축공기 대신 고압의 압축수를 사용하여 이젝터를 가동시키는 경우에도 동일한 효과를 거둘수 있음은 물론이며 따라서 압축수를 사용하는 경우에도 본 발명의 범위에 포함된 것으로 간주되어져야 할 것이다.

1: 굴착공, 2 : 덮개
3 : 케이싱,
10 : 압축공기 공급수단, 11 : 공기압축기
12,13 : 제1,2압축공기관, 14 : 정압밸브
20,30 : 제1,2이젝터, 21,31 : 이젝터 바디
22,32 : 이젝터 노즐, 23,33 : 연결블록
24,34 : 정압밸브, 25 : 흡입 디퓨져
26 : 웨이트,
40 : 배출수단, 41,42 : 제1,2배출관
43,44 : 와이어,
50 : 저장조, 51 : 격벽
52 : 환수관,
60 : 저장탱크, 61 : 퇴출관
62 : 환수관, 63 : 에어벤트
70 : 압력관,

Claims

압축공기 공급수단과;
지중에 형성된 굴착공의 내부에 삽입되며, 상기 압축공기 공급수단으로부터 공급받은 압축공기를 상기 굴착공의 외부인 지상측으로 분사하여 상기 굴착공의 바닥부에 쌓인 토사를 흡입 및 지상으로 압송하는 이젝터와;
상기 이젝터와 연결되어 상기 이젝터에 공급되는 압축공기의 압력과 압축공기공급량을 조정하여 공급될 수 있도록 한 정압밸브장치와;
상기 이젝터와 연결되어 상기 이젝터에 의해 압송되는 토사를 배출하는 배출수단과;
상기 배출수단에 의해 배출되는 토사를 저장하는 저장수단을 포함하고,
상기 이젝터는, 내부에 벤추리형 유로가 구비된 이젝터 바디, 일측의 유입단이 상기 압축공기 공급수단과 연결되어 압축공기를 공급받아 분사하되 타측의 토출단이 상기 이젝터 바디의 내부에 상기 굴착공의 상부를 향하도록 형성되어 압축공기를 상부로 분사함으로써 저부에 있는 토사가 상부로 상승 배출되도록 하는 이젝터 노즐을 포함하며,
상기 이젝터 노즐은 상기 압축공기 공급수단과 연결되는 유입부, 상기 유입부에 거리 조정 내지 교체 가능하게 연결되어 압축공기의 분사압력을 조정하는 토출캡으로 분할 형성되는 것을 특징으로 하는 지하수 굴착공 국소배출 및 침전 토사 제거를 위한 장치.
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청구항 1에 있어서, 상기 이젝터는 상기 굴착공의 바닥부에 근접 삽입되어 상기 굴착공의 바닥부에 쌓인 토사를 흡입하는 제1이젝터, 배출관을 통해 상기 제1이젝터와 1단 이상으로 연쇄적으로 연결되어 상기 제1이젝터에 의해 압송되는 토사를 지상에 설치되는 상기 저장수단에 배출하는 1개 이상의 제2이젝터를 포함하는 것을 특징으로 하는 지하수 굴착공 국소배출 및 침전 토사 제거를 위한 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 제1이젝터(20) 상부 또는 하부 위치에 세척용 브러쉬(28)를 설치한 것을 특징으로 하는 지하수 굴착공 국소배출 및 침전 토사 제거를 위한 장치.
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청구항 6에 있어서, 상기 제1이젝터의 하단부에 연결되며 상기 제1이젝터에 의해 분사되는 압축공기의 압력에 의해 상기 굴착공의 바닥부에 쌓인 토사를 흡입하는 흡입 디퓨져와 상기 흡입 디퓨져에 장착되는 웨이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 지하수 굴착공 국소배출 및 침전 토사 제거를 위한 장치.
청구항 6에 있어서, 상기 압축공기 공급수단은 다수의 이젝터에 압축공기를 공급하는 압축공기관이 한 라인으로 이루어지되, 상대적으로 상부에 배치되는 압축공기관은 상대적으로 하부에 배치되는 압축공기관보다 직경이 크게 형성되어 압축공기의 유동저항을 줄일 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 지하수 굴착공 국소배출 및 침전 토사 제거를 위한 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 굴착공의 상부를 밀폐 구성하고, 상기 굴착공 내부의 지하수에 압축공기를 공급하여 상기 굴착공 내의 토사를 밀어내는 압력관(70)을 포함하는 것을 특징으로 하는 지하수 굴착공 국소배출 및 침전 토사 제거를 위한 장치.
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청구항 1에 있어서, 상기 저장수단은, 격벽에 의해 서로 구획되는 토사 저장부와 지하수 저장부가 구비된 저장조, 상기 저장조의 지하수 저장부에 저장되는 지하수를 상기 굴착공에 환수하는 환수관을 포함하는 것을 특징으로 하는 지하수 굴착공 국소배출 및 침전 토사 제거를 위한 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 저장수단은, 내부에 저장공간이 구비되며 상기 배출수단의 배출관과 연결되어 상기 배출관을 통해 유입되는 토사와 지하수를 저장하는 저장탱크, 상기 저장탱크의 바닥부에 연결되어 상기 저장탱크 내에 침전된 토사를 배출하는 토사 퇴출관, 상기 저장탱크의 상기 토사 퇴출관보다 높은 곳에 연결되며 상기 저장탱크에 저장된 지하수를 상기 굴착공에 환수하는 환수관을 포함하는 것을 특징으로 하는 지하수 굴착공 국소배출 및 침전 토사 제거를 위한 장치.
청구항 1에 의한 지하수 굴착공 국소배출 및 침전 토사 제거를 위한 장치의 압축공기 공급수단을 지상에 설치하고, 이젝터를 지중의 굴착공 내부에 삽입 설치하는 제1단계와;
상기 지하수 굴착공 국소배출 및 침전 토사 제거를 위한 장치의 압축공기 공급수단을 통해 이젝터에 압축공기를 공급하여 압축공기가 상기 굴착공의 저부에서 지상을 향해 흐르도록 분사함으로써 상기 굴착공 안에 있는 토사와 지하수에 상류를 향하는 흐름을 형성하여 상기 굴착공 안에 있는 토사를 지상의 토사 저장수단으로 배출하도록 하는 제2단계와;
상기 제2단계를 통해 저장한 토사와 지하수를 분리한 후 분리된 지하수를 상기 굴착공에 환수하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지하수 굴착공 국소배출 및 침전 토사 제거를 위한 방법.
청구항 15에 있어서, 상기 굴착공 안에 상기 이젝터와 별개로 하여 압축공기를 주입하여 상기 굴착공 안의 지하수를 가압함으로써 상기 굴착공 안의 지하수가 토사와 함께 상기 이젝터에 의해 배출되도록 하는 가압단계가 포함되는 것을 특징으로 하는 지하수 굴착공 국소배출 및 침전 토사 제거를 위한 방법.
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