KR101841269B1 - 지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량 측정방법 - Google Patents

지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량 측정방법 Download PDF

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KR101841269B1 KR1020170071012A KR20170071012A KR101841269B1 KR 101841269 B1 KR101841269 B1 KR 101841269B1 KR 1020170071012 A KR1020170071012 A KR 1020170071012A KR 20170071012 A KR20170071012 A KR 20170071012A KR 101841269 B1 KR101841269 B1 KR 101841269B1
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권오일
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세명이엔시 (주)
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Abstract

지반굴착시 발생하는 지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량 측정방법이 개시된다. 지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량 측정방법은, 사각 박스 형상을 갖는 집수조와, 유출지하수가 흐르는 경로와 수직한 방향을 따라 상기 집수조 내에서 상향을 향해 배치되어 복수의 가두리 공간들을 정의하는 복수의 상향 격벽들과, 유출지하수가 흐르는 경로와 수직한 방향을 따라 상기 집수조 내에서 하향을 향해 배치되고, 유출지하수의 출렁임을 방지하는 복수의 하향 격벽들과, 토사량 측정을 위해, 유출지하수가 담겨지는 첫번째 가두리 공간의 바닥부에 배치된 받침부재를 포함하는 지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량 측정장치를 이용한 지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량 측정방법에서, 수위계로부터 수위데이터를 수신하는 단계; 상기 수위데이터와 삼각형 위어의 사잇각을 근거로 유출지하수량을 산정하는 단계; 유출지하수의 탁도데이터를 수신하는 단계; 및 상기 탁도데이터와 유출지하수량을 근거로 클레이를 포함하는 미립 토사유출량을 산정하는 단계를 포함한다. 이에 따라, 유출지하수와 함께 배출되는 토사는 집수조의 첫번째 가두리 공간의 바닥에 배치된 받침부재에 침적되고 토사가 제거된 순수 유출지하수는 삼각형 위어와 자동 수위 측정기를 이용하여 실시간 유량을 산정하므로, 지반굴착시 발생하는 유출지하수량과 토사유출량을 보다 효과적이고 효율적으로 정밀하게 측정할 수 있다.

Description

지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량 측정방법{MEASUREMENT METHOD OF GROUND WATER DISCHARGE AND SEDIMENT YIELD ACCORGING TO THE GROUND EXCAVATION}
본 발명은 지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량 측정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지반굴착시 발생하는 유출지하수량과 토사유출량을 보다 효과적이고 효율적으로 정밀하게 측정하기 위한 지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량 측정방법에 관한 것이다.
일반적으로, 다양한 형태의 건축물 시공시 상부 구조의 안정성 확보나 지하 공간의 활용 등을 위해 건축물 시공부지에 터파기 기초공사로서 지반 굴착 토공사를 시공하게 된다.
이러한 지반 굴착 터파기 공사는 최근에 이르러 지하 설계 깊이의 증가로 인해 지반침하 예방 등과 같은 안정성 확보에 대한 우려가 높아짐에 따라 철저한 지반조사를 통한 적정한 흙막이 시공방법을 채택하는 것이 토공사 계획의 관건이 될 수 있다.
이에 따라, 지반굴착시 발생되는 유출지하수량에 대한 측정이 요구된다. 즉, 지하수법 제9조의2(유출지하수의 이용 등), 지하수법 시행령 제14조의2(유출지하수의 용도), 지하수법 시행규칙 제9조의9(유출지하수의 이용등)에 의거 유출지하수량의 정확한 계측이 필요하다. 또한, 지하안전관리에 관한 특별법의 『지하안전영향평가 등』에서 지하수 유출량 등 지하수조사를 수행하도록 하고 있다.
이러한 유출지하수량에 대한 측정뿐 아니라, 토사유출량에 대한 측정도 요구되는 실정이다.
(문헌 0001) 한국등록특허 10-1563660 (2015. 10. 28.) (발명의 명칭 농경지 토사유출 모니터링을 위한 토사 채집장치) (문헌 0002) 한국공개특허 10-2005-0007232 (2005. 01. 17.) (발명의 명칭 상수소 배수지 유출수 수위 조절장치) (문헌 0003) 한국등록특허 10-1252242 (2013. 04. 05.) (발명의 명칭 초기 우수 처리형 빗물받이)
이에 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에 착안한 것으로, 본 발명의 목적은 지반굴착시 발생하는 유출지하수량과 토사유출량을 보다 효과적이고 효율적으로 정밀하게 측정하기 위한 지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량 측정방법을 제공하는 것이다.
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상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위하여 일실시예에 따른 지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량 측정방법은, 사각 박스 형상을 갖는 집수조와, 유출지하수가 흐르는 경로와 수직한 방향을 따라 상기 집수조 내에서 상향을 향해 배치되어 복수의 가두리 공간들을 정의하는 복수의 상향 격벽들과, 유출지하수가 흐르는 경로와 수직한 방향을 따라 상기 집수조 내에서 하향을 향해 배치되고, 유출지하수의 출렁임을 방지하는 복수의 하향 격벽들과, 토사량 측정을 위해, 유출지하수가 담겨지는 첫번째 가두리 공간의 바닥부에 배치된 받침부재를 포함하는 지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량 측정장치를 이용한 지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량 측정방법에서, 수위계로부터 수위데이터를 수신하는 단계; 상기 수위데이터와 삼각형 위어의 사잇각을 근거로 유출지하수량을 산정하는 단계; 유출지하수의 탁도데이터를 수신하는 단계; 및 상기 탁도데이터와 유출지하수량을 근거로 클레이를 포함하는 미립 토사유출량을 산정하는 단계를 포함한다.
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일실시예에서, 상기 유출지하수량은,
Figure 112017054323885-pat00001
(여기서, θ는 삼각형 위어의 사잇각이고, H는 월류 수위(수위계 측정결과)이다.)의 수식에 의해 산정될 수 있다.
일실시예에서, 상기 미립 토사유출량은, 토사량(Kg)=S(mg/L)×10-6×Q(L) (여기서, S는 유출된 지하수의 탁도이고, Q는 유출된 지하수량이다.)의 수식에 의해 산정될 수 있다.
일실시예에서, 상기한 지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량 측정방법은, 삼각형 위어 전면부의 부피와 토양의 밀도를 근거로 샌드, 실트 및 소량의 클레이를 포함하는 토사유출량을 산정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일실시예에서, 상기 토사유출량은, 토사유출량(Kg) = 삼각형 위어 전면부 부피(m3) × 토양의 밀도(g/L)의 수식에 의해 산출될 수 있다.
이러한 지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량 측정방법에 의하면, 유출지하수와 함께 배출되는 토사는 집수조의 첫번째 가두리 공간의 바닥에 배치된 받침부재에 침적되고 토사가 제거된 순수 유출지하수는 삼각형 위어와 자동 수위 측정기를 이용하여 실시간 유량을 산정하므로, 지반굴착시 발생하는 유출지하수량과 토사유출량을 보다 효과적이고 효율적으로 정밀하게 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량 측정장치를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 2a는 도 1에 도시된 지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량 측정장치를 x-y 평면상에서 관찰한 도면이다.
도 2b는 도 1에 도시된 지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량 측정장치를 y-z 평면상에서 관찰한 도면이다.
도 2c는 도 1에 도시된 지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량 측정장치를 x-z 평면상에서 관찰한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량 측정방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4a는 삼각형 위어를 통한 유출지하수의 수두를 설명하기 위한 개념도이다. 도 4b는 삼각형 위어의 수두에 따른 계수를 설명하기 위한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량 측정장치를 설명하기 위한 분해 사시도이다. 도 2a는 도 1에 도시된 지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량 측정장치를 x-y 평면상에서 관찰한 도면이다. 도 2b는 도 1에 도시된 지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량 측정장치를 y-z 평면상에서 관찰한 도면이다. 도 2c는 도 1에 도시된 지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량 측정장치를 x-z 평면상에서 관찰한 도면이다.
도 1 내지 도 2c를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량 측정장치는 집수조(110), 복수의 상향 격벽들(120), 복수의 하향 격벽들(130), 받침부재(140), 유량센서(150), 수위계(160) 및 탁도계(170)를 포함하여 지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량을 측정한다.
집수조(110)는 사각 박스 형상을 갖는다. 집수조(110) 내에서 상향 격벽들(120)이 상향 방향으로 배치되고, 하향 격벽들(130)이 하향 방향으로 배치된다. 집수조(110)의 최외곽 측벽, 즉, 유출지하수가 흐르는 경로상의 마지막 최외곽 측벽에는 삼각형 위어(112)가 형성된다. 형성된 삼각형 위어(112)를 통해 유출지하수는 지하수 및 토사 유출량 측정장치의 외부로 유출된다. 본 실시예에서 삼각형 위어(112)가 형성된 것을 도시하였으나 사각형 위어가 형성될 수도 있다.
또한, 집수조(110)의 최외곽 측벽, 즉, 유출지하수가 흐르는 경로상의 첫번째 최외곽 측벽에는 유입구(114)가 형성된다. 형성된 유입구(114)를 통해 유출지하수는 지하수 및 토사 유출량 측정장치의 내부로 유입된다.
상향 격벽들(120)은 유출지하수가 흐르는 경로와 수직한 방향을 따라 집수조(110) 내의 바닥부에서 상향을 향해 배치되어 복수의 가두리 공간들을 정의한다. 상향 격벽들(120)의 높이는 집수조(11)의 최외곽 측벽, 즉, 유출지하수가 흐르는 경로상의 최외곽 측벽의 높이와 동일할 수 있다. 본 실시예에서, 2개의 상향 격벽들에 의해 3개의 가두리 공간이 정의되는 것을 도시하였으나 3개의 상향 격벽들을 통해 4개의 가두리 공간을 정의할 수도 있고 4개의 상향 격벽들을 통해 5개의 가두리 공간을 정의할 수도 있다.
하향 격벽들(130)은 유출지하수가 흐르는 경로와 수직한 방향을 따라 집수조(110) 내에서 하향을 향해 배치되고, 유출지하수의 출렁임을 방지한다. 하향 격벽들(130)은 천정부재(132)에 연결되고 집수조(110) 내에 배치된 상향 격벽들(120) 사이에 배치되도록 하향을 향해 돌출된다. 하향 격벽들(130) 각각은 상향 격벽(120)에 의해 정의되는 영역을 평면상에서 관찰할 때 이등분하는 영역에 배치된다. 본 실시예에서, 상향 격벽들(120)의 최고점을 연결하는 제1 가상선은 하향 격벽들(130)의 최저점을 연결하는 제2 가상선보다 높다.
받침부재(140)는 토사량 측정을 위해, 유출지하수가 흐르는 경로에서 첫번째 가두리 공간의 바닥부에 배치된다. 유출지하수가 흐르는 동안 받침부재(140)는 첫번째 가두리 공간의 바닥부에 배치된다. 이에 따라 유출지하수에 포함된 토사는 가두리 공간에서 침적되고 침적되는 토사는 받침부재(140) 위에 침적된다. 토사량 측정을 위해 측정자는 유출지하수가 흐르는 것을 차단되는 동안 받침부재(140)를 x-축 방향으로 당기면 받침부재(140) 위에 침적된 토사까지 지하수 및 토사 유출량 측정장치 외부에 노출되고 노출된 토사량의 높이 등을 측정하는 방식으로 토사량을 측정한다.
유량센서(150)는 유출지하수가 흐르는 경로에서 마지막 가두리 공간에 대응하는 격벽에 배치되어 유출지하수량을 측정한다. 유량센서(150)는 유출지하수가 흐르는 경로에서 마지막 가두리 공간에 대응하는 격벽에 배치될 수 있다.
수위계(160)는 유출지하수의 수위를 측정하기 위해 유출지하수가 흐르는 경로에서 마지막 가두리 공간에 대응하는 격벽에 배치될 수 있다.
탁도계(170)는 유출지하수의 탁도를 측정하기 위해 유출지하수가 흐르는 경로에서 마지막 가두리 공간에 대응하는 격벽에 배치될 수 있다.
일반적으로, 지반굴착시 배출되는 지하수는 대부분 지하수와 토사(지질매체)를 함유하고 있어 실제 지하수보다 과다 산정된다. 하지만, 본 발명에 따르면, 유출지하수와 함께 배출되는 토사는 집수조의 첫번째 가두리 공간의 바닥에 배치된 받침부재에 침적되므로, 순수 유출지하수만을 배출하여 유량을 계측할 수 있다. 즉, 순수 지하수량은 삼각형 위어 또는 사각형 위어, 수위계를 이용하여 실시간 유량을 산정할 수 있다.
또한, 받침부재에 침적된 토사량을 측정하여 굴착공사 주변의 지반을 평가하고 채취된 토사를 입도분석 등 토질실험을 통해 토양의 물성치를 제시할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량 측정방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 수위계(160)를 활용하여 수위데이터를 검출한다(단계 S100).
이어, 삼각형 위어의 사잇각과 상기한 수위데이터를 근거로 유출지하수량을 산출한다(단계 S200).
도 4a는 삼각형 위어를 통한 유출지하수의 수두를 설명하기 위한 개념도이다. 도 4b는 삼각형 위어의 수두에 따른 계수를 설명하기 위한 그래프이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 삼각형 위어(또는 V-노치 위어)는 사각형 위어에 비해 낮은 유량을 정확하게 측정할 때 사용된다. 삼각형 위어에서는 사각형 위어보다 수두의 증가에 따라 유량이 급격히 증가하게 된다. 예를들어, 90도의 삼각형 위어에서 수두가 0.6m인 유량은 0.45m의 폭인 사각형 위어에서의 유량과 비슷하지만, 삼각형 위어의 수두가 0.03m인 경우의 유량에 비해 같은 수두의 사각형 위어에서는 유량이 20배나 크게 된다.
이러한 삼각형 위어의 기본 유량방정식은 다음의 수식 1과 같다.
[수식 1]
Figure 112017054323885-pat00002
여기서,
Figure 112017054323885-pat00003
는 삼각형 위어의 사잇각, H는 수두(또는 월류 수위(수위계 측정결과)), C1은 수두에 따른 계수이다.
실험에 의하면, 도 4b에 나타낸 바와 같이, 90도의 삼각형 위어에서 수두에 따른 계수 C1은 약 1.34로 나타나므로 사잇각(
Figure 112017054323885-pat00004
)에 따른 삼각형 위어의 일반적인 유량공식은 다음의 수식 2와 같다.
[수식 2]
Figure 112017054323885-pat00005
여기서,
Figure 112017054323885-pat00006
는 삼각형 위어의 사잇각, H는 수두(또는 월류 수위(수위계 측정결과)), C1은 수두에 따른 계수이다.
도 3을 다시 참조하면, 탁도계(170)를 활용하여 토사유출량에 대응하는 탁도데이터를 검출한다(단계 S300).
이어, 단계 S300에서 검출된 탁도데이터와 단계 S200에서 산출된 유출지하수량을 근거로 미립 토사유출량을 산정한다(단계 S400). 토사의 종류는 클레이(clay) 및 소량의 세립질 실트(silt)이다. 대부분의 탁도계는 빛의 산란을 이용해 물의 탁한 정도를 재는 단위인 네펠로메트릭 탁도 단위(Nephelometric Turbidity Units, NTU)를 사용한다. 탁도 단위(NTU–mg/L) 환산은 각각의 센서별 경험식을 산정하여 활용할 수 있다.
토사량은 다음의 수식 3에 의해 선정될 수 있다.
[수식 3]
토사량(Kg)=S(mg/L)×10-6×Q(L)
여기서, S는 유출된 지하수의 탁도이고, Q는 유출된 지하수량이다.
이어, 삼각형 위어 전면부의 부피와 토양의 밀도를 근거로 토사유출량을 산정한다(단계 S500).
단계 S400에서 산정한 미립 토사유출량과 단계 S500에서 산정한 토사유출량을 합산하면 전체 토사유출량을 산정할 수 있다. 그리고, 수집된 전체 토사를 이용하여 입도 분석 등을 수행할 수 있다.
이상에서 설명된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 지반굴착시 배출되는 지하수는 대부분 지하수와 토사(지질매체)를 함유하고 있어 실제 지하수보다 과다 산정된다. 이에 함께 배출되는 토사는 집수조(제거장치)를 통해 배출하고, 순수 지하수만을 배출하여 유량을 계측할 수 있다.
순수 지하수량은 삼각형 위어 또는 사각형 위어와 자동 수위 측정기를 이용하여 실시간 유량을 산정한다. 유출된 토사량을 측정하여 굴착공사 주변의 지반을 평가하고 채취된 토사를 입도분석 등 토질실험을 통해 토양의 물성치를 제시할 수 있다.
이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110 : 집수조 112 : 삼각형 위어
114 : 유입구 120 : 상향 격벽들
130 : 하향 격벽들 140 : 받침부재
150 : 유량센서 160 : 수위계
170 : 탁도계

Claims (11)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 사각 박스 형상을 갖는 집수조와, 유출지하수가 흐르는 경로와 수직한 방향을 따라 상기 집수조 내에서 상향을 향해 배치되어 복수의 가두리 공간들을 정의하는 복수의 상향 격벽들과, 유출지하수가 흐르는 경로와 수직한 방향을 따라 상기 집수조 내에서 하향을 향해 배치되고, 유출지하수의 출렁임을 방지하는 복수의 하향 격벽들과, 토사량 측정을 위해, 유출지하수가 담겨지는 첫번째 가두리 공간의 바닥부에 배치된 받침부재를 포함하는 지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량 측정장치를 이용한 지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량 측정방법에서,
    수위계로부터 수위데이터를 수신하는 단계;
    상기 수위데이터와 삼각형 위어의 사잇각을 근거로 유출지하수량을 산정하는 단계;
    유출지하수의 탁도데이터를 수신하는 단계; 및
    상기 탁도데이터와 유출지하수량을 근거로 클레이를 포함하는 미립 토사유출량을 산정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량 측정방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 유출지하수량은,
    Figure 112017054323885-pat00007

    (여기서, θ는 삼각형 위어의 사잇각이고, H는 월류 수위(수위계 측정결과))의 수식에 의해 산정되는 것을 특징으로 하는 지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량 측정방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 미립 토사유출량은,
    토사량(Kg)=S(mg/L)×10-6×Q(L)
    (여기서, S는 유출된 지하수의 탁도이고, Q는 유출된 지하수량)의 수식에 의해 산정되는 것을 특징으로 하는 지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량 측정방법.
  10. 제7항에 있어서, 삼각형 위어 전면부의 부피와 토양의 밀도를 근거로 샌드, 실트 및 소량의 클레이를 포함하는 토사유출량을 산정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량 측정방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 토사유출량은,
    토사유출량(Kg) = 삼각형 위어 전면부 부피(m3) × 토양의 밀도(g/L)
    의 수식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 지반굴착시 발생하는 지하수 및 토사 유출량 측정방법.
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