KR20100110932A - 암거 단면 규격 산정 방법 - Google Patents

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KR20100110932A
KR20100110932A KR1020090029208A KR20090029208A KR20100110932A KR 20100110932 A KR20100110932 A KR 20100110932A KR 1020090029208 A KR1020090029208 A KR 1020090029208A KR 20090029208 A KR20090029208 A KR 20090029208A KR 20100110932 A KR20100110932 A KR 20100110932A
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박태권
김흥래
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이만석
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(주)평화엔지니어링
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Abstract

암거 및 배수관 단면 규격 산정 프로그램을 이용하여 암거 및 배수관의 최적 단면 규격을 자동으로 산정하는 방법이 제공된다. 암거 및 배수관의 최적 단면 규격 산정용 기준 데이터를 암거 및 배수관 단면 규격 산정 프로그램에 입력한다. 상기 암거 및 배수관 단면 규격 산정 프로그램을 실행하여 상기 기준 데이터의 조합에 의해 설계 기준 내의 단면 규격별 암거 흐름을 해석하고, 단면 규격별 상류 수위, 수심과 단면 비율, 및 유출 유속을 계산한다. 상기 계산된 단면 규격별 암거 상류 수위, 수심과 단면 비율, 유출 유속중 설계 조건을 만족하는 상류 수위, 수심과 단면 비율, 및 유출 유속을 갖는 단면 규격을 암거의 최적 단면 규격으로 선정한다.
암거, 배수관, 단면 규격

Description

암거 단면 규격 산정 방법{Culvert size computing method}
본 발명은 암거에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 암거(BOX) 및 배수관(PIPE)의 단면 규격을 산정하는 방법에 관한 것이다.
암거의 수리 설계는 수문 분석에 의하여 결정되는 설계 홍수량을 도로나 철도로 범람되지 않은 상태, 즉 암거 상류부의 수위를 과다하게 상승시키지 않은 상태에서 안전하게 하류로 소통시킬 수 있는 최적 단면, 암거 경사, 입출구 형상 등을 결정하는 것이다. 현재 국내 암거 설계에서 암거의 최적 단면 설계는 지형 또는 현장 여건에 따라 암거 흐름의 8가지 형식 중의 하나의 형식으로 결정하고, 그 형식에 따라 도표(노모그래프)를 이용한 반복 시산법, 도식에 의한 방법(방정식과 수리학 공식에 의한 방법)과 유송 잡물 및 토사 퇴적을 고려한 수리 계산 방법을 적용하여 유입부 상류 수위를 산정함으로써 수행된다(건설교통부, 2003; 이재수, 2007; AASHTO, 1999; Bentley, 2007; Norman et al., 2001).
그러나 암거 내 흐름이 자유 수면을 가지는 개수로의 흐름인 경우 간략화된 식 또는 노모그래프를 이용해서 정확한 흐름 해석을 할 수 없다. 특히 암거는 수리학적으로 짧기 때문에 암거 내에 등류 수심이 발생하지 않을 가능성이 높다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 암거 및 배수관 단면 규격 산정 프로그램을 이용하여 암거 및 배수관의 최적 단면 규격을 자동으로 산정하는 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 암거 단면 규격 산정 방법은 (i) 암거 및 배수관의 최적 단면 규격 산정용 기준 데이터를 암거 및 배수관 단면 규격 산정 프로그램에 입력하는 단계; (ii) 상기 암거 및 배수관 단면 규격 산정 프로그램을 실행하여 상기 기준 데이터의 조합에 의해 설계 기준 내의 단면 규격별 암거 흐름을 해석하고, 단면 규격별 상류 수위, 수심과 단면 비율, 및 유출 유속을 계산하는 단계; 및 (iii) 상기 계산된 단면 규격별 암거 상류 수위, 수심과 단면 비율, 유출 유속중 설계 조건을 만족하는 상류 수위, 수심과 단면 비율, 및 유출 유속을 갖는 단면 규격을 암거의 최적 단면 규격으로 선정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 암거 및 배수관 단면 규격 산정 프로그램을 이용하여 암거 및 배수관의 최적 단면 규격을 자동으로 산정함으로써 국내 실정에 적합한 암거 및 배수관의 최적 단면 규격을 산정할 수 있다.
이하, 첨부된 예시 도면에 의거하여 본 발명의 실시예에 따른 암거 단면 규격 산정 방법을 상세히 설명한다. 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 암거 단면 규격 산정 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 12를 참조하면, 사용자가 암거 및 배수관의 최적 단면 규격 산정용 기준 데이터를 암거 및 배수관 단면 규격 산정 프로그램에 입력한다(단계 S110). 상기 암거 단면 규격 산정용 기준 데이터는 암거 유출부가 연결되는 구조물의 종류에 따른 수심 자료 유무 정보, 상류 수심과 단면 높이의 비, 강우-유출 모형을 통해 계산된 설계 홍수량, 수리 계산서로부터 얻은 또는 사용자가 가정한 암거 경사 및 암거 길이, 수문학 관련 텍스트 북으로부터 얻은 유입부 형식에 따른 손실 계수, 암거 내 하상의 종류와 거칠기에 따른 조도 계수, 암거의 형태 및 유입부 형상에 따른 매개 변수인 CHNO 및 NOMOSCALE를 포함한다. 암거 유출부가 연결되는 구조물이 있는 경우, 상기 암거 단면 규격 산정용 기준 데이터는 상기 연결되는 구조물의 유량, 조도 계수, 바닥 폭, 측면 경사, 및 수로 경사 가정값을 더 포함한다.
상기 암거 및 배수관 단면 규격 산정 프로그램을 실행하여(S120), 상기 암거 및 배수관의 최적 단면 규격 산정용 기준 데이터의 조합에 의해 설계 기준 내의 단면 규격별 암거 흐름을 해석한다(단계 S130). 단계 S120 및 단계 S130에 대하여 이하에 상세히 설명한다.
횡단 배수 구조물의 수리 특성
도로의 횡단 배수 구조물은 수리적 특성에 따라 유입부 통제(inlet control) 수로와 유출부 통제(outlet control) 수로로 분류할 수 있다. 상기 유입부 통제 수 로는 유입부의 기하학적인 형상, 상류 수심 등이 흐름의 특성에 영향을 주며, 유출부 통제 수로는 하류부 표고, 기울기, 암거의 조도, 암거의 길이 등이 흐름의 특성에 영향을 준다.
유입부 통제 수로와 유출부 통제 수로는 도 1과 같이 유입부와 유출부가 각각 상류부 수심(HW)과 하류부 수심(TW)에 의해 잠기게 되는지 여부에 따라 총 8개 유형으로 분류된다(Normann et al., 1985).
도 1의 A∼D 형식의 경우가 유입부 통제 수로에 해당된다. 첫째, A-형식은 유입부와 유출부 모두 잠수되지 않은 경우로 C-형식과 매우 유사한 흐름 특성을 보인다. 유입부의 상류 수심이 C-형식보다 낮다는 차이가 있으나, 암거로 유입되면서 한계 수심을 지나게 된다.
둘째, B-형식의 경우는 유입부는 잠수되지 않은 상태이고, 유출부는 잠긴 상태로 흐르는 경우로서 암거 내에서 도수 현상(hydraulic jump)이 발생하는 흐름이다.
셋째, C-형식의 경우는 가장 일반적인 흐름으로 유입부는 잠긴 상태이고, 유출부는 잠수되지 않은 상태의 흐름의 경우로 암거내의 흐름은 사류가 된다. 넷째, D-형식의 경우는 유입부와 유출부가 모두 잠긴 상태로 흐르는 경우로 일반적으로는 잘 나타나지 않는 흐름으로 B-형식과 마찬가지로 암거 내에서 도수현상이 발생한다.
유출부 통제 수로의 경우도 유입부 통제 수로의 경우와 마찬가지로, 도 1에서의 E∼H 형식의 4가지로 분류될 수 있다. 첫째, E-형식은 유입부와 유출부 모두 잠긴 경우로 만수 상태로 흐르는 경우이다. 둘째, F-형식의 경우는 일반적으로 암거 유입에 인한 단면 축소로 발생하는 손실 수두의 영향으로 생기는 수위 하강 현상이 나타나는 흐름이다. 셋째, G-형식의 경우는 일반적으로는 잘 나타나지 않는 흐름의 경우로 만수 상태로 흐르며, 하류부 수심이 매우 작은 경우에 해당하는 흐름이다.
넷째, H-형식의 경우는 유입부는 잠긴 상태로 유출부는 잠수되지 않은 상태로 흐르는 경우이다.
암거 설계 프로그램
본 발명에서 수리학적 해석을 통한 암거 설계를 위하여 CULVERTMASTER의 수리학적 해석을 이용한다. 암거 체계의 수리 해석과 설계를 위한 전산 프로그램으로서 CULVERTMASTER은 일반적으로 암거 설계에 다음과 같은 수리·수문학적 요소들을 포함하고 있다.
1. 수문 해석 - 상류 분기점 배수 구역에서의 흐름 설계와 암거 체계로의 홍수 흐름 해석. 홍수량에 따라 이론식, SCS 방법, 회귀 방정식 혹은 다른 적합한 방법론들의 적용에 의한 수문학적 해석.
2. 암거의 수리학적 해석 - 도로 제방을 통과하는 흐름을 원활하게 하기 위한, 하나 혹은 그 이상의 암거의 설치 시의 유입부 및 유출부의 형상 처리. 수리학적 흐름 해석을 고려한 흐름 묘사.
3. 도로 범람 - 암거의 총 허용유량 초과시 발생하는 도로 제방의 범람 해석(월류 흐름을 통한 해석).
4. 유출부 흐름 - 자연 하천, 개량된 수로 혹은 다른 배수구에서의 유량 또는 도로 제방 측면에서의 유출 흐름 해석. 수리학적 해석에 의한 유출 유량은 전체 암거 체계에 영향을 미치며 유출부의 흐름은 가정에 의한 부정류 흐름 혹은 독립된 범람원 이론들에 의해 해석되어 진다.
CULVERTMASTER의 암거 설계를 위한 흐름 해석은 다음과 같다.
유입부 통제 수로
유입부 통제 상태의 수로일 경우 유입부가 잠겨있는지 여부에 따라 서로 다른 수학식을 사용한다. 유입부 잠수 여부는 Q/AD0 .5의 값으로 판별하며 그 조건은 표 1에 제시하였다. 표 1은 유입부 잠수 여부 판별(유입부 통제 흐름 해석) 결과를 나타낸다.
유입부 잠수 여부 특성 조건
잠수되지 않는 경우 홍수량이 작은 경우, 위어의 수리특성 Q/AD0 .5 ≤ 3.5
잠수되는 경우 홍수량이 큰 경우, 오리피스의 수리특성 Q/AD0 .5 ≥ 4.0
천이영역 수리특성이 잘 정의되지 않는 경우 3.5 < Q/AD0 .5 < 4.0
먼저 유입부가 잠수되어 있지 않은 경우에는 단면 형상과 재질에 따라 수학식 1 또는 수학식 2로부터 상류 수심(수두)를 구한다.
Figure 112009020435535-PAT00001
Figure 112009020435535-PAT00002
이 경우 두 수학식은 Q/AD0 .5 = 3.5 인 경우까지 적용된다. 연귀 이음을 한 유입부인 경우에는 경사 보정 계수로서 -0.5S 대신 +0.7S를 사용하여야 한다.
유입부가 잠수되어 있는 경우에는 다음 수학식 3으로부터 상류 수심(수두)을 구할 수 있으며, Q/AD0.5가 4.0 이상인 경우에 적용된다.
Figure 112009020435535-PAT00003
여기서 HWi는 상류 수심(ft), Hc는 한계 수심의 수두(ft)이고, Q는 유량(ft3/s)이며, A는 암거 단면적(ft2)이며, D는 암거 높이(ft)를 나타낸다. 또한 K, M, c와 Y는 단면 형상과 재료에 따른 상수이며, S는 암거가 설치된 경사(ft/ft)이다. 한계 수두는 Hc와 한계 수심(dc)을 다음 수학식 4 및 5로부터 각각 구할 수 있다.
Figure 112009020435535-PAT00004
Figure 112009020435535-PAT00005
여기서 dc는 한계 수심(ft)이고, Vc는 한계 유속(ft/s)이며, q는 단위폭당 유량(unit discharge, ft3/s/ft)이며, g는 중력 가속도이다.
수리 특성이 잘 정의되지 않는 경우 즉, Q/AD0 .5가 3.5보다 크고 4.0보다 작은 경우에 대한 상류 수심은 Q/AD0 .5가 3.5, 4.0일 때의 상류 수심을 각각 구하고 이를 선형 보간하여 구한다.
유입부 통제 방정식에 사용되는 상수들은 단면형, 재료, 유입구 형태 등에 따라 결정된다. 표 2는 국내 수로 암거 및 횡단 배수관에 대한 유입부 통제 방정식의 상수들을 나타낸 것으로 암거 유형별 유입부 통제 방정식의 함수형태 및 상수(Form, K, M, c, Y)이다.
구분 단면형상 유입부형상 Chno Nomo
scale		 Form K M c Y


수로
암거


구형

 35°to 75° wingwall flares 8 1 1 0.26 1.0 0.0385 0.81
90°to 15° wingwall flares 8 2 1 0.061 0.75 0.0400 0.80
0°wingwall flares 8 3 1 0.061 0.75 0.0423 0.82


횡단
배수관


원형

 Square edge w/headwall 1 1 1 0.0098 2.0 0.0398 0.82
Groove end w/headwall 1 2 1 0.0078 2.0 0.0292 0.74
Groove end projecting 1 3 1 0.0045 2.0 0.0317 0.69
유입부 통제 흐름 해석에서 상류 수위는 위의 식들로부터 구해진 상류 수심에 암거 유입부의 표고를 더하여 산정할 수 있다. 본 발명에서 수위는 암거 유출부 지점의 표고를 기준(Elv. = 0)으로 하여 산정하도록 한다(수학식 6과 도 2 참조).
HWEi = HWi + △Z
여기서 HWi는 유입부 상류 수심(ft), HWEi는 유입부 상류수위(ft), △Z는 암거 유입부와 유출부의 표고차(유입부 Invert 높이)이다.
유출부 통제 수로
유출부 통제 수로로 가정한 경우, 암거의 흐름이 개수로인 경우 상류 수위는수학식 6의 에너지 방정식을 이용하여 수두를 구할 수 있다. 이는 개수로의 정상 부등류로서 흐름 특성이 점진적으로 변하는 점변류(gradually varied flow)에 대한 기본식이다(Chaudhry, 2007; Chow, 1959).
Figure 112009020435535-PAT00006
여기서 HWo는 유출부에서의 수심(ft)이고, Vu는 유입부로 접근하는 유속(ft/s), TW는 유출부에서의 배수 수심(ft)이고, Vd는 유출부를 나가는 유속(ft/s), HL은 마찰 손실(He), 유입 손실(He), 유출 손실(Ho) 등을 포함한 총 손 실, g는 중력가속도(ft/s2)이다.
유출부 통제 흐름 해석에서도 유입부 상류수위는 암거 유출부에서의 표고를 기준(Elv. = 0)으로 하여 산정하도록 한다(수학식 8 참조).
HWE0 = HW0 + △Z
여기서 HWo는 유입부 상류수심(ft), HWEo는 유입부 상류수위(ft), △Z는 암거 유입부와 유출부의 표고차(유입부 Invert 높이)이다.
유입부에서 발생하는 미소 손실은 유입부로 들어오는 유속의 함수이다.
Figure 112009020435535-PAT00007
여기서 He는 유입 손실 수두, Ve는 암거 유입부에서의 유속, ke는 유입 손실 계수, g는 중력가속도이다.
유출부의 단면 확대에 의해서 발생하는 미소 손실은 유출부로 나가는 유속의 함수이다.
Figure 112009020435535-PAT00008
여기서 Ho는 유출 손실 수두, Vo는 암거 출구에서의 유속, Vd는 암거 하류 측 수로에서의 유속, Ve는 암거 입구에서의 유속, g는 중력가속도이다. 본 발명에서는 유출 손실 수두는 암거 유입부에서의 속도 수두로 가정하며 하류 측 수로의 유속은 무시하도록 한다.
점 변류에 대하여 마찰 손실 수두는 계산 간격과 등류 마찰 경사와의 곱으로 산정할 수 있으며, 본 발명에서는 마찰 경사 관계식이 평균 마찰 경사(Sf)에 도달할 때까지 다음 단면에서의 수심을 변화시키는 표준 축차 방법(Standard step method)을 이용하여 산정하였다.
Figure 112009020435535-PAT00009
여기서 Sf는 마찰 경사, dx는 계산 간격, S1과 S2는 각 계산 단면에서의 마찰 경사이다.
암거의 흐름이 관수로인 경우, 마찰 손실 수두는 도로 배수 시설 설계 및 유지 관리 지침(국토 해양부, 2003)의 방법과 동일하게 박스 및 파이프인 경우 각각 수학식 12 또는 수학식 13을 이용하여 산정한다.
Figure 112009020435535-PAT00010
Figure 112009020435535-PAT00011
여기서 f는 마찰 손실 계수, R는 동수 반경, D는 직경, L은 암거 길이, V는 유입유속, g는 중력 가속도이다. 마찰 손실 계수는 다음 수학식 14와 같이 정의된다.
Figure 112009020435535-PAT00012
개수로 흐름 분류
암거 내 흐름이 자유 수면을 가지는 경우 암거의 경사가 완만하여 흐름이 상류가 되면 수면 곡선은 배수 곡선(backwater curve, M1)과 수위 강하 곡선(drawdown curve, M2)이 되며, 암거 내 각 지점의 수심은 지배 단면인 유출부를 시작으로 상류 방향으로 계산하여 유입부 상류 수심을 산정한다. 암거의 경사가 급하여 흐름이 사류가 되면 유입부에서의 수심은 한계 수심이 되며, 이 지점을 시작 으로 하류방향으로 수심을 계산한다. 만약 하류 측의 수심이 깊다면, 짧은 구간사이에서 흐름 특성이 급변하는 도수가 발생하며, 이때 수면 곡선은 S1가 된다. 도수가 암거 내 혹은 하류 측에서 발생한다면 암거 내의 흐름은 암거 유입부가 통제하지만, 상류 측에서 발생한다면 유출부가 통제하게 되므로 암거의 유입부 상류 수심은 유출부에서 상류방향으로 수심을 계산하여 결정한다. 도 4는 암거 내 흐름이 자유 수면을 가질 때 발생하는 수면곡선의 유형을 나타내고 있으며, 표 3은 암거 경사가 완경사 또는 급경사에 따라 발생가능한 수면 곡선 유형 및 지배 단면 등을 나타낸다. 암거 내에서 발생가능한 개수로 흐름 유형은 표 6과 같다. 암거의 경사가 완경사인 경우, 하류 수심이 등류 수심보다 크다면 M1 곡선, 작다면 M2 곡선이 된다. 급경사인 경우, 도수가 발생하지 않으면 S2 곡선, 도수가 발생하는 경우는 S1곡선이 된다. 표 3은 수면 곡선 유형 및 흐름 해석 방향, 표 4는 암거에서 발생하는 개수로 흐름의 분류를 나타낸다.
경사 판별 조건 수면 곡선 지배단면 위치 흐름 해석 방향

완경사
So<Sc
M1 또는 M2		 유출부(한계 수심
또는 하류수심)		 유출부에서 유입부 방향으로 수심 계산

급경사
So>Sc
S1 또는 S2
유입부(한계 수심)		 유입부에서 유출부 방향으로 수심 계산
경사 조건 수면 곡선 특성 수면 곡선 유형
완경사 하류측 수심 > 등류수심 Backwater curve M1
하류측 수심 < 등류수심 Drawdown curve M2

급경사

 상류측에서 도수 발생 Backwater curve
S1
암거 내에서 도수 발생 Hydraulic Jump
하류측에서 도수 발생 Hydraulic Jump
도수 발생 무 - S2
흐름 해석 과정
유출부 통제 수로로 가정한 경우, 암거 내에 자유 수면을 가지는 개수로 흐름이 발생한다면 수면곡선 유형은 도 4와 같다. 암거의 경사가 완경사로서 수면곡선이 M1 또는 M2 곡선인 경우 유출부를 시작으로 상류방향으로 수심을 산정하여 유입부의 수심을 산정한다. 이때 하류 수심이 등류 수심보다 크면 유출부 수심은 하류수심이 된다(M1 곡선). M2 곡선에서 하류 수심이 등류 수심보다 작고 한계 수심보다 큰 경우에 유출부 수심은 하류 수심이 되고, 하류 수심이 한계 수심보다 작다면 유출부 수심은 한계 수심이 된다. 유출 유속은 유출부 수심에 대응하는 유속이다.
암거의 경사가 급경사로서 수면 곡선이 S2 곡선이면 유입부의 수심은 한계 수심이 되며, 유출 유속은 유입부로부터 하류 방향으로 수심을 계산하여 얻어지는 유출부의 수심에 대응하는 유속이 된다. S2 곡선으로 산정된 유출부 수심이 하류 수심보다 작다면 S1 곡선으로 해석한다. 도수가 암거 내 또는 하류 측에서 발생하는 경우 유입부의 수심은 한계 수심이 되며, 상류 측에서 발생한다면 유출부로부터 상류 방향으로 수심을 계산하여 유입부 상류 수심을 결정하여야 한다. 암거 내에서 도수가 발생하는 경우 유출 유속은 하류 수심에 대응하는 유속 또는 만관일 때의 유속이 되며, 하류 측에서 발생하는 경우 S2 곡선으로 해석하여 유입부로부터 하류방향으로 수심을 계산하여 얻어지는 유출부의 수심을 이용하여 산정한다. 암거의 상류측에서 도수가 발생하는 경우 유출 유속은 하류 수심을 이용하여 산정할 수 있다.
암거를 관수로 흐름으로 해석해야 하는 경우, 암거 전체가 만관이라면 기존 방법과 동일한 에너지 방정식을 이용하여 유입부 수심을 산정한다. 단, 암거의 유입부에서는 만관이 되나 유출부에서 자유 수면을 가지는 경우(M2 곡선), 자유 수면을 갖는 영역에 개수로 흐름 해석을 적용하여 수심을 산정한다. 이때 유출 유속은 만관일 때의 유속이 아니라 산정된 유출부 수심에 대응하는 유속이 된다.
암거의 흐름 해석 프로그램 적용 및 검증
본 발명의 흐름 해석 프로그램을 검증하기 위하여 표 5와 같은 1련 또는 2련의 박스 및 파이프에 대하여 암거에 대한 흐름을 모의하고 Culvert Master를 적용한 결과와 비교하였다. CASE I과 CASE III의 경우 도로배수시설 설계 및 유지관리 지침(국토해양부, 2003)에서 제시하고 있는 암거의 8가지 흐름 유형이 모의되도록 흐름 조건을 설정하였다(표 6 및 표 7 참조). CASE II와 CASE IV는 CASE I과 CASE III의 조건에서 련수의 값을 2로 변경한 것이다. 표 5에 제시된 암거 유형 및 흐름 조건에 대하여 두 모형을 적용하게 되므로 총 64번의 흐름 모의를 수행하였다. 표 5는 암거의 흐름 해석 프로그램 적용 대상인 암거의 흐름 조건이다. 표 6은 Case I의 암거 특성 및 흐름 조건(흐름 해석 모형 적용 대상)을 나타내고, 표 7은 Case II의 암거 특성 및 흐름 조건(흐름 해석 모형 적용 대상)을 나타낸다.
CASE 구분(단면 형상) 련수 흐름 유형 모의횟수
I Pipe (원형) 1 암거의 8가지 흐름 유형이 모의 되도록 유량, 경사 및 하류측 수위를 조절 8
II Pipe (원형) 2 CASE I의 흐름 조건 상태에서 련수만 변경
(표 6의 입력변수 중 련수만 2로 수정)		 8
III Box (직사각형) 1 암거의 8가지 흐름 유형이 모의 되도록 유량, 경사 및 하류측 수위를 조절 8
IV Box (직사각형) 2 CASE III의 흐름 조건 상태에서 련수만 변경
(표 7의 입력변수 중 련수만 2로 수정)		 8
Figure 112009020435535-PAT00013
Figure 112009020435535-PAT00014
암거의 흐름 해석 결과로 유입부 통제 흐름일 때 유입부 상류 수위, 유출부 통제 흐름일 때 유입부 상류 수위, 흐름 해석 결과로 선정된 유입부 상류 수위, 상류 수심의 암거의 높이(직경)에 대한 비율, 유출 유속을 비교하였다(도 7 ~ 도 11). 도 7은 유입부 통제시 상류 수위(m), 도 8은 유출부 통제시 상류 수위(m), 도 9는 상류 수위(HWE, m), 도 10은 직경에 대한 상류 수심의 비율(H/D), 및 도 11은 유출유속(Vout, m/s)을 나타낸다.
본 발명의 프로그램은 해석 결과를 소수점 넷째 자리, Culvert Master는 소수점 둘째 자리까지 제공하고 있으므로 두 모형을 비교한 그림은 이에 따른 오차를 포함하고 있다. 유출부 통제 가정시 상류 수위 산정 오차가 유입부 통제를 가정한 경우보다 다소 크며, 직경에 대한 상류 수심의 비율도 오차가 다소 큰 것으로 산정되었으나 두 모형의 해석 결과는 거의 동일하였다. 즉 개발된 암거 흐름 해석 프로그램은 Culvert Master와 거의 동일한 정확도를 가지고 흐름 해석을 수행할 수 있음을 알 수 있다.
단계 S130는 상기 암거 흐름을 유입부 통제 흐름 및 유출부 통제 흐름으로 순차적으로 가정하는 단계; 상기 입력된 최적 암거 단면 규격 산정용 기준 데이터를 기초로 하여 상기 가정한 유입부 통제 흐름의 상류 수위 및 상기 가정한 유출부 통제 흐름의 상류 수위를 각각 산정하는 단계; 및 상기 가정한 유입부 통제 흐름의 상류 수위 및 상기 가정한 유출부 통제 흐름의 상류 수위 중 큰 값의 상류 수위를 갖는 통제 흐름을 암거 흐름으로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
최적 단면규격 산정 방법
주어진 조건하에서 상기 암거 및 배수관 단면 규격 산정 프로그램을 실행하여 설계 기준 내의 단면 규격별 암거 흐름을 해석한 후(S130), 단면 규격별 상류 수위, 수심과 단면 비율, 및 유출 유속을 계산한다(단계 S140).
상기 계산된 단면 규격별 암거 상류 수위, 수심과 단면 비율, 유출 유속 중 설계 조건을 만족하는 상류 수위, 수심과 단면 비율, 및 유출 유속을 갖는 단면 규격을 암거의 최적 단면 규격으로 선정한다(단계 S150). 상기 설계 조건은 상류 수위, 수심과 단면 비율, 유출 유속이 해당 허용치 이내인 지의 여부를 포함한다. 즉, 해석 결과로 얻어지는 HWE와 H/D가 주어진 허용치를 초과하지 않는 최소 단면 규격을 설계 단면 규격으로 결정하게 된다. 단, 유출 유속이 2.5 m/s 보다 큰 경우에는 유출 유속을 감소시키라는 메시지를 출력한다. 여기서 암거의 단면규격 산정 프로그램에서 현재 고려되고 있는 단면은 수로 암거는 총 26개, 중복되는 관경을 제외한 횡단 배수관은 총 18개의 단면이다(표 8 및 표 9 참조). 표 8은 수로 암거 표준도이고, 표 9는 횡 배수관공 표준도이다.
구분 1련 암거 2련 암거 3련 암거





수로 암거		 2.0m×1.5m
2.0m×2.0m
2.5m×2.0m
2.5m×2.5m
3.0m×2.5m
3.0m×3.0m
3.5m×3.5m
4.0m×4.0m
4.5m×4.5m
5.0m×5.0m		 2.0m×1.5m
2.0m×2.0m
2.5m×2.0m
2.5m×2.5m
3.0m×2.5m
3.0m×3.0m
3.5m×3.0m
3.5m×3.5m
4.0m×4.0m
2.0m×1.5m
2.5m×2.0m
3.0m×2.5m
3.0m×3.0m
3.5m×3.0m
3.5m×3.5m
4.0m×4.0m
구분 VR관 부설 흄관 부설 비고


횡배수관공
D=800mm
D=1,000mm
D=1,200mm		 D=300mm
D=450mm
D=600mm
D=800mm
D=1,000mm
D=1,200mm

1련, 2련, 3련
암거의 단면 규격 산정 프로그램 적용
암거의 단면 규격 산정 프로그램을 표 10의 특성을 가진 수로 암거의 단면규격 산정을 위하여 적용하였다.
허용상류수위 2.73+0.64025(m) 경사 0.0985 Upstream invert 0.64025(m)
허용 H/D 0.7 길이 6.5 (m) Downstream invert 0.00(m)
설계홍수량 2.728(m3/초) 조도계수 0.013 CHNO 8
하류측 수위 0.26(m) 유입부
손실계수		 0.2 Nomoscale 3
프로그램 적용 결과는 각 단면규격별로 수행된 흐름 해석 결과, 설계조건과 비교한 결과 및 최적 단면규격을 포함하는 파일에서 확인할 수 있다(표 11 내지 표 13 참조). 주어진 암거에 대해서는 2.0m×1.5m의 수로암거가 최적 단면으로 산정되었고 유출유속은 감소시켜야 하는 것으로 나타났다. 표 11 내지 표 13은 암거 단면 규격 산정 결정으로 단면 규격별 흐름 해석 결과, 단면규격별 설계조건 비교결과, 및 최적 단면규격을 나타낸다.
Figure 112009020435535-PAT00015
Figure 112009020435535-PAT00016
# 폭(m) 높이(m) 련수 HWE(m) H/D (m/초)
7 2.0 1.5 1 1.5598 0.6131 4.6548
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예로서 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.
본 발명에 따른 암거 단면 규격 산정 방법은 암거 및 배수관의 단면 설계에 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수리적 특성에 따른 유입부 통제 수로 및 유출부 통제 수로를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유입부 통제 흐름 해석에서의 상류 수심 및 수위를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유출부 통제 흐름 해석에서의 에너지 경사선을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 암거 내 흐름이 자유 수면을 가질 때 발생하는 수면 곡선의 유형을 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 암거의 흐름 유형을 나타낸 도면들이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 유입부 통제시 상류 수위를 나타낸 그래프이다.
도 8 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 유출부 통제시 유입부 상류 수위, 흐름 해석 결과로 선정된 상류 수위, 상류 수심의 암거 높이에 대한 비율, 및 유출 유속을 나타낸다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 암거 단면 규격 산정 방법을 설명하는 흐름도이다.

Claims (4)

  1. (i) 암거 및 배수관의 최적 단면 규격 산정용 기준 데이터를 암거 및 배수관 단면 규격 산정 프로그램에 입력하는 단계;
    (ii) 상기 암거 및 배수관 단면 규격 산정 프로그램을 실행하여 상기 기준 데이터의 조합에 의해 설계 기준 내의 단면 규격별 암거 흐름을 해석하고, 단면 규격별 상류 수위, 수심과 단면 비율, 및 유출 유속을 계산하는 단계; 및
    (iii) 상기 계산된 단면 규격별 암거 상류 수위, 수심과 단면 비율, 유출 유속중 설계 조건을 만족하는 상류 수위, 수심과 단면 비율, 및 유출 유속을 갖는 단면 규격을 암거의 최적 단면 규격으로 선정하는 단계를 포함하는 암거 단면 규격 산정 방법.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 기준 데이터는 암거 유출부가 연결되는 구조물의 종류에 따른 수심 자료 유무 정보, 상류 수심과 단면 높이의 비, 강우-유출 모형을 통해 계산된 설계 홍수량, 수리 계산서로부터 얻은 또는 사용자가 가정한 암거 경사 및 암거 길이, 수문학 관련 텍스트 북으로부터 얻은 유입부 형식에 따른 손실 계수, 암거 내 하상의 종류와 거칠기에 따른 조도 계수, 암거의 형태 및 유입부 형상에 따른 매개 변수인 CHNO 및 NOMOSCALE를 포함하는 암거 단면 규격 산정 방법.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 암거에 유출부가 연결되는 구조물이 있는 경우, 상기 기준 데이터는 상기 구조물의 유량, 조도 계수, 바닥 폭, 측면 경사, 및 수로 경사 가정값을 포함하는 암거 단면 규격 산정 방법.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 설계 조건은 상류 수위, 수심과 단면 비율, 유출 유속 해당 허용치 이내인 지의 여부를 포함하는 암거 단면 규격 산정 방법.
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