KR20190026469A

KR20190026469A - 산지 지역 배수로용 토사 및 유송잡물 거름장치

Info

Publication number: KR20190026469A
Application number: KR1020170113434A
Authority: KR
Inventors: 박무종; 송영석
Original assignee: 한서대학교 산학협력단
Priority date: 2017-09-05
Filing date: 2017-09-05
Publication date: 2019-03-13

Abstract

본 발명은 거름장치에 관한 것으로서, 상세하게는 양단에 배수로에 거치되도록 날개가 절곡 형성된 본체 프레임에 폭과 높이가 30×30㎝인 배수로에 배수로의 상류 120㎜, 즉 배수로 높이의 40%에 해당하는 높이를 월류수로로 형성하도록 수평 간격 54~55㎜, 수직 간격 30~31㎜인 5×5로 구획된 격자망 프레임을 설치하여 유송잡물의 포집 효율을 향상시키고, 격자망 프레임의 하단 1칸에 폭 방향으로 토사 차단벽을 설치하여 퇴사를 퇴적시켜 토사가 유출되는 것을 방지하도록 하는 산지 지역 배수로용 토사 및 유송잡물 거름장치에 관한 것이다.

Description

산지 지역 배수로용 토사 및 유송잡물 거름장치{FILTER APPARATUS OF SAND AND FLOATING TRASH FOR DRAINAGE CANAL IN MOUNTAINOUS AREAS}

최근 강우-유출시 일반 및 산지 배수로로 유입되는 토사 및 유송잡물의 퇴적은 배수시설의 기능저하 및 배수불량을 초래하며 통수능력부족으로 인한 물적, 인적 피해를 야기하고 있다.

또한, 산지부 배수시설은 계곡부 상부에서 발생한 토사 및 유송잡물 등이 유입되어 통수능력을 감소에 따른 피해가 발생하며, 토사 및 유송잡물이 배수로 및 우수관로와 같은 배수시설을 차단하여 월류 및 충돌등에 의한 침수피해, 주거지역 및 주요시설물등에 직접적인 피해를 발생시키며 매년 비슷한 토사재해의 사례가 반복적으로 발생하고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 국내 특허등록 제10-1493478호인 스크린 배열을 이용한 비점 오염물질 저감장치, 제10-1084280호인 경사지 토사의 포집 및 하천 유입 저감 방법이 개시되어 있다.

먼저, 상기 스크린 배열을 이용한 비점 오염물질 저감장치는 인공 저류지나 강, 연못, 하천 등으로 유입되는 비점오염물을 처리하거나 저감하기 위하여 수로에 설치되는 것으로서, 수로를 흐르는 비점오염물을 단계적으로 여과하기 위하여 상기 수로의 내부에 다수개의 스크린이 소정의 간격을 두고 각각 설치되고, 비점오염물이 유입되는 방향의 상기 스크린 전방의 상기 수로 바닥에는 비점오염물에 포함된 오염토사가 침전되기 위한 오염토사 침전홈이 형성되고, 상기 스크린들은, 비점오염물이 유입되는 방향에서 유출되는 방향으로 갈수록 높이가 점차 낮게 형성되되, 비점오염물이 유입되는 방향을 기준으로, 첫 번째 스크린은 월류가 이루어지지 않도록 상기 수로의 깊이보다 높게 형성되고, 두 번째 스크린부터는 상부영역에 월류부가 형성되도록 상기 수로의 깊이보다 점차 낮은 크기로 각각 형성되며, 상기 월류부를 형성하는 각 스크린의 상단에는 월류되는 비점오염물에 포함된 부유물을 여과하기 위한 부유물 여과부가 마련되되, 상기 부유물 여과부는, 상기 스크린의 상단부가 상기 비점오염물이 유출되는 방향으로 수평 방향 또는 오목하게 연장 절곡된 후 끝단이 상향으로 절곡되어 형성된다.

또한, 상기 경사지 토사의 포집 및 하천 유입 저감 방법은 경사지 토사의 포집 및 하천 유입 저감 방법에 관한 것으로, 양측 벽체와 바닥판으로 이루어지는 배수로와; 상기 바닥판에 상기 양측 벽체보다 낮은 높이로 설치되는 토사포집격막을 포함하는 경사지 토사의 포집 및 하천 유입 저감 장치와, 배수로 내로 유입된 강우유출수가 배수로를 따라 유하하는 단계; 상기 배수로를 따라 유하하는 강우유출수 중에 혼재하는 유실 토사를 배수로 바닥에 설치된 토사포집격막에 걸려 포집되도록 하는 단계; 상기 토사포집격막에 걸려 포집된 유실 토사를 회수하는 단계;를 포함하여 이루어지는 경사지 토사의 포집 및 하천 유입 저감 방법을 제공한다. 본 발명은 배수로를 따라 유하하는 강우유출수에 혼재되어 있는 유실 토사를 토사포집격막에 의해 포집하여 유실 토사가 하천으로 유입되는 것을 방지하게 되며, 포집된 유실 토사는 회수한 다음, 원래의 위치로 운반하여 유실된 부분을 복구하는 데 사용할 수 있다.

그러나, 이러한 기술들은 기존의 비점, 토사, 유송잡물등 하나의 유입물만의저감시설이기 때문에 토사와 유송잡물을 모두 제거하지 못하는 문제점이 있다.

또한, 배수로 관련 설계기준에서는 배수로 월류로 인해 발생되는 산사태 및 토사재해의 대책은 수립되어 있지만 배수로 통수불능에 대한 저감시설이나 설계기준 등의 기술수준은 미미한 실정이다.

또, 미국의 FHWA(2005)에서는 유송잡물의 분류와 저감시설을 설계자 및 기술자가 참고하도록 제시하였으나 이는 산지지역에서 도시지역으로 유입되는 하수관거 연결부분의 유송잡물 차단시설이나 하천의 유송잡물 퇴적을 분리하는 저감시설로서 배수로의 저감시설로 판단하기에는 어려운 문제점이 있다.

국내 특허등록 제10-1493478호 국내 특허등록 제10-1084280호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 산지지역에 위치한 배수로에 강우발생시 유입되는 토사 및 유송잡물을 포착하여 하류 하수관거에 대한 유입을 저감하도록 하고, 산지지역의 토사 및 유송잡물의 퇴적이 발생에도 거름장치의 월류 수로를 통해 저감시설과 통수능력을 모두 확보하여 배수로 월류발생으로 토양의 포화도 증가에 따른 토사재해가 발생하는 것을 저감할 수 있도록 하는 산지 지역 배수로용 토사 및 유송잡물 거름장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,

산지지역의 배수로에 수직으로 삽입되도록 정사각형으로 형성되되, 상면이 개방되고, 양측 상단에서 수평하게 외측으로 날개가 형성되는 본체 프레임과; 상기 배수로 높이의 30~50%를 월류수로로 형성하도록 N×N으로 구획되어 상기 본체 프레임의 하단에 설치되는 격자망 프레임; 및 토사를 퇴적시키도록 상기 격자망 프레임의 하단에 설치되는 토사 차단벽으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 배수로는 높이와 폭이 30×30㎝이다.

여기에서 또한, 상기 본체 프레임은 두께 3㎜, 폭 30㎜로 형성된다.

여기에서 또, 상기 격자망 프레임은 상기 본체 프레임의 두께가 동일하고, 폭이 10㎜로 형성되며, 상기 배수로의 상류 120㎜인 40%에 해당하는 높이를 월류수로로 형성하도록 수평 간격 54~55㎜, 수직 간격 30~31㎜인 5×5로 구획된다.

여기에서 또, 상기 토사 차단벽은 높이 35㎜, 길이 294㎜인 직사각형태로 형성되어 상기 격자망 프레임의 하단 첫 번째 칸에 설치된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명인 산지 지역 배수로용 토사 및 유송잡물 거름장치에 따르면, 유송잡물을 포착하는 거름망 프레임과, 토사가 퇴적되는 토사 차단벽 및 월류 수로를 형성하여 강우발생시 토사 및 유송잡물의 포착시에도 배수로 월류가 발생하는 것을 차단하여 배수로 하류부의 우수관거에 유입되는 토사 및 유송잡물을 산지지역에서 포착해서 하수관거에 토사퇴적을 저감시켜 우수관거의 통수능력을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 산지 지역 배수로용 토사 및 유송잡물 거름장치의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 정면도이다.
도 3은 도 1의 측면도이다.
도 4는 도 1의 평면도이다.
도 5는 도 1의 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 산지 지역 배수로용 토사 및 유송잡물 거름장치가 배수로에 설치된 모습을 나타낸 설치 상태도이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 실험예에 따라 제작된 산지 지역 배수로용 토사 및 유송잡물 거름장치의 사진이다.
도 10은 본 발명에 따른 5×5 격자망 프레임의 조건별 포착효율을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 5×5 격자망 프레임의 프루드(Froude) 수별 포착효율을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명에 따른 5×5 격자망 프레임의 경사별 포착효율을 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명에 따른 5×5 격자망 프레임의 수심에 따른 유효 단면적별 포착효율을 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명에 따른 5×5 격자망 프레임의 유효 단면적의 수심별 프루드(Froude) 수별에 대한 포착효율을 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명에 따른 산지 지역 배수로용 토사 및 유송잡물 거름장치의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 산지 지역 배수로용 토사 및 유송잡물 거름장치의 구성을 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 정면도이며, 도 3은 도 1의 측단면도이고, 도 4는 도 1의 평면도이며, 도 5는 도 1의 분해 사시도이며, 도 6은 본 발명에 따른 산지 지역 배수로용 토사 및 유송잡물 거름장치가 배수로에 설치된 모습을 나타낸 설치 상태도이다.

도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 산지 지역 배수로용 토사 및 유송잡물 거름장치(10)는, 본체 프레임(10)과, 격자망 프레임(20) 및 토사 차단벽(30)으로 이루어진다.

먼저, 본체 프레임(10)은 산지지역에 형성된 높이와 폭이 30×30㎝인 배수로(A)에 수직으로 삽입되도록 금속재질로 정사각형으로 형성되되, 상면이 개방되고, 양측 상단에서 수평하게 외측으로 날개(11)가 형성된다. 이때, 본체 프레임(10)은 두께 3㎜, 폭 30㎜로 형성되는 것이 바람직하고, 날개(11)는 150㎜의 길이를 갖는 것이 바람직하다.

그리고, 격자망 프레임(20)은 배수로(A) 높이의 30~50%를 월류수로(B)로 형성하도록 N×N으로 구획되어 본체 프레임(10)의 하단에 설치된다. 이때, 격자망 프레임(20)은 본체 프레임(10)의 두께가 동일하고, 폭은 10㎜로 형성되며, 배수로(A)의 상류 120㎜인 40%에 해당하는 높이를 월류수로(B)로 형성하도록 수평 간격 54~55㎜, 수직 간격 30~31㎜인 5×5로 구획되는 데, 바람직하게 수평 간격은 도 2의 좌측 첫 번째 칸부터 네 번째 칸까지 55㎜로 형성되고, 마지막 다섯 번째 칸은 54㎜로 형성되어 전체 폭 294㎜에 대응되도록 형성되며, 수직 간격은 최하단 첫 번째 칸부터 위로 세 번째 칸까지 30㎜로 형성되고, 네 번째 칸과 다섯 번째 칸은 31㎜로 형성되어 월류수로(B)의 높이가 120㎜로 형성되도록 한다.

또한, 토사 차단벽(30)은 토사를 퇴적시키도록 격자망 프레임(20)의 하단 양측면에 각각 설치된다. 이때, 토사 차단벽(30)은 높이 35㎜, 길이 294㎜인 직사각형태로 형성되어 격자망 프레임(20)의 하단 첫 번째 칸에 설치되는 것이 바람직하고, 그 두께는 3㎜이다.

이하, 본 발명에 따른 산지 지역 배수로용 토사 및 유송잡물 거름장치의 실험예를 통한 격자 크기가 산정된 과정을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 7 내지 도 9는 본 발명의 실험예에 따라 제작된 산지 지역 배수로용 토사 및 유송잡물 거름장치의 사진이다.

먼저, 본 발명에 따른 산지 지역 배수로용 토사 및 유송잡물 거름장치(10)의 격자망 프레임(20)의 조건은 수리실험을 통해 산정된 결과를 활용하여 개발하였는 데, 이를 통해 5×5의 격자망 프레임(20)을 설계하였고, 5×5의 격자 크기는 도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이 1:1 스케일의 수리실험을 통해 유속별 유송잡물 포착효율을 산정하였다.

그리고, 본 발명에 따른 산지 지역 배수로용 토사 및 유송잡물 거름장치(10)의 포착효율은 유량조건에 따라 포착효율이 나누어지며, 최대 90%에서 최소 50%에 해당하는 포착효율이 관측되었는 데, 산지지역에 설치된 배수로(A)의 경우 5×5보다 조밀한 격자망 프레임(20)을 설치시 강우발생에 따른 유송잡물 포착시 월류가 발생하여 토사의 과포화현상으로 토사재해가 발생할 가능성이 높아진다.

또한, 수리실험에서 월류가 발생하는 조건을 본 발명에 따른 산지 지역 배수로용 토사 및 유송잡물 거름장치(10)의 상단에 배수로 높이의 40%인 월류수로(B)를 형성하여 유송잡물 포착시에도 배수로(A)에서 월류가 발생하지 않는 조건을 적용하였다.

본 실험예에 따른 격자망 프레임(20)의 한 칸의 격자의 면적은 각각 1,620㎟, 1,650㎟, 1,674㎟, 1,750㎟이고, 배수로는 폭과 높이가 300㎜ 조건에 한정하여 설치가 가능하며, 유량별 포착효율 산정식을 아래의 수학식 1과 같다.

이때, X = 유량(㎥/s), Y = 포착효율(%)이다.

그리고, 격자망 프레임(20)의 하단 한 칸을 모두 토사 차단벽(30)을 이용하여 막아 토사가 퇴적될 수 있도록 하였다.

본 실험예에서는 30×30㎝ 배수로(A)에서의 거름장치, 유송잡물, 수심 및 유속조건에 대하여 실험조건을 수립하고자 하고, 수평 간격, 수직 간격, 한 칸의 유효단면적 등의 특성을 아래의 표 1과 같이 설계하였다.

배수로 폭과 높이 (㎝)	월류 수심 (㎜)	격자	수평 간격 (㎜)	수직 간격 (㎜)	한 칸의 유효단면적 (㎟)
30×30	120 (배수로 폭 40%)	5×5	55/54	30/31	1,620, 1,650, 1,674, 1,750

격자망 프레임(20)의 수평 간격은 좌측 첫 번째 칸부터 네 번째 칸까지 55㎜로 형성되고, 마지막 다섯 번째 칸은 54㎜로 형성되어 전체 폭 294㎜에 대응되도록 형성되며, 수직 간격은 최하단 첫 번째 칸부터 위로 세 번째 칸까지 30㎜로 형성되고, 네 번째 칸과 다섯 번째 칸은 31㎜로 형성되어 월류수로(B)의 높이가 120㎜로 형성되도록 하여, 25개의 유효단면적이 격자로 구성되어 있으며, 한 칸의 유효단면적은 각각 1,620㎟, 1,650㎟, 1,674㎟, 1,750㎟이다.

수리실험은 수심 5조건, 유속 6조건에 대하여 총 30조건의 실험을 실시하였으며 각 실험조건에 대한 포착효율은 아래의 표 2와 같다.

본 발명에 따른 5×5 격자망 프레임(20)의 포착효율은 34.7%부터 99.0%의 범위로 분포되어 있으며, 유속이 증가할수록 수심별 포착효율은 감소하였다. 수심이 180㎜, 유속 1.8㎧, 유량 0.097㎥/s에서는 유송잡물 포착에 따른 배수로 월류가 발생하였다.

(단위 : %)
수심(㎜) 유속(㎧)	60	90	120	150	180
0.3	95.86	95.32	96.86	99.00	87.00
0.6	83.40	74.00	77.34	88.38	70.99
0.9	81.23	73.04	68.69	85.20	56.90
1.2	76.46	73.95	62.88	44.65	55.56
1.5	61.12	67.98	47.49	43.52	53.80
1.8	62.21	47.66	39.76	34.70	월류

수리실험을 통해 관측된 유속별 수심의 포착효율을 연속방정식과 매닝(Manning) 공식에 적용하여 유량, 프루드(Froude) 수, 경사, 수심조건의 유효단면적, 유효수심별 프루드(Froude) 수에 대한 포착효율을 도 10과 같이 산정하였다.

도 10은 본 발명에 따른 5×5 격자망 프레임의 조건별 포착효율을 나타낸 그래프이고, 도 11은 본 발명에 따른 5×5 격자망 프레임의 프루드(Froude) 수별 포착효율을 나타낸 그래프이며, 도 12는 본 발명에 따른 5×5 격자망 프레임의 경사별 포착효율을 나타낸 그래프이고, 도 13은 본 발명에 따른 5×5 격자망 프레임의 수심에 따른 유효 단면적별 포착효율을 나타낸 그래프이며, 도 14는 본 발명에 따른 5×5 격자망 프레임의 유효 단면적의 수심별 프루드(Froude) 수별에 대한 포착효율을 나타낸 그래프이다.

본 발명에 따른 5×5 격자망 프레임(20)의 유량별 포착효율은 도 10에 도시된 바와 같이 Q<0.06㎥/s보다 작은 유량에서는 약 99.0%에서 50%까지 비례하게 감소하였고, Q>0.06㎥/s보다 큰 유량에서는 유송잡물의 포착효율이 약 50%에서 34.7%범위에 평행하게 관측되었다.

그리고, 도 11에 도시된 바와 같이 프루드(Froude) 수의 포착효율은 Fr<1.25보다 작은 프루드(Froude) 수에서는 약 99.0%에서 60%까지 비례하게 감소하였고, Fr>1.25보다 큰 프루드(Froude) 수에서는 약 60%에서 34.7%범위에 평행하게 관측되었다.

또한, 도 12에 도시된 바와 같이 경사별 포착효율은 s<0.02보다 작은 경사에서는 약 99.0%에서 50%까지 비례하게 감소하였고, s>0.02보다 큰 경사에서는 약 50%에서 34.7% 범위에 평행하게 관측되었다.

또, 도 13에 도시된 바와 같이 수심조건에 대한 유효단면적별 포착효율은 유속이 0.3㎧에서는 수심조건이 격자망 프레임(20)의 수평 프레임에 상관없이 느린 유속으로 유송잡물의 포착효율이 90% 이상 관측되었다.

유속이 0.6㎧와 0.9㎧에서는 수심조건이 격자망 프레임(20)의 수평 프레임에 위치하고 있으면 포착효율이 높고, 격자망 프레임(20)의 수평 프레임 사이에 있으면 포착효율이 감소하였다. 유속이 1.2㎧, 1.5㎧, 1.8㎧에서는 수심조건이 격자망 프레임(20)의 수평 프레임에 위치하는 것이 수평 프레임 사이에 위치하는 것보다 높은 포착효율이 관측되었으나, 120㎜, 150㎜의 수심조건에서는 수평 프레임에 위치하고 있음에도 낮은 포착효율이 관측되었다.

이러한 유속과 수심에 따른 포착효율의 변화는 도 14에 도시된 바와 같이 유효단면적의 수심별 포착효율을 프루드(Froude) 수의 그래프에서 확인할 수 있다. 프루드(Froude) 수가 1보다 작을 때 수평 프레임에 수심이 있을 경우 수평 프레임 사이에 수심이 위치하였을 때 보다 높은 포착효율이 관측되었다.

그러나, 프루드(Froude) 수가 1보다 클 경우에는 수심에 대한 수평 프레임의 위치가 포착효율의 미치는 영향이 작은 것으로 확인되었다.

따라서, 작은 유속에서는 상류의 흐름에 따라 수심에 따른 수평 프레임의 영향이 명확히 나타났으며, 유속의 커질수록 사류의 흐름으로 변화되어 수심에 따른 수평 프레임의 영향이 없거나 작게 나타났다.

본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

10 : 본체 프레임 11 : 날개
20 : 격자망 프레임 30 : 토사 차단벽
A : 배수로 B : 월류수로

Claims

산지지역의 배수로에 수직으로 삽입되도록 정사각형으로 형성되되, 상면이 개방되고, 양측 상단에서 수평하게 외측으로 날개가 형성되는 본체 프레임과;
상기 배수로 높이의 30~50%를 월류수로로 형성하도록 N×N으로 구획되어 상기 본체 프레임의 하단에 설치되는 격자망 프레임; 및
토사를 퇴적시키도록 상기 격자망 프레임의 하단에 설치되는 토사 차단벽으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 산지 지역 배수로용 토사 및 유송잡물 거름장치.
제 1 항에 있어서,
상기 배수로는,
높이와 폭이 30×30㎝인 것을 특징으로 하는 산지 지역 배수로용 토사 및 유송잡물 거름장치.
제 1 항에 있어서,
상기 본체 프레임은,
두께 3㎜, 폭 30㎜로 형성되는 것을 특징으로 하는 산지 지역 배수로용 토사 및 유송잡물 거름장치.
제 1 항에 있어서,
상기 격자망 프레임은,
상기 본체 프레임의 두께가 동일하고, 폭이 10㎜로 형성되며, 상기 배수로의 상류 120㎜인 40%에 해당하는 높이를 월류수로로 형성하도록 수평 간격 54~55㎜, 수직 간격 30~31㎜인 5×5로 구획되는 것을 특징으로 하는 산지 지역 배수로용 토사 및 유송잡물 거름장치.
제 1 항에 있어서,
상기 토사 차단벽은,
높이 35㎜, 길이 294㎜인 직사각형태로 형성되어 상기 격자망 프레임의 하단 첫 번째 칸에 설치되는 것을 특징으로 하는 산지 지역 배수로용 토사 및 유송잡물 거름장치.