05 구조물공

5-1 하 상 교 량 의 경 제 적 비 점 오 염 저 감 을 위 한 『초 기 우 수

유 도 관』적 용 방 안

5-2 교 량 하 부 내 화 설 계 지 침 수 립

5-3 교 량 구 조 용 압 연 강 재 HSB800 적 용 검 토

5-4 유 지 관 리 를 고 려 한 구 조 물 설 계 개 선

5-5 개 량 형 신 축 이 음 장 치 (컴 프 레 션 씰 Type) 확 대 적 용 방 안

5-6 수 중 불 분 리 성 콘 크 리 트 적 용 방 안 검 토

5-7 장 철 근 설 계 적 용 방 안 검 토

5-8 성 토 부 교 대 수 평 변 위 최 소 화 방 안

5-9 교 량 대 피 공 간 적 용 방 안 검 토

5-10 콘 크 리 트 곡 선 거 더 교 적 용 검 토

5-11 「일 체 형 탄 성 받 침 」품 질 관 리 기 준 (안 )

 

구조물공 ❙ 227

구조물공

51

구조물공

하상교량의 경제적 비점오염 저감을 위한 『초기우수

유도관』적용방안

환경품질처-621

(2014.02.13)

1 추진배경

o 하상교량은 비점오염 저감 우선순위가 높은* 시설물이나,

o 설치가 어렵고 많은 비용이 소요되어 이의 대책이 필요함

* 운영노선 모든 하상교량(1,848개)에 조속 설치(국정감사 2011～2013)

* 건설노선 하상교량에 100% 설치 요구(환경영향평가)

2 추진경위

○ 기본컨셉 및 프로토타입 구상 : 2010.12~2011.01

◦초기우수(5㎜)는 종배수관에 담수,

◦이후 지속되는 우수는 월류

(관경축소 Ø800㎜ → 300㎜)

○ 관경 산정기법 개발 : 2011.02~2012.08

◦유량(WQf, 15㎜/hr) 개념 개발로 관경축소량 증가

- 초기우수 담수 방식(300㎜) → 초기우수 유량 이송(200㎜)

○ 실용화 모델 개발 및 시험적용 계획수립 : 2012.12

◦축소모형 사전실험을 통한 구조보완 및

적용모델 확정

(초기우수 유출방지 기능 추가)

○ 시험시공 및 모니터링 : 2013.03~2013.10

◦영동선 남한강교(540m), 호남선 황룡강교(270m)

- 모니터링결과 : 목표초과(15→25㎜/hr)

○ 미관을 고려한 개선형 추가개발 : 2013.08

◦경부선 신상1교(525m) 개량형 시험적용

* 2014년 사후모니터링 예정

228 ❙ 구조물공

3 현 실태 및 문제점

방법 1 자연형으로 처리 교량 노면수를 육상부로 이송 처리

설 치

방 법

특 징 ○ 자연형으로 오염 저감효율이 좋고, 유지관리가 용이

문제점

○ 장대교의 경우, 배수시설 대형화 및 공사비 급등

* 공사비 (2차로, S=1.0%의 경우)

교량(배수관)연장 200m 500m 1,000m

배수관규격(최대) Ø500 Ø700 Ø900

배수관 공사비 1억원 5억원 19억원

※ 설치사례 : Ø800㎜ (도급공사비 10.1억원)

구조물공 ❙ 229

구조물공

방법 2 장치형으로 처리 하상부에서 직접 처리후 하천방류

설 치

방 법

거치형

집수구형

특 징 ○ 장치형은 보통 소형으로 제작되어 설치가 용이

문제점

○ 저감효율이 낮고 유지관리가 어려워 적용지양 시설

* 공사비 (2차로, S=1.0%의 경우)

교량연장 200m 500m 1,000m

공사비계 1.5억원 4억원 8억원

장치형 설치비 0.5억원 1억원 2억원

배수관 공사비 1억원 3억원 6억원

※ 장치형 시설의 특징 (녹색환경처-4121, 2012.10.22)

① 오염 저감효율이 낮으며 고가임(환경부 시범사업 결과)

구 분 자 연 형(/ha) 장 치 형(/ha)

설치비 26백만원 124백만원 (5배)

년간유지비 1.5백만원 4백만원 (3배)

② 잦은 유지관리가 필요하며, 당해 제조업체에 위탁 시행

③ 제조여과시스템은 보조대책으로 취급(환경부 최적관리지침 2010.6)

* 특정오염물질 처리나 규모가 큰 자연형이 적합하지 않은 경우 사용

230 ❙ 구조물공

4 초기우수유도관 적용방안

개 념 수질처리가 필요한 초기우수만 육상부로 이송

○ 비점시설은 초기우수만 처리하는 시설

※ 현 수질법 : 초기우수 5㎜ 처리

○ 따라서, 종배수관은 초기우수(15㎜/hr)만

이송토록 규격을 축소,

○ 이후 종배수관 용량을 초과한 우수는

하천으로 월류

초기우수 유도관 개념도 상세도

※『초과수』에 대한 기존 처리방식

노면수 전량 육상부로 이송하여, 초과수(I=15mm/hr초과)는 저감시설

전단부의 유량분배구조물에서 하상부로 방류

구조물공 ❙ 231

구조물공

관경산정 해당 유역면적에 따라 합리식 및 매닝공식으로 산정

① 종배수관 :『초기우수 유량(WQf) = 종배수관 허용유량(Qa)』

㉮ 초기우수 유량 : WQf = C․IWQf․A/(3.6×106)

IWQf : 초기우수 강우강도(=15㎜/hr), C : 유출계수(포장 0.9), A : 해당 유역면적(m2)

㉯ 종배수관 허용유량 : Qa = Ao․(1/n)R2/3I1/2

Ao : 배수관 단면적(m2, 0.75D), n : 조도계수, R : 동수반경(m), I : 배수관 종단경사

② 기타 연직배수관 및 월류관은 Ø150㎜를 적용,

월류관은 종배수관 폐색을 고려하여 원칙적으로 매 연직관마다 설치

처리적정성 세부사항 "붙임#2“ 참조

① 관경 축소에 따른 노면배수 적정성

○ 관경이 작아지면 유속이 커져, 퇴적 확률은 낮아짐

○ 종배수관이 막히더라도 월류관을 통해 노면배수는 가능

※ 평시 강우(I=15㎜/hr)에 대한 퇴적여건 비교(퇴적방지유속: 0.76m/s)

(당초 육교용)

관내유속 0.7m/s ⇨ (초기우수 유도관)

관내유속 0.76m/s

※ 종배수관 폐색시, 월류관 처리량

* 강우강도 조건 : 200㎜/hr (200년 빈도)

㉮ 최대 발생유량 : Q = CIA = 0.019m3/s

㉯ 월류관 처리량 : Q = Ca√(2gh) = 0.025m3/s

② 초기우수의 하천유입 방지기능

○ 관 내벽을 따라 흐르는 초기우수가 직접 하천으로

유입되지 않도록 기능 부가 (2013년 모니터링 결과 양호)

232 ❙ 구조물공

형식별 적용방안 두 형식 모두 우리공사 특허

① 기본형

개요

o 자재 부피가 크고 복잡하여 미관이 다소 불량하며,

o 월류관(주물가공) 제작이 어렵고 무거움(13kg/EA)

적용

대상

o 개선형 적용이 어려운 경우에 적용

② 개선형

개요

o 슬라브 하면에 밀착시공이 가능하여 미관이 우수하며,

o 월류관(용접가공) 제작이 쉽고 가벼움

적용

대상

o 슬라브 종단경사가 급한(0.8%이상) 교량에 최적

* 0.8%미만 등 필요시는 밀착하지 않고 관매달기 방식으로 적용가능

※ 월류관 적용방안 및 상세는 “붙임#1” 참조

구조물공 ❙ 233

구조물공

※ 2013 시험시공 및 모니터링 결과 2013. 7.29 ~ 10.11

○ 영동선 남한강교 (L=540m, 도로종단경사 0.4%)

○ 모니터링 방법 : 강우기록(강우량계), 월류․체수 관찰(CCTV 2), 수질분석

○ 모니터링 결과

① 초기우수 이송 : 100% (목표초과)

구 분 목 표 금회 결과

종배수관 통수능력 15㎜/hr (최소)25.4㎜/hr

초기우수 강우강도 25㎜/hr 19.5㎜/hr

초기우수 처리확률 98% 100%

② 월류 가능성 : 년 1회로 추정(우측그래프)

③ 기타 적정성

- 노면체수 및 초기우수 직접유출 현상 없음

④ 공법별 경제성 비교

구 분

기존 종배수관 U형 개거 초기우수 유도관

특 징

▪규격 최대

▪관내유속 0.74m/s

▪규격과대및점검로저촉

▪개거내유속 0.56m/s

▪규격 최소

▪관내유속 0.80m/s

경제성

계 1,922백만원 1,814백만원 476백만원(△14억)

설치비 1,786 1,806 340

유지비 136(년3회, 30년) 8(년0.3회, 30년) 136(년3회, 30년)

234 ❙ 구조물공

5 기대효과

○ 장대 하상교량의 배수관 규격축소 및 사업비 절감

- 연장별 사업비 절감액

(S=1.0%, 2차로, I=140㎜/hr)

배수관연장 100m 300m 500m 800m 비 고

관 경

(㎜)

당 초 ∅400 ∅550 ∅700 ∅800

변 경 ∅150 ∅150 ∅200 ∅250

공사비 차액 0.2억 1.4억 3.7억 9.4억

※ 운영노선 500m이상 하상교량(183개소)의 평균연장 : 803m

6 적용방안 및 향후계획

□ 적용 방안

o (공용중 및 설계중 노선) 본 방안 적용

o (건설중노선) 경제성및현장여건등을고려하여공사시행부서에서판단적용

□ 향후 계획

o (2014년 상반기) 특허등록

- 특허출원 기 완료(기본형 2013. 3월, 개선형 2013. 10월)

o (2014. 1 ~ 10월) 자료축적을 위한 사후 모니터링

- 영동선 남한강교(기본형), 경부선 신상1교(개선형)

o (2014 ~ 2015년) 국가기준 등재 추진

- 최적관리지침(국립환경과학원), 도로 저감시설 지침(국토부) 등

구조물공 ❙ 235

구조물공

월류관 적용방안 및 제작상세

□『초기우수 유도관』적용방안

① 종배수관 설치방법

㉮ 교량하부 여건에 따라 육교형과 병행 적용

② 월류관 설치방법

o 초기우수가 월류관을 통해 하천으로 직접 유출되지 않도록 단면 확대부

(또는 유출방지판넬) 설치

o 부피가 큰 기본형은 미관을 위해 가급적 교량 내측으로 설치하고,

T형 곡관의 전후 종배수관 연결부는 유지관리를 위해 밴드로 체결

붙임 1

236 ❙ 구조물공

□ 월류관 제작상세

① 기본형

o 자재구성

o 기본제원

구조물공 ❙ 237

구조물공

② 개선형

※ 상기 관 직경 150㎜ 는 호칭지름이며, 실 제작은 KS 규격 적용

* 유출방지판넬 상세

238 ❙ 구조물공

초기우수 유도관 적정성 검토

 과거 기후자료로 본 초기우수 처리확률

(수원지역, 과거 5개년 기후자료를 통한 검토시)

모든 강우에 대해서 월류될 경우는 9.2%(=8회/87회)이며,

초기우수 발생시간내 월류될 확률은 1.2%로서, 99%는 안정적 처리

① 수원지역, 과거 5개년 강우사상 분석

구 분 평균 계 2007 2008 2009 2010 2011

년간 강우사상수 87회 433회 111회 87회 65회 91회 79회

강우사상 평균강우강도가

15㎜/hr를 초과한 횟수

0.2회 1회 - - - 1회 -

일부시간이라도 15㎜/hr를

초과한 강우사상수

8.2회

(18hr)

41회

(91hr)

7회 9회 8회 7회 10회

초기 2시간이내 15㎜/hr를

초과한 횟수

1회 5회 - 1회 - 1회 3회

② 분석결과

o 년간 총 강우시간(536hr)중 월류되는 시간(18hr)은 3.4%

15㎜/hr가 초과되어 월류될 경우는 년간 8회(년 87회의 9.2%)로

우기철에 집중되어 있으며, 그 시간은 3.4%(년 536hr중 18hr)에 불과

o 강우초기 2시간내 월류될 확률은 1.2%, 99%는 안정적 처리가능

초기 2시간(초기우수 최대 발생시간)내 15㎜/hr가 초과된 경우는 년 1회로

1.2%(=5회/433회)이며, 초기우수의 99%(=100-1.2)는 처리가능

※ (참고) 장대교 초기우수 이송시간은 46분(=①+②)

* 조건 : 교량 1,000m(2차로), 집수구간격 20m, S=0.5%, n=0.015

① 초기우수(5㎜) 발생시간 : T1 = 20분(=5mm/15mm/hr)

② 초기우수 이동시간 : T2 = 26분(=L/Vm=1,000m/0.63m/s/60초)

- 발생유량 : 시 0.0009m3/s[=0.9×15×12.2×20/(3.6×106)], 종 0.0458m3/s[=0.9×15×12.2×1000/(3.6×106)]

- 평균 이동속도 : Vm=0.63m/s [=(0.33+0.93)/2]

붙임 2

구조물공 ❙ 239

구조물공

 초과수의 하천방류 적정성

○ 현행 방법도 초과수는 하천으로 방류하고 있음

① 현행 장치형 처리방법

▶ 외관상 모든 강우를 처리하는 것처럼 보이나, 내부에는 용량 초과수를

직접 하천 방류토록 되어있음

* 오히려, 장치형(I=5mm/hr)은 초기우수유도관보다 적게 처리하고 있음

② 현행 자연형 처리방법

▶ 모든 강우를 육상부로 이송하여 저감시설 전방에서 초과수를 하천으로 재

방류

240 ❙ 구조물공

 기타 안정성 검토

○ 관경이 작아지면 유속이 커져, 퇴적 확률은 낮아짐

* 교량 종배수관 유속기준(美FHWA) : 모래 등 퇴적방지유속 0.76m/s

○ 종배수관이 막히더라도, 월류관으로 노면배수는 가능

- 월류관 처리량(Q=0.025㎥/s) > 최대발생량(Q=0.019㎥/s)

① 종배수관내 퇴적여건 검토

※ 육교용과 초기우수 유도관의 퇴적여건 비교

○ 검토조건 : L=150m, B=19.4m, S=0.8%, I10년=141.5mm/hr

(당초) 육교용 배수관 (변경) 초기우수 유도관

○종배수관 직경 : 550㎜

(Q10년=CIA=0.103m3/s)

○평시 유속(I=15㎜/hr) :

V=0.7m/s < 0.76m/s

○종배수관 직경 : 150㎜

(QWQf=CIA=0.011m3/s)

○평시 유속(I=15㎜/hr) :

V=0.76m/s ≥ 0.76m/s (9% 증가)

② 종배수관 폐색시 교면 배수 능력

※ 최대발생유량 및 월류관 처리량

* 검토조건

o 집수구 간격 : 20.0m

o 교량폭원(B) : 19.4m(4차로)

o 강우강도(200년 빈도) : 200㎜/hr

㉮ 최대발생유량 : Q = CIA = 0.9×200×20×19.4/(3.6×106) = 0.019m3/s

㉯ 오리피스처리량 : Q = Ca√(2gh) = 0.6×(π×0.152/4)×(2×9.8×0.275)0.5 = 0.025m3/s

구조물공 ❙ 241

구조물공

 경제성 검토

○ 기존 육교형이 최소 2배 이상 고가이며,

교량연장이 길고 경사가 완만할수록 공사비 차가 커짐

※ 배수경사 변화에 따른 배수관 공사비 비교(직관 기준)

○ 검토조건 : 편도 2차로, I=125㎜/hr, n=0.013

교량연장 L=300m의 경우 교량연장 L=600m의 경우