도로 배수시설 설계 및 관리 지침 Ⅱ- 25

제 4 장 도로 배수의 수문설계

4.1 일반사항

도로 배수시설의 수문설계는 배수계획지점의 설계홍수량을 결정하고, 배수시설물의

규모를 결정한다.

【해 설】

도로 배수시설의 수문설계는 계획지점의 노면 배수, 비탈면 배수, 지하 배수, 횡단

배수 시설의 규모와 용량, 배수시설의 위치 등을 설계하는 것이다.

도로 배수유역 내에 설치되는 모든 배수시설물은 수리·수문 해석을 통하여 도로 배

수유역의 계통을 고려하여 설계한다.

4.2 설계빈도의 결정

설계빈도는 배수시설의 중요도, 설계홍수량 이상의 유출량이 발생하였을 때의 중요

도, 위험도, 경제성 등을 고려하며, 중요 배수시설은 관계기관과 협의하여 결정한다.

【해 설】

도로 배수시설의 규모 결정은 설계홍수량으로 결정하며 설계홍수량은 설계빈도(재현

기잔)의 함수이다. 설계빈도는 경제성과 위험도를 고려하여 시설물의 파괴로 인한

피해, 구조물의 중요도, 내구연한, 경제성에 따라 설계빈도를 결정한다. 도로 배수시

설의 설계빈도는 <표 4.2.1>와 같다.

배수시설의 설계빈도는 지역별 방재 성능 목표 설정 기준을 최소기준으로 결정한다.

집중호우 등에 의한 산지부 도로 비탈면 취약구간은 2종 비탈면, 토석류 발생지역,

행정안전부의 재해위험지구 등은 도로의 침수, 유실, 과거의 홍수 이력 및 흔적, 토

석류 발생 유무, 부유물, 지형, 저지대 등을 고려하여 관계기관과 협의하여 설계빈

Ⅱ- 26

도를 상향 조정 결정할 수 있다.

하천을 횡단하거나 하천구역을 일부라도 점유하게 되는 구조물은 해당하천의 하천기

본계획 또는 소하천정비종합계획의 계획빈도를 고려하여 결정한다.

구 분 배수시설 설계빈도

일반국도

암거 30년 이상

배수관 30년 이상

노면 10년 이상

비탈면 10년 이상

측도 및 인접지 도로 10년 이상

산지부

도로

암거 50년 이상

배수관 50년 이상

노면 20년 이상

비탈면

일반 20년 이상

취약구간 30년 이상

측도 및 인접지 도로 20년 이상

집수정 등 배수 구조물간 접속부 접속하는 시설물 중 빈도가 큰 값 적용

<표 4.2.1> 도로 배수시설물의 설계빈도

도로 배수시설 설계 및 관리 지침 Ⅱ- 27

4.3 설계홍수량

4.3.1 설계홍수량 산정

설계홍수량 산정은 유역의 크기, 유역의 특성, 유출특성을 고려한다.

【해 설】

설계홍수량은 관측 유출량 자료가 있는 경우 유출 빈도해석을 이용하여 직접 산정하

며, 유역면적이 4 ㎢ 미만이거나 쇼규모의 배수시설은 합리식을 적용한다. 또한, 유

역면적이 4㎢ 이상은 환경부에서 규정한 홍수량 산정 표준지침을 적용한다.

도로 배수시설의 설계홍수량은 대상지역의 강우특성과 유출계수, 도달시간, 배수면

적 등을 고려한다.

Q 

 C ∙ I ∙ A (4.3.1)

여기서, Q : 설계홍수량(m3/sec) C : 유출계수 A : 유역면적(㎢)

I : 유역특성에 따른 홍수도달시간과 같은 지속기간의 평균 강우강도

(mm/hr)

합리식의 전제조건은 다음과 같다.

(1) 강우강도(I)의 강우에 의한 홍수량(Q)은 그 강도의 강우가 유역의 도달시간과

같거나 더 큰 시간동안 계속될 때 최대치에 도달한다.

(2) 강우의 지속기간이 유역의 도달시간과 같거나 길 때 강우에 의한 첨두홍수량은

강우강도와 직선적 관계를 가진다.

(3) 첨두홍수량의 발생확률은 주어진 도달시간에 대응하는 강우강도의 발생확률과

동일하다.

(4) 유출계수는 각각 다른 발생확률을 가지는 강우-유출 형태와 관계없이 동일하다.

설계홍수량의 유출계수는 유역의 형상, 지표면 피복상태, 식생 피복상태, 개발상황

등을 고려하여 결정한다.

Ⅱ- 28

4.3.2 강우강도

강우강도는 강우지속기간 5분이상을 적용하며, 강우강도-강우지속기간-빈도(I-D-F)곡

선 또는 강우강도 공식으로 부터 결정한다.

【해 설】

설계 강우강도는 환경부의 국가수자원관리종합정보시스템(WAMIS)을 활용하여 결

정하되, 강우지속기간 1시간 미만은 강우강도식을 유도하여 결정한다. 단, 제주도는

최근 수립된 하천기본계획 또는 소하천정비종합계획의 강우분석 결과를 참고하여 결

정한다.

관측된 분 단위 강우자료가 시․공간적으로 부족한 현실에서 가능한 높은 정도의 시

간단위 이하 강우강도-지속시간-발생빈도(IDF, Intensity-Duration-Frequency)

관계식은 다음과 같은 방법을 통해 산정한다.

(1) 분 단위 강우자료를 직접 해석하여 강우강도 식을 산정하는 방법

(2) 시간 단위 강우자료를 분 단위 자료로 변환하여 이용하는 방법

(3) 시 단위 자료와 분 단위 자료사이의 관계를 통계적으로 정량화하여 분 단위 자

료의 특성을 추정하여 이용하는 방법

합리식의 홍수량(Qd)은 설계 강우강도(I)와 동일한 재현기간을 가지도록 나타나며

강우강도공식은 일반적으로 다음의 세 가지 형태로 나타난다.

Japanese 형 : I  

t

 b

a

(4.3.2)

Sherman 형 : I  tb

a

(4.3.3)

Talbot 형 : I  t  b

a

(4.3.4)

여기서, It  : 강우지속기간에 따른 강우강도(㎜/hr)

t : 강우지속기간(min), a b : 상수

도로 배수시설 설계 및 관리 지침 Ⅱ- 29

4.3.3 유출계수

유출계수는 유역의 형상, 지표면의 상태, 식생 피복상태, 주변 개발 상황 등을 고려하

여 결정한다.

【해 설】

유출계수는 선행강우조건, 지표면 경사, 피복상태, 노면저류, 토양 함수 상태, 유역

의 모양, 지표류 속도, 강우강도 등에 영향을 받으며 상습적인 침수지역이거나 주요

한 배수시설에 대한 유출계수는 0.8 이상으로 적용 할 수 있다.

유역이 상이한 토지이용의 피복 상태로 구성되는 복합 토지이용은 다음 식을 이용하

여 가중평균 유출계수를 구하며 단, 산지지역의 유출계수는 경사를 고려하여 급경사

지 0.8, 완경사지 0.7을 적용하며 도시지역은 불투수 면적을 고려하여 0.7 이상을

적용할 수 있다.

C   Ai

Ai Ci (4.3.5)

여기서, C : 가중평균 유출계수

Ai : 상이한 피복상태의 면적,

Ci : 상이한 피복상태의 유출계수.

일반적으로 사용되는 유출계수의 값은 <표 4.3.1>과 같다.

구분 C 구분 C

포장면 0.9 도시지역 0.7

가파른 산지 및 비탈면 0.8 잡지 0.6

가파른 계곡 경작지 0.8 경작하는 평작지 0.5

논 0.8 경작하는 평계곡 0.6

완만한 산지 0.7 수림 0.3

완만한 경작지 0.7 밀림수림과 덤불숲 0.2

<표 4.3.1> 합리식의 유출계수

Ⅱ- 30

합리식에 사용되는 유출계수는 유역의 형상 지표면 피복상태, 식생 피복상태 및 개

발상황 등을 감안하여 결정하는 것으로 하나, 자연하천 유역 및 토지이용에 따른 유

출계수는 <표 4.3.2>~<표 4.3.3>를 적용한다.

유출계수는 유역의 개발로 인하여 큰 변화를 받는 일이 많다. 따라서 계획 값으로

채택하는 유출계수는 개수시점에서 예상되는 개발계획 등을 고려한다.

지 표 상 황 보정치 : 가감량

나 지 w 경사 < 5% : -0.05

초 지 w 경사 > 10% : +0.05

경 작 지 w 재현기간 < 20년 : -0.05

삼 림

w 재현기간 > 50년 : +0.05

w 연평균강수량 < 600mm : -0.03

w 연평균강수량 > 900mm : +0.03

주) 하천설계기준해설(국토교통부, 2019)

<표 4.3.2> 합리식 유출계수의 지형과 지질에 따른 보정(Stephenson, 1981)

도로 배수시설 설계 및 관리 지침 Ⅱ- 31

토 지 이 용

기본유출계수,

C

토 지 이 용

기본유출계수,

C

상업지역

도심지역 0.70-0.95

산지*3

급경사 산지 0.40-0.80

근린지역 0.50-0.70

주거

지역

단독주택*2 0.30-0.50 완경사 산지 0.30-0.70

독립주택단지 0.40-0.60

잔디

사질토

평탄지 0.05-0.10

연립주택단지 0.60-0.75 평균 0.10-0.15

교외 지역 0.25-0.40

경사지 0.15-0.20

아파트 0.50-0.70

산업

지역

산재 지역 0.50-0.80

중토

평탄지 0.13-0.17

밀집 지역 0.60-0.90

평균 0.18-0.22

경사지 0.25-0.35

도로

아스팔트 0.70-0.95

농경지

나지

평탄한 곳 0.30-0.60

콘크리트 0.80-0.95

벽 돌 0.70-0.85 거친곳 0.20-0.50

공원, 묘역 0.10-0.25

경작지

사질토

작물있음 0.30-0.60

운 동 장 0.20-0.35 작물없음 0.20-0.50

철로 0.20-0.40

점토

작물있음 0.02-0.40

미개발 지역 0.10-0.30 작물없음 0.10-0.25

차도 및 보도 0.75-0.85 관계중인 답 0.70-0.80

지붕 0.75-0.95 초지

사질토 0.15-0.45

점토 0.05-0.25

1) 유출계수는 재현기간 5-10년에 적용되므로 이보다 길 경우에는 Ponce(1989,

Engineering Hydrology) 등의 보정그래프를 활용토록한다

2) 단독주택인 경우, 미국의 주거사항과 한국의 주거사항이 같지 않으므로 유출계수

추정시 주의를 요한다

3) 산지의 경우 유출계수 추정시 현장조건을 감안한 판단이 필요하며, 유역면적이

작은지역에서는 비교적 큰 유출계수를 사용하고 유역면적이 큰 지역에서는 비교적

적은 유출계수를 사용하여 홍수량이 과소 또는 과다 추정되지 않도록 유의한다

주) 하천설계기준 해설(국토교통부, 2019)

<표 4.3.3> 토지이용도에 따른 유출계수 범위*1

Ⅱ- 32

4.3.4 도달시간

강우도달시간은 유입시간과 유하시간의 합으로 표시한다.

【해 설】

도로의 유입시간은 배수구역(집수구역)의 가장 먼 지점에서 배수공 최상단류까지 강

우가 유입되는 시간이고, 유하시간은 강우가 배수시설물이나 하천을 유하하는데 걸

리는 시간이다.

도로의 유하시간은 횡단 배수일 경우는 횡단 배수 암거 및 관거를 유하하는 시간이

고, 수로의 수리계산일 경우는 설치될수로의 시점에서 종점까지 유하하는 시간이다.

도달시간(travel time) 또는 집중시간(time of concentration)은 유역의 최원점에

서 하도의 시점까지 표면류 흐름 유입시간과 하도 시점에서 하도 종점까지의 유하시

간을 합한 것이다.

∙ 노면 배수의 경우 t  t

∙ 이설수로 및 하천의 경우 t  t  t

∙ 횡단 배수구조물의 경우 t  t  t※

(단, t2※ 은 구조물에서 흐르는 유하시간이 유입시간에 비해 상대적으로 적을 경우

유입시간만을 고려)

<그림 4.3.1> 수로 및 하천에서유입/유하시간 <그림 4.3.2> 횡배수 암거에서 유입/유하시간

도로 배수시설 설계 및 관리 지침 Ⅱ- 33

공식명 공 식 제한사항 또는 비고

Kirpich

(1940)

Tc = 3.976 L0.77 S-0.385

L : 유역의 최장 하천 길이

S : 유역 평균 경사(H/L, m/m)

H : 유역 출구점과

본류 최원점까지의 표고차

w 지표면흐름이 지배적인 농경지

소유역, 하도경사가 3～5%,

유역면적 0.453㎢

Kerby

(1959)

Tc = 36.264 (L⋅N) 0.467 /S0.2335

L : 유로 최원점부터 하천 유입부까지의

직선거리(km)

S : 유역 평균경사(m/m)

N : 유역의 조도 상수

w 불투수성 완만한 표면 N=0.02

w 나지의 비포장 표면 N=0.10

w 초지가 없는 나지 거친 표면 N=0.20

w 초지로 구성된 표면 N=0.40

w 낙엽으로 덮인 수목지역 N=0.60

w 초지와 산림이 우거진 지역 N=0.80

Kraven

Tc = 0.444 L S-0.515

L : 유로 길이(km)

S : 유로경사(H/L, m/m)

w 지표면 흐름이 지배적인 중ㆍ하류,

하도 경사가 1/200 이하인 유역

Rizha

Tc = 0.833 L S-0.6

L : 유로길이(km)

S : 유로경사(H/L, m/m)

w 지표면 흐름이 지배적인 상류, 하도

경사가 1/200 이상인 지역

SCS Lag

Eq.

(1975)

Tc=[100L0.8 { (1000/CN)-9} 0.7]

/[1900S0.5]

L : 최장 흐름 경로(ft)

CN : SCS 유출곡선지수

S : 유역 평균경사(%)

w 주로 농경지 유역에 적용,

w 8㎢ 이하인 도시유역에도 적용

가능

w 도시 불투수 지역은

Tc=1.67 ×유역 지체시간

주) 하천설계기준(국토해양부)

<표 4.3.4> 자연유역에 대한 도달시간 공식

Ⅱ- 34

4.4 개수로

4.4.1 개수로 흐름상태

개수로 흐름은 시간과의 변화에 따라 정상류, 부정류, 등류, 부등류로 구분하고, 흐름

특성에 따라 상류, 사류 한계류로 구분한다.

【해 설】

도로 배수시설은 단면형상에 관계없이 자유수면이 존재하는 개수로의 상태가 일반적

이므로 개수로의 수리조건과 도로 배수시설의 관계를 파악하는 것이 중요하다.

가. 정상류와 비정상류

개수로의 흐름은 정상류의 상태로 분석하는 것이 일반적이며 홍수류와 같이 시간에

따라 급변하는 경우 비정상류 조건으로 분석한다. 개수로의 흐름이 정상류인 경우

유량은 연속방정식으로부터 유도할 수 있으며 다음과 같다.

     ⋯ (4.4.1)

여기서,  : 개수로내 유량,(㎥/sec)

 : 임의 지점에서 수로단면적,(㎡)

 : 임의 지점에서 유속,(m/sec)

나. 등류와 부등류

개수로내 모든 공간에서 수심이 동일한 경우 그 흐름을 등류(uniform flow), 변하

는 경우 부등류(varied flow)라 하며, 등류와 부등류는 시간변화에 따라 수심이 변

하는지 그렇지 않은지에 따라 정상류 및 비정상류로 구분된다.

도로 배수시설 설계 및 관리 지침 Ⅱ- 35

다. 상류와 사류

흐름의 비에너지(specific energy)는 수로바닥을 기준으로 측정한 단위무게의 물이

갖는 흐름의 에너지를 말하며, 개소내의 임의의 한 점에서 물이 갖는 비에너지는 식

(4.4.2)과 같다.

     

 

(4.4.2)

여기서,  : 비에너지(specific energy)

 : 수심(m)

 : 에너지 보정계수

 : 평균유속(m/sec)

 : 중력가속도(9.8m/sec2)

개수로의 유량()을 일정하게 유지하고 수로의 조도, 경사 등 흐름조건을 변경하여

수심() 변화에 따른 비에너지와 수심의 관계를 작성하면〈그림 4.4.3〉과 같다.

<그림 4.4.1> 비에너지와 수심의 관계

Ⅱ- 36

비에너지가 최소가 되는 수심을 한계수심()이라 하는데 한계수심 이하로 흐르는

경우는 사류라 하고, 한계수심 이상으로 흐르는 경우는 상류라 하며, 일반적으로 사

류는 급류, 상류는 완속류의 상태로 규정한다. 비에너지가 최소가 되는 조건은

Fr(Froude수)가 1인 경우로 식 (4.4.3)과 같다.

 





  

  





    (4.4.3)

여기서,  : 유량(㎥/sec)



: 한계수심으로 흐를 때 개수로의 수면폭(m)

 : 한계수심으로 흐를 때 유수의 단면적(㎡)

 : 한계유속(m/sec)

 : 중력가속도(9.8m/sec2)

 : Froude수(사류 :  〉1, 상류 : 〈1)

 : 한계수심

비에너지 최소조건으로부터 최소 비에너지, 한계수심, 한계유속을 계산할 수 있으며

식 (4.4.4)와 식 (4.4.5)와 같다.

min  



 (4.4.4)

   ∙ (4.4.5)

여기서, min : 최소 비에너지(m),

 : 한계수심(m),

 : 중력가속도(m/sec2)

 : 한계유속(m/sec)

도로 배수시설 설계 및 관리 지침 Ⅱ- 37

4.4.2 유량과 유속

개수로의 유량과 유속은 만닝공식을 사용하여 산정한다.

【해 설】

만닝(Manning)은 Chezy 공식에서 C 값을 다음과 같이 제시하고, 평균유속공식을

유도하였다.

  







   















(4.4.6)

여기서,  : 평균속도(m/sec)

 : 조도계수

 : 동수반경(m)

 : 수로경사(m/m)

만닝의 평균유속공식에서 유량은 식 (4.4.7)과 같다.

   ∙















(4.4.7)

여기서,  : 유량(㎥/sec)

 : 단면적(㎡)

 : 조도계수

 : 동수반경(m)

 : 수로경사(m/m)

Ⅱ- 38

수 로 상 태

n값

양호 보통

폐수로

콘크리트 파이프 0.013 0.015

강관 0.011 -

콘크리트 수로 0.015 0.017

개수로

콘크리트 수로

바닥에 자갈 산재 0.015 0.017

양호한 단면 0.016 0.019

아스팔트 수로

매끈함 0.013 -

거칠음 0.016 -

고속도로

수로

콘크리트 수로

매끈한 표면처리 0.013

거침 표면처리 0.015

아스팔트 수로

매끈한 표면처리 0.013

거침 표면처리 0.016

콘크리트 포장수로 미장마감 0.014

<표 4.4.1> 만닝의 조도계수 n값

도로 배수시설 설계 및 관리 지침 Ⅱ- 39

4.4.3 경제적인 수로 단면

배수로의 단면은 통수능을 고려하여 수리학적으로 가장 유리하도록 결정한다.

【해 설】

만닝 유량공식은 Q  K․S





로 표현할 수 있는데, K는 단면형상과 조도계수와 관

련된 매개변수 항으로, 일반적으로 통수능(Conveyance)이라고 한다.

통수능력 K 는 다음과 같다.

  



∙ ∙





 





 







(4.4.8)

여기서,  : 수로 통수능

 : 동수반경(A/P, P=수로의 윤변)

 : 조도계수

구 분 단 면 도 경제적인 단면의 조건

직사각형 수로 B = 2․H

사다리형 수로

α = 60°

B =

 ․ ․H

원 형 수 로 D H =0.94 D

<표 4.4.2> 경제적인 수로 단면