Ⅱ 지방지역 도로배수시설

제 1 장 개 요

제 2 장 도로배수시설의 계획

제 3 장 도로배수 조사

제 4 장 도로배수시설의 수문설계

제 5 장 노면배수

제 6 장 지하배수

제 7 장 비탈면 배수

제 8 장 횡단배수

제 9 장 구조물 배수

제 10 장 토석류 대책시설

제 11 장 도로배수시설의 관리

 

도로 배수시설 설계 및 관리 지침 Ⅱ- 25

제 4 장 도로 배수의 수문설계

4.1 일반사항

도로 배수시설의 수문설계는 배수계획지점의 설계홍수량을 결정하고, 배수

시설물의 규모를 결정한다.

【해 설】

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

횡단 배수시설의 규모와 용량, 배수시설의 위치 등을 설계하는 것이다.

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

로 배수유역의 계통을 고려하여 설계한다.

4.2 설계빈도의 결정

설계빈도는 설계홍수량 이상의 유출량이 발생하였을 때 배수시설의 중요도,

위험도, 경제성을 고려하여, 중요 배수시설은 관계기관과 협의하여 결정한다.

【해 설】

도로 배수시설의 규모결정은 설계홍수량으로 결정하며, 설계홍수량은 설계 빈

도의 함수이다. 설계빈도는 경제성과 위험도를 고려하여 시설물의 파괴로 인

한 피해, 구조물의 중요도, 내구연한, 경제성에 따라 설계빈도를 결정한다. 도

로 배수시설의 설계빈도는 <표 4.2.1>과 같다.

집중호우 등에 의한 재해발생지역으로 도로의 침수, 유실, 홍수 흔적, 토석류,

부유물 등을 고려하여 관계기관과 협의하여 설계빈도를 상향 조정할 수 있다.

Ⅱ- 26

중요 배수시설의 설계빈도는 관계기관과 협의하여 결정하고, 과거의 홍수이력

과 기상, 지형 등을 고려하여 결정한다. 특히, 하천을 횡단하거나 하천구역을

일부라도 점유하게 되는 구조물은 해당 하천 하천정비기본계획에 따른다.

구 분 배수시설 설계빈도

일반국도

암거 30년

배수관 30년

노면 10년

비탈면 10년

측도 및 인접지 도로 10년

산지부

도로

암거 50년

배수관 50년

노면 20년

비탈면 20년

측도 및 인접지 도로 20년

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

<표 4.2.1> 도로 배수시설물의 설계빈도

4.3 설계홍수량

4.3.1 설계홍수량 산정

설계홍수량 산정은 유역의 크기, 유역의 특성, 유출특성을 고려한다.

【해 설】

설계홍수량은 충분한 관측 유출량 자료가 있는 경우에는 빈도해석을 이용하여

직접 산정하며, 유역면적이 4km2 미만 이거나 유역 또는 하도의 저류효과를

기대할 수 없는 소규모인 경우 합리식을 적용한다. 4km2 이상인 중규모는 지

표면 유출결과를 바탕으로 하천유출량을 산정하는 방식을 사용하며, 도로 설

계기준과 하천설계기준의 설계홍수량 방법을 적용한다.

도로 배수시설 설계 및 관리 지침 Ⅱ- 27

가. 합리식

유역면적이 4 ㎢ 이하인 자연유역이나 소규모 유역의 설계홍수량은 합리식을

적용한다.

도로 배수시설의 설계홍수량은 대상지역의 강우특성과 유출계수, 도달시간,

배수면적 등을 고려한다.

Qd  



C∙I∙A (식 4.3.1)

여기서, Qd : 설계홍수량(m3/sec)

C : 유출계수

I : 유역특성에 따른 홍수도달시간과 같은 지속기간의

평균강우강도(mm/hr)

A : 유역면적(㎢)

합리식의 전제조건은 다음과 같다.

(1) 강우강도(I)의 강우에 의한 홍수량은 그 강도의 강우가 유역의 도달시간과

같거나 더 큰 시간동안 계속될 때 최대치에 도달한다.

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

홍수량은 강우강도와 직선적 관계를 가진다.

(3) 첨두홍수량의 발생 확률은 주어진 도달시간에 대응하는 강우강도의 발생

확률과 동일하다.

(4) 유출계수는 각각 다른 발생 확률을 가지는 강우 - 유출 형태와 관계없이

동일하다.

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

상황 등을 고려하여 결정한다.

Ⅱ- 28

나. 빈도해석에 의한 설계홍수량

홍수량 자료가 있을 경우에는 관측 년수 만큼의 유량계열 작성이 가능하므로,

이를 이용한 홍수량의 빈도해석으로 설계홍수량을 산정한다. 지점자료의 관측

수가 20개 이상이 되어야 안정적인 분석 결과를 할 수 있다.

자료의 관측 년수가 짧으나, 큰 재현기간을 가진 홍수량을 추정하기 위해서는

지역 빈도해석이 보다 적절할 수 있다.

배수유역의 오랜 관측에 따른 긴 자료가 사용 가능한 경우는 홍수특성을 종속

변수로하고, 선택된 유역의 지형학적, 기상학적 인자를 독립변수로 삼는 다중

회귀모형을 이용할 수 있다. 빈도해석의 절차는 그림과 같다.

<그림 4.3.1> 홍수량 자료의 직접빈도해석 흐름절차

도로 배수시설 설계 및 관리 지침 Ⅱ- 29

다. 강우-유출 관계에 의한 설계홍수량

설계홍수량 산정은 설계강우량을 강우-유출관계를 나타내는 강우유출모형을

이용해서 홍수수문곡선을 계산하는 방법을 이용한다.

유역면적이 4Km2 중규모이상의 설계홍수량 산정은 단위유량도법, Snyder의

합성단위유량도법, 미국토양보전국의 합성단위유량도법, Clark의 유역추적법

등을 사용한다.

대규모유역의 설계홍수량은 하천유역을 분할하고, 분할된 소유역 별로 설계 홍

수 수문곡선을 계산한 후 하천망에 대한 홍수추적에 의하여 설계홍수량 규모

의 조정이 필요한 경우 비유량도(㎥/s/㎢) 및 본류와 지류와의 설계홍수량에

대한 검토 등을 통하여 설계홍수량에 대한 밸런스를 조정한다.

<그림 4.3.2> 강우-유출에 의한 홍수량 산정 흐름도

Ⅱ- 30

4.3.2 강우강도

강우강도는 강우지속기간 5분을 적용하며, 강우강도-지속기간-빈도(I-D-F)

곡선 또는 강우강도 공식으로 부터 결정한다.

【해 설】

강우지속기간은 5분을 원칙으로 사용하며, 설계 강우강도는 확률강우량도를

이용한다(www.k-idf.re.kr).

관측된 분 단위 강우 자료가 시·공간적으로 부족한 현실에서 가능한 높은 정

도의 시간단위 이하 강우강도-지속기간-빈도(I-D-F)곡선 관계식은 다음과

같은 방법을 통해 산정한다.

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

(2) 시간단위 강우자료를 분 단위 자료로 변환하여 이용하는 방법

(3) 시 단위 자료와 분 단위 자료의 관계를 통계적으로 정량화하여 분 단위

자료의 특성을 추정하여 이용하는 방법

<그림 4.3.3> 확률강우량도 예(서울)

도로 배수시설 설계 및 관리 지침 Ⅱ- 31

합리식의 홍수량은 설계 강우강도(I)와 동일한 재현기간을 가지도록 나타나며

강우강도공식은 통상 다음의 세 가지 형태로 나타난다.

Japanese 형 : I = a

t+b (식 4.3.2)

Sherman 형 : I = a

t b (식 4.3.3)

Talbot 형 : I = a

t+b (식 4.3.4)

여기서, It  : 강우지속기간에 따른 강우강도(㎜/hr)

t : 강우지속기간(min)

a b : 상수

4.3.3 유출계수

유출계수는 유역의 형상, 지표면의 상태 및 개발 상황을 고려하여 결정한다.

【해 설】

유출계수는 선행강우조건, 지표면경사, 피복상태, 토양함수상태, 유역의 모양,

지표류 속도, 강우강도 등에 영향을 받으므로 토지이용의 함수로 주어진다.

한 유역이 상이한 토지 이용의 피복상태로 구성되는 복합 토지이용인 경우, 다

음 식을 이용하여 가중평균 유출계수를 구한다.

C   Ai

Ai Ci (식

4.3.5)

여기서, C : 가중평균 유출계수

Ai : 상이한 피복상태의 면적

Ⅱ- 32

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

합리식에 사용되는 유출계수는 유역의 형상 지표면 피복상태, 식생 피복상태

및 개발상황 등을 감안하여 결정하는 것으로 하나, 자연하천 유역 및 토지이

용에 따른 유출계수는 <표 4.3.2>~<표 4.3.3>을 적용한다.

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

으로 채택하는 유출계수는 개수시점에서 예상되는 개발계획 등을 고려한다.

토 지 이 용 C 토 지 이 용 C

상업지역 도심지역

근린지역

0.70~0.95

0.50~0.70 도 로

아스팔트

콘크리트

벽 돌

0.70~0.95

0.80~0.95

0.70~0.85

주거지역

단독주택

독립주택단지

연립주택단지

교외 지역

아파트

0.30~0.50

0.40~0.60

0.60~0.75

0.25~0.40

0.50~0.70

공원, 묘역 0.10~0.25

운 동 장 0.20~0.35

철 로 0.20~0.40

미개발 지역 0.10~0.30

산업지역 산재 지역

밀집 지역

0.50~0.80

0.60~0.90 차도 및 보도 0.75~0.85

주) 하천설계기준(국토교통부)

<표 4.3.2> 토지이용도에 따른 유출계수 범위

도로 배수시설 설계 및 관리 지침 Ⅱ- 33

지 표 상 황 보정치 : 가감량

나 지 경사 < 5% : -0.05

초 지 경사 > 10% : +0.05

경 작 지 재현기간 < 20년 : -0.05

삼 림

재현기간 > 50년 : +0.05

연평균강수량 < 600mm : -0.03

연평균강수량 > 900mm : +0.03

주) 하천설계기준(국토교통부)

<표 4.3.3> 합리식 유출계수의 지형과 지질에 따른 보정(Stephenson, 1981)

4.3.4 도달시간

강우도달시간은 유입시간과 유하시간의 합으로 표시한다.

【해 설】

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

우가 유입되는 시간이고, 유하시간은 강우가 배수시설물이나 하천을 유하하는

데 걸리는 시간이다.

도로에서 유하시간은 횡단 배수일 경우는 횡단 배수 암거/관거를 유하하는 시

간이고, 수로의 수리계산일 경우는 설치될 수로를 횡단하는 시간이다.

<그림 4.3.4> 수로 및 하천에서

유입/유하시간

<그림 4.3.5> 횡배수 암거에서

유입/유하시간

Ⅱ- 34

∙ 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)

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

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

불투수성 완만한 표면 N=0.02

나지의 비포장 표면 N=0.10

초지가 없는 나지 거친 표면 N=0.20

초지로 구성된 표면 N=0.40

낙엽으로 덮인 수목지역 N=0.60

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)

지표면 흐름이 지배적인 중ㆍ하류, 하

도경사가 1/200 이하인 유역

Rizha

Tc = 0.833 L S-0.6

L : 유로길이(km)

S : 유로경사(H/L, m/m)

지표면 흐름이 지배적인 상류, 하도경

사가 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(%)

주로 농경지 유역에 적용, 8㎢ 이하인

도시유역에도 적용 가능, 도시 불투수

지역에서는 Tc=1.67 ×유역 지체시간

주) 하천설계기준(국토교통부)

<표 4.3.4> 자연유역에 대한 도달시간 공식

도로 배수시설 설계 및 관리 지침 Ⅱ- 35

4.4 개수로

4.4.1 개수로 흐름상태

일반적으로 개수로 흐름은 정상류, 비정상류, 등류, 부등류, 상류, 한계류

또는 사류로 분류한다.

【해 설】

도로 배수시설은 단면형상에 관계없이 자유수면이 존재하는 개수로의 상태가

일반적이므로 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.

     ⋯ (식 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),

변하는 경우 부등류(varied flow)라 하며, 등류와 부등류는 시간변화에 따라

수심이 변하는지 그렇지 않은지에 따라 정상류 및 비정상류로 구분된다.

Ⅱ- 36

다. 상류와 사류

흐름의 비에너지(specific energy)는 수로바닥을 기준으로 측정한 단위무게의

물이 갖는 흐름의 에너지를 말하며, 개소내의 임의의 한 점에서 물이 갖는 비

에너지는 (식 4.4.2)와 같다.

     

  (식 4.4.2)

여기서,  : 비에너지(specific energy)

 : 수심(m)

 : 에너지 보정계수

 : 평균유속(m/sec)

 : 중력가속도(9.8m/sec2)

개수로의 유량을 일정하게 유지하고 수로의 조도, 경사 등의 흐름조건을 변경

하여 수심() 변화에 따른 비에너지와 수심의 관계를 작성하면〈그림 4.4.3〉

과 같다.

<그림 4.4.1> 비에너지와 수심의 관계

도로 배수시설 설계 및 관리 지침 Ⅱ- 37

비에너지가 최소가 되는 수심을 한계수심이라 하는데 한계수심 이하로 흐르는

경우는 사류라 하고, 한계수심 이상으로 흐르는 경우는 상류라 하며, 일반적으

로 사류는 급류, 상류는 완속류의 상태로 규정한다. 비에너지가 최소가 되는

조건은 Fr(Froude수)가 1인 경우로 (식 4.4.3)과 같다.







  

   





    (식 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  



 (식 4.4.4)

   ∙ (식 4.4.5)

여기서, min : 최소 비에너지(m)

 : 한계수심(m)

 : 중력가속도(m/sec2)

 : 한계유속(m/sec)

Ⅱ- 38

4.4.2 유량과 유속

개수로의 유량과 유속은 만닝공식을 사용하여 산정한다.

【해 설】

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

식을 유도하였다.

  







   













 (식 4.4.6)

여기서,  : 평균속도(m/sec)

 : 조도계수

 : 동수반경(m)

 : 수로경사(m/m)

만닝의 평균유속공식에서 유량은 식 (4.4.7)과 같다.

   













 (식 4.4.7)

여기서,  : 유량(㎥/sec)

 : 단면적(㎡)

 : 조도계수

 : 동수반경(m)

 : 수로경사(m/m)

도로 배수시설 설계 및 관리 지침 Ⅱ- 39

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

Ⅱ- 40

4.4.3 경제적인 수로 단면

배수로의 단면은 통수능을 고려하여 수리학적으로 가장 유리하도록 결정한다.

【해 설】

만닝의 유량공식은 Q  K․S



 로, K는 통수단면의 형상과 조도계수에 관계

되는 식으로 수로의 통수능력(conveyance)이라 한다.

통수능력 K 는 다음과 같다.

  



∙ ∙





 





 





 (식 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