Ⅲ- 14

제 3 장 도로 배수의 수문 설계

3.1 일반사항

도시부 도로 배수시설의 수문설계는 도로에서 우수 처리를 원활히 하기 위하

여 관련된 흐름 특성, 배수시설의 용량 등 도시부 도로 배수시설의 규모를

결정한다.

【해 설】

도시부 도로 배수유역 내에 설치되는 모든 배수시설물은 수문·수리 해석과 도

로 배수유역의 계통에 따른 우수 흐름의 변화를 고려하여 설계한다.

도시부 도로 배수의 수문분석은 배수시설의 위험도, 경제성, 환경적 사항을 고

려하여 배수시설이 수송하여야 하는 유량 및 유출량을 결정한다.

3.2 설계빈도의 결정

설계빈도는 배수시설의 중요도, 도시화 등 수문학적 요소 및 사회적 경제적

요소를 고려하여 결정하며, 주요 배수시설은 관계기관과 협의하여 결정한다.

【해 설】

중요한 배수시설은 발주청과 협의하여 설계빈도를 결정한다. 특히, 하천을 횡

단하거나 하천구역을 일부라도 점유하게 되는 구조물은 해당 하천정비기본계

획에 따른다.

도시부 도로의 침수는 도로에 집중된 노면수의 배수불량으로 인한 경우가 많

으므로, 노면 배수를 계획할 때는 연계되는 하수도시설의 설계빈도 보다 크게

설계 할 수 있으며, 하류부의 침수가 우려되는 경우는 도로저류시설의 설치를

고려한다.

도로 배수시설 설계 및 관리 지침 Ⅲ- 15

도로 배수시설의 유출부 위치 및 유출 유량 등은 기존 배수시설의 관계기관과

협의하여 결정하고, 과거의 홍수이력과 기상정보를 조사하여 설계빈도를 결정

한다.

배 수 시 설 발 생 빈 도

암거 50년

배수관거 50년

노면 배수시설 10년

비탈면 배수시설 10년

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

<표 3.2.1> 도시부 도로 배수시설의 설계빈도

3.3 설계홍수량

도시부 도로 배수시설의 설계홍수량 산정은 합리식을 사용한다.

【해 설】

도시부 도로 배수시설의 설계홍수량은 합리식을 사용하며, 계획대상지역의 도

시계획이나 강우특성과 유출계수, 도달시간, 배수면적 등을 고려한다.

Q  

 C·I·A (식 3.3.1)

여기서, Q : 설계홍수량(m3/sec)

C : 유출계수

I : 유역특성에 따른 홍수도달시간과 같은 강우지속기간의

평균강우강도(mm/hr)

A : 유역면적(㎢)

Ⅲ- 16

합리식의 전제조건은 다음과 같다.

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

간과 같거나 더 큰 시간동안 계속될 때 최대치에 도달한다.

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

량은 강우강도와 직선적 관계를 가진다.

(3) 첨두홍수량의 발생확률은 주어진 도달시간에 대응하는 강우강도의 발생확

률과 동일하다.

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

일하다.

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

상황 등을 고려하여 결정한다.

설계홍수량의 산정은 합리식을 원칙으로 하되, 필요시에는 SWMM, BRRL,

ILLUDAS 등과 같은 도시강우-유출해석 모형을 사용할 수 있다.

(1) SWMM

SWMM(Storm Water Management Model)은 도시유역의 유출량 산정, 배수

관거 추적, 저수지 추적 등을 통하여 저류지 설계 등과 같은 수량과 수질까지

분석이 가능하다. 기존 모형에서 구현할 수 없었던 조건인 배수관거 통수능을

초과할 경우의 월류현상, 하류 배수영향(backwater effect)을 받는 조건 및

각종 구조물을 포함하는 조건 등의 해석 등이 가능하다.

(2) BRRL

BRRL(British Road Research Laboratory Method)은 영국 도로연구소에서

도로 배수를 위한 홍수량의 계산에 사용하기 위해 개발한 방법이다. 도시부

배수시설에 직접 연결된 불투수지역의 유출은 투수지역의 유출에 비해 유역출

구까지의 도달시간이 훨씬 빠르므로 직접 연결된 불투수 지역만이 유역출구에

도로 배수시설 설계 및 관리 지침 Ⅲ- 17

서의 첨두홍수량에 기여한다는 것이다. 또한, 이 방법의 적용 전제조건은 직

접 연결된 불투수지역이 전체 유역면적의 15% 이상이어야 하고 유역의 배수

면적이 약 13㎢ 미만이어야 할 뿐만 아니라 재현기간 20년미만인 설계강우에

대한 홍수유출계산에 적용하는 것이 바람직하다.

(3) ILLUDAS

ILLUDAS 모형은 BRRL의 유출계산 알고리즘을 그대로 이용하되 투수지역 또

는 간접 연결 불투수지역의 유출도 유역의 토양군별 특성과 선행강수량에 따

른 침투성분을 고려하여 계산하고 직접 연결 불투수 지역으로부터의 유출계산

결과와 합산함으로써 단위유역별 유입수문곡선을 계산하여 BRRL방법에서와

같이 홍수추적 및 유출중첩과정을 거쳐 축차적으로 관거 합류점별 유출수문곡

선을 계산하게 된다. 이와 같이 홍수유출수문 곡선이 계산되고 나면 새로운

관거망의 계산(design mode)목적을 위해서는 최적 소요관거 치수를 수리학적

으로 설계하며, 기존 관거망의 홍수 소통능력 평가(evaluation mode)가 목적

이면 홍수추적결과로 계산되는 관거별부족용량인 저류수량을 산정하도록 되어

있다.

도시유역은 불투수면적의 증가에 의한 토양 침투량이 줄어들기 때문에 유출량

과 유출률이 증가하고, 동시에 증가된 유량과 정비된 배수관거로 인해 유출속

도가 빨라지게 된다.

도시부 도로 배수의 설계는 도시부 특성을 반영하여 기존 배수관거가 구역별

로 정비된 지역과 구역별로 정리되지 않은 지역에 대하여 별도의 계산과정을

적용할 수 있으며, 도시계획이나 강우특성을 <그림 3.3.1>, <그림 3.3.2>와

같이 적용할 수 있다.

Ⅲ- 18

단위블럭으로 나눔

단위블럭의 부지경사

및 면적파악

유역면적을 합산하여

총괄 유역면적(A) 산정

강우강도(I) 산정

해당블럭의 토지이용

및 배열형태에 따라

개별 유출계수 산정

해당 블록의 총괄

유출계수(C)설정

합리식에 의한

Q=0.278CIA 계산

해당지점 도로 배수

구조물의 수리계산 및

구조물 규격결정

유역면적(A) 산정

강우강도(I) 산정 유출계수(C)산정

합리식에 의한

Q=0.278CIA 계산

해당지점 도로 배수

구조물의 수리계산 및

구조물 규격결정

<그림 3.3.1> 주거지역에서의 설계홍수량

산정

<그림 3.3.2> 주거지역 이외(산업단지 및

구릉지등)에서의 설계홍수량 산정

3.3.1 유출계수

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

【해 설】

유출계수는 선행강우조건, 지표면경사, 피복상태, 요면저류, 토양함수상태, 유

역의 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.

도로 배수시설 설계 및 관리 지침 Ⅲ- 19

C  



  

 A



  

 CㆍA (식 3.3.2)

여기서,   = 총괄 유출계수

C = i번째 토지이용도별 기초 유출계수

A = i번째 토지 면적

유출계수는 유역의 개발정도에 따라 큰 변화를 받으므로 설계 유출계수는 사

용지점에서 예상되는 개발계획 등을 고려한다.

합리식 유출계수의 지형과 지질에 따른 보정은 <표 3.3.1>을 참고하고, 토지

이용에 따른 유출계수는 <표 3.3.2>와 같다.

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 3.3.1> 합리식 유출계수의 지형과 지질에 따른 보정(Stephenson, 1981)

Ⅲ- 20

토 지 이 용 C 토 지 이 용 C

상업지역 도시부

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(한국수자원학회)

<표 3.3.2> 토지이용도에 따른 유출계수 범위

3.3.2 강우강도

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

곡선 또는 강우강도 공식으로 부터 결정한다.

【해 설】

지속기간은 5분을 원칙으로 사용하며, 설계 강우강도는 확률강우량도를 이용

한다(www.k-idf.re.kr).

강우지속기간을 5분 이하로 고려하는 것이 필요한 경우는 분 단위 강우자료를

직접 해석하여 사용할 수 있다.

도로 배수시설 설계 및 관리 지침 Ⅲ- 21

<그림 3.3.3> 확률강우량도 예(서울)

강우강도 공식은 다음의 3가지 형태로 나타난다.

Japanese 형 : It  t b

a (식 3.3.3)

Sherman 형 : It  tb

a (식 3.3.4)

Talbot 형 : It  t b

a (식 3.3.5)

여기서, It : 강우지속기간에 따른 강우강도(㎜/hr)

t : 강우지속기간(min)

a b : 상수

Ⅲ- 22

3.3.3 도달시간의 산정

강우도달시간은 유입시간과 유하시간의 합으로 표시한다.

【해 설】

유입시간은 배수구역(집수구역)의 가장 먼 지점에서 배수구조물 최상단류까지

강우가 유입되는 시간이며, 유하시간은 강우가 배수시설물이나 하천을 유하하

는데 걸리는 시간이다. 도로에서 유하시간은 횡단 배수일 경우, 횡단 배수관거

를 유하하는 시간이고, 수로는 수로를 횡단하는 시간이다.

공 식 명 공 식 (t, min) 제한사항 또는 비고

Kerby

(1949)

t   rL H  L : 흐름 경로 길이(km)

H : 표고차(m)

r : 포장지역 0.02

거칠은 나대지 0.10

거칠고 풀이 없는 지역 0.30

잔디 0.40

나무나 풀이 빽빽한 지역 0.80

L 이 0.4km 이하인 도시

유역, 유역면적은 0.04㎢

이하, 하도 경사는 1% 이

하인 유역

Izzard

(1945)

t    I  c L  S I  I : 강우강도(in/hr)

c : 지체상수

L : 흐름경로길이(ft)

S : 흐름경로경사(ft/ft)

지체상수(c) =

평평한 포장지역 : 0.007

콘크리트 포장지역 : 0.012

자갈포장지역 : 0.017

잘려진 잔디밭 : 0.046

조밀한 잔디밭 : 0.060

Kinematic

Wave 공식

(1965,1973)

t   L n  I S  L : 지표면 흐름길이(ft)

n : Manning의 조도계수

I : 강우강도(in/fr)

S : 지표면 흐름경사(ft/ft)

개발지역의 지표면 유출해

석에 이용

Federal

Aviation

Agency

(1970)

t      C  L  S  L : 지표면 흐름길이(ft)

C : 합리식의 유출계수

S : 지표면 흐름 경사(%)

주로 공항지역에 이용할 수

있도록 미 공병단에서 개

발, 도시부에서도 이용, 지

표면 흐름영역에 적용

SCS

평균유속

방법

(1975)

t    L V

L : 지표면 흐름길이(ft)

V : 표면상태에 따른 평균유속(ft/sec)

지표면 상태에 따라 평균유

속을 산정하여 도달시간 계

산

주) 하천설계기준(국토교통부)

<표 3.3.3> 도시하천유역에 대한 도달시간 공식

도로 배수시설 설계 및 관리 지침 Ⅲ- 23

3.3.4 인접지역 배수의 유역 산정

도시부의 인접지역에서 발생하여 기존 하수관로를 통해 배수되지 않고 도로

에 직접 유입되는 우수를 처리하는 시설의 설계는 지형적 특성을 반영하여

배수유역을 산정한다.

【해 설】

인접 도시부에서 발생되어 우수의 일부가 도로에 직접 유입되는 경우는 지형

도 및 도시계획의 단지계획고를 기준으로 우수의 유입방향을 고려하여 배수유

역을 산정한다.

인접지 노면 배수의 유역면적은 지자체의『하수도 정비 기본계획』을 참조하

고 도로 배치나 경사, 하천의 위치 및 흐름방향 등을 답사하여 유역경계를 정

한다. 단지내의 배수계통 등의 상황에 따라서 도로 인접지 노면 배수가 발생

되지 않는 경우는 유역면적에서 제외하여야 하므로 충분히 조사한다.

3.4 개수로

3.4.1 개수로 흐름

일반적으로 개수로 흐름은 정상류, 비정상류(부정류)로 구분한다.

【해 설】

가. 정상류와 비정상류

개수로 내에서 수심이 시간에 따라 변하지 않고 일정한 흐름을 정상류(steady

flow)라 하고, 시시각각으로 변하는 흐름을 부정류 혹은 비정상류(unsteady

flow)라 한다.

Ⅲ- 24

나. 비에너지

흐름의 비에너지(specific energy)는 수로바닥을 기준으로 측정한 단위무게의

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

에너지는 식 (3.4.1)과 같다.

     

  (식 3.4.1)

여기서,  : 비에너지(specific energy)

 : 수심(m)

α : 에너지 보정계수

 : 평균유속(m/sec)

 : 중력가속도(9.8m/sec2)

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

경하여 수심() 변화에 따른 비에너지와 수심의 관계를 작성하면〈그림 3.4.

1〉과 같다.

<그림 3.4.1> 비에너지와 수심의 관계

도로 배수시설 설계 및 관리 지침 Ⅲ- 25

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

르는 경우는 사류라 하고, 한계수심 이상으로 흐르는 경우는 상류라 하며, 일

반적으로 사류는 급류, 상류는 완속류의 상태로 규정한다. 비에너지가 최소가

되는 조건은 Fr(Froude수)가 1인 경우로 식 (3.4.2)과 같다.







  

   





    (식 3.4.2)

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 3.4.3)와 (식 3.4.4)와 같다.

min  



 (식 3.4.3)

   · (식 3.4.4)

여기서, min : 최소 비에너지(m)

 : 한계수심(m)

 : 중력가속도(9.8m/sec2)

 : 한계유속(m/sec)

Ⅲ- 26

3.4.2 유속 및 유량

개수로의 유속 및 유량은 만닝 공식을 사용하여 산정한다.

【해 설】

평균유속공식에서 유량은 식 (3.4.5)와 같다.

   · (식 3.4.5)

여기서,  : 유량(㎥/sec)

 : 단면적(㎡)

 : 평균유속(m/sec)

만닝(Manning)의 식으로 평균유속을 구한다.

  













 (식 3.4.6)

여기서,  : 평균유속(m/sec),  : 동수반경(m)

 : 조도계수,  : 수로경사(m/m)

수 로 상 태 n값

폐수로

콘크리트 파이프 0.011 ~ 0.015

강관(주철관) 0.011 ~ 0.015

플라스틱관 0.011 ~ 0.015

콘크리트 수로 매끄러운 표면 0.012 ~ 0.014

거친 표면 0.015 ~ 0.017

개수로 콘크리트 수로 0.013 ~ 0.017

아스팔트 수로 0.020 ~ 0.035

주) 하천설계기준(국토교통부)

<표 3.4.1> 만닝의 조도계수 n값

도로 배수시설 설계 및 관리 지침 Ⅲ- 27

단, 파형강관의 경우 골의 형상 및 구조적 형태에 따라서 물의 흐름이 달라지

므로 <표 3.4.2>와 같이 차별화된 조도계수를 적용한다.

관경 300mm 450mm 500mm 600mm

조도계수 0.0124 0.0147 0.0153 0.0169

<표 3.4.2> 파형강관 관경에 따른 조도계수

3.4.3 경제적인 수로 단면

배수로의 단면은 통수능을 고려하여 수리학적으로 가장 유리하도록 결정한다.

【해 설】

만닝의 유량공식은 Q  K․S

 로 표현할 수 있는데 K는 통수단면의 형상과

조도계수에만 관계되는 식으로 수로의 통수능(conveyance)이라 한다.

통수능 K는 다음과 같다.

  



· ·





 





 





 (식 3.4.7)

여기서,  : 수로통수능

 : 동수반경(A/P, P = 수로의 윤변)

 : 조도계수

Ⅲ- 28

주요단면의 동수반경과 경제적 단면의 조건은 <표 3.4.3>과 같다.

구 분 단 면 도 경제적인 단면의 조건

직사각형 수로 B = 2․H

사다리형 수로

α = 60°

B =

 ․ ․H

원 형 수 로 H =0.94 D

<표 3.4.3> 경제적인 수로단면

3.5 관수로

도로 배수에서의 관수로는 일반적으로 폐합수로를 말하며, 물의 흐름이 중력

방향이 아닌, 압력의 차이에 의해서 물의 흐름이 일어나는 흐름을 말한다.

【해 설】

관거에서의 흐름을 개수로 흐름과 구별하는 기준은 자유수면의 유무이며, 관내

의 물이 충만하여 흐를 때를 관수로의 흐름이라 정의하고, 하수관처럼 충만되

지 않고 자유수면을 가진 흐름은 개수로의 흐름으로 분류한다.

원형 암거 또는 박스 암거에서의 흐름이라 할지라도, 자유수면의 유무에 따라

개수로의 흐름해석을 한다.

횡배수관의 유입부와 유출부의 수위가 설치된 암거보다 높아서 물의 흐름이

위치수두의 압력에 의해서 흐름이 형성되거나, 상수도와 같이 정수압의 차이

에 의한 유체 흐름만을 관수로의 수리해석으로 한다.