2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

392

7-11

배수방식 변경(점배수→면배수)을 통한

『터널세척수 처리시설』 최적화 방안

녹색환경처-3823

(2013. 9. 25)

I 배 경

o 현 세척수 처리시설은 규모가 커서 설치부지 확보가 어렵고,

그 규모에 비해 처리효율이 낮으며,

o 규모 및 배수체계 등 설계․시공과정이 복잡

♣ 터널내 벽면 세척수 처리시설 설치배경

법적 의무는 없으나, 오염도가 높아 2008부터 자발적으로 설치(운영노선은 2011완료)

* 벽면 세척수 오염도 비교

구 분

벽면 세척수

(2007.11, 둔내터널)

노면 유출수

(2004~2008, 도교원)

비 고

(산업폐수배출기준)

COD(mg/L) 457 27

40/70/90

(청정/가/나)

BOD(mg/L) 300 18 30/60/80

(청정/가/나)

SS (mg/L) 1,118 80 30/60/80

(청정/가/나)

♣ 공용중 터널의 유출수 ♣ 현 저감시설

* 터널유출수= 지하유출수+ 벽면세척수 *『세척수처리시설 + pH저감시설』통합설치

①운영노선(설치완료)

․세척수 440개소

․pH저감 21개소

②건설중 노선

․166개소

터널

여과

침전

황산

2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

393

Ⅱ 추진경위

 [2007.11] 세척수 및 pH시설 설치(“터널유출수종합관리대책 수립”, 건설환경실)

(당 초) 세척수 하천 방류 (변 경) 처리시설 설치

 [2009.07] 세척수 배수방법 개선(“타일세척수 배수체계 개선”, 설계처)

(당 초) 배수관 활용 (변 경) 측구 활용

 [2013.03] 최적화 시설 시험시공(녹색환경처)

※ 시험시공 결과 요약 [세부내용 붙임#3 참조]

① 모래두께 축소에 따른 정화효과

☞ 미미하게 감소하나 매우 양호

② 배수방식변경에 따른 통수능 확인

☞ 세척수 유량 처리가능

(당초) H=60cm

➡ SS저감 99.5%

(변경) H=30cm

➡ SS저감 99.1%

(당초) 점배수

(변경) 면배수

발생: 8.9m3/hr

실측: 10.9m3/hr

2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

394

Ⅲ 현실태 및 문제점

 시설규모에 비해 처리량이 과소

♧ 세척수처리시설 규모 산정방법

시설규모(V) = 세척수 발생량(Vin) - 여과 배출량(Vout)

* 세척수 발생량(Vin) = 세척수 분사유량(9.8m3/hr)×유출계수(0.9)×청소시간(1.84hr)

* 여과 배출량(Vout) = 여과유량(=여과속도×배수면적)×청소시간(1.84hr)

o 시설규모는 최대 23㎥으로 상당히 큰 반면,

♣ 원 인

○ 시설규모는 시설의 여과능력에 좌우되나,

○ 여과속도와 면적이 작아, 여과능력이 낮은편

[배수단면적(∅200관×6개) : 0.19m2] (최종 배수구)

o 그 중 57%인 15㎥은 침전조에 체류

♣ 문제점

○ 체류수는 여과되지 않고 방류되며, 시설 측면으로 강제배수

○ 체류수를 장기간 방치시에는 수질변화(녹조발생)

○ 강제배수(인력 개폐)로 인해 유지관리 불리(작업자 이동 및 대기)

(측면 강제배수구 및 배출수) (녹조 발생)

2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

395

 By-Pass 운영의 불합리

♧『By-Pass』역할

○ 세척수처리시설과 pH시설을

통합설치함으로써,

○ 공간활용도를 높이기 위함 (통합설치 및 공간활용)

터널

하천

저감

시설

(By-Pass)

① 통합설치시 전체 시설규모는 오히려 증가

o 유입유량의 크기에 민감한 세척수처리시설로 지하유출수가 유입되어

전체규모는 커지게 됨

※『2km 터널, 지하유출수 300m3/일』인 경우, 전체규모는 1.9배 증가

구 분 분리설치시 통합설치시 비 고

세척수시설에서

처리해야할 유량

(m3/h)

세척수유량

: 8.9m3/h

지하수유량

: 12.5m3/h

전체

시설

규모

계 25.2m3 49.0m3 증24m3

세척수

처리시설

18.4m3 45.6m3

증27m3

pH저감

시설

6.8m3

=3.4×2

3.4m3

감 3m3

② pH가 안정화된 경우, By-Pass 불필요

③ 배수체계가 복잡하여 시공 및 유지관리 불리

2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

396

Ⅳ 최적화 검토내용

1 처리능력 증대를 통한 시설규모 축소

 (배수면적 증가) 여과조 배수방식 변경

(현행) 점배수(측면배수관 배수) (변경) 면배수(하부배수층 설치)

 (배수속도 증가) 여과재(모래) 두께 축소

(현행) 60cm (변경) 30cm

배수속도(V=k×i) : 7.9m/hr

* k(투수계수)=3.6m/hr, i(동수경사, H/L)=2.2

배수속도(V=k×i) : 14.4m/hr

* k(투수계수)=3.6m/hr, i(동수경사, H/L)=4.0

※ 모래두께 축소에 의한 오염저감효율 변화는 미미 [붙임#3 참조]

 (검토결과) 처리능력 및 시설규모 변화[붙임#1, #2 참조]

구 분 현 행 변 경 비 고

여과능력 Q=A×V=0.19×7.9= 1.5m3/hr Q=A×V=1.0×14.4= 14.4m3/hr 증9.6배

시설규모 V = 23m3 V = 2.5m3 1/10수준

2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

397

2 계단구조 적용으로 체류수 100% 처리

(현행) 강제배수 (변경) 자연배수

측면하단에 밸브 설치 여과조 단차설치

3 pH저감시설 분리설치로 By-Pass 삭제

(현행) 통합설치 (변경) 분리설치

 pH 저감시설 미설치시

 pH 저감시설 설치시

 pH 저감시설 미설치시

 pH 저감시설 설치시

2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

398

Ⅴ 『세척수처리시설』변경기준

※ 타일 외 도장공법 도입으로 명칭 변경 (당초 : 타일세척수 처리시설)

 시설규모 및 배수체계

① 시설 규모

세척수처리시설 pH저감시설

o 표준규격 설계 및 시공 o 표준규격 설계 및 시공

표준규격

2@1.5×1.5×1.5

② 배수 체계

실시설계 단계 시공 단계

o 세척수처리시설과 pH저감

시설을 분리(By-Pass삭제)하여 반영

* pH저감시설삭제가용이토록내역구성

① pH가 안정화된 경우

➡ pH저감시설

삭제

② pH가 불안정한 경우

➡ pH저감시설

설치

2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

399

 세척수처리시설 설치기준

① 시설 개요도 [세부내용 : 붙임#4 참조]

투시도 측면 및 단면도

② 설계 및 시공 유의사항

o 침전조 : 격벽 배출구(∅10㎜)는 침전조 바닥에서 5cm상부에 설치

o 여과조

- (경사조절 콘크리트 타설) 여과조 바닥에는 배수촉진을 위해

5%경사를 갖도록 조절콘크리트를 추가 타설

- (유공관) 골재층 내에는 부직포를 감싼 ∅150㎜ 유공관(고속도로공사

전문시방서의 지하배수용 유공관) 설치

- (굵은골재) 하단 골재층의 골재는 40㎜(또는 25㎜)의 알골재 사용

- (여과재) 여과재는 1.2㎜체를 통과하여 0.6㎜체에 남는 모래를 사용하되

깨끗한 물로 씻어서 사용

- (필터섬유) 고속도로전문시방서의배수용토목섬유기준에적합한부직포설치

o 토사 등 이물질의 시설유입을 방지하기 위해, 유입부는 가급적 측구가

아닌 배수관으로 설치하고, 되메우기는 벽체상단 10cm이하로 시행

※ pH저감시설 설치기준 : 기존과 동일방식 적용 [붙임#5 참조]

2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

400

Ⅵ 기대효과 및 적용방안

□ 기대효과

o 규모 축소로 설치부지 확보 용이(평균규모 71% 감)

[현 행] 4.7～22.8m3

(평균 13.8) [변 경] 4.0m3

⇨

o 체류수 자연배수를 통한 유지관리 및 처리효율 향상(43% ⇨ 100%)

o 규모 및 배수체계 단순화로 설계․시공 용이

[현 행] [변 경]

1. 실시설계 단계

예측유량으로 규모 산정

2. 시공 단계

실측유량 및 pH안정여부에 따라

규모․배수체계 재설계

⇨

1. 실시설계 단계

규모산정없이 표준규격 반영

2. 시공 단계

필요시 pH저감시설만 삭제

(유량실측 및 재설계 등 불필요)

□ 적용방안

o 설계중 노선 : 본 방침 적용

o 건설중 노선 : 적용여건을 고려하여 공사시행부서에서 판단

※ 붙 임

1. 세척수 처리시설 최소규모 검토

2. 세척수 처리능력 비교(기존 및 변경)

3. 시험시공 및 모니터링 결과

4. 세척수 처리시설 (변경)도면

5. pH저감시설 설치기준

2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

401

세척수 처리시설 최소규모 검토

⃞ 저감효율 및 시공성을 고려한 최소규모

o 적정 최소규모

= (1.0+1.8)가로×(0.9)세로×(1.0)폭 = 2.52m3

∙침전물 제거 등 최소공간 : 1m(가로,세로)

∙혼탁방지를위한침전조최소깊이: 0.9m(美EPA)

∙저감효율을고려한적정모래높이: 0.3m(붙임#2)

∙침전조 낙수로 인한 여유공간 : 0.6m(美EPA)

⃞ 최소규모에 대한 통수능력 검토

 Qin(세척수 발생유량) : 8.9m3/hr(=9.84×0.9)

* 청소장비 세척수 분사유량 : 0.164m3/min(장비평균값 0.0784~0.25) = 9.84m3/hr

* 유출계수 : 0.9

 Qout(여과조 통과유량) : 14.4m3/hr

① 모래여과 유량 : A×k×i = 1.0×3.6×4.0 = 14.4m3/hr .... 임계유량

A(모래면적) = 1.0m2

k (모래투수계수) = 0.35÷안전율3 = 0.1cm/sec = 3.6m/hr

* 여과시설의 적정 모래입경 기준 : 0.5～1.0㎜(美EPA)

* 모래(0.5～1.0㎜) 투수계수 : 0.35cm/sec(소방방재청 2008 참조)

i (동수경사) = H/L = (0.9+0.3)/0.3 = 4.0

② 필터섬유 투수계수 : 0.1~0.9cm/sec (≧ 모래투수계수)

* 배수용 필터섬유 투수계수 : 0.1～0.9cm/sec(고속도로공사 전문시방서)

③ 유공관 용량(∅150) : Q = A/n×R2/3×I1/2 =0.014/0.015×0.0452/3×0.051/2= 96.9m3/hr

∴ Qout(=14.4m3/hr) > Qin(=8.9m3/hr) .... O.K!!

붙 임 #1

2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

402

⃞ 장대터널의 분할세척을 고려한 침전조 오리피스 규격산정

o 1회 최대 청소연장 : 1.36km (청소차 탱크용량 18Ton)

o 침전조 잔류수 배수 목표시간 : 2시간(=청소차 탱크의 再충전 소요시간)

Vp/T = C․A(2g․hp/2)0.5

여기서, Vp(침전조용량)=0.9m3, T(목표배수시간)=2hr

C(손실계수)=0.6, A(오리피스면적)=πd2/4=0.785398d2

g(중력가속도)=9.8m/s2, hp(침전조 수심)=0.9m

∴ d = 0.011539․Vp1/2(hp/2)-1/4T-1/2 = 0.95cm ≒ 1.0cm

⃞ 시설 전․후 배수시설 적정규격 검토

최대 발생유량 : Qmax = 0.25m3/min = 0.0042m3/s

배수시설 용량 :   ․  ․

 ․



 ․





① 관수로

관경 ∅200㎜(설계처-3868, 2009.7.21), 수로경사 0.5% 일 때,

A=0.63185D2=0.0253m2, n=0.015

R=0.30169D=0.0603m, I=0.005

  ․

 ․

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

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  

② 개수로(배수관 설치가 곤란한 경우)

폭 B=0.2m, 높이 H=0.2m, 수로경사 0.5% 일 때,

A=0.2×0.2×80%=0.032m2, n=0.015,

P=2×0.8×0.2+0.2=0.064m, R=A/P=0.5m, I=0.005

  ․

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

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

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  

☞ 터널에서 배출되는 세척수 배수관과 동일한 규격(∅200㎜) 적용

2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

403

세척수 처리능력 비교

구 분 기존방식(점배수) 개선방식(면배수)

도 면

수 리

조 건

H(최대 수두)=0.6+0.6-0.1= 1.1m

L(모래속 이동거리)= 0.5m

H(최대 수두)=0.9+0.3= 1.2m

L(모래속 이동거리)= 0.3m

여 과

유 량

시간당 여과량 Q=AV=A․k․i

A : 배출면적(=0.19m2)

[⇒ ∅200@6EA]

k : 모래투수계수(=3.6m/hr)

i : 동수경사(=H/L=2.2)

Q=0.19×3.6×2.2= 1.5m3/hr

시간당 여과량 Q=AV=A․k․i

A : 배출면적(=1.0m2)

[⇒ 가로1m×세로1m]

k : 모래투수계수(=3.6m/hr)

i : 동수경사(=H/L=4.0)

Q=1.0×3.6×4.0= 14.4m3/hr

(기존의 9.6배)

붙 임 #2

2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

404

시험시공 및 모니터링 결과

⃞ 여재(모래)두께 축소에 따른 오염저감 효율

o 모니터링 내용

- 모형 제작 : 2기 (모래두께 60cm, 모래두께 30cm)

- 세척수 채수 : 중부내륙선 중원터널 (채수일 2013. 5. 7)

- 여과시험 및 성분분석 : 도로교통연구원 (2013. 5. 29 ~ 5. 30)

모형 제작 오염수 여과 여과수 채수

o 저감효율 분석결과

모래두께 30cm의 저감효율이 낮긴 하나 둘다 99%이상으로, 청정지역

산업폐수 방류기준(SS 30mg/L)을 훨씬 밑도는 수준으로 매우 양호

※ 도로연구실-695(2013.05.30)

구 분 세척수 원수

여과수

모래 60cm 모래 30cm

SS농도(mg/L) 437 2.25 (99.5%저감) 4.0 (99.1%저감)

※ 모래두께 관련 연구결과(도로교통연구원, 2010)

․30～60cm 두께에서는 SS제거효율에 큰 차이가 없어,

경제성 등을 고려하여 최소 30cm를 최적두께로 제시

15 30 45 60cm

SS저감효율

붙 임 #3

2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

405

⃞ 배수방식 변경 및 규모축소에 따른 통수능

o 시험방법

- 실물 설치(음성-제천 건설구간)후 혼탁수 통수시험 실시

- 살수차를 활용하여 처리시설 최대 처리유량(overflow직전 유량) 확인

․총 급수량 : 10㎥

․총 급수시간 : 0.917hr (=55min)

․평균 급수유량 : 10.9㎥/hr (=10/0.917)

실물 시험시공 급수차를 이용한 통수시험

o 통수능 시험결과

실측 처리유량(10.9㎥/hr)이 세척수 발생유량(8.9㎥/hr)을 초과하고 있어

터널 세척수 처리에는 충분함.

다만, 실측 유량이 이론적 유량(14.4㎥/hr)에 미치지 못하는 것은 여재내

미립분 혼입(모래세척 미실시)과 혼탁수 급수에 기인한 것으로 보임.

구 분 세척수 발생유량

처리시설 처리(통과)유량

이론적 처리유량 실측 처리유량

유량(㎥/hr) 8.9 14.4 10.9

2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

406

터널 세척수 처리시설 (변경)도면

붙 임 #4

2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

407

2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

408

pH저감시설 설치기준

【터널유출수 처리시설 설치기준 개선(설계처-5551, 2009.11.06)】

□ 시설 개념도

입 체 도 평 면 도

표준규격

2@1.5×1.5×1.5

측 면 도 정 면 도

* 상기도면은 당초 설치기준에서 세척수처리시설만 삭제하여 재구성하였으며, 구조도 등은 당해 방침 참조

□ 설치 유의사항

◦되메우기는 벽체보다 10㎝ 이상 낮게 시공하여 지표수 유입방지

◦약품조 상단에 환기구(무동력 벤츄레이터) 설치

◦황산이 직접 접촉되는 중화조는 내부 부식방지를 위해 “내산성” 에폭시

코팅 실시

◦동계기간 pH 미터 및 약품투입노즐이 동파되지 않도록 보온조치 실시

붙 임 #5

2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

409

□ 황산 사용에 따른 안전사고 예방대책

◦ 사용 황산의 농도 변경 : 당초 98% ⇒ 변경 30～35%

◦ 황산 취급시 다음 유의사항 준수

1. 안전표지판 부착, MSDS* 현장게시 또는 비치

* MSDS (Material Safety Data Sheet, 물질안전보건자료)

․ 화학물질의 이름, 물리화학적성질, 유해위험성, 폭발/화재시 방재요령,

환경에 미치는 영향 등을 기록한 서류

․ 근로자의 생명 및 건강 보호/ 산업재해 및 직업병 예방의 근원적 효과

적인 예방방법으로 입증됨

2. 황산탱크 설치 완료 후 저감시설 가동 전, 충수테스트를 실시하여

탱크의 부품 및 배관연결부에서 액의 누출이 없는지 확인한다.

3. 약품 취급시 관계작업자 전원에게 미리 유해성을 주지시킨다.

4. 약품 취급 장소에서 절대로 음식물을 섭취하지 않는다.

5. 의복, 손, 발, 얼굴 등에 약품이 닿지 않도록 고무장갑, 앞치마

등 보호장구를 필요에 따라 착용한다.

6. 피부 등에 묻었을 때 용제로 세척하고, 비눗물 또는 수돗물로

세정한다.

7. 눈에 들어갔을 때에는 곧 흐르는 물로 15분간 충분히 세척하고

가능한 빨리 의사의 처치를 받는다.

※ 절대로 눈을 비비는 일은 하지 않는다.

8. 작업 중에 이상한 냄새, 어지러움, 두통 등의 이상을 느꼈을

때는 일단 밖으로 나와 작업을 중지한다.