제6장 우수관로 설계

   하수관에는 오수관과 우수관이 있는데, 여기서는 우수관 설계를 다루고자 한다. 어느 지역의 우수관 설계를 위한 배수계통도가 그림 6.1과 같다. 이 그림에서 우수관 설계에 필요한 자료를 적출해 낸 것이 표 
6.1과 같으며, 이 지역의 강우강도식은 표 6.2와 같다. 우수관을 설계함에 있어서 우수관의 단면을 가정하고 합리식으로 구한 우수유출량 Q가 가정단면에 의하여 Manning 공식으로 구한 유량 Q1과의 
관계는 Q1>Q이어야 한다. 이 때 단면의 가정이 잘못되면 계속 단면을 가정하여 계산하지 않으면 안된다. 따라서 이를 편안하고
정확하게 계산하기 위하여 Excel로 계산한 일례를 소개한다.
그림 6.1
표 6.1 설 계 자 료
관로번호지형의 구배(%)관로의 길이(m)유역면적(ha)
2.365623.50
8.308603.75
1.658531.75
6.719403.50
5.475913.75
3.332004.75
1.269514.00
4.337604.50
2.534405.75
1.534004.46
0.732604.92
0.426002.60
0.531203.00
   위 표는그림 6.1에서 ⊙표의 수치는 항공측량에 의한 표고를 표시한 것이고, 지형의 구배는 두 지점으 표고차를 두 지점간
의 수평거리로 나눈값임. 예를 들어 ⑨번 관로의 지형구배는 (74.8-67.5)/290 = 0.025 = 2.5%이며, 여기서 수평거리 290m는 표
고 74.8m되는 지점과 67.5m 되는 지점간의 거리로 도상(그림 6.1)에서 실측된 거리임. 파선으로 구분된 블럭은 부여된 각 번호
의 하수관로 배수면적으로 편의상 지형을 고려하여 관로의 교점에서 2등분하였음.


                               표 6.2 강 우 강 도 식 자 료
빈도Talbot형Japanese형Sherman형
5년I=5496/(t+34)I=503.36/(t**0.5+0.866)I=332.45/(t**0.42)
10년I=6378/(t+34)I=583.90/(t**0.5+0.866)I=385.47/(t**0.42)
   먼저 다음의 설명과 같이 표 6.3(1)에 자료를 입력하고, 제1단계 계산을 한다.   
    
 (1) : 관로의 번호를 입력한다.
 (2) : 유출계수를 입력한다. 이 유역의 유출계수를 0.6으로 설정하였다.
 (3) : 유역면적을 입력한다.
 (4) : 관로의 길이를 입력한다.
 (5) : 관로가 부담하여야 할 누적면적을 입력한다. 예를 들어 ⑩번 관로가 부담하여야 할 유역면적은 ①번, ②번, ⑨번, ⑩번 
       관로에 대한 유역면적의 합계이다.
 (6) : 관로의 유달시간을 구하기 위해서는 최원격 지점으로부터의 유하시간을 구하여야 하기 때문에 누적관로의 길이를 입력
       한다. 예를 들어 ⑪번 관로를 설계하기 위해서 유하시간의 계산에 필요한 관로의 길이는 ①번, ⑩번, ⑪번 관로를 유과
       할 때 가장 긴 유하시간이 된다.
 (7) : 유속을 1m/sec로 가정한다.
 (8) : 유달시간 T=T1+L/(V*60)에 의하여 계산한다. 유입시간은 6분으로 가정하고 H6셀의 입력은 =6+F6/(60*G6)로 하고, 이하 H7-
       H18셀은 자동채우기로 계산한다.
 (9) : 강우강도는 표 6.2의 10년 빈도 Talbot형을 선택하고 I6셀의 입력은 =6378/(H6+34)로 하고, 이하 I7-I18셀은 자동채우기로 계산한
       다.
 (10): 우수유출량은 합리식에 의하여 Q=CIA/360의 공식에 의하여 계산한다. J6셀의 입력은 =B6*I6*E6/360으로 하고, 이하 J7-
       J18셀은 자동채우기로 계산한다. 

             
      
                         표 6.3(1) 우수관로 설계예(제1단계 계산)
     
     (1)    (2)   (3)     (4)      (5)       (6)      (7)      (8)      (9)     (10)
      A      B     C       D        E         F        G        H        I        J         
 1
 2
 3
 4   관로  유출  유역면  관로길  유역면적  관로길이 가정유속  유달시  강우강도  유출량Q
 5   번호  계수  적(ha)  이(m)   총화(ha)  총화(m)   V(m/s)   간(min)  (mm/hr)  (m^3/s)
 6     ①   0.6   23.50     656     23.50       656        1    16.93   125.22    4.905
 7     ②   0.6    3.75      86      3.75        86        1     7.43   153.93    0.962
 8     ③   0.6   31.75     585     31.75       585        1    15.75   128.20    6.784 
 9     ④   0.6    3.50     194      3.50       194        1     9.23   147.53    0.861   
10     ⑤   0.6   13.75     759     13.75       759        1    18.65   121.14    2.776  
11     ⑥   0.6    4.75     320      4.75       320        1    11.33   140.69    1.114 
12     ⑦   0.6   14.00     695     14.00       695        1    17.58   123.64    2.885 
13     ⑧   0.6    4.50     376      4.50       376        1    12.27   137.85    1.034 
14     ⑨   0.6    5.75     344      5.75       344        1    11.73   139.46    1.336 
15     ⑩   0.6    4.46     340     37.46       996        1    22.60   112.69    7.035 
16     ⑪   0.6    4.92     326     77.63      1322        1    28.03   102.82   13.303  
17     ⑫   0.6    2.60     260     98.73      1582        1    32.37    96.10   15.814 
18     ⑬   0.6    3.00     312    120.23      1894        1    37.57    89.12   17.858  

   다음은 합리식에 의하여 계산된 (10)의 우수유출량을 유과할 수 있는 우수관의 단면을 표 6.3(2)와 같이 결정하는 2단계 계
산을 한다.
 (11) : 관로의 구배를 결정함에 있어 우선 지형의 구배를 그대로 이용하기로 하고 이를 입력한다.
 (12) : 관경을 가정함에 있어 표 12.5<환경수리수문학>의 관거유량표를 이용하여 I(%)에 맞는 우수유출량 Q(m**3/sec)를 유과
        할 수 있는 관의 직경을 개략 결정하여 입력한다.
 (13) : 관내의 평균유속 V1은 Manning 공식을 이용하였으며, M6셀의 입력은 =(L6/1000/4)^(2/3)
        *(K6/100)^(1/2)/0.013으로 하고, 이하 M7-M15셀은 자동채우기로 계산한다. 이 때 조도계수 n=0.013으로 하였다.
 (14) : 관내 유량 Q=AV1에 의하여 N6셀의 입력은 =PI()*(L6/1000)^2*M6/4로 하고, N7-N15셀의 입력은 자동채우기로 계산한
        다.
 (15) : ⑪, ⑫, ⑬번 관로는 우수유출량 Q가 대단히 크므로 원형관을 사용하지 않고, 암거를 설치할 것으로 계획하였으며, 암
        거는 정방형으로 하고, 수심을 90%로 계산한다. 이 때 암거의 규격 결정은 표 12.6<환경수리수문학>의 관거유량표를 
        이용하여 (12)란과 같은 방법으로 결정한다.
 (16) : 관내 유속 V1은 역시 Manning 공식을 이용하고, P16셀의 입력은 =(O16*O16*0.9/(O16+2*O16*0.9))^(2/3)*(K16/100)^(1/2)
        /0.013으로 한다. 이하 P17, P18셀은 P16셀로 자동 채우기한다.
 (17) : 관내 유량 Q1=AV1에 의하여 Q16셀의 입력은 =O16*O16*0.9*P16으로 하고, 이하 Q17, Q18셀은 Q16셀로 자동 채우기한다. 


              표 6.3(2) 우수관로 설계예(제2단계 계산)

     (10)    (11)   (12)   (13)    (14)    (15)     (16)    (17)              
       J       K      L      M       N       O        P       Q
 1
 2
 3
 4  유출량Q 관로구 관경D 유속V1  유량Q1  암거치수  유속V1  유량Q1         
 5  (m^3/s) 배I(%)  (mm)  (m/s)  (m^3/s) (L*L,m)    (m/s)  (m^3/s)
 6    4.905    2.3  1100  4.933    4.688
 7    0.962    8.3   500  5.540    1.088
 8    6.784    1.6  1350  4.717    6.751
 9    0.861    6.7   500  4.978    0.977
10    2.776    5.4   800  6.113    3.073
11    1.114    3.3   600  3.945    1.115
12    2.885    1.2  1100  3.563    3.386
13    1.034    4.3   600  4.503    1.273
14    1.336    2.5   700  3.805    1.464
15    7.035    1.5  1500  4.899    8.658 
16   13.303    0.7                            2.3   5.262   25.052 
17   15.814    0.4                            2.4   4.092   21.214
18   17.858    0.5                            2.5   4.701   26.445


   다음은 제3단계 계산으로 합리식에 의한 우수유출량 Q의 산정시 유속을 1m/sec로 가정하고 계산하였다. 그러나 Manning 공식
에 의한 유속 V1과는 차이가 있으므로 (13)란의 V1과 (16)란의 V1을 (7)란에 옮긴다. 따라서 G6셀은 =M6을 입력하고 이하 G7-
G15셀은 자동채우기로 바꾸어 준다. 그리고 G16셀은 =P16을 입력하고 G17, G18셀은 G16셀로 자동 채우기한다.이와 같이 
실행하면 (8), (9), (10)란의 계산이 다음 표 6.3(3)과 같이 자동으로 계산이 바뀌게 된다. 



                     표 6.3(3) 우수관로 설계예(제3단계 계산)

     (7)    (8)      (9)      (10)    (11)    (12)   (13)    (14)     (15)     (16)    (17)
      G      H        I         J       K       L      M       N        O        P       Q
 1
 2
 3
 4  유속V  유달시  강우강도  유출량Q 관로구  관경D  유속V1  유량Q1  암거치수  유속V1  유량Q1  
 5  (m/s)  간(min)  (mm/hr)  (m^3/s) 배I(%)   (mm)   (m/s)  (m^3/s)  (L*L,m)   (m/s)  (m^3/s)
 6  4.933    8.22    151.08    5.917    2.3   1100   4.933    4.688
 7  5.540    6.26    158.43    0.990    8.3    500   5.540    1.088
 8  4.717    8.07    151.61    8.023    1.6   1350   4.717    6.751  
 9  4.978    6.65    156.90    0.915    6.7    500   4.978    0.977
10  6.113    8.07    151.61    3.474    5.4    800   6.113    3.073
11  3.945    7.35    154.24    1.221    3.3    600   3.945    1.115  
12  3.563    9.25    147.47    3.441    1.2   1100   3.563    3.386 
13  4.503    7.39    154.09    1.156    4.3    600   4.503    1.273 
14  3.805    7.51    153.66    1.473    2.5    700   3.805    1.464
15  4.899    9.39    147.00    9.178    1.5   1500   4.899    8.658 
16  5.262   10.19    144.34   18.675    0.7                             2.3   5.262   25.052  
17  4.092   12.44    137.33   22.597    0.4                             2.4   4.092   21.214
18  4.701   12.71    136.53   27.359    0.5                             2.5   4.701   26.445


   다음은 제4단계 계산으로 앞에서 (13), (16)란의 V1을 (7)란의 V로 옮기게 되면 우수유출량 Q가 커져서 Q>Q1이 되는 것이 일
반적이다. 따라서 Q1>Q가 되기까지 (12)란의 관경을 상향 조정하고, (15)란의 정방형 암거의 밑변의 길이도 상향 조정한다. 그
리고 우수관의 평균유속이 3m/sec 이하가 되도록 (11)란의 관로구배를 하향 조정하여야 한다. 즉 Q1>Q이고, V1<3m/sec가 되도록 
(12)란의 D와 (15)란의 L을 상향 조정하고, (11)란의 I를 하향 조정하여야 한다. 이렇게 조정된 결과는 다음 표 6.3(4)와 같다. 


                      표 6.3(4) 하수관로 설계예(제4단계 계산)

      (10)   (11)    (12)   (13)    (14)    (15)     (16)    (17)
       J       K       L      M       N       O        P       Q
 1
 2
 3
 4  유출량Q 관로구  관경D  유속V1  유량Q1  암거치수  유속V1  유량Q1  
 5  (m^3/s) 배I(%)   (mm)   (m/s)  (m^3/s)  (L*L,m)   (m/s)  (m^3/s)
 6    5.695   0.50   1500   2.829    4.998
 7    0.985   1.50    700   2.948    1.134
 8    7.768   0.50   1500   2.829    4.998 
 9    0.905   1.50    700   2.948    1.134
10    3.285   0.60   1300   2.817    3.739
11    1.209   1.30    800   2.999    1.508
12    3.374   0.60   1300   2.817    3.739 
13    1.137   1.30    800   2.999    1.508 
14    1.458   1.30    800   2.999    1.508 
15    8.646   0.30   2100   2.742    9.497
16   17.146   0.15                             2.7    2.711   17.784  
17   21.299   0.15                             2.9    2.843   21.518  
18   25.247   0.15                             3.1    2.972   25.706


   다음은 마지막 단계로 ①번, ③번, ⑩번 관로가 직경 1500mm 이상으로는 불가능하므로 암거로 계획하여야 한다. 이 때의 
방법은 관로 ⑪번, ⑫번, ⑬번과 같은 방법으로 하면 된다. 이렇게 하여 정리된 설계내용은 다음 표 6.3(5)와 같다.


                                           표 6.3(5) 우수관로 설계예(최종단계 계산)
     
     (1)   (2)    (3)     (4)      (5)      (6)      (7)     (8)      (9)     (10)    (11)    (12)   (13)    (14)      (15)     (16)    (17)
      A     B      C       D        E        F        G       H        I        J       K       L      M       N         O        P       Q        
 1
 2
 3
 4  관로  유출  유역면  관로길  유역면적  관로길이  유속V  유달시  강우강도  유출량Q  관로구  관경D  유속V1  유량Q1  암거치수  유속V1  유량Q1  
 5  번호  계수  적(ha)  이(m)   총화(ha)  총화(m)   (m/s)  간(min)  (mm/hr)  (m^3/s)  배(%)    (mm)   (m/s)  (m^3/s)  (L*L,m)   (m/s)  (m^3/s)
 6    ①   0.6   23.50     656     23.50       656  2.704    10.04   144.81    5.672    0.30                              1.6   2.704    6.231
 7    ②   0.6    3.75      86      3.75        86  2.948     6.49   157.53    0.985    1.50    700   2.948   1.134
 8    ③   0.6   31.75     585     31.75       585  2.476     9.94   145.16    7.681    0.20                              1.9   2.476    8.045
 9    ④   0.6    3.50     194      3.50       194  2.948     7.10   155.19    0.905    1.50    700   2.948   1.134
10    ⑤   0.6   13.75     759     13.75       759  2.817    10.49   143.35    3.285    0.60   1300   2.817   3.739 
11    ⑥   0.6    4.75     320      4.75       320  2.999     7.78   152.66    1.209    1.30    800   2.999   1.508
12    ⑦   0.6   14.00     695     14.00       695  2.817    10.11   144.58    3.374    0.60   1300   2.817   3.739 
13    ⑧   0.6    4.50     376      4.50       376  2.999     8.09   151.54    1.137    1.30    800   2.999   1.508
14    ⑨   0.6    5.75     344      5.75       344  2.999     7.91   152.18    1.458    1.30    800   2.999   1.508  
15    ⑩   0.6    4.46     340     37.46       996  2.562    12.48   137.23    8.567    0.20                              2.0   2.562    9.225
16    ⑪   0.6    4.92     326     77.63      1322  2.711    14.13   132.52   17.146    0.15                              2.7   2.711   17.784  
17    ⑫   0.6    2.60     260     98.73      1582  2.843    15.27   129.44   21.299    0.15                              2.9   2.843   21.518
18    ⑬   0.6    3.00     312    120.23      1894  2.972    16.62   126.00   25.247    0.15                              3.1   2.972   25.706