하수관거 내 유속은 저유속에 따른 관로내 오물침전, 침전물 준설에 따른 유지관리비용과 과유속에 따른 관로손상, 내용연수 감소 등을 고려하여 일반적으로 하류방향 흐름에 따라 점차로 커지고, 관로경사는 점차 작아지도록 고려하여 시공하도록 규정하고 있다. 관로시설 설계기준(ME, 2017)에 따르면 오수관로는 계획시간 최대오수량에 대해 최소유속 0.6 m/s, 최대유속 3.0 m/s로 제시하고 있으며 지표경사로 관로경사가 급하게 되어 최대유속이 3.0 m/s를 넘게 될 때에는 단차를 설치하여 유속을 감소시키거나 단차설치가 곤란한 경우에는 감세공 설치, 관경이나 맨홀의 종별 상향 또는 수격에 의한 맨홀파손 방지조치를 고려하도록 하고 있다. 또한, 우수관로 및 합류식관로는 계획우수량에 대해 최소유속 0.8 m/s, 최대유속 3.0 m/s로 제시하고 있다. 이는 비중이 상대적으로 큰 토사류의 침전방지와 급경사지 등에서 과유속에 따른 관로손상, 유달시간 단축에 따른 하류지점 유량집중을 방지하기 위한 것으로 유속기준을 만족시키기 위해서는 단차 및 계단을 두어 경사를 완만하게 하여야 한다고 제시하고 있다. 설계기준에 의거하여 사업지구에서는 급경사지의 경우 최대유속 3.0 m/s 기준을 부합하기 위하여 맨홀 설치를 강제하고 있어 맨홀 추가 설치에 따른 공사비 과다로 인한 사업성 저하와 유지관리 및 지자체 인수인계에 대한 문제점이 발생하고 있는 실정이다. 그러나 현재 적용되고 있는 최대 유속규정인 3.0 m/s에 대한 기준은 37년 전의 하수도 설계기준(MOC, 1980)으로 하수관로 및 맨홀부 등의 설계 기술 및 건설 재료의 비약적인 발전을 반영하지 못하고 있는 실정으로 설계기준의 개선이 필요하다.

급경사지 하수관로 및 맨홀 설치에 대한 개선 기준 마련에 있어서 필요한 연구는 크게 2가지로 구분될 수 있다. 첫째, 경사에 따른 하수관로의 실유속 산정 방법론 구축과 둘째, 실유속 적용에 따른 하수관로 및 맨홀의 안정성 확보가 있다. 하수관로의 실유속 산정 방법론 구축 측면에서 살펴보면, 현재 관로시설의 설계기준에 적용되는 관로 내 유속 산정은 자연유하일 경우 Manning 공식 또는 Kutter 공식을 사용하고 있다. 이는 유속 산정에 대한 간략식으로 실유속과는 차이가 나며 기본계획 수립 시에는 적용이 가능하나 실시설계 단계에서는 유속 산정 방식에 대한 개선의 필요성이 있다. 과거에는 우수관로 내의 유속을 산정하는 기술이 등류계산 방식 이였으나 현재는 기술의 발달로 수리학적 동역학파 추적을 계산하는 수준으로 발전하였다. 미국환경청(EPA)에서 개발한 Storm Water Management Model (SWMM) 모형은 도시유출해석 모형으로 관망의 정밀한 구성 및 수리학적 동역파 추적이 가능한 모형으로 우수관로의 실제 자연현상을 엄밀하게 해석할 수 있는 단계에 이르렀다. 따라서 본 연구에서는 급경사지 하수관로에 대해 유출모니터링과 도시유출모형을 통한 급경사지 하수관로의 실유속의 산정을 통해 하수관로 및 맨홀부의 안정성 분석을 수행하고 급경사지에 과다하게 설치되는 맨홀을 합리적으로 최소화하는 근거를 제시하고자 한다.

우리나라의 우수 관거에 대한 최대 유속의 설계 기준은 ME (2017)에서 3.0 m/s로 제시하고 있다. 관내 최대 유속의 제한 기준을 두는 이유는 관내에 유속이 크면, 우수관의 경우에 유출량과 함께 유입되는 모래질 토사가 관체에 마모 손상을 일으킬 가능성이 있으므로 이를 방지하기 위한 안전성 측면에서 고려한 점이 크다(LH, 2010). Table 1은 국외의 우수관에 대한 최대 유속 기준을 요약하여 나타낸 표로서 우수관의 최대 유속 기준은 국가와 지역에 따라 상이한 기준을 가지나 대체로 3.0 ~ 4.5 m/s의 범위인 것으로 조사되었다. 특히, 일본과 미국의 Michigun 주, 캐나다의 City of Edmonton에서만 우리나라와 동일한 3.0 m/s의 기준을 가질 뿐 대부분의 국가와 주에서는 이를 상회하거나 기준 자체가 존재하지 않는 것으로 나타났다. 특이할만한 점은 호주의 퀸스랜드 배수 매뉴얼에서는 급경사 지형의 최대 유속을 만관 시에 6.0 m/s보다 크지 않도록 하되 본 조건을 충족하기 위해서 흐름의 운동에너지의 일정 부분을 소산시키기 위한 낙차 구조물(drop structure)을 두거나 관경을 제한하도록 한 것이다. 미국 텍사스 주 City of Weatherford (2007)에서는 우수관의 재질에 따라 최대 허용 속도를 제한한다. 콘크리트 우수관의 최대 허용 속도는 10 ft/s (3.65 m/s), 콘크리트 암거(culvert), 금속 재질의 주름진 관(Corrugated Metal Pipe, CMP), 고밀도 폴리 에틸렌 관(High-Density Polyethylene (HDPE) Pipe)의 최대 속도는 15 ft/s (4.57 m/s)로 제시하였다. 노스캐롤라이나(North Carolina)주의 우수관 설계 기준 North Carolina (2008)에서는 최대 유속 기준을 직접적으로 제시하기 보다는 설계 유속이 특정 값을 초과하는 경우에 대한 조치 계획을 제시하고 있다. 설계 유속이 4.57 m/s를 초과하는 경우에는 우수관과 맨홀이 부식(erosion)과 충격(impact)에 의한 변형(displacement)에 대비되어야 함을 명시하고 있다. 그리고 설계 유속이 20 ft/s (6.10 m/s)를 초과하는 경우 설계 보고서와 도면에 부식 제어 공법(erosion control measures)에 관하여 설명되어야 함을 기술하고 있다. 즉, 노스캐롤라이나 주에서는 관의 부식과 충격에 대한 적절한 조치만 계획된다면 설계 유속이 6.10 m/s를 초과하더라도 관의 안전에 문제가 되지 않을 것으로 판단한 것이다. 워싱턴 주에서는 금회 연구와 직접적으로 관련되어 있는 급경사지에 대한 우수관의 설계 기준을 제시하고 있다. 워싱턴 주의 Santa Clara County (2007), Clark County (2009), City of Tukwila (2010), King County (2016)에서는 우수관의 최대 유속 기준을 제시하고 있으며 Table 2는 Clark County (2009)에서 제시하고 있는 급경사지 급경사지에 대한 관거 종류별 최대 허용 유속으로 금속 재질의 주름관(CMP), 나선형 관(Spiral Rib pipe), 주름진 폴리에틸렌(Corrugated Poly Ethylene, CPE)관은 수로 경사가 최대 20~30%일 때 최대 유속이 30 ft/s (9.14 m/s)까지 허용되나 수로 경사가 20%를 넘으면 100 ft (30 m)당 우수관을 고정시킬 수 있는 앵커(pipe anchor)를 설치해야 한다. 유사하게 콘크리트 관과 직선의 주름진 폴리에틸렌(Line Corrugated Poly Ethylene, LCPE)관은 수로 경사가 10~20%인 경우에 적용될 수 있고 최대 유속은 동일하게 9.14 m/s까지 허용되나 50 ft (15 m)당 관을 고정할 수 있는 앵커를 설치해야하며 주철(ductile iron)관과 Solid Wall Poly Ethylene (SWPE)관은 설치할 수 있는 최대의 수로 경사와 최대 유속에 대한 기준은 없으나 우수관의 연결을 flanged joint 또는 butt-fused joint를 통해 관거의 접합부에서 강도가 저하되는 문제를 해결하도록 하고 있다.

캐나다는 Ministry of the Environment (2003), City of Toronto (2014), City of London (2018)에서 우수관의 최대 유속 기준을 대체로 6.0 m/s로 제시하고 있다. 온타리오 주에서는(Ministry of the Environment, 2003) 우수관의 최대 허용 속도를 6.0m/s인 것으로만 기술하고 있을 뿐 어떠한 부연 설명도 없다. 토론토시(City of Toronto, 2014)에서는 온타리오 주와 동일하게 우수관의 최대 허용 속도를 6.0 m/s로 제시하고 있으며 3.0 m/s를 초과하는 경우 관의 변형, 세굴(scouring), 부식, 도수(hydraulic jump)에 대하여 보호할 수 있는 설계 요소를 추가하도록 제시하고 있다. 런던시(City of London, 2018)에서는 우수관의 직경에 따라 최대 유속 기준을 구분하고 있다. 우수관의 직경이 300~825 ㎜인 경우에는 4.5 m/s, 직경이 900 ㎜ 이상일 때는 6.0 m/s로 제한하고 있다. Table 3은 캐나다 주요 지역의 우수관에 대한 최대 유속 기준을 정리한 것이다. 홍콩의 Drainage Services Department (2013)에서는 우수관의 최대 허용 유속을 3.0 m/s로 제시하고 있으나 연속적이고 매끄러우며 내구성이 있는 내마모성의 관(예: 주철관) 또는 내부 라이닝이 된 관이나 모든 접합부, 굴곡부, 맨홀 또는 기타 부속 장치가 적절한 부식 방지 조치로 설계된 경우에는 6.0 m/s까지 허용한다. 즉, 홍콩에서는 관의 불연속 구간(접합부)없이 연속적으로 설치되면서 부식과 충격에 대한 저항성을 높일 경우 허용 최대 유속의 기준을 크게 완화하였다.

국외의 여러 사례 조사로부터 우수관에 대한 최대 유속 기준이 국가 또는 지역별로 다양하게 존재하나 공통된 특징을 가지고 있는 것으로 파악된다. 우수관의 종류(재질, 공법, 크기 등)와 우수관의 보호 조치(앵커 설치, 변형 및 부식 방지조치)의 반영에 따라 다양한 기준을 적용하여 우수관의 최대 유속 기준을 4.5 m/s~6.0 m/s로 제시하고 있다. 또한, 급경사 지역의 우수관은 연속적으로 설치하고 접합부의 손상을 막을 수 있는 보호 조치를 계획하도록 하고 있다. 한편, 미국의 워싱턴 주에서는 급경사지에 대한 우수관의 설치 시 앵커를 설치하여 우수관의 안정성을 확보하면 콘크리트 관일지라도 최대 9.14 m/s의 유속으로 설계가 가능한 것으로 제시하고 있다. 따라서 급경사 지역의 노면 경사가 크지 않을 경우 우수관에 대한 설계 기준을 일괄 적용하기 보다는 기술적인 보완책을 두어 적용하는 것이 필요할 것이다.

현재 국내의 관거설계 기준에서 제시하고 있는 하수관거 최대 유속 3.0 m/s에 대한 개선의 필요성에 대한 연구를 진행하였다. 국외의 설계 기준 검토와 청주동남지구의 우수수리계산서를 검토하여 현재 하수관거 설계의 문제점을 분석하였으며 유출모니터링과 SWMM 모형의 모의 결과를 비교분석하여 급경사지의 경사로 인해 강우유출수의 전체가 관거로 유입되지 않는 흐름 양상을 정량적으로 제시하였다. 본 연구를 통해 도출된 결과를 정리하면 아래와 같다.

(1) 우수관의 최대 허용 유속 기준과 관련하여 국외의 대부분의 기준에서는 우수관의 종류(재질, 공법, 크기 등)와 우수관의 보호 조치(앵커 설치, 변형 및 부식 방지 조치)의 반영에 따라 다양한 기준을 적용하고 있다. 이에 따라 우수관의 최대 유속 기준이 대부분 4.5 m/s~6.0 m/s의 범주에 있는 것으로 파악되었다. 또한 본연구의 공간적인 범위인 급경사지와 관련한 국외의 우수관의 설계기준을 검토한 결과 우수관에 앵커를 활용한 충격 방지, 우수관의 종류, 우수관 내 유속저감장치를 두면 최대 9.14 m/s까지 관내 유속을 허용하는 것으로 조사되었다.

(2) 연구대상지구의 급경사지 구간에 대해 설계시 작성된 수리계산서와 우수종단면도 상의 구배설정 및 맨홀 및 관거의 추가 과정에 대해 검토하고 SWMM 모형과 비교 분석한 결과 단순 Manning 공식을 사용한 관거 설계프로그램인 MAKESW와 SWMM 모형에 유속의 차이가 발생하였으며 전반적으로는 SWMM 모형이 맨홀의 낙차공 등을 고려하기에 유속을 작게 모의하는 것으로 분석되었다. 하류부로 갈수록 SWMM 모형에서는 설계에서 제시하는 유속값 보다 큰 값이 모의되었으며 최대유속 기준 3.0 m/s를 초과하는 구간도 발생하였다.

(3) 모니터링 결과와 SWMM 모의 유속을 비교한 결과 측정값이 모형 결과보다 작은 것으로 분석되었다. 이는 SWMM 모형은 해당유역에서 발생하는 모든 강우유출수가 맨홀로 유입되는 조건으로 유속을 계산하나 실제 급경사지 구간의 강우유출수 흐름은 지표면 흐름이 대부분으로 관거로 모든 우수가 유입되지 않기 때문인 것으로 판단되어 2018년 6월 28일에 발생한 강우사상을 대표로 분석한 결과 강우량의 30%를 적용하였을 때 실측 유속과 유사하게 모의되었다.

(4) 모니터링 지점 구간에 대해 상류부 관거 2구간을 U형 측구로 대처하여 분석한 결과 하류부 관거의 유속 영향은 미비한 것으로 분석되어 상류부 유역면적이 작으면 U형 측구로 대체하는 기준 마련의 필요성을 제시하였다. 급경사지에서 하수관거로 유입되는 강우유출수의 비율은 후속되는 연구를 통해 경사, 강우, 도로단면에 대한 지속적인 분석이 필요하다.

(5) 하수관로의 유량에 따른 하수관거 유출부의 유속 분포를 살펴보면, 유량이 증가함에 따라 유속의 최대값이 유량이 0.0785 m³/sec일 때 2.0 m/sec에서 유량이 0.1421 m³/sec일 때 2.4 m/sec로 선형적으로 증가하는 경향을 보였으며, 관수로 내 수위는 약 15 cm에서 약 24 cm로 유량이 증가함에 따라 관거 내 수위가 점차 높아지는 것으로 나타났다. 충격압의 크기는 유량이 증가함에 따라 0.0785 m³/sec일 때에는 약 7,124Pa에서 0.1421 m³/sec일 때 약 12,145Pa로 점차 증가하였다. 최대 충격압의 위치는 유량이 증가할수록 유출부를 기준으로 더 멀리 작용하였다.

(6) 경사가 증가함에 따라 맨홀에 유입되는 비율은 맨홀 위치에 관계없이 유사하게 나타났다. 경사가 1°인 경우 맨홀에 유입되는 우수의 비율은 약 9.5% 가량 나왔으며 경사가 7°인 경우 약 5.5%의 비율로서 도로부 경사가 올라감에 따라 맨홀에 유입되는 우수의 비율이 감소하는 경향을 보였다.