[수질] 하수도 관거시설

Q. 하수관거에 관한 설명 중 옳지 않은 것은?

① 우수관거에서 계획하수량은 계획우수량으로 한다.
② 합류식 관거에서 계획하수량은 계획시간최대오수량에 계획우수량을 합한 것으로 한다.
∨③ 차집관거에서 계획하수량은 계획시간최대오수량으로 한다.
④ 지역의 실정에 따라 계획하수량에 여유율을 둘 수 있다.

Q. 하수관거 내에서 황화수소가 발생할 수 있는 이유를 가장 정확히 설명한 것은?

① 미생물이 하수내의 용존산소를 이용하여 황산염을 산화시키기 때문이다.
② 하수내의 단백질이 용존산소에 의해 산화되기 때문이다.
③ 하수관거 내에서 침전된 유기물이 호기성 상태에서 황산염으로 환원되기 때문이다.
∨④ 미생물이 혐기성 상태에서 하수내의 황산염을 환원시키기 때문이다.

Q. 하수관로 계획에 대한 설명으로 가장 옳지 않은 것은? (2018서울시7급)

∨① 경사는 하류로 갈수록 급하게 하는 것이 좋다
② 유속은 하류로 갈수록 점차 증가시키는 것이 좋다
③ 관거 부설비 측면에서 합류식이 분류식보다 유리하다
④ 하수관거의 단면형상은 수리학적으로 유리하며 경제적인 것이 바람직하다

Q. 직경 800mm(외경)인 하수관을 매설하려고 한다. 매설지점의 표토는 젖은 진흙으로 흙의 밀도는 2.0ton/m3이고, 흙의 종류와 관의 깊이에 따라 결정되는 C1은 1.0이다. 이때 매설관이 받는 하중은? (단, 하중계산은 Marston 공식을 사용하고 도랑폭은 B=3/2d+0.3m이다.) (2017국민안전처9급)

풀이
B = 3/2d + 0.3m = 3/2 x 0.8m + 0.3m = 1.5m
W=CrB2 = 1 x 2ton/m3 x (1.5m)^2 = 4.5ton/m

답: 4.5ton/m

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● 관거시설

관거, 맨홀(manhole), 우수토실(雨水吐室), 토구(吐口), 물받이(오수, 우수 및 집수받이) 및 연결관 등을 포함한 시설의 총칭

1. 계획하수량

(1) 오수관거에서는 계획시간최대오수량으로 한다.
-> 계획1일최대오수량은 1인1일최대오수량에 계획인구를 곱한 후, 여기에 공장 폐수량, 지하수량 및 기타 배
수량을 더한 것으로 한다.

(2) 우수관거에서는 계획우수량으로 한다.

(3) 합류식 관거에서는 계획시간최대오수량에 계획우수량을 합한 것으로 한다.
-> 계획시간최대오수량은 계획1일 최대오수량의 1시간당 수량의 1.3~1.8배를 표준으로 한다.

(4) 차집관거는 우천시 계획오수량으로 한다.
-> 합류식에서 우천시 계획오수량은 원칙적으로 계획시간최대오수량의 3배 이상으로 한다.

(5) 지역의 실정에 따라 계획하수량에 여유율을 둘 수 있다.

2. 유량의 계산
- 경사는 이론적으로 수면의 경사값을 사용하나 배수 등의 영향은 없는 것으로 간주하고 관저경사를 사용한다.

1) 공식
(1) Manning 공식

- 조도계수: 철근콘크리트관 및 도관의 경우는 각각 0.013, 경질염화비닐관 및 강화플라스틱복합관의 경우는 0.010을 표준으로 함
- 평균유속은 일반적으로 Manning식을 사용

(2) Kutter 공식

- 조도계수: 철근콘크리트관 및 도관의 경우는 각각 0.013, 경질염화비닐관 및 강화플라스틱복합관의 경우는 0.010을 표준으로 함

(3) Hazen․Williams 공식(압송의 경우)

2) 관거

- Hazen․Williams식에서 유속계수 C 값은 관내면 조도, 굴곡, 분지 등의 수에 따라 다르나 이들의 굴곡손실 등을 포함해 110을 표준으로 한다. 직선부(굴곡손실 등은 별도 계산한다)만의 경우는 130을 표준으로 한다.

2) 관거의 수리학적 특성
- 원형거 및 말굽형거에서 유속은 수심이 81%일 때 최대이며, 유량은 수심이 93%일 때 최대가 된다.
- 직사각형거에서는 유속 및 유량이 모두 만류가 되기 직전에 최대이나 만류가 되면 유속 및 유량이 급격히 감소한다.
- 계란형거에서는 유량이 감소되어도 원형거에 비해 수심 및 유속이 유지되므로 토사 및 오물 등의 침전방지에 효율적이다.

3) 유속 및 경사
(1) 오수관거
계획시간최대오수량에 대하여 유속을 최소 0.6 m/s, 최대 3.0 m/s로 한다.

(2) 우수관거 및 합류관거
계획우수량에 대하여 유속을 최소 0.8 m/s, 최대 3.0 m/s로 한다.

2. 관거의 종류
(1) 철근콘크리트관
(2) 제품화된 철근콘크리트 직사각형거(정사각형거 포함)
(3) 도관
(4) 경질염화비닐관
(5) 현장타설철근콘크리트관
(6) 유리섬유 강화 플라스틱관
(7) 폴리에틸렌(PE)관
(8) 덕타일(ductile)주철관
(9) 파형강관
(10) 폴리에스테르수지콘크리트관
(11) 기타

3. 관거의 단면
관거의 단면형상에는 원형 또는 직사각형을 표준으로 하고, 소규모 하수도에서는 원형 또는 계란형을 표준
으로 한다.

1) 고려해야할 점
① 수리학적으로 유리할 것
② 하중에 대해 안전할 것
③ 시공비가 저렴할 것
④ 유지관리가 용이할 것
⑤ 시공장소의 상황에 잘 적응될 것

2) 원형
① 장점
- 수리학적으로 유리하다.
- 일반적으로 내경 3,000 mm 정도까지 공장제품을 사용할 수 있으므로 공사기간이 단축된다.
- 역학계산이 간단하다.
② 단점
- 안전하게 지지시키기 위해서 모래기초 외에 별도로 적당한 기초공을 필요로 하는 경우가 있다.
- 공장제품이므로 접합부가 많아져 지하수의 침투량이 많아질 염려가 있다.

2) 직사각형
이 형상은 일반적으로 높이가 폭보다 작다.
① 장점
- 시공장소의 흙두께 및 폭원에 제한을 받는 경우에 유리하며 공장제품을 사용할 수도 있다.
- 역학계산이 간단하다.
- 만류가 되기까지는 수리학적으로 유리하다.
② 단점
- 철근이 해를 받았을 경우 상부하중에 대하여 대단히 불안하게 된다.
- 현장타설일 경우에는 공사기간이 지연된다. 따라서 공사의 신속성을 도모하기 위해 상부를 따로
제작해 나중에 덮는 방법을 사용할 수도 있다.

3) 말굽형
이 형상은 일반적으로 상부는 반원형의 아치(arch)로 하며 측벽은 직선 또는 곡선을 갖고 내측으로
굽혀 수직으로 한다.
① 장점
- 대구경 관거에 유리하며 경제적이다.
- 수리학적으로 유리하다.
- 상반부의 아치작용에 의해 역학적으로 유리하다.
② 단점
- 단면형상이 복잡하기 때문에 시공성이 열악하다.
- 현장타설의 경우는 공사기간이 길어진다.

4) 계란형
① 장점
- 유량이 적은 경우 원형거에 비해 수리학적으로 유리하다.
- 원형거에 비해 관폭이 작아도 되므로 수직방향의 토압에 유리하다.
② 단점
- 재질에 따라 제조비가 늘어나는 경우가 있다.
- 수직방향의 시공에 정확도가 요구되므로 면밀한 시공이 필요하다.

4. 최소관경
(1) 오수관거 200 mm를 표준으로 한다.
(2) 우수관거 및 합류관거 250 mm를 표준으로 한다.

5. 매설위치 및 깊이
1) 매설위치
(1) 관거는 공공도로상에 매설하는 것을 기본으로 하고, 그 매설위치 및 깊이를 도로관리자와 협의하여 정한다.
(2) 관거가 하저를 횡단하는 경우에는 그 매설위치 및 깊이를 하천관리자와 협의해야 한다.
(3) 철도횡단의 경우에는 관거가 교통하중 및 진동을 직접 받지 않도록 충분한 깊이로 매설해야 한다. 그러나 종단경사의 특수성에 의하여 교통하중 및 진동이 작용하는 경우에는 관거에 직접 영향을 주지 않도록 방호공을 설치하여야 한다.
(4) 관거를 사유지내에 매설하는 경우에는 토지소유자와 협의하여야 한다.
(5) 시스템 배치계획은 해당지역의 지형도 등을 따른다.

2) 매설깊이
관거의 최소 흙두께는 원칙적으로 1 m로 하나, 연결관, 노면하중, 노반두께 및 다른 매설물의 관계, 동결심
도, 기타 도로점용조건을 고려하여 적절한 흙두께로 한다.

3) 관거의 표시
관거의 오접 및 굴착파손을 피하기 위하여 테이프, 페인트 또는 인식장치 등을 적극 설치한다.

6. 관거의 보호 및 기초공

1) 외압에 대한 관거의 보호
흙두께 및 재하중이 관거의 내하력을 넘는 경우, 철도 밑을 횡단하는 경우 또는 하천을 횡단하는 경우 등에는 콘크리트 또는 철근콘크리트로 바깥둘레를 쌓아서 외압에 대하여 관거를 보호한다.

2) 관거의 내면보호
- 관거의 내면이 마모 및 부식 등에 따른 손상의 위험이 있을 때에 내마모성, 내부식성 등에 우수한 재질의 관거를 사용하거나 관거의 내면을 적당한 방법에 의해 라이닝(lining) 또는 코팅(coating)을 해야 한다.
- 관거에서 경사가 급한 부분에서는 마모가 심하다.
- 압력관거의 토출구 등에서는 황화수소가 발생하기 쉽고 부식할 우려가 있다
- 관거내가 혐기성 상태가 될 때 혐기성균이 하수에 포함된 황을 환원시켜 황화수소를 발생시키고 이 황화수소가 관거의 천정부근에서 또 다른 종류의 균에 의해 산화되어 황산이 되면서 관거를 부식시키는 관정부식이 일어나게 된다.
- 관거의 내면이 마모 및 부식 등에 의해 손상될 위험이 있을 때에는 내마모성, 내식성 및 내약품성이 우수한 관을 사용하거나 합성수지나 모르터 등으로 라이닝하여 관내면을 보호할 필요가 있다.
- 부식에 대한 보호재료에는 모르타르, 역청재, 합성수지 등이 있다.
- 강관 및 덕타일주철관을 전기철도나 변전설비의 주변에 매설하는 경우에는 미주전류의 영향을 받아 전식이 일어날 수 있으므로 절연문제를 고려해야 하며, 상황에 따라서는 전기분해 방식을 고려할 필요가 있다.
- 부식으로 인해 관거에 치명적 손상이 발생하며, 부유물질 양이 증가함에 따라 환경문제나 추가적인 비용이 발생하기도 한다.
- 관거교차부, 낙하부, 침전물 변화부 등에 있어 부식이 특히 영향을 미치므로 물의 흐름을 변화시키는 암거, 관거 등의 설계시에는 부식방지를 위한 조치를 강구하여야 한다.

3) 기초공
(1) 강성관거
- 철근콘크리트관 등의 강성관거는 조건에 따라 모래, 쇄석(또는 자갈), 콘크리트 등으로 기초를 실시
- 필요에 따라 이들을 조합한 기초를 실시
- 모래기초의 경우 관의 부식방지를 위하여 한국공업규격 KSF 2526 󰡔콘크리트용 골재󰡕에서 규정한 염화물(NaCl) 함유량이 허용값 이하의 모래를 사용하여야 한다.
- 지반이 양호한 경우에는 이들 기초를 생략할 수가 있다.

① 수직토압공식

흙의 마찰력을 전혀 고려하지 않고 단순히 관상부 매설토의 중량이 관에 직접 작용하는 것으로 가정해서 구하는 식으로 측면의 마찰을 무시한 것이다.

② 마스톤(Marston)공식

W : 관이 받는 하중(kN/m)
r : 매설토의 단위중량(kN/m3)
B : 폭요소(width factor)로서 관의 상부 90° 부분에서의 관매설을 위하여 굴 토한 도랑의 폭(m)
C1 : 흙의 종류, 흙두께, 굴착폭 등에 따라 결정되는 상수

- 토압계산에 가장 널리 이용되는 공식
- 수직토압은 굴착도랑 바로 위의 흙기둥 중량의 전체가 관에 전달되지 않고 굴착면에 인접하는 흙기둥 사이의 전단마찰력을 상쇄한 하중이 관에 작용하는 것
- 마찰전단력은 이들 토압의 상대적 침하로 결정되며, 여기에는 수평토압이 관련된다.
- 마스톤공식에서는 이 수평토압에 랭킨(Rankine)공식을 이용한다.

③ Janssen공식

- 굴착도랑에 관을 매설할 경우 굴착도랑과 매설토 사이의 전단마찰력과 매설토 자체가 갖는 점착저항력에 의해 상쇄되는 중량을 도랑내 흙기둥의 전중량에서 뺀 중량이 도랑폭에 작용한다는 가정에서 매설토에 의한 수직토압을 구하는 방법이다.
- 얀센공식은 관측의 매설토가 충분히 다져지므로써 굴착도랑 폭 전체에 하중이 균등하게 분포한다는 가정에서 식이 성립하는 것
- 다짐 등의 시공상의 공정에서 세심한 주의를 필요로 한다.

④ 활하중에 의한 수직토압

- 매설관거의 상부로 차량 등이 통과하는 경우 그 하중에 의한 압력이 토압하중에 가산되는데 차량하중은 후륜하중을 사용하며 전륜하중의 영향은 무시하는 것으로 한다.
- 식(2.4.5)은 도로의 종방향에 타이어의 접지폭 20 cm에서 45°로 분산하고, 횡방향에는 차체 점유폭 2.75 m로 분산하는 것으로 고려한다.

⑤ 강도계산
- 관의 외압에 대한 강도를 나타내는 외압강도는 철근콘크리트관의 경우 균열하중을 적용하고 도관의 경우 파괴하중을 적용한다.
- 매설관에 등분포하중이 작용하는 경우 관체에 발생하는 최대휨모멘트는 식

Mmax : 관체에 발생하는 최대휨모멘트(kN․m/m)
k : 관의 받침조건에 따라 변하는 계수
q : 매설관에 작용하는 등분포하중(kN/m2)
R : 관두께 중심반경(m)

(2) 연성관거
경질염화비닐관 등의 연성관거는 자유받침 모래기초를 원칙으로 하며, 조건에 따라 말뚝기초 등을 설치한다.

7. 관거의 접합과 연결

1) 관거의 접합

(1) 관거의 관경이 변화하는 경우 또는 2개의 관거가 합류하는 경우의 접합방법은 원칙적으로 수면접합 또는 관정접합으로 한다.

① 수면접합
수리학적으로 대개 계획수위를 일치시켜 접합시키는 것으로서 양호한 방법이다.

② 관정접합
- 관정을 일치시켜 접합하는 방법
- 유수는 원활한 흐름이 되지만 굴착깊이가 증가됨으로 공사비가 증대되고 펌프로 배수하는 지역에서는 양정이 높게 되는 단점이 있다.

③ 관중심접합
- 관중심을 일치시키는 방법
- 수면접합과 관정접합의 중간적인 방법이다.
- 계획하수량에 대응하는 수위를 산출할 필요가 없으므로 수면접합에 준용되는 경우가 있다.

④ 관저접합
- 관거의 내면 바닥이 일치되도록 접합하는 방법이다.
- 굴착깊이를 얕게 함으로 공사비용을 줄일 수 있다
- 수위상승을 방지하고 양정고를 줄일 수 있어 펌프로 배수하는 지역에 적합하다.
- 상류부에서는 동수경사선이 관정보다 높이 올라 갈 우려가 있다.

(2) 지표의 경사가 급한 경우에는 관경변화에 대한 유무에 관계없이 원칙적으로 지표의 경사에 따라서 단차접합 또는 계단접합으로 한다.

① 단차접합
- 지표의 경사에 따라 적당한 간격으로 맨홀을 설치한다.
- 1개소당 단차는 1.5 m이내로 하는 것이 바람직하다.
- 단차가 0.6 m 이상일 경우 합류관 및 오수관에는 부관을 사용하는 것을 원칙으로 한다.

② 계단접합
- 통상 대구경관거 또는 현장타설관거에 설치한다.
- 계단의 높이는 1단당 0.3 m이내 정도로 하는 것이 바람직하다.
- 지형상황에 따라서 단차접합이나 계단접합의 설치가 곤란한 경우 유속의 억제를 목적으로 하는 감세공의 설치를 검토한다
- 간선관거의 접속 등 고낙차에서 관거를 접합할 필요가 있는 경우에는 맨홀저부의 세굴방지 및 하수의 비산방지를 목적으로 드롭샤프트 등의 설치를 검토한다

(3) 2개의 관거가 합류하는 경우의 중심교각은 되도록 60° 이하로 하고 곡선을 갖고 합류하는 경우의 곡률반경은 내경의 5배 이상으로 한다

- 대구경관거와 대구경관거가 합류하는 경우에는 물의 흐름을 원활하게 흐르도록 유의하고 유속이 크게 되는 것에 주의해야 한다.
- 대구경관거에 소구경관거가 합류하는 경우에는 유속이 적은 소구경 관거의 물의 흐름이 대구경관거의 큰 유속에 지장을 받아 소구경관거의 상류부에 유속이 정체되어 예상치 못했던 지장을 일으킬 수도 있으므로 이런 경우에는 가능한 한 작은 중심교각을 갖도록 합류시키는 것에 주의해야 한다.
- 중심교각은 30～45°가 이상적이지만 도로의 폭, 그 밖의 장애물과의 관계를 고려하여 60° 이하로 하는 것이 바람직하다.
- 대구경관거에 소구경관거가 합류하는 경우 소구경관거의 지름이 대구경관거 지름의 1/2 이하이고, 수면접합 혹은 관정접합에 의한 접합 이상으로 낙차를 붙이는 경우 중심교각은 90o까지를 한도로 해도 지장이 없다
- 곡선을 갖고 접합하는 현장타설철근콘크리트관거 등의 경우에는 내경 5배 이상의 곡률반경으로 접합시키는 것이 바람직하다.
- 소구경관거가 합류하는 경우의 곡률반경은 보통 맨홀내에 대처되지만 대구경관거가 합류하는 경우의 곡률반경은 특수맨홀 또는 현장타설철근콘크리트관거를 설치해야만 부착되는 경우가 많다. 또한 관거가 단순히 곡절(曲切)하는 경우도 이와 같은 사항을 고려할 필요가 있다
- 반대방향의 관거가 곡절하는 경우나 관거가 예각으로 곡절하는 경우의 접합도 이와 같은 사항을 고려하며, 이상적으로는 2단계로 곡절하는 것이 바람직하다

2) 관거의 연결
(1) 관거의 연결은 수밀성 및 내구성이 있는 것으로 한다.
① 소켓(socket)연결

- 시공이 쉽고 고무링이나 압축조인트를 사용하는 경우에는 배수가 곤란한 곳에서도 시공이 가능
- 수밀성도 높다.
- 소켓용 관거의 운반시에는 소켓이 파손될 우려가 있으므로 주의가 요구된다.
- 소켓부분에 플라스틱부착 등으로 소켓고무링 접합의 효율성을 도모하기도 한다

② 맞물림(butt)연결(고무링 사용)

- 중구경 및 대구경의 시공이 쉽고 배수가 곤란한 곳에서도 시공이 가능하다.
- 수밀성도 있지만 연결부의 관두께가 얇기 때문에 연결부가 약하고 연결시에 고무링이 이동하거나 꼬여서 벗겨지기 쉽고, 연결부에도 이것이 원인으로 누수 되는 수가 있다

③ 맞대기연결(수밀밴드 사용)
흄관의 칼라연결을 대체하는 방법으로서 수밀성이 향상된 수밀밴드 등을 사용하여 시공한다.

(2) 연약지반 등에서 관거와 맨홀 등이 강성이 높은 구조물과 접속하는 경우에는 필요에 따라 연성연결을
사용한다.



출처: 하수도시설기준(2011)