비굴착 관로 보수와 통수능

왜 배우는가: 비굴착 보수는 굴착 없이 노후 관로를 살리는 현장 표준 공법이어서 실무 설계에서 매번 쓰인다. 보수 후 관경이 줄면 통수능이 떨어지므로 시험에서는 단면 축소의 영향을 정량적으로 검토하는 문제로 반복해 나온다.

출제 이력: 제100회 1교시 7번, 제92회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

비굴착 관로 보수는 굴착 없이 기존 관 내부를 갱생해 기능을 되살리는 공법이다.

핵심 키워드

• 비굴착 보수
• 통수능
• 유효 단면적
• 조도계수
• Manning 공식
• 라이닝(Lining)
• 제관 공법

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 땅을 파지 않고 기존 관 안에서 고치는 일이다. 도로를 막지 않고 관을 살리므로 공사비와 교통 피해가 적다. 정식으로는 굴착 없이 기존 관로의 내부 또는 주변에서 시공하여 누수 차단, 구조 보강, 부식 방지 기능을 회복시키는 보수·갱생 기술의 총칭이다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다. 통수능은 관로가 단위 시간에 안전하게 흘려보낼 수 있는 최대 유량이다. 유효 단면적은 보수 후 물이 실제로 흐를 수 있는 단면적이다. 라이닝이나 삽입관은 이 값을 줄인다. 조도계수는 관벽의 거친 정도를 나타내는 값으로 마찰 저항을 좌우한다.

통수능의 원리는 Manning 공식으로 설명한다.

$Q = \frac{1}{n} A R^{2/3} I^{1/2}$

여기서 Q는 유량(㎥/s), n은 조도계수, A는 통수 단면적(㎡), R은 경심(m), I는 동수경사다. 관이 가득 찬 원형관에서는 A = πD²/4, R = D/4이다. 이를 대입하면 Q는 관경의 8/3승에 비례한다. Q ∝ D^{8/3} 이므로 관경이 작아지면 통수능은 그보다 훨씬 크게 줄어든다. 이 관계 때문에 비굴착 보수에서 관경 축소를 가볍게 볼 수 없다.

조도계수 n은 같은 단면에서 유량을 바꾼다. n이 작아지면 흐름 저항이 줄어 유량이 늘어난다. 신관 염화비닐관은 0.009~0.012, 콘크리트관(활면)은 0.012~0.013 범위로 알려져 있다. 따라서 매끈한 보수 재료를 쓰면 단면 축소의 일부를 상쇄할 수 있다. 다만 이것은 재료 조건이 맞을 때만 성립하므로 답안에서는 단면 축소와 조도 변화를 함께 계산해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

국내 상수도와 하수도는 1970~1980년대 이후 대량으로 매설되어 노후화가 진행되었다. 관이 깨지거나 이음부가 벌어지면 누수와 오염수 유입이 생긴다. 그런데 도로 교통 혼잡과 다른 매설물 간섭 때문에 전면 굴착 교체는 비용과 기간이 크다. 이 문제를 줄이기 위해 굴착을 최소화하는 비굴착 보수가 필요해졌다.

비굴착 보수는 세 방향으로 발전했다. 첫째, 관 안쪽에 수지나 피막을 입히는 라이닝 방식이다. 둘째, 기존 관보다 작은 관을 넣는 삽입·제관 방식이다. 셋째, 관과 지반 사이 공간을 충전재로 채워 구조를 일체화하는 방식이다. 방식마다 단면 축소 정도가 다르다. 라이닝은 피막 두께만큼 내경이 줄고, 삽입관은 관경이 한 단계 줄며, 유격 충전은 외곽을 채운다.

이 때문에 보수 설계에는 누수 차단과 구조 보강 목표와 함께 통수능 검토가 반드시 따른다. 하수관거는 계획 우수량이나 계획 시간 최대 오수량을 흘려야 하므로 단면이 줄면 월류나 역류로 이어질 수 있다. 상수관은 송수 능력과 수압 확보가 목적이므로 유량 감소가 수압 저하와 직결된다. 따라서 보수 전 실제 내경을 실측하고, 보수 후 내경과 조도를 바꾸어 Manning 식으로 재계산하는 절차가 필요하다.

관경 축소를 검토할 때는 축소량을 상대값으로 보는 습관이 중요하다. 같은 5cm라도 관경이 작을수록 상대 축소율이 커진다. 이 점을 알아야 소구경 관과 대구경 관의 보수 판단을 구분할 수 있다.

4. 구성요소·원리·절차

비굴착 보수로 관로를 갱생하면 기존 관의 내경이 줄어든다. 통수능은 관의 단면적과 유속의 곱으로 정해지므로 내경 감소가 단면적을 먼저 줄이고, 이어서 조도 변화가 유속을 바꾼다. 이 절은 구성요소와 원리, 절차, 기준 수치를 정리한다.

구성요소를 표로 나누면 다음과 같다.

비굴착 보수의 원리는 단면적과 조도의 두 변수로 설명한다. 관경이 줄면 유수단면적이 줄고, 같은 유량을 흘리려면 유속이 커진다. 라이닝재의 조도가 기존 관보다 작으면 유속 손실은 줄어든다. 하지만 관경 감소 효과가 조도 개선 효과보다 크면 통수능은 떨어진다.

통수능은 단면적과 유속의 곱으로 정해지며, 관경 축소는 단면적을 직접 줄인다

절차는 다음 순서로 진행한다.

• 조사: 관로 CCTV 조사와 단면 측정으로 균열·부식 상태와 실제 내경을 확인한다.
• 계획 유량 산정: 설계 유량과 계획 우수량·오수량을 기준으로 필요 단면을 정한다.
• 갱생재 선정: 관경 축소량과 조도 특성을 비교해 공법을 고른다.
• 시공: 세척 후 라이닝을 삽입하고 유격에 충전재를 채운다.
• 검증: 시공 후 내경을 재측정하고 유하 능력을 다시 계산한다.

통수능 계산에는 Manning 공식을 쓴다. 유속 V = \frac{1}{n}R^{2/3}I^{1/2} 이고, 유량 Q = AV 이다. 여기서 n은 조도계수(무차원), R은 경심(m), I는 동수경사, A는 유수단면적(㎡)이다. 원형관이 만관일 때 경심 R = D/4 이다.

5. 관련 법령·기준·표준

하수관거 설계와 보수에 쓰는 기준은 「하수도법」과 하수도 시설기준이다. 보수 공사의 방법과 품질은 국가 건설기준(KDS·KCS 체계)과 하수도 설계지침을 따른다. 설계 기준의 세부 조항 번호는 이 절에서 명시하지 않는다.

하수관거 설계의 기준 흐름은 다음과 같다. 오수관은 계획 시간 최대 오수량을, 우수관은 계획 우수량을, 합류식은 두 값을 합한 양을 기준으로 한다. 차집관거는 우천 시 계획오수량을 기준으로 하며, 이 값은 계획 시간 최대 오수량의 3배다.

조도계수 표는 관 재질과 상태에 따라 값이 달라진다. 같은 관종이라도 노후화되면 조도가 커져 유속이 줄어든다. 따라서 보수 설계에서는 갱생 후의 조도 값을 별도로 정해 비교한다.

개정 연혁으로는 하수도 설계가 2022년 이후 조도계수와 설계 기준을 정비하는 흐름에 있다. 구체적인 조항 개정 내용은 이 절에서 단정하지 않는다.

6. 유형과 비교

비굴착 보수 공법은 관로 내부에 새 관을 넣는 방식과 내부를 도포하는 방식으로 나눌 수 있다. 관경 축소 정도와 통수능 영향이 공법마다 다르므로 비교 기준을 먼저 정한다.