KDS 설계기준 농업용 관수로 수리 설계

2024년 07월 25일2024년 07월 25일 by 건설엔지니어

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1. 일반사항

1.1 목적

농어촌정비법에 근거한 농업생산기반정비사업으로 신설 또는 개수하는 농업용관수로의 계획, 설계, 시공 및 관리에 대한 일반적 사항을 규정함

1.2 적용범위

농업용 관수로의 수리설계에 적용
기술수준 향상 또는 필요에 따라 개정 시행 가능
적용이 적합하지 않은 경우, 기준이 손상되지 않는 범위 내에서 실무지침 정하여 운용 가능

1.3 참고 기준

농업생산기반정비사업계획 설계기준 (2004, 2009 : 수로편, 관수로편, 용배수로편)
용배수로 일반사항 (KDS 67 20 05 : 2017)

1.4 용어의 정의

해당 없음

1.5 기호의 정의

해당 없음

2. 조사 및 계획

해당 없음

3. 재료

해당 없음

4. 설계

4.1 설계 일반사항

계획최대유량을 안전하고 확실하게 통수 가능하도록 관수로의 통수단면, 부대시설 규모 및 제어방식을 검토하여 관수로의 용수공급 기능과 수압 안전성을 확보하는 데 목적
설계유량은 계획최대유량, 통수되는 유량 및 수압 검토 필요
관경 결정 시점은 관리 최저수위, 종점 또는 분수점 등은 관리 최고수위 이용
관 재질, 관경에 따라 허용최대유속과 허용최소유속 검토 필요
동수경사선은 설계유속 범위 내에서 시점부터 말단까지 필요한 압력 확보 가능하도록 계획하며, 관정(管頂)보다 0.5m 이상 높게 해야 함

4.1.1 관수로 수리 설계 목적

계획최대유량을 안전하고 확실하게 통수할 수 있도록 관수로 통수단면, 부대시설 규모 및 제어방식을 계획
시설 규모 결정, 관리 및 밸브 조작 방법 검토를 위한 수격압 산정
필요 수량 공급 가능성 및 미흡 시 개선 대책 검토
유량, 압력 조절 밸브 및 조압 시설, 조정 시설, 펌프 설비 등 부대시설 운전 조건 검토 및 관수로 조직의 운전 제어 방식 수립

4.1.2 관수로 수리 설계 순서

기본 설계 단계에서 개략 선정된 관수로 조직 및 부대 시설에 대한 상세한 수리 설계 및 구조 설계 실시

4.1.3 관수로 수리 설계시 필요 자료

검토 목적별로 필요한 자료 취득

4.2 관수로 설계 유속

설계 평균유속은 손실수두와의 관계에 의하여 관로의 경제성에 큰 영향을 미침
노선 조건, 사용 관종, 관경 및 수로 형식 등에 따라 결정되며 원칙적으로 송배수 방식에 따라 결정

4.2.1 설계 평균유속

4.2.1.1 자연압식 관수로의 설계 평균유속 범위

시종점간 낙차를 최대한도로 이용하여 유속을 크게 설계하는 것이 경제적
허용최대평균유속은 수리단위 내 국부적인 구간 유속 점검에 이용
수리단위 내 유속 평균치 한계는 2.0㎧ 이내가 바람직하며, 동수구배가 큰 경우 2.5㎧까지 높여도 됨
유속이 크면 경사부 관성력, 곡선부 쓰러스트력 등에 대한 신중한 검토 필요
하류단 밸브 조작 시 비정상류, 캐비테이션 검토 필수

4.2.1.2 펌프압송식 관수로의 설계평균유속 범위

펌프 흡입측 저수위와 토출수조 고수위로 양정을 설정하여 설계
관경과 펌프 양정의 조합은 다양하게 존재
관경이 작아지면 통수 저항이 증가하여 동수경사가 급해지므로 펌프 양정이 높아지고, 반대로 관경이 커지면 펌프 제 경비는 줄어드나 관의 비용이 증가
관 의비용과 펌프 관계비 합이 최소가 되도록 경제 비교하여 결정

4.2.2 허용최대평균유속

관 내면이 마모되지 않을 정도의 값
콘크리트관은 3.0㎧, 기타는 5.0㎧, 강관 또는 주철관은 6.0㎧ 이내
수리단위 내 평균 유속이 큰 경우 이상 압력 변동 발생 가능성 고려
방수, 여수토 등 일시적인 사용 구간은 1.5배 이내로 설계

4.2.3 허용최소설계유속

관 내에 부유토사가 침전하는 것을 방지하기 위해 0.3㎧ 이상
배수관에서 방제, 시비 등 다목적으로 사용하는 경우 0.6㎧ 이상

4.2.4 동수압

동수경사는 설계유속 범위 내에서 시점부터 말단까지 필요한 압력을 충분히 확보
말단압력이 말단 소요압력을 초과할 때는 감압시설 설치하여 압력 조절
동수경사선을 관정(管頂)보다 높게 하여 관내 수압이 대기압보다 낮아지는 것을 방지
관정에서 동수경사선까지의 여유 수두는 0.5m 이상 확보

4.3 관수로 손실수두

관수로 내부 마찰, 유입, 유출, 단면 변화, 형상 변화, 수로 구조물 등에 의해 에너지 손실 발생
손실수두 고려하여 설계

4.3.1 마찰 손실수두

Darcy- Weisbach 식, Hazen-Williams 식 및 Manning 공식 이용

4.3.2 마찰이외의 손실수두

유입 및 유출, 급확대 및 점확대, 급축소 및 점축소, 만곡 및 굴절, 분류 및 합류, 밸브 등에 의한 손실수두 발생
관수로가 길어지면 국부적 손실은 마찰 손실수두에 비해 작아지므로 무시 가능

4.4 정상류(定常流) 해석

계획된 관수로 시스템에 대한 정상류 해석을 실시하여 계획 설계 유량이 충분히 공급되는지 검토

4.4.1 일반사항

정상류는 자연압이나 펌프 등으로 부여된 에너지에 의하여 유체가 균형된 상태로 흐르는 상태
관망 해석은 정상류 상태 해석 기법
관수로 시설 규모 결정 후 용수 이용 형태, 물 관리 방법 등을 고려하여 통수 단면 및 유량 배분 능력 검토

4.4.2 검토 목적

용수 기별 변화 또는 수원의 수리 조건 변화에 대한 송·배수 능력 검토 및 송·배수 기능 미흡 시 대책 수립

4.4.3 검토 대상

복수의 수원을 갖는 경우 각 수원의 공급량 검토 및 균형을 이룰 수 있는 제어 방법 검토
관수로 조직이 관망인 경우 용수량 기별 변화에 대한 통수 유량 검토
지형 변화가 심한 경우 고지대 용수 부족 및 저지대 용수 과잉 문제 발생 가능성 검토

4.4.4 관망 해석 방법

4.4.4.1 관망 해석 순서

말단의 용수 이용 형태 설정
물 관리 체계 수립
수리 특성 파악
정상류 수리 해석

4.4.4.2 관망 해석 방법

관망 조직의 각 관로 유량은 상호 연관된 조직체로서 수리적 구속을 받음
관망 계획은 관경을 가정하여 유량 계산 후 관내 유속, 분수 압력 등 제한 조건을 고려하여 최소 관경 구하는 방법 사용
반복적인 시산 필요하며, 분기점 분수량 또는 분수 위치 변동 시 반복 계산으로 관경 결정

(3) 수리계산 순서 및 유의사항

송수계 관망은 모든 분수점을 절점으로 잡아 절점 위치 결정
관망 유입량은 관망 내 각 절점 분수량 합계와 같아야 함
배수(配水)관수로 절점 분수량은 말단 지역 물 이용 상황에 따라 크게 변동
블록 내 어느 지점에서도 계획 용수량과 계획 급수 압력을 확보할 수 있도록 계산 반복하여 관경 결정

(4) 관망 해석 방법

유량법(하디-크로스 법)과 수위법(절점 수두법) 이용
유량법은 수리 조건을 균형시키기 위한 매개 변수를 유량에 도입하여 압력 균형을 구함
수위법은 각 절점에 대해 압력을 가정하여 관로 유량을 구하는 방법으로 관망 및 분기형 배관에 적용 가능

4.4.5 다점 주입(多点注入) 관수로

2개소 이상의 수원에서 동시에 용수를 공급하는 경우 특별한 수리 검토 필요

4.4.5.1 수리 검토 상 유의사항

수원의 종류에 따라 검토 내용이 달라짐
하천 취수는 취수 가능량 제한 및 유량 변동에 따른 수위 변동 검토
유지(溜池) 등으로부터 정수위(定水位) 취수는 계획 수위 유지 및 유입량 변동 검토
펌프에 의한 압력 방식 취수는 펌프 계획 양정과 양수량의 역의 관계 검토
펌프에 의한 배수조(配水槽) 방식 취수는 1)항의 자연 취수와 동일한 검토 수행

4.4.5.2 수리 계산 방법

관망 배관 방식은 관망의 수리 계산 방법 적용
분기형 배관 방식은 각 관로의 계획 유량을 정량적으로 적산하여 검토
유지 등을 수원으로 하여 수위가 설계 조건이 되는 경우 유량은 수원의 에너지 차이에 의해서 배분
다점 주입 관수로의 수리 계산은 수원 수위를 조건으로 부여하면 유입량이 미지수가 되고, 유입량을 조건으로 부여하면 수위가 미지수가 됨
“”정상류의 수리 해석”” 방법에 의해 신중하게 검토

4.5 비정상류(非定常流) 해석

밸브나 펌프 등을 조작한 후 새로운 정상류 상태로 옮겨가는 과도적인 흐름
시간 경과에 따른 유량 또는 압력 수두의 변화를 파악

4.5.1 일반사항

비정상류 해석은 컴퓨터에 의한 시뮬레이션 모델 해석으로 이루어짐
대상 해석 영역의 관수로 시스템에 대한 수리 제원, 물 관리 체계 검토
수리 시설 동작 특성 검토
시뮬레이션 모델은 비정상류 현황을 나타내는 이론식을 수학적으로 전개
해석 결과 고찰 시 입력 조건과의 관계 고려

4.5.2 검토 목적

펌프나 밸브 등의 동작으로 인하여 발생하는 수격압, 수면 진동(서지 현상) 검토
제어 방식 및 관리 방식이 송배수 기능을 충분히 만족하는지 여부 검토

4.5.3 검토 대상

수지상 관수로 시스템의 수격압 검토
복수의 수조를 갖는 경우 펌프나 밸브 조작 조건에 따른 수면 진동 검토
자동 제어 시스템에서 각 펌프나 밸브 등이 서로 간섭하여 자동 제어가 불가능하게 되는 경우 검토

4.5.4 해석 방법

4.5.4.1 비정상류의 기본식

관수로 비정상류 현상은 관내 유수의 진동 에너지가 관수로의 탄성 에너지로 변환
압력파의 전파 속도는 물과 관로의 탄성 계수 또는 압력파 전파 속도
운동 에너지를 나타내는 운동 방정식과 탄성 에너지의 변환을 나타내는 연속 방정식으로 표시
관수로의 탄성 변화를 고려하는 경우 수격압을 해석
관수로의 탄성 변화를 무시하는 경우 서지 현상 해석

4.5.4.2 기본식의 전개

직접 차분법(양해법)과 특성 곡선법(음해법)으로 분류
Taylor 급수 전개에 따라 차분화

4.5.4.3 경계 조건

차분식으로 표시된 비정상류의 기본식은 관수로상의 임의점 유황을 제약하는 경계 조건 설정 필요
경계 조건은 수위 경계와 유량 경계로 구분

4.5.5 결과의 평가 및 설계 이용

설계된 내용 또는 시공된 시설 내용의 안전성 예측, 검토
모형과 실제와의 적합성 검토
계산량을 줄일 수 있도록 처리 방법을 달리

4.6 수격압 해석

고양정 양수장 정전 시와 배수계 관수로의 밸브 조작 시 수압 변동에 대한 수격압 해석 및 수격압 경감 대책 수립

4.6.1 일반사항

밸브 급개방, 급폐쇄 또는 펌프 급격 시동, 정지 시 물의 운동량이 단시간에 크게 변화하여 관로 내에 비정상적인 큰 압력 상승 및 압력파 발생
수격작용(water hammer)이라 하며, 상승 압력을 수격압, 발생하는 압력파를 수격파라 함
관의 안전 관리상 중요한 설계 조건으로 고려
발생하는 수격압의 크기는 분수공, 조압 시설, 펌프, 밸브의 특성과 조작 시간에 따라 영향을 받음

4.6.1.1 수격압 계산 방법의 분류

경험에 의한 방법과 계산에 의한 방법으로 나뉨
계산에 의한 방법은 간단한 관수로계의 수격압을 해석하는 이론 해법과 복잡한 관수로계에 대한 수치 해법이 있음
중요한 간선 관로 등에 대한 수격압은 수치 해법으로 해석

4.6.1.2 수격압 계산법의 적용 범위

이론 해법의 적용 범위는 유입과 유출이 각각 1개소인 단순한 관수로에 적용
분기관이 긴 경우 신뢰성이 낮음
밸브 폐쇄 속도는 정속도이고 개도(開度)와 시간의 관계가 직선적이어야 함
펌프는 관수로에 1개소만 있을 때 검토 가능
펌프 기동 저하(起動低下) 때문에 관로에 위험이 초래될 것으로 판단될 때는 수치 해법으로 확인
수치 해법의 적용 범위는 이론 해법 또는 도해법으로 해석하기 어려운 복잡한 관수로에 적용
수리적으로 일체인 관수로를 한 단위로 취급
세부적인 조건 필요
설계의 정도(精度), 관수로 조직의 중요도 등을 고려
경험적 방법의 적용 범위는 연도를 기준으로 구간을 나누어 설계할 경우 사용
수격압은 내압의 설계 조건이지만, 모든 구간을 계산하는 것은 비용이 많이 소요됨
경험법으로 구한 수격압은 최대치를 산정하기 위한 것으로서 수치 해법에 의한 타당성 확인 필요

4.6.1.3 수격압과 설계 수압

관수로 구조 설계에서 설계 수압은 정수압에 수격압을 합하여 구함

4.6.2 이론 해석

4.6.2.1 자연압력식

압력파의 전파 속도는 관의 재질 등에 따라 다름
밸브의 등가 폐쇄 시간은 밸브의 종류, 관경, 작용 수압, 조작 방법 등에 따라 다름
Allievi식과 Quick식의 적용 조건은 명확하지 않음

4.6.2.2 펌프 압력식

J. Parmakian의 도표를 확장하여 관로 손실을 고려한 계산 도표 사용

4.6.3 수치 해법

복잡한 관수로에 대한 수격압 해석
경험법으로 분석한 수격압의 크기와 비교

4.6.4 경험법

밸브 특성, 밸브 개폐 속도, 관로 길이, 정수압, 관의 재질 등에 따라 다름

4.6.4.1 자연압력식

개방식은 정수압 또는 동수압의 20% 중 큰 값을 수격압으로 함
폐쇄식 및 반폐쇄식은 밸브점의 정수압이 0.343MPa(3.5kgf/㎠) 미만인 경우 정수압의 100%를, 0.343MPa 이상인 경우 0.343MPa 또는 정수압의 40% 중 큰 값을 수격압으로 함

4.6.4.2 분기(分岐) 및 밸브가 있는 관수로

분기 밸브 지점, 분기점 또는 배니 밸브 등 밸브류 설치 지점의 작용 수압을 기준으로 수격압 정함

4.6.4.3 펌프 압력식

송수 방식으로 결정되는 정수압을 기준

(1) 배수조 방식

통수 시 수압(동수압)이 0.441MPa(4.5kgf/㎠) 미만인 경우 그 값의 100%, 0.441MPa 이상인 경우 그 값의 60% 또는 0.441MPa 중 큰 값을 수격압으로 함

(2) 직송식

유량-압력을 조절하지 않는 경우 펌프 압입 수위를 정수위로 하여 그 정수압이 0.441MPa(4.5kgf/㎠) 미만인 경우 그 값의 100%를, 0.441MPa 이상인 경우 그 값의 60% 또는 0.441MPa 중 큰 값을 수격압으로 함
유량-압력을 조절하는 경우 펌프의 계획 토출 압력(수위)를 정수위로 하여 그 정수압이 0.441MPa(4.5kgf/㎠) 미만인 경우 그 값의 100%를, 0.441MPa 이상인 경우 그 값의 60% 또는 0.441MPa 중 큰 값을 수격압으로 함

(3) 압력 수조식

펌프(압력 수조)의 Off 수위를 정수위로 하여 그 정수압이 0.343MPa(3.5kgf/㎠) 미만인 경우 그 값의 100%를, 0.343MPa 이상인 경우 그 값의 40% 또는 0.343MPa 중 큰 값을 수격압으로 함

4.6.5 수격압 대책

부압 발생 방지와 압력 상승 경감 등 적절한 대책 강구

4.6.5.1 자연압력식

밸브 형식을 적절히 선정하거나 조작 시간을 길게 하는 방법

4.6.5.2 펌프 압력식

수격압을 조절하기보다는 수격압을 방지할 수 있도록 함
부압 방지 또는 상승 압력 방지 등 목적에 따라 대책이 달라짐
관수로 규모, 노선 위치, 발생 수격압의 크기 등 제반 조건을 고려하여 가장 효과적인 방법 채택

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