과부하 관거의 맨홀뚜껑 이탈 평가를 위한
실규모 실험 연구

최근 도시지역에서는 단시간에 많은 강우가 집중되면서 하수관로의 통수능을 초과하고, 관거와 맨홀이 과부하 상태에 놓이는 사례가 발생하고 있다. 관거 내 유입유량이 증가하고 하류의 배수조건이 제한되면 자유수면 흐름을 유지하던 관거가 만관 상태로 전환되면서 내부 압력이 증가할 수 있으며, 이러한 압력은 맨홀을 통한 월류뿐만 아니라 맨홀뚜껑의 들림과 이탈로 이어질 수 있다. 특히 도로나 보행공간에 설치된 맨홀뚜껑의 이탈은 보행자와 차량의 안전에 직접적인 위험을 초래할 수 있다는 점에서 중요한 도시침수 안전문제이다.
맨홀뚜껑의 이탈은 단순히 유입유량의 증가만으로 설명하기 어렵다. 유입유량과 하류 관거의 통수상태뿐 아니라 관거 및 맨홀 내부의 수압, 공기압 등 다양한 수리적 요인이 복합적으로 작용할 수 있다. 윤선권 등(2024)은 맨홀 덮개의 부상·비산과 관련하여 관로 내 수위 상승에 따른 수압 증가, 공기압 상승, 피압 공기의 급부상 등을 주요 수리현상으로 제시하였다. 또한 축소 수리모형에서는 실제 맨홀뚜껑의 질량과 접촉조건, 구조물의 거동 등을 그대로 구현하는 데 한계가 있다. 특히 맨홀뚜껑의 이탈과 같이 실제 구조물의 움직임을 수반하는 현상을 평가하기 위해서는 실제 규모에서 관거와 맨홀의 수리상태를 재현하고 거동을 직접 관찰하는 실험이 필요하다.

본 연구는 실제 규모의 관거와 맨홀에서 맨홀뚜껑 이탈현상을 재현하고, 유입유량과 하류 통수조건에 따른 수리학적 거동을 분석하는 것을 목적으로 한다. 또한 다양한 형상의 맨홀과 향후 개발되는 개선 구조를 동일한 조건에서 비교할 수 있는 실험기반을 마련하고, 최종적으로 맨홀뚜껑 이탈 평가를 위한 실험방법을 체계화하고자 한다. 본 기고에서는 이러한 연구의 일환으로 구축한 실규모 실험시설과 실험방법을 소개하고, 현재까지 수행한 원형맨홀 실험에서 확인된 주요 특성과 향후 실규모 검증체계의 활용방향을 살펴보고자 한다.

국내에서는 집중호우에 따른 맨홀 안전사고의 위험성을 확인하기 위하여 유입유량에 따른 맨홀뚜껑 이탈과 충돌위력 등을 검토하는 실증실험이 수행된 바 있다(국립재난안전연구원, 2014). 이후 맨홀뚜껑의 부상·비산으로 인한 추락사고를 방지하기 위해 추락방지시설의 설치 및 설계기준을 마련하기 위한 연구도 수행되었다(윤선권 등, 2024). 이러한 선행연구는 맨홀뚜껑 이탈의 위험성과 안전대책의 필요성을 확인하는 데 중요한 역할을 하였다. 반면 본 연구에서는 실제 규모의 우수관거에서 유입유량과 하류 통수조건을 변화시키면서 관거와 맨홀 내부의 압력변화를 함께 계측하고, 과부하에서 맨홀뚜껑의 거동으로 이어지는 과정을 반복적으로 분석하는 데 중점을 두고 있다.
이를 위해 실제 규모의 관거에 유량을 공급하고 하류 통수조건을 단계적으로 제한하면서 관거와 맨홀의 여러 위치에서 압력변화를 측정한다. 또한 실험시설은 특정 맨홀 형상에 고정되지 않고 실험체를 교체할 수 있도록 구성하여 원형맨홀 및 사각형맨홀뿐 아니라 향후 개발되는 개선 구조에 대해서도 동일한 수리조건에서 비교할 수 있도록 하였다. 이러한 접근은 실험장을 단순한 맨홀뚜껑 이탈 재현시설이 아니라 다양한 맨홀 구조를 실제 규모에서 비교·검증할 수 있는 실규모 실험 플랫폼으로 활용하기 위한 것이다.

실험시설은 한국건설기술연구원 하천실험센터의 기존 시설을 활용하여 구축하였다. 초기에는 유량공급시설, 우수관거, 맨홀 및 하류 제어시설을 이용하여 과부하 상태와 맨홀뚜껑 이탈현상의 재현 가능성을 검토하였다.
초기 실규모 실험에서는 유입유량과 하류 수문의 개방조건을 변화시키면서 맨홀 및 관거 내부의 압력을 측정하고 맨홀뚜껑의 이탈과 역류과정을 분석하였다. 실험 결과, 유입유량과 하류 막힘조건에 따라 압력발생 및 맨홀뚜껑의 이탈시점이 변화하였으며, 압력상승에서 맨홀뚜껑 이탈과 역류로 이어지는 일련의 과정이 확인되었다(김종민 등, 2026). 이후에는 보다 다양한 조건의 비교가 가능하도록 실험시설과 계측 체계를 고도화하였다.
유입부에는 관수로용 유량계를 설치하여 공급유량을 직접 확인할 수 있도록 하였고, 하류부에는 조절형 수문을 설치하여 관거의 통수상태를 단계적으로 변화시킬 수 있도록 하였다. 또한 맨홀부에는 다수의 압력센서를 설치할 수 있도록 연결부를 보강하고, 향후 다양한 형상의 맨홀 실험체를 교체할 수 있도록 구성하였다. 현재의 실험시설은 유입유량의 측정 및 조절, 하류 통수조건의 제어, 관거 및 맨홀의 다지점 압력계측, 실험체 교체가 가능하도록 구성되어 있다. 이를 통해 주요 실험인자를 정량적으로 제어하고 반복실험을 수행할 수 있는 실규모 실험기반을 마련하였다. 고도화된 실규모 실험시설과 주요 구성장치는 그림 2와 같다.

현재까지 수행한 원형맨홀 실험에서는 유입유량, 하류 통수조건 및 맨홀뚜껑 형식을 주요 실험인자로 선정하였다. 유입유량은 공급계통을 달리하여 두 조건으로 구성하고, 하류 통수조건은 수문의 개도율을 단계적으로 변화시키는 방식으로 설정하였다. 맨홀뚜껑은 우수용과 오수용 두 형식을 적용하였으며, 각 조건에서는 반복실험을 수행하여 실험 결과의 일관성도 함께 검토하였다.
실험시설에는 유입측 관거, 맨홀 하부, 유출측 관거 및 맨홀 상부에 압력센서를 배치하였다. 유입측과 유출측 센서는 관거 종방향의 압력상태를, 맨홀 하부센서는 과부하 진행에 따른 맨홀 내부 압력축적을 파악하는 데 이용하였다. 맨홀 상부센서는 상부의 가압상태를 확인하기 위한 보조자료로 활용하였다. 주요 실험조건은 표 1과 같다.
취득된 압력 시계열과 유입유량, 하류 통수조건에 따른 개방·차단 기록 및 실험조건은 시간기준으로 통합하여 개별 실험 케이스로 분류하였다. 총 49회의 실험을 개별 케이스로 정리하고 각 케이스에 대해 유량공급에 따른 압력변화와 공급 종료 후 압력감쇠 등의 구간을 구분하여 분석하였다. 이러한 자료 정리는 실험 전체의 단순 평균값만을 비교하기보다 과부하 상태를 대표하는 압력특성을 추출하고, 동일 조건 반복실험과 실험인자별 차이를 비교하기 위한 것이다.

현재까지 수행한 원형맨홀 실험에서는 반복실험의 재현성, 유입유량과 하류 통수조건에 따른 압력변화, 과부하 진행에 따른 압력분포 변화 및 맨홀뚜껑 형식의 영향을 중심으로 검토하였다.

실규모 실험에서는 매 실험의 초기상태와 유량공급과정을 완전히 동일하게 구현하기 어렵기 때문에 동일 조건에서 결과가 어느 정도 반복적으로 나타나는지를 확인하는 것이 중요하다. 반복자료를 비교한 결과, 과부하 상태를 대표하는 압력특성을 이용할 경우 동일 조건에서 비교적 안정적인 반복성이 확인되었다. 반면 특정 시간구간의 평균값은 유량공급시간이나 실험종료 시점 등에 따라 차이가 커질 수 있었다. 이는 향후 실규모 시험방법을 표준화할 때 단순한 시간평균보다 실제 과부하 상태를 잘 나타내면서 실험시간에 대한 민감도가 작은 평가변수를 선정하는 것이 중요함을 보여준다.

하류 개도율을 단계적으로 감소시키면 관거와 맨홀 내부의 압력이 전반적으로 증가하였다. 그러나 압력은 개도율 감소에 비례하여 일정하게 증가하기보다는 일정 조건 이후 변화가 두드러지는 비선형적인 특성을 나타냈다. 또한 이러한 압력변화가 두드러지는 하류 통수조건은 유입유량에 따라 달라졌다. 유입유량이 큰 경우에는 상대적으로 하류가 더 많이 개방되어 있는 상태에서도 높은 압력상태가 형성되는 양상이 확인되었다. 따라서 맨홀의 과부하 상태에서의 압력 변화는 유입유량이나 하류 통수조건 중 하나의 영향으로 설명하기보다, 두 조건의 상호작용을 함께 고려할 필요가 있다.

하류 통수조건이 충분히 개방된 경우에는 유입측 관거의 압력이 상대적으로 높게 나타나는 종방향 압력분포가 관찰되었다. 그러나 하류 통수조건이 제한되면서 맨홀 하부의 압력 증가가 두드려졌으며, 과부하가 심화될수록 이러한 경향이 더욱 명확하게 나타났다. 따라서 맨홀뚜껑 이탈조건을 분석할 때에는 단일 지점의 압력 값뿐 아니라 관거의 상·하류와 맨홀 내부에서 형성되는 압력분포를 함께 검토하는 것이 필요하다. 우수용과 오수용 맨홀뚜껑을 비교한 경우에는 현재 확보된 하부 압력자료를 기준으로 뚜껑 형식에 따른 차이가 유입유량과 하류 통수조건에 따른 변화보다 상대적으로 작게 나타났다. 다만 맨홀뚜껑의 개구부와 통기특성은 맨홀 상부 압력과 실제 뚜껑의 들림 또는 이탈 거동에 영향을 줄 가능성이 있으므로, 향후 상부 압력과 영상 자료를 함께 활용한 분석이 필요하다. 실험 결과의 주요 특성은 표 2와 같이 정리할 수 있으며, 실험 과정에서 확인된 과부하 상태와 맨홀뚜껑 이탈 사례는 그림 3과 같다.

현재까지 원형맨홀을 대상으로 유입유량과 하류 통수조건에 따른 과부하 압력 및 맨홀뚜껑 거동을 검토하였다. 향후에는 사각형맨홀을 적용하여 원형맨홀과 동일한 유입유량 및 하류 통수조건에서 실험을 수행하고, 맨홀 형상에 따른 압력분포와 맨홀뚜껑 거동의 차이를 확인하고자 한다.

나아가 후속 연구에서는 개선 인버트 및 맨홀 구조를 실규모 시설에 적용하여 기존 구조와 비교함으로써, 맨홀 내부 구조의 변화가 과부하 압력, 월류 및 맨홀뚜껑 이탈에 미치는 영향을 검토하고자 한다. 이와 같이 실규모 실험은 원형맨홀에서 사각형맨홀과 개선 구조로 대상을 확대하면서 다양한 맨홀 구조의 수리적 특성과 맨홀뚜껑 이탈 거동을 단계적으로 검토하는 방향으로 추진할 예정이며, 그 연구 방향은 그림 4와 같다.

맨홀뚜껑 이탈 실험은 유입유량, 하류 통수조건, 압력센서 위치, 실험시간, 반복횟수 및 이탈 판정 방법 등에 따라 결과가 달라질 수 있다. 따라서 실험 결과를 일관된 기준으로 비교·평가하기 위해서는 실험 조건과 결과 분석 방법을 체계화할 필요가 있다.
본 연구에서는 현재 수행 중인 원형맨홀 실험과 향후 수행할 사각형맨홀 및 개선 구조 실험의 결과를 종합하여 이를 바탕으로 ‘맨홀뚜껑 이탈 평가를 위한 표준실험절차서(안)’를 마련하고자 한다. 표준실험절차에는 실험시설의 구성, 유입유량 및 하류 통수조건의 설정, 측정 장비, 실험 방법 및 결과 도출 방법 등을 포함하는 방안을 검토하고 있다. 특히 반복실험에서 확인된 결과의 변동성과 대표 지표의 특성을 고려하여 조건 간 비교가 가능한 결과 도출 및 평가 방법을 정립하는 것이 중요하다.

향후 다양한 맨홀 구조에 대한 실규모 실험 결과를 축적하고 이를 종합하여, 실험 수행부터 결과분석까지 적용할 수 있는 평가 절차를 제시하고자 한다.

본 연구에서는 과부하 관거에서 발생하는 맨홀뚜껑 이탈을 실규모로 재현하고 평가하기 위한 실험시설을 구축·고도화하고, 유입유량과 하류 통수조건을 변화시키면서 원형맨홀의 압력특성과 맨홀뚜껑 거동을 분석하였다.
현재까지의 실험에서는 동일 조건의 반복실험에서 비교적 안정적인 재현성이 확인되었으며, 하류 통수조건이 제한될수록 압력이 증가하고 그 변화 양상이 유입유량에 따라 달라지는 특성을 확인하였다. 또한 과부하가 심화됨에 따라 맨홀 하부의 압력이 상대적으로 증가하는 양상이 나타났다. 향후에는 사각형맨홀과 개선 구조로 실험 대상을 확대하고, 다양한 실규모 실험 결과를 종합하여 맨홀뚜껑 이탈 평가를 위한 표준실험절차를 마련하고자 한다.

본 연구는 행정안전부 「도시침수 방어능력 강화를 위한 피해 저감 실용화기술 개발사업(RS-2025-02317734)」의 지원으로 수행되었습니다.