과부하 관거 위험맨홀 개선 현장실증 및
법·제도 개선 방안

맨홀뚜껑 열림은 극한 강우 등의 발생으로 인해 하수 시스템 내에서 관로 과부하(압력류) 상태에 따른 맨홀 내 수두 상승 및 압력 증가가 뚜껑의 자중과 저항력을 넘어서는 상태를 의미한다.
맨홀뚜껑 열림은 2018~2021년 동안 서울에서 3건이 발생한 반면에 2022년 한 해 동안 110건(서초 31건, 관악 26건, 강남 19건, 동작 18건)의 사고가 저지대 부근에서 발생하였고, 서초구는 맨홀 추락에 따른 2명이 사망사고로 이어졌다. 당시 서초지역 연최대 60분 강우량은 110.5mm로 115년 만의 기록적 호우였고, 인근 동작에서는 141.5mm가 관측되었으며, 이는 서울시 방재성능목표 강우량(시간당 110mm)을 상회하는 것이다.
따라서 극한강우와 같은 돌발 강우 발생과 맨홀 뚜껑 열림의 연관 관계를 분석 및 대응방안 마련 필요성이 있지만, 국내 법·제도적 측면에서는 미비한 실정이다.
본고에서는 ‘도심지 침수지도 고도화를 위한 과부하 관거·맨홀 손실 평가 기술개발’ 연구 중 3세부 역할인 현장실증 및 모니터링 기술개발, 법·제도 개선 및 수리적 손실의 정량화 등에 관한 연구내용을 소개하고자 한다.

3-1세부는 과부하 관거와 맨홀의 위험도를 분석하고, 테스트베드 운영을 통해 연구단에서 개발한 기술의 현장적용성과 효과를 검증하며, 결과를 관련 기준과 지자체 업무체계에 반영하는 역할을 담당하고 있다. 3-2세부에서는 과부하 관거와 맨홀의 수위 및 과부하 상태를 자동 관측하기 위해서 모니터링 기술과 운영시스템 개발중에 있다. 3-3세부는 맨홀 접속조건과 흐름 특성에 따라 발생하는 수리적인 손실을 정량화하고, 결과를 도시침수 해석과 하수도 설계에 적용하기 위한 기술적인 근거 및 설계기준안 마련에 있다.

본 연구에서 과부화 맨홀 개선을 목적으로 개발된 유선형 맨홀의 현장 실증을 통해 맨홀 내 수위감소 효과를 통한 맨홀 뚜껑 열림방지 등의 검증을 목적하고 있다.
이를 위해 맨홀 뚜껑 이탈과 과부하 관거 이력 등의 조사 및 전문가 평가(Delphi-AHP)로 위험지역 평가지표를 구성하였다. 대상지역은 강남 배수분구(TB1)이며, 관망 현황, 맨홀 설치 도면, 계측기 설치(안) 등을 마련하였다.
TB1은 크게 강남과 서초로 구분되고, 관거 5,118개·맨홀 4,288개소가 설치되었다. 이 중 원형관은 4,666개고, 450, 600mm 각 1,542, 2,241개소다. 박스암거와 원형 800mm 이상 관을 간선으로 정의하면 간선망은 893개소로 확인되었다.
하수관망도를 통한 간선관거 유입수는 반포 복개천을 통해 한강으로 유출된다. 취약지구는 강남역 부근 저지대로 상정하였다. 현장 실증 후보 맨홀은 유출관 600mm관 기준 유입 3·유출 1을 대상으로 하였으며, GIS dbf를 입력 인자로 하는 Python(arcpy) 기반 부분 자동화 체계를 통해 1차 선별이 이루어진다.

자동화 프로세스는 4단계이며, 우선, 관의 끝점과 맨홀을 결합한 base 구성(1단계), 필드 조건의 간선망·지선·분구별 자료추출(2단계), 흐름 방향 고정하여 역경사·낙차·경사와 맨홀 유입·유출 관수에 따른 유형 산정(3단계), 노드 정합과 간선별 지선 그룹화 과정 등을 통해 유입·유출 조건에 맞는 맨홀 추출이다(4단계).
1차 선별 대상 현장 조사를 통해 최종적인 후보지를 선정하였다.

유선형 맨홀의 현장 설치 전후에 맨홀 내 수위 변화를 관찰하기 위한 목적의 모니터링 시스템 구축 계획을 함께 진행 중에 있으며, 실증 결과는 향후에 손실 저감(연속 접속 후보의 설치 전후 상·하류 수위차로부터 손실수두와 K 저감률), 월류 지연(강우별 만관 도달시간과 수위 상승속도), 침수해석 정확도(모델에 반영 침수범위 검·보정) 등에 활용 예정이다.
손실계수 저감 효과를 검증하기 위해 현장 실증과 함께 실내실험도 병행하고 있다.

TB1 대상 XP-SWMM 모델링을 적용했다. 맨홀 손실계수는 관로 접속부의 수리 저항을 나타내는 입력값이지만, 과부하 조건에서 관망 전체 수리 반응과 범람 양상을 바꾸는 변수로 작용할 수 있다.
다만 국내 침수해석과 침수지도 작성절차에 맨홀 손실의 명시적 제시가 없어, 손실계수가 실제 관망 침수와 맨홀 과부하에 어떤 영향을 미치는지와 이를 이용하여 수많은 맨홀 중에 우선 관리 지점(취약지점) 선별 가능성에 대한 검토를 함께 수행하였다.
TB1의 XP-SWMM 모형 구축을 위해 11개 소구역과 8,903개의 맨홀을 구성하고, 2022년 8월 8일 맨홀뚜껑 이탈 22건 위치를 과부하·침수결과와 중첩을 통해 검증하였다. 입력인자 구성은 방재성능목표 강우량인 110mm/hr를 huff 3분위 시간분포로 설정하였고, 손실계수는 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0를 유입부(Inlet)와 유출부(Outlet) 및 양측을 구분하여 적용했다.

두 개의 시나리오를 마련하였고, 시나리오 A는 현 상태 해석에서 맨홀 뚜껑 열림이 발생한 맨홀과 그 상류 관로에 손실 적용을 통해 특정 맨홀 주변 국부 민감도의 확인이고, B는 현 상태 최대 침수심 분포에서 만관·과부하로 판정된 관로군 전체에 동일한 K 적용을 통한 과부하 관로 전반 유량 재분배와 취약 지점 탐색이다.
적용된 케이스는 30개(2시나리오× 3손실위치×K5단계)로 총 범람량, 침수심 분포와 hotspot 위치, 맨홀별 최고수위, 활성 범람 시간, 누적 범람량 등을 비교하였다.
분석 결과, 관망 전체의 총 범람량 변화는 크지 않으나 침수심 공간분포는 간선 축 주변에서 뚜렷한 재분배를 확인하였다. 또한, 특정 합류맨홀 손실계수가 커질수록 범람량과 범람지속시간이 증가하는 경향을 확인하였다.
대표 지점(mh2724)에서는 K=0.2에서 1.0으로 증가할 때 누적 범람량이 시나리오 A는 540.5m³에서 654.4m³로 21.1%, 시나리오 B는 550.0m³에서 659.4m³로 19.9% 증가했고, 범람 지속시간은 34분에서 40분으로 늘었다. 특히 시나리오 B는 유량과 압력이 집중될 수 있는 지점이 손실계수 변화에 민감한 반응을 보여 취약 맨홀 후보 가능성을 확인하였다.
이는 합류부 손실이 특정 맨홀 범람을 키울 수 있음을 보여주며, 손실계수를 설계기준에 반영할 필요성을 뒷받침하는 수리적 근거로 판단하였다.

맨홀 하나를 설치하고 관리하는 과정에는 설계기준부터 시공기준, 제품규격, 유지관리 지침까지 서로 다른 제도가 관여한다.
본 연구에서는 이들 기준에서 어떻게 다루어지고 있는지를 살펴보기 위해 국내외 기준을 설계기준, 설계·시공, 제품규격, 운영·관리의 네 층위로 구분하였다.
국내는 환경부「하수도설계기준(KDS 61 00 00)」과 해설편,「하수관로공사 표준시방서」, KS D 4040(하수도용 주철 맨홀뚜껑 및 틀), 서울시「하수도업무 편람」과「우기 대비 하수시설물 안전점검 매뉴얼」을 검토하였다.
국외는 미국 ASCE·FHWA HEC-22, 캐나다 NWRI, 영국 DMRB CD 523, 유럽 EN 124, 일본 JIS A 5506·JSWAS G-4, 독일 베를린 하수도 운영자 규정 등을 주요 비교 대상으로 선정하였다. 국외 사례를 통해서 손실 수두와 압력 상승을 설계 단계에서 감소시키기 위한 손실계수(K)와 인버트의 형상을 수리 계산과 구조 설계에 반영하는 방식을 법·제도적으로 마련하고 있음을 확인하였다.

미국 ASCE(1992)는 맨홀을 단순 유지관리 접근시설이 아니라 흐름의 교차, 압력 방출 및 환기 기능을 갖는 수리구조물로서 정의한다. 관거시설 에너지경사선과 동수경사선 산정 시 관의 마찰손실뿐 아니라 맨홀과 만곡부 국부손실 등을 함께 고려하며, 접속 각도, 관경비, 유입 위치 등에 따라 손실계수가 적용된다.
인버트도 단순한 시공 형상이 아닌 에너지 손실과 난류를 줄이기 위한 수리적인 요소로 설명하고 있으며, 맨홀뚜껑에는 내압 시 비산 방지와 잠금·고정 등 안전성 확보를 위한 성능 목표를 제시하고 있다.
FHWA의 HEC-22는 도로 배수체계 접속부 국부손실 산정 절차와 접속각도별 근사 손실계수표를 제시하고 있으며, 콜로라도주의 설계기준은 압력류의 조건에서 손실계수를 직접 반영하도록 하고 있다.
또한 캐나다의 경우 직선·접합·측면 유입·90° 굴절맨홀 등 다양한 구조형식에 대해 압력류 조건의 손실계수를 실험적으로 도출하고, 이를 단일값이 아닌 구조·유동 조건별 범위로 제시하고 있으며, 국립수자원 연구소(NWRI) 실험 연구(Marsalek, 1984; 1985)가 주요한 근거로 활용되고 있다.
영국은 DMRB CD 523도 §4 ‘Head loss in hydraulic design’에서 관로 설계 시 손실수두를 고려하도록 요구하고, 국부손실을 무차원 손실계수 K로 정의한 뒤 맨홀 K를 0.15(직선), 0.45(22.5°), 0.75(45°), 0.85(60°), 1.00(90°)으로 제시한다. 하수도의 설계·시공 지침(Water UK DCG)은 벤칭 높이와 굴절각 제한, 과부하 허용 빈도 등을 별도로 규정하고 있다.
손실계수 영향 규모를 단순화된 예시 조건으로 살펴보면, 연장 1km 구간에 맨홀 13개가 있고 관내 유속 2m/s인 경우 맨홀 손실에 따른 동수경사선 상승은 중간맨홀(K=0.4)에서 약 1.1m이지만, 90° 접합맨홀(K=1.4)에서는 약 3.7m까지 커질 수 있음을 보인다.
이러한 예시는 손실계수 영향 정도를 나타내는 것으로 얕은 매설 관로에서 같은 관망이라도 손실 반영여부에 따라 월류와 침수해석 결과가 상이할 수 있음을 보여주고 있다.

국내 기준을 같은 틀에서 살펴보면, 「하수도설계기준」은 맨홀의 종류와 용도, 설치간격, 인버트, 발디딤부, 추락방지시설 등에 대해서 규정하고 있지만, 맨홀 손실을 산정하기 위한 정량적 기준은 제시하지 않는다. 잠금장치도 ‘추천’ 수준이며, 해설편은 합류부와 맨홀 등의 미소 손실수두를 감안한 여유고를 고려하도록 설명하는 정도이다. 「하수관로공사 표준시방서」는 인버트 형상과 접속관거의 정렬을 다루지만 손실저감 성능이나 검사기준은 명확하지 않고, KS D 4040은 차량에 의한 하향 하중 중심이며, 상향 내압과 잠금 성능의 직접 평가 체계는 마련되어 있지 않다.

운영 측면에서도 「하수도업무편람」의 맨홀 정비는 노후도와 민원 중심이며, 과부하 위험도를 반영한 우선순위 설정, 개선시설의 유지관리 절차 등은 마련되어 있지 않다.
즉, 국내 기준은 맨홀 형상과 시공에 관한 규정은 갖추고 있으나, 과부하 상황에서 손실·상향압력·이탈방지 성능을 하나의 안전체계로 연결하는 부분은 상대적으로 미흡한 것으로 판단하였으며, 국외 사례와 비교를 통해 다음과 같은 보완 사항을 도출하였다.
원인 저감 측면은 ① 맨홀 손실계수의 정량 기준 부재와 ② 인버트의 손실저감 성능 규정 미흡이다. 피해 저감 측면에는 ③ 상향(내압) 하중에 대한 등급·성능의 기준과 ④ 이탈방지 장치 시험·검사 방법의 미흡으로 제품 간 성능의 일관된 검증 문제이다. 적용 측면은 ⑤ 약 28만 개(서울시)인 기존 맨홀에 개선된 기술 적용을 위한 개보수용 부재 규격이 부족하고, ⑥ 모든 맨홀의 일괄적 개선이 어려운 현실을 고려할 때 취약 지점의 우선순위 평가와 개선 후 유지관리 절차 마련 등의 필요성이다.

국내 법·제도적인 미비점 보완을 위한 기본 방향을 설정하였으며, 손실계수는 설계변수, 인버트는 손실저감의 성능요소 정의 및 기존 시설 개보수와 위험도 기반 유지관리까지를 제도적으로 연결하는 것이다.
원인 저감 측면에서는 「하수도설계기준」에 맨홀의 손실수두 산정 항목을 마련하여 우수·합류식 관로 수리계산에 국부손실을 반영하는 것이다. 과부하 예상 구간은 맨홀 손실이 동수경사선에 미치는 영향을 수리계산과 침수해석에 반영할 수 있게 하고, 필요한 경우는 관경·경사·맨홀 내부 구조 조정을 검토할 수 있도록 하는 것이다. 인버트 역시도 단순한 형상 규정에서 나아가 ‘에너지 손실 저감’이라는 성능 목적을 명확히 하고, half·full 인버트의 적용조건, 유선형·각도 조절형 인버트, 기존 맨홀에 적용가능한 모듈형 부재 등의 적용 근거를 마련할 필요가 있다.
피해 저감 측면은 과부하 예상 구간에 이탈방지 잠금장치나 압력 해방형 뚜껑을 적용할 수 있는 기준보완, KS D 4040에 상향 내압에 대한 성능등급·시험방법과 잠금장치 성능요건을 추가하는 방안 등이 있다.
표준시방서는 인버트 유형·형상·저부 높이·정렬 허용오차와 준공검사의 항목, 개보수용 모듈형 인버트의 성능요건을 구체화하는 방향이 필요하다. 다만 구체적인 손실계수 범위나 상향하중 기준은 현 단계에 확정이 어려우며, 연구단 수리실험 결과를 바탕으로 국내 관망 조건에 적합한 범위가 마련되어야 한다.

또한, 운영 측면에서 취약 맨홀 선정, 우선순위 결정, 유지관리와 이력관리를 포함하는 ‘과부하 위험 맨홀 관리’ 활용 매뉴얼(안) 등이 제시될 수 있다.

과부하 맨홀의 거동을 파악하는 것은 지표 침수나 맨홀뚜껑 열림 이후의 결과뿐 아니라, 관거의 만관 상태로 전환에 따른 맨홀 내부 수위와 압력의 상승 과정을 연속적으로 관측하는 것이 필요하다. 따라서 맨홀부에 레이더 및 감지식 수위센서 등의 기술 적용을 통해서 수위 변화를 관측할 수 있는 과부하 관거·맨홀 모니터링 시스템 개발을 수행중에 있다.
센서에서 측정된 신호는 계측보드의 ADC를 통해 수두값으로 변환되고, 내장된 CPU에서 연산·처리된 후에 NB-IoT 기반 통신을 통해 원격 서버로 전송되는 체계를 갖추고 있다.
운영시스템에서는 관측값 표출과 저장, 장비상태 확인이 가능하며, 저전력 모드의 운용과 슬립모드를 고려하여 장기간 현장 관측할 수 있는 지속성을 확보하였다. 이를 통해 강우 시 수위상승, 만관 도달, 과부하 지속 및 회복과정을 시간대별로 파악할 수 있다.

현장 적용에 앞서 시제품을 대상으로 정적 정확도와 반복성, 24시간 장기 드리프트, 슬립모드 진입·복귀 및 내오염 조건에서 응답 등을 평가하였다. 1차년도 성능시험에서 평균오차는 약 0.4~0.6cm, 최대오차는 시험항목에 따라 1.1~2.0cm 범위로 나타나 실내 시험조건에서 안정적인 수위 응답을 확인하였다. 다만 현장에서는 강우와 유속 변화, 오염물질, 통신환경 및 전원상태가 동시에 영향을 미칠 수 있어 TB 운영을 통해 장기 안정성과 유지관리성을 추가로 확인할 필요가 있다.

모니터링 기술은 과부하 발생과 진행 과정을 객관적으로 확인하고 개선대책의 효과를 평가하는 기반을 제공한다. TB에서 확보되는 자료는 3-1세부의 설치 전후 효과검증과 침수해석의 검·보정에 활용할 수 있으며, 수리실험 및 관련 기준 개선을 위한 현장 근거로 연계될 수 있다.

TB1 선정 지점에 유선형 맨홀 설치를 예정이며, 설치 전후 상·하류 수위 비교를 위해서 모니터링 계획을 함께 진행 중에 있다. 또한, TB2(도림천 유역)를 대상으로 TB1과 동일한 절차에 따른 협의·협약, 협조요청, 관망 GIS 분석, 후보 맨홀 선정, 현장조사, 설치의 과정을 계획 중에 있다.
실증단지 2개소 운영을 완료하고, 두 TB의 결과를 비교하여 배수분구 특성이 다른 조건에서의 적용성 검토를 수행 할 예정에 있다.

국내외 법·제도 비교 분석을 통해 여섯 가지 보완 필요사항과 개정 방향을 도출하였으며, 이를 토대로 「하수도설계기준」 지침 개정(안), 시설기준 개정(안), 「하수관로공사 표준시방서」 및 KS D 4040의 보완(안)을 작성중이고, 향후에 자문회의와 관계기관 협의 등의 검증 과정을 계획하고 있다.
개정(안)에 수록할 손실계수 범위와 인버트 적용조건은 설계범위 산정 결과와 수리실험 결과 등을 반영할 계획이며, 또한, 실증결과를 반영한 개선 맨홀 설치·유지관리 가이드라인(안)과 취약 맨홀 선정, 우선순위 결정, 유지관리 및 이력관리를 포함하는 ‘과부하 위험 맨홀 관리’ 지자체 활용 매뉴얼 마련, 서울시 「하수도업무편람」 개선(안)을 작성중에 있다. 최종 결과물은 전문가 집단 및 자치구 담당자 등을 대상으로 검토 및 보완 예정에 있다.

모니터링 시스템은 TB 기반 및 실내시험 등을 통해 설치 전후의 수위 자료를 확보하고, 강우·유속·오염물질·통신 및 전원 환경이 동시 작용하는 현장 조건에서 장기 안정성과 유지관리성을 평가할 계획에 있다.
또한, 향후에는 현장 운영 결과를 바탕으로 센서구성, 통신·전원 운용 및 자료 처리방식을 고도화하고, 과부하 맨홀 모니터링 시스템을 구축·운영을 위한 가이드라인과 확대 방안 등을 제시하고자 한다.
관측자료는 효과검증과 침수해석 검·보정, 연구단 배수능력 평가 및 월류 예측 기술과 연계하여 활용 계획에 있다.

국내외 손실계수 설계기준 경향을 분석하고 중간맨홀과 4방향 합류맨홀에 대한 손실계수 설계기준의 적정성을 평가 과정에 있다.
따라서 국내의 관망 조건을 반영한 한국형 과부하 맨홀의 손실계수 설계범위를 산정하고, 개선된 설계방법을 고려한 하수관로 설계 가이드라인(안)과 손실계수를 고려한 하수도 설계기준(안)을 개발 예정에 있다.
향후에 설계기준 개정(안)에 권장 손실계수와 인버트에 적용조건 마련을 통해 수리실험, 현장실증, 제도개선으로 이어지는 연구의 연결고리를 완성을 목적하고 있다.

본 연구는 극한강우 시 발생 가능한 과부하 관거·맨홀의 수리적 위험에 대응을 위한 현장실증 및 모니터링 기술과 법·제도적 개선방안 제시를 목적으로 한다. 특히 기존 하수도 설계와 관리체계에서 충분히 고려되지 않았었던 맨홀의 수리적 손실과 과부하 상태를 정량적으로 파악하고, 이를 실제 현장과 제도에 적용할 수 있는 기반을 마련하고자 한다.
첫째, 과부하 맨홀 구조 개선 기술의 현장 실증을 수행하고 있으며, 향후 계측자료 분석을 통해 개선 맨홀의 수리적인 효과와 현장 적용성을 정량적으로 검토할 계획이다.
둘째, 국내외 관련 기준과 규정의 비교·검토를 통해서 국내 법·제도의 주요 보완 필요사항과 개선 방향을 도출하였으며, 현재 관련 법·제도 대상으로 구체적 개선(안)을 마련하고 있다. 향후 전문가 검토를 통해 개선(안)의 타당성과 적용성을 검증·보완할 계획에 있다.
셋째, 과부하 발생과 진행과정을 연속적으로 파악하기 위한 관거·맨홀의 모니터링 기술을 개발하고 있다. 수위센서와 통신기술 기반으로 맨홀 내부 수위 변화를 연속적으로 관측할 수 있는 시스템을 구성하였으며, 현재 시제품의 정확도·반복성·장기 드리프트 등에 대한 성능평가를 수행하고 있다.
향후 테스트베드 운영을 통해 강우, 유속, 오염물질, 통신 및 전원조건 등이 복합적으로 작용하는 실제 현장에서의 장기 안정성과 유지관리성을 검증하고, 확보된 관측자료의 활용 범위를 확대할 계획이다.
본 연구는 과부하 맨홀 설계·관측·현장 적용 및 제도 개선을 위한 근거를 단계적으로 축적하고 있으며, 향후에는 현장 적용성과 실효성 있는 기술개발을 지속적으로 추진할 계획에 있다.

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