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R&D최종보고서

연구과제 상세정보
과제고유번호 201919TBIP-C125148-03
연구사업명 국토교통기술사업화지원
연구과제명 이중필터 강변(해변)여과수 취수기술 개발
총 연구기간 2017-04-01 ~ 2019-12-31
연구책임자 이상무
당해년도
참여 연구원수
4명 총 연구기간
참여 연구원수
12명
당해년도
연구비
정부 : 378,000,000 원
기업 : 252,000,000 원
계 : 630,000,000 원
총연구비 정부 : 1,063,000,000 원
기업 : 720,000,000 원
계 : 1,783,000,000 원
연구기관명 산하토건(주)
등록 발간번호 -
ISBN -
주요 내용 1) 기본개념
- 이중필터 취수정공법은 대구경 천공기로 지반굴착 후 내부 케이싱과 취수관을 설치하여 취수관 주변에 이중필터층을 형성하고 고효율 스크린을 설치하여 안정적인 취수가 가능하도록 하는 공법임
- 본 공법은 대수층의 입도에 맞는 이중필터와 고효율 스크린을 적용하여 취수정의 취수효율을 극대화함으로써 안정적인 용수확보가 가능하고 장기적인 유지관리비가 절감되는 장점이 있음

2) 연구개발 배경 및 필요성
- 현재 강변여과수 개발에 일반적으로 적용되고 있는 공법은 일반수직정 및 방사상집수정이 대표적임
- 일반수직정 및 방사상집수정의 경우 양수량, 정호성능 및 수명, 시공성, 경제성, 유지관리 측면에서 다양한 문제점을 내포하고 있음
- 따라서 일반수직정과 방사상집수정의 문제점을 보완하고 경제적이며 장기간에 걸쳐 안정적인 취수량 확보가 가능한 공법개발이 필요함

○ 안정적 용수공급 방안 및 우물 수명증대 요구
- 반복되는 계절적 가뭄과 무분별한 지하수개발로 인해 지하수위가 고갈되어 수막용수 사용이 중단되는 사례가 발생함
- 대부분의 지하수관정은 스크린과 스크린 주변에 분포된 대수층의 공극 내에 피각현상(incrustation)이나 유로가 막히는 현상(clogging)이 발생하여 시간경과에 따라 취수효율이 급격히 떨어지고 이에 따라 관정수명이 짧아짐
- 또한, 방사상집수정의 경우에서도 필터재를 수평으로 부설이 어렵고 장기적인 유지관리를 위한 써징작업 곤란
- 따라서 기존 문제점을 개선하여 사용기간에 관계없이 지속적·안정적이고 반영구적인 우물수명을 유지할 수 있는 공법개발이 필요함

○ 목표취수량 확보 및 부지활용성 증대
- 지층 및 대수층 특성 변화에 능동적으로 대응하여 취수량 확보가 가능한 공법개발이 필요함
- 취수효율을 높여 집약화하여 부지 활용이 제한되는 등의 문제점 해결 필요

3) 기술특성 및 기술의 독창성
○ 기술특성
- 이중필터취수정 공법은 오실레이터와 같은 대구경 착정기를 사용하여 외부케이싱을 압입하면서 지반을 굴착을 한 후 내부케이싱과 취수관을 설치하고 취수관 주변에 이중필터층을 형성시키는 공법임
- 이 공법은 취수정의 투수성 저하를 방지하고 취수정의 효율을 극대화하여 안정적 취수가 가능함

○ 적용성 : 지반조건에 따른 제약요인 적음
- 다양한 입도를 갖는 지층으로 구성되어 있는 대수층의 대상 지반에 적합하도록 이중필터층을 형성하여 투수효율을 극대화 시킬수 있음
- 두 개 필터층의 입도를 조절함으로써 다양한 입도로 구성된 대수층 지반에 적용 가능
- 개발기술은 자갈 및 전석을 포함한 모든 토질에 시공 가능하여 적용성이 뛰어남
- 굴착시 Hammer Grab와 Chisel 사용으로 대상지역의 정확한 지층 및 주 대수층의 파악이 가능하여 적정 위치에 스크린을 배치함으로써 우물효율을 증대시킴

○ 성능 : 취수효율 우수
- 대구경 천공기와 유압인발기를 이용하여 내부 및 외부 케이싱을 좌우요동하면서 수직 인발하므로 원지반과 필터재의 교란을 최소화시킴
- 굴착시 굴착이수 사용에 따른 대수층 투수성 감소요인이 발생하지 않아 대수층의 투수성 매우 양호
- 굴착경을 대구경으로 착정하고 대수층의 대상지층 입도에 부합하는 이중필터(여과사리와 여과사) 적용으로 취수단면적이 확대되고 궁극적으로 취수용량 증대
- 조립질 필터층과 높은 개공율의 스크린 적용으로 투수성 증대에 따른 효율 향상

○ 유지관리 : 유지관리 용이
- 이중필터를 적용함으로써 대수층의 공극 내에 피각현상(incrustation)이나 유로막힘현상(clogging)을 개선하여 장기적 효율 유지
- 내부 필터층이 조립질로 구성되어 에어써징 유리

○ 수명 : 장기간 지속적 성능유지
- 외부 필터층이 대상지반 입도에 적합한 세립질로 구성되어 우물형성시 원지반토사의 보호 및 유입을 억제하고 내부필터층으로 지하수의 투수성을 확보함으로써 지하수의 흐름에서 정체 및 급속 유출을 방지하고 일정한 투수성을 유지하여 장기적 성능 유지 가능
- 이중필터층의 역할로 인하여 지하수 흐름의 난류발생을 최소화함으로써 세사유입을 억제하여 스크린 막힘현상, 수중펌프의 고장 등의 문제요인을 개선하게 되어 궁극적으로 우물수명이 연장됨

[최종목표]
○ 최종목표
- 보유기술에 대한 개선사항을 반영하여 기존기술 대비 개발기술에 대한 개선된 성능, 시공성, 경제성, 장기적 안정성을 객관적으로 입증
- 공법설계에서 시공의 전과정을 표준화하고 특허 및 지식재산권을 등록하여 기술실시권리를 확보함으로써 사업화 기반 마련
- 연구를 통해 입증된 개발기술의 장점을 마케팅, 영업 및 홍보에 활용하여 시장에 진출할 교두보를 마련하고 현장시범적용을 통해 소비자의 만족도 및 장기적인 효과 입증
○ 성능목표
- 단일필터 취수정 대비 초기 취수효율 20% 개선
- 단일필터 취수정 대비 장기적 안정성 입증
- 필터재 다짐효율 5% 개선
- 에어써징 효율 5% 개선
- 단일필터 취수정 대비 취수량을 기준으로 경제성 20% 개선

[연구내용 및 범위]
1) 실내모형시험
○ 지층에 따른 필터재의 층위, 두께변화에 따른 최적 이중필터취수정 개발
- 실내모형시험을 통해 다양한 지층조건에 따라 필터층의 층위, 각 필터층의 두께변화에 따른 취수효율을 평가하고 대수층별 이중필터의 조건을 검토하고 최적 사양 결정

○ 이중필터취수정에서의 필터재 진동 다짐기술 개발과 적용성 확인 및 효율평가
- 필터재의 공극을 줄임으로써 밀실한 충진이 가능하도록 내부케이싱에 진동장치를 설치할 계획하고 있으며, 실내모형시험을 통해 진동장치의 진동특성별 다짐효율을 검토

○ 이중필터취수정에서의 에어써징기술 개발과 적용성 확인 및 효율평가
- 취수관 뿐만 아니라 필터층에 에어써징관을 설치하여 에어써징(air surging)을 수행함으로써 에어써징의 효율을 증대시킬 필요가 있음
- 기술개발은 에어써징관 시제품을 제작하여 실내모형시험을 통해 적정 압력을 산정함

○ 실내모형시험을 통한 개발기술의 적용성 검증
- 실내모형시험 성과를 종합하여 그 적용성을 검증하고 이중필터 및 다짐기술과 에어써징 기술을 접목한 이중필터 취수정 설계인자 제공

2) 현장실증시험
○ 테스트베드 설계, 운영매뉴얼 개발
- 테스트베드 조사 및 실내모형시험 결과를 바탕으로 테스트베드를 설계하고 테스트베드의 운영매뉴얼 개발
○ 실규모 시험공 착정/설치 및 실증시험을 통한 기술보완하고 개발기술의 적용성 검증
- 실내모형시험성과를 토대로 설계된 이중필터층을 대상으로 초기취수량, 장기취수효율 등을 단일필터층과 비교 분석하고 목표 달성여부 평가
- 내부케이싱에 진동장치를 장착하여 현장 적용성 및 다짐효율을 검토하여 개발기술의 성능을 평가
- 실증시험을 통해 세립토사의 유출량을 평가하고 에어써징 전후의 취수량 개선효과와 에어써징 미실시공 대비 취수량 개선효과를 검증하여 에어써징 기술의 성능을 평가토록 계획

3) 수치모의
○ 강변여과수 취수정 개념 모델 개발
- 강변여과수 취수정의 수리지질학적 특성을 분석하여 지하수 유동에 대한 개념모델을 수행
○ 단일필터 및 이중필터 수치모의
- 이중필터의 구조, 필터재의 특성, 주변 대수층의 수리지질학적 특성을 고려한 지하수 유동 및 수위변화를 수치해석을 사용하여 모델링을 수행
○ 현장시험 이중필터 성능 분석
- 시험 현장의 대수층에 대한 수리지질학적 특성을 분석하고 대수층의 수리지질학적 특성, 필터층의 수리특성, 지표수와 지하수 사이의 연관성, 주변의 수리지질학적 경계조건 등을 파악하고 이를 수치모델링하여 지하수 유동에 대한 정밀한 분석을 수행
○ 현장시험 이중필터 성능 분석
- 3개월 이상의 양수를 수행하여 시간에 따른 이중필터의 클로깅 형상을 파악하며, 현장 시험 자료를 바탕으로 통계적인 분석을 수행하여 예상되는 취수효율 저하 가능성을 파악
○ 이중필터 설계 프로그램 개발
- 실내모형시험 및 현장실증시험 결과를 분석하여 설계인자를 추출하고 현장 적용 가능 이중필터 설계 프로그램 개발

4) 표준화 및 사업화
○ 표준화
- 본 연구과제의 최종성과를 바탕으로 주요 부품, 제품, 공법기술을 표준화하고 사업화에 접목
- 제품의 규격화를 통해 표준화된 설계서(설계도면 및 사양서, 내역서 등)와 구체적이고 체계적인 시공을 위한 시방서 신규개발
○ 사업화
- 공사비, 유지관리비, LCC 저감효과를 평가하고 기존 기술 대비 경제적 우수성 평가 및 분석
- 개발기술에 대하여 경제성 분석결과와 더불어 시공성, 현장적용성의 향상내용을 홍보 및 기술판매에서 중요 자료로 활용
- 논문게재 및 발표를 통한 기술 홍보
- 대상 기술의 원천기술은 특허로 지식재산권을 확보하거나 확보중에 있으며, 본 연구에 따른 성과물은 특허출원(2건) 신기술 신청(1건) 등을 통해 지식재산권 추가 확보 계획
- 기술개발 결과물은 현장적용을 통해 시범적으로 그 성능을 평가토록 계획하였으며, 기술개발 결과물에 대한 수요자의 요구 만족도 측정하여 홍보 및 사업화에 활용
- 사업화의 경우 기술개발 기간 내에 개발된 기술에 대하여 사업화 실시 계약 건수 1건을 목표로 설정
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최종보고서 2. 최종보고서 보완본(좌철, 양면제본, 5부).pdf
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