수공 구조물 설계 - 댐의 부속 설비를 중심으로

1. 수공 구조물 설계 - 댐의 부속 설비를 중심으로 미국 후버댐 전경 안 원 식 교수 수원대학교 수자원 연구실

2. 댐의 정의 • 하천 계곡을 횡단하여 축조한 구조물로서 자연 유하되는 물을 저수 및 취수하여 수력발전, 상수원, 공업 및 농업용수로 사용하기 위한 구조물 • 하천법상의 댐 정의: 댐 정상까지의 높이가 15m 이상이거나 총저수용량이 2000만t 이상인 구조물 • 댐의 개요 • 이수: 생활용수, 공업용수, 관개용수, 하천유지용수, 발전용수 • 치수: 홍수조절 • 다목점 댐(Multipurpose Dam) • 여수로(Spillway) : 댐 수 방류 • 방수로(Outlet) : 용수의 도수 • 감수로(Stilling Basin) : 하류 하상보호 • 수압관로(Penstock) : 수력 발전용 수로 • 수문(Gate)

3. 우리나라 다목적 댐의 현황

4. 댐 건설과 환경 • 댐 건설 사업과 환경 보전 방안 • : 기존 댐 저수지의 운영 체계는 물론 새로운 댐의 계획을 위해서는 생태학적 영향, 수질과 건강, 정치적, 사회적 관계를 포함한 환경적인 문제가 포함 • : 댐 저수지의 건설은 인간의 거주지를 포함하여 동물상, 식물상 및 강의 상하류 지형에 영향을 미침. 이에 환경적인 영향을 최소화 할 수 있는 계획, 설계, 댐의 운영이 필요하며 댐의 기대편익에 상반되는 환경에 대한 부정적인 영향에 대한 고려가 이루어져야 함. • 댐 방류수 수온 및 수질 최적화로 하류 하천 어족 보호 • 어류의 서식 환경 개선을 위한 용존 산소 공급 • 생물의 영향을 최소화 할 수 있는 환경 관리 계획 • 문화, 사회, 경제등의 연구로 사전 자료 획득과 추진 프로그램 개발

5. 기상환경의 변화: 댐 건설후 미시 기후의 변화가 관측되나, 편익에 대한 뚜렷한 연구결과는 아직 확실치 않음 • 생태계의 영향 : 저수지의 형성으로 물의 정체 정도로 인한 정도의 차이는 있으나 동식물상의 변화를 가져오게 되는데, 수생식물, 수서곤충, 어류등이 대표적이며 일부 종은 새로운 환경에 대한 적응이 요구됨 • 수질의 영향: 담수로 인한 수질 변화는 홍수기 밀도류에 의한 하류 방류수의 장기간 고탁도 발생등과 장기간 오염물질의 유입으로 하절기 조류발생등 부영양화 가능성 • 사회, 경제적 영향: 댐 수몰민들은 정든 고향을 떠나 이주하게 되는 사회적 영향이 나타나며, 대규모 댐들에 의한 국가 경제적 영향은 필수적이나 지역적 효과들은 간과되는 문제점도 나타남. • 문화적 영향: 댐 건설은 해당 지역의 생활 환경을 변화시킴으로써 문화적 관습을 바꾸는 경향도 있다. 이러한 문화적 유산들은 기록되고 전시되어야 하며 문화유산과 훌륭한 자연경관을 보호하기 위하여는 댐 계획시 충분한 보호대책이 필요함.

6. 환경친화적 댐 건설 • 환경친화적 건설 개념: 자연 경관 및 생물 서식처의 훼손에 대한 최소화 방안을 모색하고 부득이 훼손한 지역에 대해서는 자연 복원 시스템을 도입하여 건설하는 것 • 친 환경 건설의 Master Plan 작성 및 홍보 • 환경친화적 댐 건설로 인문, 자연 생태 복원 • 댐 주변 종합 개발로 지역 주민 휴식 공간 제공 • 부안 댐, 보령 댐, 밀양 댐등: 최근 환경친화적 댐 건설로 준공되었거나 준공예정인 댐으로서 경관 및 사면 녹화, 수몰지내 자생 수목 이식, 문화재 이전, 자연학습원 및 주민 휴식 공간 조성등 여러 측면에서 환경친화적 노력을 가하고 있는 댐

7. 댐의 분류 • 사용목적에 따른 분류 • 수위조절용 댐 (Stage Control Dams) • 저류용 댐(Storage Dams) • 다목적 댐(Multipurpose Dams) • 장벽 댐(Barrier Dams) • 높이에 따른 분류 • 소 댐(Small Dam) : H < 15m • 중간 댐(Medium Dam) : 15m < H < 100m • 대 댐(Large Dam) : H > 100m

8. 댐의 분류 • 건설재료에 따른 분류 • 석조 댐(Masorny Dam) : 콘크리트나 큰 암석을 일체로 만드는 댐 • ; 콘크리트 중력식댐, 아취댐, 부벽식 댐 • 흙 댐(Earth-Fill Dam) : 댐에 재하되는 각종 하중을 흙으로 채워 만든 댐 • 사력 댐(Rock-Fill Dam) : 댐의 중앙부는 흙, 외곽부는 석조댐 같이 큰 암석 사용 • 설계 원리에 따른 분류 • 중력식 댐(Gravity Dam) : 댐 자체의 중력에 의하여 수압 및 기타 외력에 저항하는 형식의 댐(콘크리트 댐, 사력 댐 등) • 아치 댐 : 아치의 작용에 의하여 수압 및 기타 외력에 저항하는 댐 • 부벽 댐(Buttress Dam) : 슬래브에 의하여 수압을 받아 이 힘을 부벽에 의하여 기조 지반에 전달하는 형식의 댐

9. 댐의 형식 결정 방법 • 콘크리트 중력댐(Concreate Gravity Dam) • 댐 재료로 콘크리트를 이용하며, 저수지로의 수압을 댐 체의 자중으로 지탱하는 것으로 삼각형 단면 • 자중이 크게 되므로 견고한 지반이 필요하며 재료비가 많이 들어 공사비가 커지는 단점이 있으나, 설계이론이 평이하고 유지관리가 쉽다. • 특별한 이유가 없는 한, 우선 중력댐으로 설계를 한 다음 경제적인 형식이 없는가를 검토하는 것이 일반적인 형식 선정의 방법 • 필 댐(Fill Dam) • 기초 지반의 강도가 콘크리트 댐만큼 필요하지 않아 비교적 지질이 나쁜 곳에서도 축조 가능 • 여수로나 방류 설비등의 수리 구조물을 제체의 주변의 원지반에 설치해야 하므로 굴착량이나 콘크리트 사용량이 지형에 따라 방대해질 가능성

10. 댐의 수위 결정 방법 최고 홍수위 계획 홍수위 홍수기 제한수위 상시만수위

11. 소양강 댐의 수위 예 • 댐 높이 123m, 제방길이 530m, 수면 면적 70㎢, 총 저수용량 29억t 의 인공저수지로 용수조절 용량 5억t, 농공업용수 공급능력 12억t, 시설용량 20만Kw의 다목적 사력댐 • 계획 홍수위 198m, 상시 만수위 195m, 제한수위 190.30m, 저수위 150m

12. 댐의 수위 결정 방법 • 사수위(Dead Storge Level : DSL) : 유사의 퇴적으로 인하여 저수기능이 상실되는 상한 수위로 이 수위아래 물은 이용 불가이며 통상적으로 저수지의 수명기간을 100년으로 보아 대댐에서 100년간의 퇴사량을 설계 대상으로 함 • 저수위(Low Water Level : LWL) : 불용용량의 최고수위로 저수지 조작의 하한 제약조건. 사수위와 저수위 사이의 용량은 이상가뭄이나 댐 체 보수를 해야할 경우 당국의 승인을 얻어 방류함. • 상시 만수위(Normal High Water Level : NHWL) : 저수지의 정상적인 운영조건 하에서 올라갈 수 있는 최대수위. 이 용량은 이수의 목적으로 사용되며 그 규모는 댐 건설비용과 편익에 대한 경제성으로 결정 • 계획 홍수위(Flood Water Level : FWL) : 계획 홍수위는 활용용량 위에 홍수조절 용량이 추가될 때 그 최고수위. 이 수위는 수몰지역의 직접 보상 기준 위가 되며 다목적 댐의 경우 통상 200년 빈도 홍수량에 의한 수위로 결정

13. 홍수기 제한 수위(필요시) : 이수 및 치수 목적으로 쓰이는 공용 용량의 최저수위로 댐 유역의 수문특성, 사회 경제 현황 및 용수공급등을 고려하여 이수의 지장이 없는 기간, 즉 홍수기 중 홍수 조절 용량 확보를 위하여 상시 만수위 이하로 설정된 수위이다. 다목적 댐의 경우 소양강, 충주, 횡성, 안동, 대청, 부안댐에 설정되어있다. • 공용 용량(Joint Use Storge) : 우리나라와 같이 몬순지대에서는 활용용량 중 일부를 홍수기전에 방류하여 치수 목적으로 사용하는 용량 • 최고 홍수위(Maximum Water Level) : 최고 홍수위는 저수지가 계획 홍수위 상태시 이미 설정된 여수로 규모에 대해 이상홍수가 유입되어 발생하는 최고 수위이다. 이 수위는 댐 전체의 안전 계산에 기준이 되는 수위

14. 댐의 설계시 고려되는 외력 • 댐에 작용되는 외력 • 정수압 : 저수된 수압에 의해 댐에 수평으로 작용되는 힘 • 동수압 : 주위의 외력 방생시 외력이 수중에서 진행, 전파되어 댐에 작용 • 토압, 이압 : 상류로부터 퇴적 토사에 의해 작용되는 힘 • 결빙압 : 저수면의 동결로 나타나는 얼음의 팽창력 • 양압력 : 댐을 위로 들어 올리려는 힘 • 지진력 : 지진에 의한 진동력

15. 댐 구조물 • 여수로(Spill Way) • 여수로의 기능 • 댐의 저수용량을 초과한 홍수량을 하류 하천으로 방류시키는 기능 • 홍수시에만 사용 • 여수로의 용량 결정 • 댐이 집수하는 유역의 홍수량에 의해 결정 • 중, 대규모 댐의 경우 가능최대홍수량(PMP)을 기준으로 설계

16. 여수로(Spill Way)의 종류 • 수맥형 여수로(Ogee-Type Spill way) • 가장 보편적인 형태 : 경제적임 • 예연위로를 완전 월류하는 수맥의 아래쪽 형상대로 여수로 종단면 설계 • 통수능이 최대, 여수로 바닥 콘크리트 표면에 과다한 정, 부압 발생 방지

17. 여수로(Spill Way)의 종류 • 측구식 여수로(Side-Channel Spillway) • 월류 위어의 중심선과 측구 수로의 중심선이 평행인 형식 • 하폭이 좁은 아치댐과 같이 여수로 길이를 충분히 확보하기 어려운 경우 • 미국의 후버 댐

18. 여수로(Spill Way)의 종류 • 나팔형 여수로(Shaft Spillway) • 나팔관 형태의 수직 갱으로 물이 넘쳐 들어오면 수평 관로를 통해 댐 하류부로 수송 • 유입부는 나팔꽃 형(morning glory) 로 설계

19. 여수로(Spill Way)의 종류 • 사이폰 여수로(Siphon Spillway) • 홍수 규모가 작고 여수로 설치 공간에 제한을 받는 경우에 사이폰 여수로를 댐 본체 내에 설치 • 저수지 수위가 자동적으로 일정 범위내에서 유지된다는 장점

20. 여수로의 구조 및 설계 일반 • 접근 수로(Approach channel) • 댐의 상부 저수지의 물을 집수하여 여수로 조절위어로 유도 • 저수지에서 유입되는 물이 원활하게 조절위어로 흐르도록 유수의 교란을 최소화하는 기능 • 점근 수로에서 홍수를 안정적인 수리현상으로 위어를 월류시킬 수 있도록 하기 위하여 여수로의 접근수로에서 계획 방류량 규모에 대한 접근 유속은 4m/s 이하로 설계 • 접근 수로의 수심은 월류수심, 유량등을 감안하여 결정하며 웨어마루에서 접근 수로 바다까지의 깊이는 위어마루에서 설계수두의 1/5 이상 설계

21. 감세공 • 감세공의 기능 및 설계 일반 • 여수로의 급경사수로 하류단에 고유속의 방류수가 갖는 높은 에너지에 의한 댐 본체, 여수로 구조물, 하류 하천과 관련 제 구조물이 파괴 또는 침식되는 것을 방지 • 감세공의 대상 홍수량은 설계 홍수량을 기준으로 하되 경제적 관점에서 댐 본체에 위험을 주지 않는 다면 감세공에 대소의 피해를 받는다 하더라도 하류 하천의 설계홍수량을 감안하여 설계 • 방류수의 높은 에너지의 감세를 위해 소정의 수로구간 내에서 도수를 방생 완료시키고 고속 사류를 상류로 변환시켜 하류 하천에 유하시켜야 하며 이경우에 도수 후의 수위가 하류수위와 일치 • 감세공의 종류 : 플립 버킷형, 정수지형(Stilling Basin) 감세공

22. 방류관 • 방류관 기능 및 설계 일반 • 여수로 월류마루 이하의 저류수를 가능한 한 단시간에 안전하게 배제시킬 수 있게 하는 구조물 • 방류관의 형식은 유량조건, 지형 조건 및 유지관리상의 문제, 방수 처리상의 제약의 문제, 압력조건, 제체 및 유량조절 구조물의 구조조건을 고려하여 선정 • 방류관은 관내의 유황이 전 길이에 걸쳐 관수로 스름이 되는 전관수로형과 관의 도중에서 단면이 확대되어서 개수로 흐름으로 되는 반관수로형으로 분류

23. 수문(Water Gate) • 수문의 선정 조건 • 수압, 빙압, 지진, 토압, 기타의 외력에 대해 충분히 견고 • 개방시 수류를 저해치 않도록 충분한 경간과 권양고를 가지며, 개폐운전이 용이, 신속, 확실할 것 • 충분한 수밀성을 가질 것 • 경제적이고 내구성이 있으며, 수리 검사가 용이할 것 • 홍수의 상승속도에 대응되는 조작이 가능할 것 • 요구되는 홍수위 조절의 정확도를 가질 것 • 하천의 유하 부유물, 유목 및 자갈, 모래의 유입에 안전할 것 • 수문에는 여러 형식이 있으나 대규모의 댐용으로서는 조작이 확실하고 유지와 수리가 편리하며, 수밀이 확실한 점 등의 이유로 인양식 수문, 전동식 수문(Rolling Gate), 테인터 수문(Tainter Gate), 드럼 수문(Drum Gate)

24. 조압 수조(Surge Tank) • 조압 수조의 기능 • 부하가 급격하게 변화했을때 생기는 수격작용(Water hammering)흡수 • 사용 유량 변동에 의한 서징(Surging) 작용 흡수

25. 어도 • 어도 설계시 고려사항 • 어도 설계의 목적은 유용한 수산자원의 보호와 자연생태계의 보전을 위하여 회유성 어류들의 이동이 가능하도록 하여 생태계 보존 • 댐에 설치되는 어도의 경우 수산자원의 보호적인 측면보다 자연생태계의 조전적인 측면이 강하므로 대표 어종에 한정치 말고 가능한 서식하는 물고기들이 사용할 수 있도록 형식 결정 • 어도의 기능에 영향을 미치는 댐 하류부 하상 저하를 충분히 반영할 수 있는 어도설계가 되도록 어도 설치 댐 하류부의 하상 변동 또는 어도 하류부 국부세굴에 대한 검토

26. 유수전환 시설 • 유수 전환 시설의 목적 • 하천에 축조되는 댐의 공사기간 중 발생할 수 있는 홍수에 대하여 하천의 유수를 안전하게 분류시킴으로써 공사시 지장을 받지 않도록 하는 목적 • 유수 전환 시설의 설계시 고려사항 • 댐 지점에서의 홍수 특성 • 유수 전환 대상 유량의 규모 • 상류 기존댐의 존재 여부 • 수질 오염 통제 • 유수 전환 시설의 구성 • 유수전환 시설은 댐 지점에서 하천의 유수를 차단하는 가물막이와, 유수의 전환을 꾀하는 가배로로 구성