[논문]수리모형실험을 활용한 댐 방류관 설계의 적정성 검토

최병규; 강태호; 정요한

doi:10.3741/jkwra.2003.36.5.811

문제 정의

본 연구는 한탄강댐 설계시 PMF유량 9, 145.3 m7s, 200년 빈도 유량 l, 970nf/s, 폭(B)6.0mx높이(H)6.0m 의 방류관 2개, 폭(B)5.6mx 높이H) 5.4m의 방류관 4 개를 댐 체내에 설치하여 방류관의 초기 및 개도별 방 류능력 검토와 종단형상의 적합성을 수리모형실험을 통해 적정성 검토를 그 목적으로 한다.
수리모형실험에 의해 효과적으로 해결할 수 있는 수리현상중 가장 많은 수의 문제가 여기에 속하며, 개수로 하천, 하구 등에서의 흐름 문제라든지 웨어, 여수로 등의 수리구조물에서의 흐름 및 파랑 문제 등을 예로 들 수 있다. 본 연구에서는 수리모형을 시설이 허용하는 범위 내에서 비왜곡 정상모형으로 최대한 크게 제작 수리학적 거동을 정확하게 재현하고자 월류수심의 조건, 모형규모 및 유량규모의 적정성 등을 감안하여 국내 최대인 축척 1:35로 제작하여 실험을 수행 하였다

제안 방법

'96년, '98년, '99년 그리고 지난해 폭우와 최근 이상 호우로 인한 우리나라 전 지역 및 특히, 경기 북부와 임 진강 유역에 홍수가 발생하여 막대한 인명 및 재산 피 해가 발생하였다 이에 따라 정부에서는 수해방지종합대 책의 일환으로 한탄강유역에 홍수조절용 한탄강댐 건설 을 추진하게 되었다. 한탄강댐은 홍수조절을 위한 월류 부 여수로 뿐만 아니라, 국내 최초로 댐체내에 방류관 을 설치하여 이를 상용 여수로로 계획하였다. 일반적인 홍수조절 조건인 200년 빈도 홍수량에 대해서는 방류관 으로 홍수조절을 하고 최악의 상황인 가능 최대홍수량 (PMF)에 대해서는 상용 및 비상용(월류부) 여수로 수 문을 모두 개방하여 홍수조절 하도록계획되었다.
댐 설계에 있어서 가장 중요한 것이 유입홍수량게 대하여 방류량기 설계한 만큼 실제 상황에서도 충분히 방류를 하는 것이다. 또한 수문 개도에 따른 방류량 또한 중요한 사항이므로 본 연구에서는 각 개도별 방류능력을 검토하여 설계치와 비교, 설계의 적절성 여부를 검증하였다 여기서, 유량계수는 식(10)과 같이 산정하여 설계치와 비교하였다.
0 m 이하를 적용하고 있다. 부압 발생 측정에 적용한 저수지 수위는 최악의 상태을 고려, PMF유량 시 저수지 수위는 114.5 m(기본계획), 119.0 m(기본설 계)가 형성되도록 유량을 조절하여 실험을 실시하였다.
기본계획의 방류관 통수능 실험은 수문개방을 2m~ 6m까지 1m단위로 총 5가지 경우에 대하여 실험을 실시하였다 그 중 수문을 2m 개도할 때 수리모형실험에서 측정된 방류량과 이에 따른 유량계수를 표 2에 나타내었다. 여기서 HHQ는 방류관 입구 바닥에서 수면까지의 수심(H)을 방류관 높이(D)로 나눈 무차원 값이며, 각 저수지 수위별 방류량과 유량계수가 설계치가 실험치보다 크게 차이가 남을 알 수 있다.
이에 따라 본 연구에서는 기본계획안의 수리모형실험을 통한 타당성 검토 결과를 재검토하여 기본설계를 실시하였다. 방류관 통수능 실험은 기본계획안의 수리모형 실험과 마찬가지로 수문개방을 2m~6m까지 lm단위로 총 5가지 경우에 대하여 실험을 실시하였다.
이에 따라 본 연구에서는 기본계획안의 수리모형실험을 통한 타당성 검토 결과를 재검토하여 기본설계를 실시하였다. 방류관 통수능 실험은 기본계획안의 수리모형 실험과 마찬가지로 수문개방을 2m~6m까지 lm단위로 총 5가지 경우에 대하여 실험을 실시하였다. 그 중 수문을 2m 개도시 수리모형실험에서 측정된 방류량과 이에 따른 유량계수를 표 3에 나타내었다.

데이터처리

수리모형실험에서 보다 정확한 유량을 공급하기 위하여 유량검정을 실시하였고, 검정에 사용된 웨어는 사각 . 전폭웨어로 사각웨어 폭 l.

이론/모형

수리모형이 자유수면을 가지고 흐를 경우에는 주로 중력이 지배적인 힘이 되며 이 때는 Froude 상사법칙을 적용하게 된다. 수리모형실험에 의해 효과적으로 해결할 수 있는 수리현상중 가장 많은 수의 문제가 여기에 속하며, 개수로 하천, 하구 등에서의 흐름 문제라든지 웨어, 여수로 등의 수리구조물에서의 흐름 및 파랑 문제 등을 예로 들 수 있다.

성능/효과

그림 4(a) 에서 볼 수 있듯이 방류량에 있어서 실험치가 설계치보다 각 개도마다 약간씩 크게 산정됨을 알 수 있으며, 특히 수문을 완전 개방 시는 실험치가 설계치보다 훨씬 큼을 알 수 있다. 이 차이는 그림 4(b)의 유량계수의 차이에 따른 것으로 볼 수 있다.
그림 4(b)는 방류량으로부터 산정된 실험치와 설계치 유량계수를 비교한 것이다. 그 결과 그림 4(a)의 통수능력 즈 방류량의 차이와 같은 결과를 보였으며 기본계획 설계에 있어서 유량계수를 너무 과소하게 적용한 것으로 나타났다 그러므로 본 기본계획안의 방류관 규모 및 위치는 재검토 설계되어져야 함을 알 수 있었다
또한 완전 개방 시 설계치가 실험치보다 약간 크게 나타나 안전성 확보측면으로 허용가능 할 것이다. 유량계수 값을 산정 비교한 결과 수문 부분개도시 실험치가 다소 크게 측정되었으나, 완전 개방 시는 설계치가 약간 크게 나타남을 알 수 있다. 기본설계의 통수능력 및 유량계수는 실험치와 비교한 결과 비교적 유사한 값과 경향을 나타내므로 본 실험을 토대로 기본설계에서 설계한 방류관 규모는 적절하다고 판단할 수 있다.
유량계수 값을 산정 비교한 결과 수문 부분개도시 실험치가 다소 크게 측정되었으나, 완전 개방 시는 설계치가 약간 크게 나타남을 알 수 있다. 기본설계의 통수능력 및 유량계수는 실험치와 비교한 결과 비교적 유사한 값과 경향을 나타내므로 본 실험을 토대로 기본설계에서 설계한 방류관 규모는 적절하다고 판단할 수 있다.
그림 6에서 (a)와 (b)는 방류관 상단면의 각 수문 개도별 압력수두분포를 (c)는 측면을 (d)와 (e)는 하단면의 압력수두 분포를 나타낸 것으로 본 연구의 (a), (b)즉정치에서는 수문개도 모든 경우에 있어서 비슷한 양상을 보이고 있으며, 개도 5이인 경우에 수문 근처에서 압력수두가 최대 T.86m의 부압측정되었다. 또한 수문 완전개방 시 수문 바로 직하부에서 압력수두가 최대 -1.
(1) 기본계획안의 통수능력 검토결과 실험치가 설계치보다 크게 측정되었으며, 이것은 유량계수 적 용시 설계치에 과소한 값을 사용하였음을 나타낸다. 결국, 기본계획안의 방류관 규모는 과소설계되어 적정 통수능을 확보치 못하므로 설계의 재검토 필요성을 입증하였다.
(2) 기본계획안 재검토 방류관의 위치 및 규모 변경한 기본설계안의 방류관 통수능력 및 유량계수 를 실험치와 비교한 결과 유사하게 측정되어 방류관 규모 및 위치는 적절한 것으로 나타났다.
(3) 기본계획안의 방류관 단면에 대한 압력수두 측정 결과 최대 -1.86m, 최소 -0.83m의 부압이 측정되었다. 이 값은 국내 및 국외(일본)허용치인 -5.
(4) 기본계획의 방류관 종단형상은 적절하게 판단되었으나, 효율성, 수리학적 특성 등을 고려하여 재설계한 기본설계의 방류관 단면에 대한 압력 수두 측정결과 최대-2.56m의 부압측정되으나 이 값은 국내의 댐 설계기준 및 국외 일본 건설성의 하천사방시설기준의 허용치인 -5.0 m, -3.0이보다 작으므로 기본설계에서 설계한 방류관 종단형상은 적절한 것으로 판명되어 결국, 한 탄강댐 방류관에 대한 통수능 및 부압발생을 종합한 결과, 기본계획안을 수정한 기본설계안이 최종적인 설계안으로서 적절함이 입증되었다.

후속연구

그림 5(a) 는 통수능력을 그림 5(b) 는 유량계수를 각각 실험치와 설계치를 비교한 것으로서 그림 5(a) 에서 볼 수 있듯이 방류관 각 수문 개도별 통수능력 설계치 는 실험치와 비교적 근사함을 알 수 있다. 또한 완전 개방 시 설계치가 실험치보다 약간 크게 나타나 안전성 확보측면으로 허용가능 할 것이다. 유량계수 값을 산정 비교한 결과 수문 부분개도시 실험치가 다소 크게 측정되었으나, 완전 개방 시는 설계치가 약간 크게 나타남을 알 수 있다.

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