본 연구에서는 국내 중소규모 댐의 대부분을 차지하는 자연 월류형 여수로의 홍수배제능력 증대를 위해 여수로의 월류부 형상 개선에 따른 배제유량을 분석하였다. 대표적인 댐으로서 대수호지를 선정하였으며 여수로 배제유량 분석을 위해 3차원 수리해석 프로그램인 FLOW-3D를 적용하였다. 여수로 개축모형으로서 직선형 래버린스위어 및 곡선형 래버린스위어를 적용하여 각 모형별 월류양상 및 방류량을 현 상태인 선형 측수로식 여수로와 비교하였다. 수치해석 결과의 검증을 위해 Froude 상사법칙에 의해 1/40로 축소된 수리모형 실험 자료와 비교해 본 결과 측수로 내 흐름 및 월류양상이 서로 잘 일치하였으며 측벽 옹벽에서의 수위도 근사하였다. 설계홍수위 시 위어형상 별 측수로 내 월류양상을 비교해 보면 선형 측수로 여수로의 경우 위어를 통과한 측수로 내 흐름이 원활하였으나 직선형 및 곡선형 래버린스위어의 경우 방류량이 현 상태에 비해 40 cms 증가하여 위어를 월류한 흐름이 수면 위를 타고 반시계 방향으로 돌게 되며 잠류가 발생되는 것으로 나타났다. 저수지 수위-방류량 모의 결과 직선형 및 곡선형 래버린스위어 모두 현 상태인 선형 측수로식 위어에 비해 유효길이를 더 확보할 수 있어서 저수위에서는 최대 71%의 방류량 증가 효과를 보였지만 수위가 증가함에 따라 측수로 내 잠류가 발생하고 수맥간섭이 심해져 방류곡선의 경사가 점차 완만해졌다.
본 연구에서는 국내 중소규모 댐의 대부분을 차지하는 자연 월류형 여수로의 홍수배제능력 증대를 위해 여수로의 월류부 형상 개선에 따른 배제유량을 분석하였다. 대표적인 댐으로서 대수호지를 선정하였으며 여수로 배제유량 분석을 위해 3차원 수리해석 프로그램인 FLOW-3D를 적용하였다. 여수로 개축모형으로서 직선형 래버린스위어 및 곡선형 래버린스위어를 적용하여 각 모형별 월류양상 및 방류량을 현 상태인 선형 측수로식 여수로와 비교하였다. 수치해석 결과의 검증을 위해 Froude 상사법칙에 의해 1/40로 축소된 수리모형 실험 자료와 비교해 본 결과 측수로 내 흐름 및 월류양상이 서로 잘 일치하였으며 측벽 옹벽에서의 수위도 근사하였다. 설계홍수위 시 위어형상 별 측수로 내 월류양상을 비교해 보면 선형 측수로 여수로의 경우 위어를 통과한 측수로 내 흐름이 원활하였으나 직선형 및 곡선형 래버린스위어의 경우 방류량이 현 상태에 비해 40 cms 증가하여 위어를 월류한 흐름이 수면 위를 타고 반시계 방향으로 돌게 되며 잠류가 발생되는 것으로 나타났다. 저수지 수위-방류량 모의 결과 직선형 및 곡선형 래버린스위어 모두 현 상태인 선형 측수로식 위어에 비해 유효길이를 더 확보할 수 있어서 저수위에서는 최대 71%의 방류량 증가 효과를 보였지만 수위가 증가함에 따라 측수로 내 잠류가 발생하고 수맥간섭이 심해져 방류곡선의 경사가 점차 완만해졌다.
The spillway type of small and midsize dams in Korea is almost overflow weir. To examine flood control capacity of overflow spillway, FLOW-3D was applied to Daesuho dam and analysis was focused on the discharge of dam spillway by changing weir shape. Overflow phases and discharges of linear labyrint...
The spillway type of small and midsize dams in Korea is almost overflow weir. To examine flood control capacity of overflow spillway, FLOW-3D was applied to Daesuho dam and analysis was focused on the discharge of dam spillway by changing weir shape. Overflow phases and discharges of linear labyrinth weir and curved labyrinth weir were compared with those of existing linear ogee weir. Hydraulic model experiment was performed to verify numerical result. Verification results showed that overflow behaviors and flow characteristics in the side channel by hydraulic model experiment and numerical simulation are well matched, and water surface elevation at side wall coincides with each other. When the reservoir elevation was increased up to design flood level, in case of the linear ogee weir the flow over the crest ran through smoothly in the side channel, whereas in cases of linear labyrinth weir and curved labyrinth weirs, the flow discharge was increased by 40 cms, and the flow over the weir crest, rotating counter-clockwise, was submerged in the side channel. The results of the water level-discharge curve revealed that labyrinth weir can increase discharge by 71% compared to the discharge of linear ogee weir at low reservoir elevation since it can have longer effective length. But as water surface elevation rises, the slope of water level-discharge curve of labyrinth weir becomes milder by submergence and nappe interference in the side channel.
The spillway type of small and midsize dams in Korea is almost overflow weir. To examine flood control capacity of overflow spillway, FLOW-3D was applied to Daesuho dam and analysis was focused on the discharge of dam spillway by changing weir shape. Overflow phases and discharges of linear labyrinth weir and curved labyrinth weir were compared with those of existing linear ogee weir. Hydraulic model experiment was performed to verify numerical result. Verification results showed that overflow behaviors and flow characteristics in the side channel by hydraulic model experiment and numerical simulation are well matched, and water surface elevation at side wall coincides with each other. When the reservoir elevation was increased up to design flood level, in case of the linear ogee weir the flow over the crest ran through smoothly in the side channel, whereas in cases of linear labyrinth weir and curved labyrinth weirs, the flow discharge was increased by 40 cms, and the flow over the weir crest, rotating counter-clockwise, was submerged in the side channel. The results of the water level-discharge curve revealed that labyrinth weir can increase discharge by 71% compared to the discharge of linear ogee weir at low reservoir elevation since it can have longer effective length. But as water surface elevation rises, the slope of water level-discharge curve of labyrinth weir becomes milder by submergence and nappe interference in the side channel.
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문제 정의
본 연구의 목적은 국내 중소규모 댐의 대부분을 차지하는 자연 월류형 여수로의 홍수배제능력 증대를 위해 여수로 개축 모형으로서 래버린스위어를 적용하고 이의 특성을 분석하는 것이다. 본 연구에서는 3차원 수치모형을 이용하여 직선형 및 곡선형 래버린스위어의 월류 거동 및 배제유량을 규명하였다.
본 연구에서는 국내 중소규모 댐의 대부분을 차지하는 자연 월류형 여수로 형식의 댐 가운데 월류에 취악한 필댐 구조인 대수호지를 연구 대상으로 선정하여 월류부의 형상에 따른 여수로의 배제유량을 분석하였다. 대수호지의 주요 현황은 표 1과 같다.
본 연구의 목적은 국내 중소규모 댐의 대부분을 차지하는 자연 월류형 여수로의 홍수배제능력 증대를 위해 여수로 개축 모형으로서 래버린스위어를 적용하고 이의 특성을 분석하는 것이다. 본 연구에서는 3차원 수치모형을 이용하여 직선형 및 곡선형 래버린스위어의 월류 거동 및 배제유량을 규명하였다.
제안 방법
국내 중소규모 댐 중 자연 월류 여수로 형식인 대수호지에 대해 3차원 수리해석 프로그램인 FLOW-3D를 적용하여 여수로 형상에 따른 댐의 홍수배제능력을 분석하였다. 여수로 개축모형으로서 직선형 래버린스위어(WJ200) 및 곡선형 래버린스위어(WJ300)를 적용하여 각 모형별 월류양상 및 방류량을 현 상태인 선형 측수로식 여수로(WJ100, ogee type)와 비교하였다.
일반적으로 2차원 수치모형을 이용해 흐름장을 계산할 때 대상영역의 상류부에는 유량을 입력하고 하류부에는 수위를 입력하는 초기 및 경계조건에 의해 모의를 하게 된다. 그러나 본 연구에서 이용한 3차원 수리해석 프로그램인 FLOW3D의 경우 모의대상 영역을 직육면체로 제한하고 각 6개의 면에 대하여 수위 및 압력, 유속 등의 입력자료에 의해 3차원 흐름해석을 하게 된다. 대수호지에 그림 3과 같은 상시 만수위부터 자연 월류되는 방식의 초기 및 경계조건을 주었기 때문에 상류단 경계조건은 저수지 수위를 입력하였다.
대상시설물인 대수호지 여수로에 개축모형으로서 표 2와 같은 직선형 래버린스위어(WJ200, 그림 6)와 곡선형 래버린스위어(WJ300, 그림 7)를 적용하여 각 모형별 월류양상 및 방류량 등을 현 상태인 선형 측수로식 여수로(WJ100, 그림 5)와 비교하였다.
이 과정을 도시하면 그림 4와 같다. 선형 측수로식 여수로의 경우 언체부부터 감세지까지 여수로 전구간을 모의영역으로 하였지만 래버린스위어의 경우 월류부에 촘촘한 격자망이 요구되고 가로-세로비(aspect ratio)를 고려하여 여수로 도류부(chute)까지를 모의영역으로 하였다.
국내 중소규모 댐 중 자연 월류 여수로 형식인 대수호지에 대해 3차원 수리해석 프로그램인 FLOW-3D를 적용하여 여수로 형상에 따른 댐의 홍수배제능력을 분석하였다. 여수로 개축모형으로서 직선형 래버린스위어(WJ200) 및 곡선형 래버린스위어(WJ300)를 적용하여 각 모형별 월류양상 및 방류량을 현 상태인 선형 측수로식 여수로(WJ100, ogee type)와 비교하였다. 3차원 수치해석 결과의 검증을 위해 Froude 상사법칙에 의해 1/40로 축소된 수리모형 실험 자료와 비교해 본 결과 측수로 내 흐름 및 월류양상이 서로 잘 일치하였으며 배제유량 및 측벽 옹벽에서의 수위도 근사하였다.
수리모형실험은 기존 여수로와 래버린스위어에 대해 한국농어촌연구원에서 수행되었다(한국시설안전기술공단, 2006). 원형에서 여수로, 월류부 및 도류부 등은 콘크리트로 시공되므로 축소모형에서는 마찰력의 효과를 줄이기 위해 매끄러운 투명 아크릴로 제작하였으며(그림 8), 모형에 공급되는 유량측정을 위해 전자유량계(EF-501 200A)를 사용하였고, 유속은 측정간격이 0.5초인 경우 2% 이내의 오차를 가지는 ACM300-A를 이용하였다. 현 상태조건인 WJ100의 위어 월류양상을 비교하여 도시한 그림 9에서 측수로 내 흐름이 서로 잘 일치하며 측벽 옹벽에서의 수위도 근사함을 확인할 수 있다.
하류단 조건은 저수지 수위를 지정하지 않고 유출(outflow)되는 방식으로 하였다. 위어의 정부를 기준으로 저수지 수위를 40~50 cm 간격으로 증가시켜 하류부의 검사체적을 통과하는 유량을 계산하였으며, 정상상태에 도달하는 시간인 140초까지 모의를 수행하였다.
대상시설물의 3차원 수치모의를 수행하기 위해서는 앞서 수록한 래버린스위어의 설계단면을 바탕으로 실제 지형에 근거한 3차원 구조물 및 지형을 생성하여야 한다. 이후 3차원 CFD모형을 이용하여 격자망을 구성하여 모의조건을 입력하고 수치모의를 실시한다. 이 과정을 도시하면 그림 4와 같다.
대수호지에 그림 3과 같은 상시 만수위부터 자연 월류되는 방식의 초기 및 경계조건을 주었기 때문에 상류단 경계조건은 저수지 수위를 입력하였다. 하류단 조건은 저수지 수위를 지정하지 않고 유출(outflow)되는 방식으로 하였다. 위어의 정부를 기준으로 저수지 수위를 40~50 cm 간격으로 증가시켜 하류부의 검사체적을 통과하는 유량을 계산하였으며, 정상상태에 도달하는 시간인 140초까지 모의를 수행하였다.
이론/모형
3차원 수치해석 결과의 검증을 위해 Froude 상사법칙에 의해 1/40로 축소된 수리모형 실험결과를 이용하였다. 수리모형실험은 기존 여수로와 래버린스위어에 대해 한국농어촌연구원에서 수행되었다(한국시설안전기술공단, 2006).
댐 배제유량 증대를 위하여 여수로 개축 시 여수로의 효율적인 홍수소통과 댐체의 수리학적 안전성을 정확하게 해석하기 위해서는 여수로의 방류 시 유동현상에 대한 분석 및 평가가 필요하다(한국시설안전기술공단, 2005). 본 연구에서는 여수로 내의 수리현상을 모의하기 위해 자유수면의 정확한 예측이 가능하고 복잡한 댐 구조물 및 지형 재현이 용이한 3차원 수리해석 모델인 FLOW-3D를 사용하였다. 수치해석 결과의 검증을 위해 Froude 상사법칙에 의해 1/40로 축소된 수리모형에 의한 실험결과를 이용하였다.
비정상 유동상태에서 3차원 Navier-Stokes 방정식 및 에너지 방정식을 유체 및 열·유동 해석에 이용하며, 유체로부터 또는 유체로의 열전달에 의한 고체 내의 온도는 열전도에 의한 에너지 교환을 에너지 방정식 생성항으로 사용하여 해석하고 있다.
본 연구에서는 여수로 내의 수리현상을 모의하기 위해 자유수면의 정확한 예측이 가능하고 복잡한 댐 구조물 및 지형 재현이 용이한 3차원 수리해석 모델인 FLOW-3D를 사용하였다. 수치해석 결과의 검증을 위해 Froude 상사법칙에 의해 1/40로 축소된 수리모형에 의한 실험결과를 이용하였다. FLOW-3D의 개요는 다음과 같다.
성능/효과
설계홍수위 시 위어형상 별 측수로 내 월류양상을 도시하여 그림 15에 나타내었다. 위어의 정 중앙 단면에서의 월류양상을 살펴보면 현 상태인 WJ100(선형 측수로 여수로)의 경우 위어를 통과한 측수로 내 흐름이 원활하였으나(그림 15(a)) 직선형 및 곡선형 래버린스위어의 경우(그림 15(b), (c)) 방류량이 현 상태에 비해 40 cms 증가하여 위어를 월류한 흐름이 수면 위를 타고 반시계 방향으로 돌게 되며 잠류가 발생되는 것으로 나타났다.
여수로 개축모형으로서 직선형 래버린스위어(WJ200) 및 곡선형 래버린스위어(WJ300)를 적용하여 각 모형별 월류양상 및 방류량을 현 상태인 선형 측수로식 여수로(WJ100, ogee type)와 비교하였다. 3차원 수치해석 결과의 검증을 위해 Froude 상사법칙에 의해 1/40로 축소된 수리모형 실험 자료와 비교해 본 결과 측수로 내 흐름 및 월류양상이 서로 잘 일치하였으며 배제유량 및 측벽 옹벽에서의 수위도 근사하였다.
설계홍수위보다 낮아 잠류가 발생하지 않는 저수지수위에서는 곡선형 래버린스위어를 통과하면서 한계류가 발생하여 유속이 점점 빨라지고 측수로로 유입되면서 반시계방향의 와류와 시계방향의 난류가 공존하는 이차류를 관찰할 수 있었다. 그러나 설계홍수위 시 위어형상 별 측수로 내 월류양상을 비교해 보면 선형 측수로 여수로의 경우 위어를 통과한 측수로 내 흐름이 원활하였으나 직선형 및 곡선형 래버린스위어의 경우 방류량이 현 상태에 비해 40 cms 증가하여 위어를 월류한 흐름이 수면 위를 타고 반시계 방향으로 돌게되며 잠류가 발생되는 것으로 나타났다. 저수지 수위-방류량 모의 결과 래버린스위어의 경우 선형 측수로식 위어에 비해 유효길이를 더 확보할 수 있어서 저수위에서는 최대 71%의 방류량 증가 효과를 보였지만 수위가 증가함에 따라 측수로 내 잠류가 발생하여 두 곡선이 점차 근접해지는 경향을 나타내었다.
여수로의 평면형상을 살펴보면 측수로에서 조절지로 연결되는 부분이 사행성을 띄게 되므로 전반적인 흐름이 외곽으로 치우치게 되며 측수로를 통과한 흐름은 언체부에서 3 m/s, 조절지에서 8m/s, 도류부에서 15 m/s 정도로 WJ200과 WJ300인 경우 모두 같은 값을 나타내었다. 설계홍수위보다 낮아 잠류가 발생하지 않는 저수지수위 65.5 m 시 곡선형 래버린스위어의 측수로 내 월류양상을 나타낸 그림 13의 경우 위어를 통과하면서 한계류가 발생하여 유속이 점점 빨라지고 측수로로 유입되면서 반시계방향의 와류와 시계방향의 난류가 공존하는 이차류를 관찰할 수 있었다.
설계홍수위보다 낮아 잠류가 발생하지 않는 저수지수위에서는 곡선형 래버린스위어를 통과하면서 한계류가 발생하여 유속이 점점 빨라지고 측수로로 유입되면서 반시계방향의 와류와 시계방향의 난류가 공존하는 이차류를 관찰할 수 있었다. 그러나 설계홍수위 시 위어형상 별 측수로 내 월류양상을 비교해 보면 선형 측수로 여수로의 경우 위어를 통과한 측수로 내 흐름이 원활하였으나 직선형 및 곡선형 래버린스위어의 경우 방류량이 현 상태에 비해 40 cms 증가하여 위어를 월류한 흐름이 수면 위를 타고 반시계 방향으로 돌게되며 잠류가 발생되는 것으로 나타났다.
6%를 차지하고 나머지는 지방자치단체에서 관리하고 있다(농림부, 2003). 이 농업용 댐을 높이별로 분류하면 10 m 미만의 중소규모 저수지가 전체의 83.2%를 차지하며, 저수지 유효저수량을 기준으로 농업용수용 댐을 살펴보면 100만 ton 미만의 유효저수량을 가지는 댐이 차지하는 비율은 98%인 것으로 나타났다. 또한 농업기반공사에서 관리하는 댐을 여수로 형식별로 구분해 보면 자연 월류형이 3,283개소로 전체의 98%에 해당한다(한국시설안전기술공단, 2005).
그러나 설계홍수위 시 위어형상 별 측수로 내 월류양상을 비교해 보면 선형 측수로 여수로의 경우 위어를 통과한 측수로 내 흐름이 원활하였으나 직선형 및 곡선형 래버린스위어의 경우 방류량이 현 상태에 비해 40 cms 증가하여 위어를 월류한 흐름이 수면 위를 타고 반시계 방향으로 돌게되며 잠류가 발생되는 것으로 나타났다. 저수지 수위-방류량 모의 결과 래버린스위어의 경우 선형 측수로식 위어에 비해 유효길이를 더 확보할 수 있어서 저수위에서는 최대 71%의 방류량 증가 효과를 보였지만 수위가 증가함에 따라 측수로 내 잠류가 발생하여 두 곡선이 점차 근접해지는 경향을 나타내었다. 직선형 래버린스위어와 곡선형 래버린스위어에 의한 방류량은 유효길이 증가와 수맥간섭에 의한 상쇄효과로 그 차이가 미미한 것으로 나타났다.
기상청에서는 한 시간에 30 mm 이상이나 하루에 80 mm 이상의 비가 내릴 때, 또는 연강수량의 10%에 상당하는 비가 하루 동안 비교적 좁은 지역(반경 10~20 정도)에 내리는 경우를 집중호우라 정의한다(기상청, 1998). 지난 30년 동안 전국 지상관측지점 60개소에 대해 1시간 최다강수량 50 mm 이상의 연평균 발생 빈도를 분석한 결과, 1977~1986년 143회, 1987~1996년 159회, 1997~2006년 254회로 최근 10년 동안 크게 증가하는 추세를 보였다. 여름철 우리나라 남동쪽에 자리 잡는 북태평양 고기압이 1980년 이후 서쪽으로 계속 세력을 확장하고 있어 기상학자들은 국지성 폭우의 원인을 해수면 온도 상승에 의한 지구 온난화로 추정하고 있다.
저수지 수위-방류량 모의 결과 래버린스위어의 경우 선형 측수로식 위어에 비해 유효길이를 더 확보할 수 있어서 저수위에서는 최대 71%의 방류량 증가 효과를 보였지만 수위가 증가함에 따라 측수로 내 잠류가 발생하여 두 곡선이 점차 근접해지는 경향을 나타내었다. 직선형 래버린스위어와 곡선형 래버린스위어에 의한 방류량은 유효길이 증가와 수맥간섭에 의한 상쇄효과로 그 차이가 미미한 것으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
집중호우란?
기상청에서는 한 시간에 30 mm 이상이나 하루에 80 mm 이상의 비가 내릴 때, 또는 연강수량의 10%에 상당하는 비가 하루 동안 비교적 좁은 지역(반경 10~20 정도)에 내리는 경우를 집중호우라 정의한다(기상청, 1998). 지난 30년 동안 전국 지상관측지점 60개소에 대해 1시간 최다강수량 50 mm 이상의 연평균 발생 빈도를 분석한 결과, 1977~1986년 143회, 1987~1996년 159회, 1997~2006년 254회로 최근 10년 동안 크게 증가하는 추세를 보였다.
국내 관개용수를 위해 건설된 댐 대부분이 중소규모의 자연 월류형 댐이라 할 수 있는 이유는?
6%를 차지하고 나머지는 지방자치단체에서 관리하고 있다(농림부, 2003). 이 농업용 댐을 높이별로 분류하면 10 m 미만의 중소규모 저수지가 전체의 83.2%를 차지하며, 저수지 유효저수량을 기준으로 농업용수용 댐을 살펴보면 100만 ton 미만의 유효저수량을 가지는 댐이 차지하는 비율은 98%인 것으로 나타났다. 또한 농업기반공사에서 관리하는 댐을 여수로 형식별로 구분해 보면 자연 월류형이 3,283개소로 전체의 98%에 해당한다(한국시설안전기술공단, 2005). 그러므로 국내 관개용수를 위해 건설된 댐은 대부분이 중소규모의 자연 월류형 댐이라 할 수 있다.
농업용 댐을 높이별로 분류하면?
6%를 차지하고 나머지는 지방자치단체에서 관리하고 있다(농림부, 2003). 이 농업용 댐을 높이별로 분류하면 10 m 미만의 중소규모 저수지가 전체의 83.2%를 차지하며, 저수지 유효저수량을 기준으로 농업용수용 댐을 살펴보면 100만 ton 미만의 유효저수량을 가지는 댐이 차지하는 비율은 98%인 것으로 나타났다. 또한 농업기반공사에서 관리하는 댐을 여수로 형식별로 구분해 보면 자연 월류형이 3,283개소로 전체의 98%에 해당한다(한국시설안전기술공단, 2005).
참고문헌 (22)
기상청(1998) 호우의 특성과 예보
농림부(2003) 농업생산기반정비사업 통계연보
박세훈, 문영일, 서일원, 이대흥(2005) 중.소규모 댐에 대한 홍수배제능력 증대방안에 대한 연구, 한국수자원학회 학술발표회 논문집, 한국수자원학회, pp. 735-739
유대영, 김성태, 우효섭(2002) 재폭기 효율 증가를 위한 래버린스 보에 관한 연구, 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제35권 제5호, pp. 511-523
Emiroglu, M.E. and Baylar, A. (2005) Influence of included angle and sill slope on air entrainment of triangular planform labyrinth weirs, Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 131, No. 3, pp. 184-189
Wormleaton, P.R. and Soufiani, E. (1998) Aeration performance of triangular planform labyrinth weirs, Journal of Environmental Engineering, Vol. 124, No. 8, pp. 709-719
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