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문제 정의
- 이러한 점에 착안하여 본 연구에서는 3차원 평면개수로에서 수문의 통수성능을 평가하기 위한 수리모형실험을 수행하였으며, 특별히 유량계수 평가와 관련하여 수위계측 위치의 선정 및 평가 방법을 합리적으로 결정하고자 시도하였다. 또한 수문 구조물이 다수 설치될 경우 각 수문의 통수성능이 위치별로 공간적으로 어떻게 달라지는지에 대해서도 고찰하여 주요한 실험결과를 제시하였다.
- 본 연구에서는 평면개수로에서 조력발전용 수문 구조물의 수리적 특성을 고찰하기 위한 실험을 수행하였으며, 수문의 통수성능 및 공간적 유속 분포 등에 대한 실험 결과를 제시하였다. 특히, 수문의 통수성능 지표로 사용되고 있는 유량계수가 본질적으로 수문 구조물 전면과 후면의 조차(수위차)에 반비례하는 관계가 있기 때문에 수위차 평가 방법에 따라서 유량계수 산정값이 달라질 수 있다는 점에 주목하여 평면개수로 내 흐름방향 및 횡방향 수위 분포를 계측하여 가능한 객관적으로 수위차를 평가하는 방법을 제시하였다.
- 특히 수문의 통수성능을 평가할 때 자주 활용되는 지표인 유량계수의 평가 방법 및 그 값과 관련해서는 선행 연구 결과 간에 큰 차이가 있었다. 이러한 점에 착안하여 본 연구에서는 3차원 평면개수로에서 수문의 통수성능을 평가하기 위한 수리모형실험을 수행하였으며, 특별히 유량계수 평가와 관련하여 수위계측 위치의 선정 및 평가 방법을 합리적으로 결정하고자 시도하였다. 또한 수문 구조물이 다수 설치될 경우 각 수문의 통수성능이 위치별로 공간적으로 어떻게 달라지는지에 대해서도 고찰하여 주요한 실험결과를 제시하였다.
제안 방법
- 5 m, EL.(-)3.0 m의 세 가지 조건을 적용하였으며, 실험 유량은 Q = 400, 520, 640, 770, 890, 970, 1070 m3/sec의 일곱 가지 조건으로 변화시켰다. 다만 위 외해측 조위 조건은 목표 조건으로서 실험 수행 중 최대한 이 목표에 가깝게 되도록 시행착오를 거치면서 계측을 수행하였다.
- Fig. 1에 보인 것처럼 총 10개의 수문 구조물과 2개의 연결구조물을 아크릴로 제작하여 길이 방향으로 관측구간의 중앙에 설치하였으며, 그 양 측면은 조력발전소 방조제와 같이물이 통과하지 못하도록 벽을 만들어서 차폐하였다. 모형 수문 1개의 길이는 63.
- 0 m의 세 가지 조건을 적용하였으며, 실험 유량은 Q = 400, 520, 640, 770, 890, 970, 1070 m3/sec의 일곱 가지 조건으로 변화시켰다. 다만 위 외해측 조위 조건은 목표 조건으로서 실험 수행 중 최대한 이 목표에 가깝게 되도록 시행착오를 거치면서 계측을 수행하였다. 모든 실험 조건에 대하여 각 실험 조위의 목표값과 재현값 사이의 차이는 1 mm 이내였으며, 이는 현장 조건으로 환산할 경우 대략 7 cm 이내에 해당한다.
- 따라서 본 연구에서는 Fig. 6에 보인 것처럼 횡방향으로 평면개수로의 중앙 위치를 기준으로 0 m, ±2 m 및 ±4 m의 5점에서의 수위를 수문 구조물 하류측 Apron 구간 종점(경사면 상단)으로부터 흐름방향으로 0, 1, 2, 3, 4 m 떨어진 다섯 위치에 대하여 각각 계측하고, 그 결과를 바탕으로 하류측에서의 최종 수위 계측위치를 결정하였다.
- 수문 구조물의 통수성능을 평가함에 있어 수위 계측위치는 영향을 미치게 되는데, 계측위치 결정에 관해서 참고할 만한 국·내외 문헌 또는 지침이 별로 없는 실정이다. 본 연구에서는 가능한 합리적으로 계측위치를 결정하기 위해서 다음과 같이 실험 조건에 대하여 평면개수로에서 흐름방향 및 횡방향으로 각각 수위 분포를 파악한 후에 그 결과를 바탕으로 수위 계측위치를 선정하였다.
- 본 연구에서는 마찰 손실수두를 평가하기 위하여 각 실험 조건 별로 수문 및 조력댐이 설치되지 않은 상태에서 Fig. 8에 보인 수위 계측점에서 수위 계측을 수행하여 상·하류측 사이의 수위차를 산정하였다.
- 수리모형실험은 세 가지 서로 다른 외해측 조위 조건에 대하여 유량 조건을 일곱 가지로 달리하면서 수행하였다. 외해측 조위는 EL.
- 실험 유량은 유량공급시설에 부착된 전자식유량계의 지시 값으로 평가하였으며, 수위는 초음파식 수위계를 이용하여 측정하였다. 수위 계측은 25 Hz의 시간 간격으로 1분간 수행하여 평균값을 구하고, 이러한 과정을 3회 연속적으로 반복하여 3회 평균값을 최종적인 수위로 결정하였다. 만약 계측 진행 중수위가 급격하게 변하는 경우에는 그 때까지 계측된 데이터를 무시하고 처음부터 다시 3회 계측을 수행하여 수위 계측 평균값이 일관되게 나타나는 경우에만 최종적인 데이터를 수집하였다.
- 실험 유량도 목표 유량의 ±2% 이내에서 형성될 수 있도록 유량공급 장치를 제어하였다.
- 실험 유량은 유량공급시설에 부착된 전자식유량계의 지시 값으로 평가하였으며, 수위는 초음파식 수위계를 이용하여 측정하였다. 수위 계측은 25 Hz의 시간 간격으로 1분간 수행하여 평균값을 구하고, 이러한 과정을 3회 연속적으로 반복하여 3회 평균값을 최종적인 수위로 결정하였다.
- 위에서 설명한 것처럼 수문 구조물 전면에서는 Apron 상단에서 상류측 방향으로 1 m, 수문 구조물 후면에서는 Apron 상단에서 하류측 방향으로 4 m 떨어진 지점에서 각각 횡방향으로 수조 중앙 위치를 기준으로 0 m(중앙), ±2 m 및 ±4 m의 5 지점에서 수위를 계측하였다.
- 유량계수를 합리적으로 평가하기 위하여 이 등(2008a)에 제시된 것처럼 개수로 내 마찰에 의한 수두 손실의 영향을 고려하였다. 즉, 수로 바닥면에서 흐름과의 마찰 효과로 인하여 수문이 설치되어 있지 않는 경우에도 임의의 두 지점 사이에는 수두차가 발생하게 되며, 이러한 수두 손실은 실제 조력발전소 내·외측의 조차를 평가하는 경우에는 무시될 수 있는 것이므로 수두차(∆H) 산정 시 이 효과를 고려할 필요가 있다.
- 한편, 수문 구조물을 통과하는 흐름이 역방향일 경우에 대해서도 동일한 수위 및 유량 조건에 대하여 수리모형실험을 수행하였다. 이를 위해서 평면 개수로에 수문 모형을 반대 방향으로 설치한 후에 실험을 진행하였다. 통상 수문 구조물은 발전 낙차를 극대화시키기 위해서 발전기를 가동하지 않는 시간대(낙조식 발전의 경우에는 창조 시, 창조식 발전의 경우에는 낙조 시)에 개방하는 것이 일반적이지만, 경우에 따라서는 특별한 목적을 위해 역방향 흐름 조건에서 수문을 개방할수도 있다.
- 본 연구에서는 평면개수로에서 조력발전용 수문 구조물의 수리적 특성을 고찰하기 위한 실험을 수행하였으며, 수문의 통수성능 및 공간적 유속 분포 등에 대한 실험 결과를 제시하였다. 특히, 수문의 통수성능 지표로 사용되고 있는 유량계수가 본질적으로 수문 구조물 전면과 후면의 조차(수위차)에 반비례하는 관계가 있기 때문에 수위차 평가 방법에 따라서 유량계수 산정값이 달라질 수 있다는 점에 주목하여 평면개수로 내 흐름방향 및 횡방향 수위 분포를 계측하여 가능한 객관적으로 수위차를 평가하는 방법을 제시하였다.
- 5 m이다. 평면개수로 유입부에는 개수로 내로 유입되는 물을 효과적으로 정류시키기 위하여 다열의 타공판을 설치하여 관측수로로 유입되는 흐름의 평면분포가 최대한 균일하게 유지될 수 있도록 하였다. 한편, 평면개수로 끝 부분에는 플랩 형식의 웨어를 설치하여 평면개수로 내 수위를 조절하였다.
- 한편, 10개의 수문별 평균유속 및 통과유량 분포를 파악하기 위해서 모든 실험 조건에 대해서 10개의 수문 구조물 바로 뒤에서 각각 유속을 계측하였다. 각 수문 구조물 별 평균유속은 수문 구조물 통수단면의 연직 높이를 h라고 했을 때, 0.
- 한편, 수문 구조물을 통과하는 흐름이 역방향일 경우에 대해서도 동일한 수위 및 유량 조건에 대하여 수리모형실험을 수행하였다. 이를 위해서 평면 개수로에 수문 모형을 반대 방향으로 설치한 후에 실험을 진행하였다.
- 평면개수로 유입부에는 개수로 내로 유입되는 물을 효과적으로 정류시키기 위하여 다열의 타공판을 설치하여 관측수로로 유입되는 흐름의 평면분포가 최대한 균일하게 유지될 수 있도록 하였다. 한편, 평면개수로 끝 부분에는 플랩 형식의 웨어를 설치하여 평면개수로 내 수위를 조절하였다. 수위 조절용 웨어는 전자식 제어기에 의해서 작동되며, 미세 조정이 가능하여 평면개수로 내 수위를 정밀하게 조절할 수 있도록 제작되었다.
대상 데이터
- 2에 보인 것처럼 벤츄리(Venturi) 형식의 수문을 선정하였다. 모형 구조물은 평면개수로의 규모 및 실험 조건 등을 종합적으로 고려하여 원형(prototype)의 1/70로 제작하였다. 실험 축척 결정 시 가장 중요한 요소는 실험유량인데, 이는 통상 수리모형실험 시 적용하는 Froude 상사법칙을 적용할 경우 유량은 실험축척의 2.
- 1에 보인 것처럼 총 10개의 수문 구조물과 2개의 연결구조물을 아크릴로 제작하여 길이 방향으로 관측구간의 중앙에 설치하였으며, 그 양 측면은 조력발전소 방조제와 같이물이 통과하지 못하도록 벽을 만들어서 차폐하였다. 모형 수문 1개의 길이는 63.6 cm, 폭은 27.1 cm 였으며, 따라서 수문구조물 10개에 해당하는 전체 폭은 2.71 m였다. 한편, 평면개수로 바닥면은 Fig.
- 수리모형실험을 위한 수문 구조물로는 인천만 조력발전 예비타당성조사 결과를 참고하여 Fig. 2에 보인 것처럼 벤츄리(Venturi) 형식의 수문을 선정하였다. 모형 구조물은 평면개수로의 규모 및 실험 조건 등을 종합적으로 고려하여 원형(prototype)의 1/70로 제작하였다.
- 8h의 세 위치에서 계측한 값을 평균하여 계산하였다. 유속 계측에는 전자기식 유속계를 사용하였으며, 각 위치 별로 1분간 50 Hz로 데이터를 수집하였다. Fig.
- 1에 나타내었다. 이 평면개수로의 길이는 22.2 m이며, 실험이 가능한 관측구간의 길이는 18.9 m이다. 한편 개수로의 폭은 16.
- 5 mm 이내 정도로 작아지며, 특히, 유량별로도 큰 차이를 나타내지 않음을 확인할 수 있다. 이러한 점에 근거하여 하류측 수위 계측 위치는 1:10 경사면 끝단으로부터 4 m 하류 지점으로 선정하였다.
- 한편, 수문 구조물 전·후면에 Apron 구간이 존재하며, Apron의 형상에 따라서 수문의 통수성능이 달라질 수있기 때문에 수위 계측점의 위치는 Apron 구간 바깥쪽에 위치해야 할 것이다. 이러한 점을 종합적으로 고려하여 수문 구조물 상류측에서의 수위 계측 위치는 Apron 구간 시작점(경사면 상단)으로부터 상류측 방향으로 1 m 떨어진 곳으로 선정하였다.
데이터처리
- 한편, 10개의 수문별 평균유속 및 통과유량 분포를 파악하기 위해서 모든 실험 조건에 대해서 10개의 수문 구조물 바로 뒤에서 각각 유속을 계측하였다. 각 수문 구조물 별 평균유속은 수문 구조물 통수단면의 연직 높이를 h라고 했을 때, 0.2h, 0.6h, 0.8h의 세 위치에서 계측한 값을 평균하여 계산하였다. 유속 계측에는 전자기식 유속계를 사용하였으며, 각 위치 별로 1분간 50 Hz로 데이터를 수집하였다.
- 위에서 설명한 것처럼 수문 구조물 전면에서는 Apron 상단에서 상류측 방향으로 1 m, 수문 구조물 후면에서는 Apron 상단에서 하류측 방향으로 4 m 떨어진 지점에서 각각 횡방향으로 수조 중앙 위치를 기준으로 0 m(중앙), ±2 m 및 ±4 m의 5 지점에서 수위를 계측하였다. 그리고, 수문 구조물 상류측과 하류측의 최종 수위는 이 각각의 5점의 평균 수위를 공간적으로 평균한 값으로 결정하였다.
- 우선, 흐름방향 수위 분석을 위해서 Fig. 4와 같이 평면개수로의 중앙 단면을 따라서 총 19점에서 평균수위를 계측하였다. Fig.
성능/효과
- 이러한 큰 수위차는 수문 구조물 하류측으로 갈수록 완화되지만, 경사면 종점으로부터 하류측으로 3 m 떨어진 지점에서까지도 여전히 남아있는 모습이다. 경사면 종점으로부터 하류측으로 4 m 떨어진 위치에 도달해서야 횡방향 수위 변동폭의 범위가 0.5 mm 이내 정도로 작아지며, 특히, 유량별로도 큰 차이를 나타내지 않음을 확인할 수 있다. 이러한 점에 근거하여 하류측 수위 계측 위치는 1:10 경사면 끝단으로부터 4 m 하류 지점으로 선정하였다.
- 5제곱에 비례하므로 축척에 따라 가장 민감하게 변하기 때문이다. 따라서 본 실험의 경우에도 유량공급시설의 설치 규모 및 실험유량 조건을 감안하여 모형 축척을 결정하였으며, 1/70 축척이 실험가능한 최대 축척이었다. 통상 항만구조물의 성능 평가등을 위한 조파실험의 경우 1/100 이하의 축척을 채택하는 경우도 많지만, 개수로 실험의 경우 수위의 절대값 계측이 중요한 요소이므로, 가능한 축척을 1/100보다 대축척으로 하는 것이 바람직하다.
- 그러나 세부적으로는 10개의 수문 중 가운데 쪽에 위치한 5번과 6번 수문에서 유속이 다소 빠르며 가장자리에 위치한 1번과 10번 수문에서는 다소 느린 것을 확인할 수 있다. 또한, 실험유량이 증가할수록 수문 구조물 통과유속도 증가하는 경향을 확인할 수 있었으며, 실험 유량이 가장 큰 경우(Q = 1070 m3/s)에는 중앙부에 위치한 수문의 평균유속이 약 4.5 m/s에 이르렀다.
- 한편, 외해측 조위 및 수두차를 다양하게 변화시키면서 실험을 수행한 결과, 유량계수의 값이 이 두 가지 요인의 변화에 따라서 크게 변하지 않는다는 점을 알 수 있었다. 또한, 특수한 상황을 가정하여 수문 구조물을 통상의 경우와 반대인 조건(역방향 흐름)에서 개방할 때의 수문의 통수성능을 평가하였으며, 이 경우에는 정방향 흐름 조건에 비해서 유량계수가 평균적으로 16% 감소하는 결과를 얻었다. 역방향 흐름의 경우 수문 상부구조물의 단면이 급격하게 변하기 때문에 유량 유입과정에서 더 많은 에너지 손실이 발생하여 통수성능이 저하되는 것으로 추정된다.
- 마지막으로, 수문 구조물 10개의 통과유속을 각각 계측한 결과로부터 중앙 쪽에 위치한 수문의 통과유속은 10개 수문의 전체 평균값에 비해서 약 2~3% 빠르며, 가장자리 쪽에 위치한 수문의 통과유속은 약 4~5% 느림을 확인하였다. 다만, 이러한 결과는 본 실험이 수행된 평면개수로 수문 구조물 상·하류측 지형의 형상이 대칭적인 조건에서의 결과이며, 만약 지형이 비대칭적일 경우에는 수문 통과유속의 평면 분포가 달라질 수 있음을 유의해야 할 것이다.
- 취득된 실험자료의 분석결과로부터 본 연구에서 사용된 수문 구조물의 유량계수는 대체로 1.3~1.4의 범위에 분포하는 것으로 평가되었으며, 이는 선행연구인 이 등(2008b)의 실험 결과와 비교해 볼 때 평균적으로 40% 정도 작은 값이다. 이러한 차이가 발생하는 이유는 이 등(2008b)의 실험은 Apron 구간이 없는 평평한 바닥에서 수행되었던 반면, 본 연구에서는 수문구조물 전·후면에 Apron 구간이 존재하여 수문 구조물 유·출입 유량이 제한되었던 점과 이 등(2008b)의 실험은 2차원 개수로에서 수행된 반면, 본 연구에서는 평면개수로에서 3차원적 실험이 수행되어서 수문 구조물 접근 유속장이 서로 달랐던 점의 두 가지 요인 때문인 것으로 파악된다.
- 이 그림으로부터 중앙부 수문 구조물의 유속은 전체 평균값에 비해서 약 2~3% 정도 빠르며, 맨 가장자리에 위치한 수문 구조물의 유속은 전체 평균값에 비해서 약 4~5% 정도 느림을 확인할 수 있다. 특히, 이러한 경향은 실험유량이 클수록 뚜렷하게 나타났으며, 실험유량이 작은 경우에는 상대적으로 공간적인 분포가 더 균질한 특성을 보였다.
- 한편, 외해측 조위 및 수두차를 다양하게 변화시키면서 실험을 수행한 결과, 유량계수의 값이 이 두 가지 요인의 변화에 따라서 크게 변하지 않는다는 점을 알 수 있었다. 또한, 특수한 상황을 가정하여 수문 구조물을 통상의 경우와 반대인 조건(역방향 흐름)에서 개방할 때의 수문의 통수성능을 평가하였으며, 이 경우에는 정방향 흐름 조건에 비해서 유량계수가 평균적으로 16% 감소하는 결과를 얻었다.
후속연구
- 다만, 이러한 결과는 본 실험이 수행된 평면개수로 수문 구조물 상·하류측 지형의 형상이 대칭적인 조건에서의 결과이며, 만약 지형이 비대칭적일 경우에는 수문 통과유속의 평면 분포가 달라질 수 있음을 유의해야 할 것이다.
- 이러한 차이가 발생하는 이유는 이 등(2008b)의 실험은 Apron 구간이 없는 평평한 바닥에서 수행되었던 반면, 본 연구에서는 수문구조물 전·후면에 Apron 구간이 존재하여 수문 구조물 유·출입 유량이 제한되었던 점과 이 등(2008b)의 실험은 2차원 개수로에서 수행된 반면, 본 연구에서는 평면개수로에서 3차원적 실험이 수행되어서 수문 구조물 접근 유속장이 서로 달랐던 점의 두 가지 요인 때문인 것으로 파악된다. 향후 이 두 가지 요인에 대해서는 추가적인 연구를 수행하여 각각의 영향에 대하여 보다 상세하고 명확한 결론을 도출할 계획이다.
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