비상방류시설은 안전한 댐 운영 및 유지관리를 위해서 절대적으로 필요한 시설임에도 불구하고 국내 댐의 경우 이를 고려한 설계가 이루어지지 않아 각 댐의 비상방류 대응 적정성을 판단하기 곤란한 상황이다. 특히 국내 댐의 경우 비상방류시설규모를 산정하는 기준이 일정치 않을 뿐만 아니라 대부분의 용수댐은 별도의 방류시설 조차도 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 기존댐 방류시설 현황 분석, 국내외 비상방류시설 설계기준 등의 검토와 함께 국내 댐설계기준을 적용한 가상 댐체와 수어댐을 대상으로 수위에 따른 방류능 분석을 수행하였다. 또한 SEEP 프로그램 등을 활용, 수위저하 속도에 따른 제체의 사면 안정성을 검토함으로써 비상방류 시설의 적정규모 산정기준을 제시하고자 하였다. 이를 위하여 수리학적 해석을 통해 저류수심에 따른 제체에 작용하는 힘을 분석하였으며 수위저하 속도 변화에 따른 제체의 안정성을 검토하여 허용수위저하 속도 범위를 제시하였다. 수위 25% 저감은 하중을 50%까지 감소시켜 초기수위 저감이 중요한 것을 알 수 있었다. 가상 댐체는 물론 수어댐에 수위저하 속도 1 m/일을 적용하더라도 제체의 안전성은 보장됨을 확인하였다. 다만, 방류능과 방류 소요일수는 수위별 저류용량 등 저류지 특성과 밀접한 관계가 있어 초기대응을 위해서는 7~10일 이내에 저류수심의 25%를 먼저 방류시키고 나머지 방류량은 1~2개월 이내에 방류할 것을 제안하였다.
비상방류시설은 안전한 댐 운영 및 유지관리를 위해서 절대적으로 필요한 시설임에도 불구하고 국내 댐의 경우 이를 고려한 설계가 이루어지지 않아 각 댐의 비상방류 대응 적정성을 판단하기 곤란한 상황이다. 특히 국내 댐의 경우 비상방류시설규모를 산정하는 기준이 일정치 않을 뿐만 아니라 대부분의 용수댐은 별도의 방류시설 조차도 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 기존댐 방류시설 현황 분석, 국내외 비상방류시설 설계기준 등의 검토와 함께 국내 댐설계기준을 적용한 가상 댐체와 수어댐을 대상으로 수위에 따른 방류능 분석을 수행하였다. 또한 SEEP 프로그램 등을 활용, 수위저하 속도에 따른 제체의 사면 안정성을 검토함으로써 비상방류 시설의 적정규모 산정기준을 제시하고자 하였다. 이를 위하여 수리학적 해석을 통해 저류수심에 따른 제체에 작용하는 힘을 분석하였으며 수위저하 속도 변화에 따른 제체의 안정성을 검토하여 허용수위저하 속도 범위를 제시하였다. 수위 25% 저감은 하중을 50%까지 감소시켜 초기수위 저감이 중요한 것을 알 수 있었다. 가상 댐체는 물론 수어댐에 수위저하 속도 1 m/일을 적용하더라도 제체의 안전성은 보장됨을 확인하였다. 다만, 방류능과 방류 소요일수는 수위별 저류용량 등 저류지 특성과 밀접한 관계가 있어 초기대응을 위해서는 7~10일 이내에 저류수심의 25%를 먼저 방류시키고 나머지 방류량은 1~2개월 이내에 방류할 것을 제안하였다.
It is well known that emergency outlet works have to be provided for the safety of dams. However, concept of emergency outlet works did not applied for the design of the most dams in Korea. Korean design standard for low-level outlet works does not provide enough design criteria which could be used ...
It is well known that emergency outlet works have to be provided for the safety of dams. However, concept of emergency outlet works did not applied for the design of the most dams in Korea. Korean design standard for low-level outlet works does not provide enough design criteria which could be used in design of emergency outlet works. In this research, as-built status and hydraulic design criteria of outlet works, such as drawdown rate or hydraulic pressure due to the impounded water depth, were examined. Another relationship between drawdown rate and the dam slope stability was also examined with SEEP model. It was found that 25% reduction of impounded water depth decreases the pressure forces about 50%. Therefore, outlet works should be designed to drawdown properly at the beginning of the emergency. Seepage analysis of dam bodies showed that most of Korean dams could safely stand for 1m/day drawdown rate. Higher drawdown rate could result high discharge so the drawdown rate must be related with the flood risk of downstream. Finally, multi-stage design was recommended that faster discharge for the initial 25% of water depth in 7-10 days than the rest of it in 1-2 months.
It is well known that emergency outlet works have to be provided for the safety of dams. However, concept of emergency outlet works did not applied for the design of the most dams in Korea. Korean design standard for low-level outlet works does not provide enough design criteria which could be used in design of emergency outlet works. In this research, as-built status and hydraulic design criteria of outlet works, such as drawdown rate or hydraulic pressure due to the impounded water depth, were examined. Another relationship between drawdown rate and the dam slope stability was also examined with SEEP model. It was found that 25% reduction of impounded water depth decreases the pressure forces about 50%. Therefore, outlet works should be designed to drawdown properly at the beginning of the emergency. Seepage analysis of dam bodies showed that most of Korean dams could safely stand for 1m/day drawdown rate. Higher drawdown rate could result high discharge so the drawdown rate must be related with the flood risk of downstream. Finally, multi-stage design was recommended that faster discharge for the initial 25% of water depth in 7-10 days than the rest of it in 1-2 months.
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문제 정의
후)댐 제체에">댐제체에 작용하는 힘은 56%까지 감소하여 댐 안정성 확보에 효과적인 것으로 확인되었다. 따라서 방류기준은 저류지 수위에 따라 달리 적용하는 다단계 운영기준을 제안하였다.
따라서 본 연구에서는 기존댐 방류시설 현황 분석, 수위배제용 시설의 적정규모, 국내외 비상방류시설 설계기준 등의 검토를 통해 방류시설의 기능이 충분히 발휘될 수 있는 시설을 계획할 수 있도록 적정 규모산정 기준을 검토, 제시하고자 한다. 다만 연구범위가 너무 방대하여 본 논고에서는 수리학적 검토를 집중적으로 수행하였으며 수문학적 검토는 연속으로 게재된 동일
후)수위 저하">수위저하 속도는 상대적으로 그 기준 범위가 비교적 작게 나타났으며 제체의 특성에 따라 그 기준의 적정성은 수리학적 판단이 가능한 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 보편적 제체 댐 설계기준에 부합되는 가상의 이상제체와 국내 댐 중 사면경사는 가파르며 수심이 깊어 안전율이 낮을 것으로 예상되는 수어 댐을 대상으로 수위저하 속도에 따른 안전율, 초기 수위가 안전율에 미치는 수리학적 영향을 검토하였으며 다음과 같은 설계기준을 제시하였다.
후)방류일수산정을">방류일수 산정을 위해서는 수위별 저류량이 반드시 고려되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 우리나라의 다목적 댐과 용수 댐에 대하여 수위별 저류량 관계를 분석하였다. 각 댐의 수위-저류량 특성을 동시에 비교하기 위하여
후)설계대상댐에">설계대상 댐에 대한 정밀해석이 필요하다. 본 연구에서는 국내외 설계기준 및 운영관리 경험 등을 고려하여 1 m/일 이하의 보수적 설계기준 적용을 권장하였다.
후)수위급 강하에">수위 급강하에 따른 제체의 안정성은 잘 알려진 바와 같이 제체의 제원 및 구성재료의 특성에 따라 달라진다. 본 연구에서는 댐 설계기준에서 제시하는 보편적 제체기준에 준하는 가상의 제체모형과 실제 댐에 대하여 실무에서 많이 사용되는 수치모형(SEEP/W, SLOPE/W)을 이용하여 제체의 안전성을 지배하는 인자의 특성을 분석하였다.
제안 방법
가상제체는 코어가 있는 경우와 없는 경우로 다시 분류하여 분석하였으며 저류수심 9.0 m, 수위 저하속도 1 m/일∼3 m/일에 대하여 투수계수를 1.0 × 10-3cm/s부터 1.0 × 10-7cm/s까지 변화시켜가며 안전율에 미치는 영향을 검토하였다.
후)용수댐에">용수 댐에 대하여 수위별 저류량 관계를 분석하였다. 각 댐의 수위-저류량 특성을 동시에 비교하기 위하여 수위 비-저류량 비를 분석하였다(Fig. 2). 수위 비(h/hmax)는 수위와 저수위 차에 해당하는 수심(h)에 대한 저수위부터 여수로 월류부 수위의 수심(hmax)이며 저류량 비(∀/∀max)는 저수위부터
각종 방류시설 규모산정 기준을 선정하기 위하여 수압에 의한 제체 작용력과 수위급강하에 따른 제체사면 안정성 등 댐 수위에 따른 방류기준에 대한 다양한 수리학적 분석과 함께 우리나라 저류지의 수위-저류량 관계 특성 및 방류규모 현황 등을 검토하였다.
후)수위 저하">수위저하 속도를 기준으로 활용하는 경우도 많은 것으로 확인되었다. 그러나 국내의 저수지와 댐 특성에 따라 각 기준의 적용성이 상이할 수 있어 본 연구에서는 아래와 같이 다양한 조건에 대하여 방류시설 규모를 산정하고 그 결과를 비교분석하였다.
후)규모 산정">규모산정 기준을 검토, 제시하고자 한다. 다만 연구범위가 너무 방대하여 본 논고에서는 수리학적 검토를 집중적으로 수행하였으며 수문학적 검토는 연속으로 게재된 동일 논문제목(II)편에 기술하였다.
댐 안전관리를 위해서는 비상방류시설 규모가 크면 유리하나, 용수공급 안정성과 하류의 치수적 안정성 등과는 상충되므로 총 배제용량에 대한 방류기간은 2단계로 나누어 초기 방류수심 상위 25%는 7～10일 이내, 그 이하의 수위에 대해서는 우리나라의 기후와 중소규모 다목적댐 설계사례 그리고 USBR 기준 등을 고려하여 1～2개월을 제안하였다.
두 번째는 국내 댐 중에서 사면경사가 가파르고 수심이 깊어 안전계수가 상대적으로 낮아 수위저하 속도가 제체의 안전에 큰 영향을 미칠 것으로 예상되는 수어 댐을 선정, 다양한 수위 저하속도에 대한 제체의 안정성을 비교 분석하였다. 분석을 위한 초기
또한 제체 안정성 평가기법은 수치모형에서 제공하는 모든 해석기법(Janbu, Bishop, Lowe-Karafiath, Morgenstern-Price, Spencer 등)에 대하여 안전율의 변화를 검토하였다(Table 7). 수위저하 속도 1 m/일에 대한
후)저하 속도에">저하속도에 대한 제체의 안정성을 비교 분석하였다. 분석을 위한 초기 수위조건을 설계방류 수위의 100～25%로 설정하여 초기수심의 영향을 검토하였으며 수위는 방류대상 수위(여수로 월류부 수위 : 64 m, 저수위 : 44 m)까지 선형으로 감소하며 수위강하 속도는 1 m/ 일～3 m/일 범위로 설정하였다. Table 9는
설계인자의 영향을 검토하기 위하여 안정성분석은 두 가지 형태의 제체를 대상으로 수치해석을 수행하였다. 첫 번째는
이상의 방류기준에 대한 연구결과는 수리학적 검토만을 통해 얻은 결론으로 수자원 활용 및 저류지 유입량 등 수문학적 검토는 논문 2부에서 추가적으로 수행하였다.
후)안정성 분석은">안정성분석은 두 가지 형태의 제체를 대상으로 수치해석을 수행하였다. 첫 번째는 댐설계기준(KOWACO, 2011)에 부합하는 가상제체로써 제체 제원은 Table 4, 투수계수 및 내부 마찰각 등 지반정수는 Table 5와 같이 가정하여 안전율을 산정, 분석함으로써 설계인자의 영향을 검토하였으며 두 번째는 국내 댐 중 비교적 안정성이 낮을 것으로 예상되는 수어댐에 대한 안정성 평가를 수행하였다.
대상 데이터
비상방류시설은 저수지 초기 담수, 운영 또는 유지관리 중 저수지를 비워야 하는 비상시에 사용되며, 여수로 월류부 수위 이하의 저류수를 가능한 빠른 시간 내에 안전하게 방류시킬 수 있는 시설물로 정의하고 있다. 방류대상은 저수용량 중, 홍수조절용량과 사수량은 고려치 않으며, 여수로 월류부 수위 이하를 대상으로 한다. 방류시설의 설치 위치는 사수위보다 높게 설치하며 규모는 수위의 급강하, 하류하천의 피해, 저수지 주변 사면의 슬라이딩 등이 발생하지 않는 범위 내에서 단기간에 배제할 수 있도록 규모를 최대한 크게 계획하도록 기술하고 있다.
성능/효과
후)하중 감소">하중감소 등을 기준으로 다양하게 제시하고 있음을 확인하였다. 각 기준에 대한 검토결과 방류일수 기준은 댐의 안정성과 하류의 재해위험도 등 수문학적 기준이 내재된 반면 수위저하 속도는 상대적으로 그 기준 범위가 비교적 작게 나타났으며 제체의 특성에 따라 그 기준의 적정성은 수리학적 판단이 가능한 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 보편적 제체 댐
따라서 댐의 안정성 확보를 위해 수위를 최단시간에 낮추어야 하는 경우 h/ hmax> 75%에 대한 구간을 경계로 다른 설계기준의 적용이 효과적인 것으로 판단되었다.
후)이상 제체와">이상제체와 유사하게 수위 강하속도가 안전율에 미치는 영향은 상대적으로 크지 않은 것으로 확인되었다. 또한 수위 강하속도가 1 m/일인 경우 방류대상 최고수심에 대한 안전율과 초기수심의 영향에 의한 상대적 안전율은 각각 94.9, 90.1, 87.8%로 확인되어 초기수심이 높은 경우에 비해 낮은 경우 안전율은 낮아져 수심이 낮아질수록 수위 강하속도를 낮추는 다단계 운영 기준이 필요함을 보여주고 있다.
후)저하 속도가">저하속도가 커짐에 따라 최소 안전율이 다소 감소하기는 하나 그 차이는 미미하며 초기 안전율은 코어가 있을 때 그리고 최소 안전율과 간극수압 소산 후에 대한 안전율은 오히려 코어가 없을 때 더 높은 것을 알 수 있다. 또한 수위저하 속도가 1 m/일로부터 2～3 m/일로 증가함에 따른 안전율의 감소는 각각 95.2, 91.8% 로 감소하나 예상보다 수위저하 속도가 안전계수에 미치는 민감도는 크지 않음을 알 수 있다.
후)방류 규모가">방류규모가 댐체의 안정성에 미치는 영향은 상대적으로 낮은 것으로 확인되었다. 또한 초기수심을 25% 낮출 경우 수압이 댐제체에 작용하는 힘은 56%까지 감소하여 댐 안정성 확보에 효과적인 것으로 확인되었다. 따라서 방류기준은 저류지 수위에 따라 달리 적용하는 다단계
본 연구에서는 비상방류 시설규모 산정을 위해 국내외의 설계기준 비교검토는 물론 댐의 초기수위와 수위 급강하에 따른 댐의 안정성을 검토한 결과 비상방류시설 규모 설계기준은 방류일수와 수위저하 속도 및 댐체에 작용하는 하중감소 등을 기준으로 다양하게 제시하고 있음을 확인하였다. 각 기준에 대한
분석 결과 수어 댐도 이상제체와 유사하게 수위 강하속도가 안전율에 미치는 영향은 상대적으로 크지 않은 것으로 확인되었다. 또한 수위
후)수위비-저류량">수위 비-저류량 비 분석결과 우리나라 다목적 댐의 경우 수위에 따른 저류용량은 선형에 가까운 것으로 나타났으며 용수댐의 경우 수심이 깊어질수록 저류용량이 급감하는 형태를 보이고 있다. 다목적댐의 경우 방류대상 수위의 상위 25%를 낮출 경우 저류량은 27～36%를 방류할 수 있으며 용수댐의 경우 방류대상 수위의 상위 25%를 낮출 경우 저류량은 28～47%까지 방류할 수 있는 것으로 나타났다.
후)수치 모형에서">수치모형에서 제공하는 모든 해석기법(Janbu, Bishop, Lowe-Karafiath, Morgenstern-Price, Spencer 등)에 대하여 안전율의 변화를 검토하였다(Table 7). 수위저하 속도 1 m/일에 대한 검토결과 해석기법에 따른 안전율의 차이는 초기 수심에서는 다소 차이를 보이고 있으나 수위가 낮아질수록 안전율에는 기법별 차이가 없는 것으로 나타났다. 수위가 낮아졌을 때 안전율이 낮아져 더 위험한 점을 고려한다면 기법별 안전율 평가 결과에는 큰 차이가 없는 것으로 판단된다.
후)수위 저하">수위저하 속도가 동일한 경우 초기 수심이 댐에 미치는 안전율은 수심이 낮을수록 안전율도 낮아져 높은 수위에서의 방류규모가 댐체의 안정성에 미치는 영향은 상대적으로 낮은 것으로 확인되었다. 또한
후)초기저류수위">초기 저류수위 일부는 최대한 빠른 시간 내에 낮추는 것이 바람직하다. 이러한 초기방류 개념과 국내 댐 설계 현황을 종합적으로 고려하면 방류대상 상위 25%까지 수위를 낮추는 기준은 12일 이내가 적절한 것으로 판단된다. 단, 이 조건은
후)최고방류수위로부터">최고 방류수위로부터 방류대상 수심의 75%까지 낮출 경우 댐에 작용하는 힘은 초기의 56%까지 감소하는 사실을 알 수 있으며 따라서 초기 수위저감이 댐의 안정성 확보에 중요하다는 사실을 알 수 있다.
후속연구
후)수질 문제">수질문제 등 심각한 위기상황 발생 시 댐 관리자가 취할 수 있는 대응책이 대단히 제한적이며 피동적인 상황에 부딪힐 것으로 예상된다. 따라서 향후 안전한 댐 운영 및 유지관리를 위해서는 방류기능을 확보할 수 있는 추가 시설물 설치, 개선 등 대책마련이 필요할 것으로 판단된다. 다목적댐 비상방류시설 설계 현황을 보면
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
저류지의 방류시설은 용도에 맞는 기능이 발휘될 수 있도록 어떤 능력을 가지고 있어야 하는가?
특히 붕괴사고 전부터 둑에서 물이 새는 것이 관측되었던 것으로 알려져 있으나 비상시 저류수를 방류할 수 있는 시설이 없어 마땅한 대응책을 수립할 수 없었던 것으로 판단된다. 저류지의 방류시설은 여수로와는 별도로 여수로 월류부 수위 이하의 저수용량을 배제시키는 시설물로서 저수지 초기 담수 시 담수속도 조절뿐만 아니라 운영 또는 유지관리를 위해 저수지를 비워야 할 경우 저수지의 안전측면에서 반드시 설치되어야 하는 시설물이며, 용도에 맞는 기능이 발휘될 수 있도록 충분한 방류능력을 가지고 있어야 한다.
우리나라의 댐 설계기준의 방류설비 설계기준은 사실상 무엇의 기준을 따르고 있는가?
우리나라의 댐 설계기준(KWRA, 2011)의 방류설비 설계기준은 사실상 미국의 USBR (1990) 기준을 따르고 있다. 비상방류시설은 저수지 초기 담수, 운영 또는 유지관리 중 저수지를 비워야 하는 비상시에 사용되며, 여수로 월류부 수위 이하의 저류수를 가능한 빠른 시간 내에 안전하게 방류시킬 수 있는 시설물로 정의하고 있다.
저류지의 방류시설은 국내의 2011년 댐설계기준에서 비상방류설비(low-level outlet, bottom outlet)로 명명하여 규모산정 기준을 제시하고 있는데, 이 기준은 어떤 문제를 안고 있는가?
국내의 경우 2011년 댐설계기준에서는 비상방류설비(low-level outlet, bottom outlet)로 명명하고, 규모산정 기준을 제시하고 있다. 그러나 기준의 내용이 비상방류시 저수지 수위를 가능한 한 단기간에 배제할 수 있도록 “최대한 크게” 계획하도록 기술하고 있어 방류기간 동안의 유입량 및 배제목표시간 등의 핵심적 설계인자를 객관적으로 선정할 수 있는 기준이 없는 실정이다. 또한, 국내댐의 방류시설을 살펴보면 다목적댐의 경우 발전 및 비상 방류를 통해 방류기능이 수행될 수 있도록 설계되어 있으나 그 규모는 다양하며, 용수댐의 경우 관로를 통해 수도시설로 용수를 공급하게 되므로 최근 건설된 일부 댐을 제외하고는 별도의 하천 방류시설이 구비되어 있지 않은 실정이다.
참고문헌 (13)
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Japanes Ministry of Construction (1997). "River structural Facillities Design Guide." Ministry of Construction
Japanes Ministry of Construction (1997). "Technical guideline for River Training." Ministry of Construction
KOWACO (2004). "Design Guidline of Dam." Korean Water-Resources Corporation
KWRA (2011) "Dam Design Criteria." Korean Water-Resources Research Association
Liu X., and Zhang Z. (2009). "Stability of bank slope under reservoir water drawdown."
New York State (1989). "Guidelines for design of dams New York State." Bureau of flood protection
NSW government (2010). "Dam safety emergency plan for RYLSTONE DAM." NSW government
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Philpott, B., Oyeyemi, Y., and Sawyer, J. (2008). "Queen Mary and King George V emergency drawdown schemes."
Tran. (2004) "Stability problems of an earth fill-dam in rapid drawdown condition."
USACE (1975). "Low level discharge facilities for drawdown of impoundments." ER 1110-2-50, USACE
USBR (1990). "Criteria And Guidelines For Evacuating Storage Reservoirs And Sizing Low-level Outlet Works." ACER Technical memorandum No. 3, USBR
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