[논문]수치모형을 이용한 여수로의 수리학적 방류능력검토

최홍석; 안상로; 신은우

[국내논문] 수치모형을 이용한 여수로의 수리학적 방류능력검토
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최홍석 (한국시설안전기술공단 진단2본부 댐항만실) , 안상로 (한국시설안전기술공단 진단2본부 댐항만실) , 신은우 (한국시설안전기술공단 진단2본부)

최근 이상기후에 의한 홍수의 강도와 빈도가 증가하고 있어 기존 댐의 안전성 확보를 위한 여수로의 방류능력을 신뢰성 있게 평가하는 것이 강조되고 있다. 본 연구에서는 실제 1종 시설물 댐을 대상으로 1차원 및 3차원 수치모형을 이용하여 합리적인 수리학적 방류능력을 검토하고, 홍수방어능력을 증대시키기 위한 대책을 제시하였다.

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문제 정의

PMF 상황에서 여수로 하류부의 침수를 방지하기는 힘들지만, 설계홍수량에 대한 침수피해를 최소화하기 위한 방안으로 하류부 준설과 교량의 이설에 대해 검토하였다. 검토 결고}, 하류의 잡석 준설가능 깊이는 2m 정도이며, 감세지 하류부에 제한되므로, 교량 지점의 수위에 크게 영향을 미치지 못하는 것으로 분석되었다.

제안 방법

본 연구에서는 1995년 제정된 “시설물안전에관한특별법”에 의거하여 2002년 태풍 '루사'에 의해 일부 시설에 침수피해를 입은 바가 있는 1종 댐 시설물을 대상으로 월류부와 여수로 하류부로 수리시설물을 구분하여, 월류부에는 3차원 수치해석 프로그램인 FLOW3D를 적용하고, 여수로 하류부는 1차원 수치해석 프로그램인 HEC-RAS# 이용하여, 설계당시와 태풍 루사시, 현재 재산정한 PMF 기준을 적용하여 수리학적 방류능력을 검토하고, 안전성 확보를 위한 방안을 제시하였다.
우측벽쪽의 수위가 높으나, 지배단면을 지날 때 좌 . 우측 수위가 일치하여 안정된 흐름을 보이도록 설계되었다. 하류 잠류도가 방류량에 미치는 영향을 파악하기 위해 기존의 유량계수 조정표를 이용하기에는 측수로형 여 수로의 특성 상 한계 가 있으므로 FL0W3D 3차원 수치 모형 을 이 용하여 수위별 방류량 추정 에정확도를 기하였다.
우측 수위가 일치하여 안정된 흐름을 보이도록 설계되었다. 하류 잠류도가 방류량에 미치는 영향을 파악하기 위해 기존의 유량계수 조정표를 이용하기에는 측수로형 여 수로의 특성 상 한계 가 있으므로 FL0W3D 3차원 수치 모형 을 이 용하여 수위별 방류량 추정 에정확도를 기하였다.
3차원 모형의 매개변수 설정기준을 정확하게 제시하지 못한 한계가 있으며, 대책 방안에 대한 방류량 산정 절차에서는 안전성확보를 위해 방류량이 적은 댐설계기준을 이용하였다. 앞으로 수리시설물의 지형과 특성을 고려한 정확한 모의에 대한 노력이 필요하며, 모형에서 이용하는 매개변수의 상관관계에 대한 연구가 더욱 필요할 것이다.

대상 데이터

174 m인과 같은 자연월류식 측수로형 여수로를 가진 필 댐을 대상으로 모의하였다.
HEC-RAS의 적용 구간은 지배단면이 발생하는 No. 464 지점부터 교량 하류 69m인 No. 0 지점까지 총 464 m를 대상으로 17개 단면을 사용하였으며, 여수로의 조도계수는 댐 설계당시 수행한 수리모형실험에서 제시한 0.018을 사용하고, 그 외의 구간은 Barnes가 제안한 자연 하천의 조도계수를 고려하여 하폭 30 m이하의 매끈한 직선 하도에 적용되는 n=0.03 값을 사용하였다.

데이터처리

방류량을 계산하기 위해 설계기준 밖의 값을 외삽할 경우 수위 174 m에서 2, 578 m, 로 과대하게 산정되었고, 댐 설계기준에서 제시한 하류부 잠류도에 따른 유량계수 보정을 적용한 경우의 2와 같이 보정되었지만, 일반적인 여수로 기준을에서 보듯이 복잡한 직하류부 흐름 양상을 보이는 즉수로형 여수로에 적용하는데 다소 무리가 있는 것으로 판단되어 3차원 모의결과와 비교하였다.

이론/모형

소통능력이 부족하다는 것을 보여주고 있다. 침수 원인을 파악하기 위해 대상구간에 대해 유량별 수위를 모의하고, 감세지에서 발생하는 도수의 모의, 교량의 영향에 의한 수위 변동 등을 고려할 수 있는 1차원 수치 모델로 HEC-RAS를 적용하였다.

성능/효과

수리모형실험을 통한 대상 댐의 수위-방류량 관계곡선은<그림 3>에서와 같이 EL. 172.13 m까지 제시하고 있으나, 금회 추정한 PMF 상황에서의 수위는 173.98 m까지 상승하는 것으로 계산되었다. 방류량을 계산하기 위해 설계기준 밖의 값을 외삽할 경우 수위 174 m에서 2, 578 m, 로 과대하게 산정되었고, 댐 설계기준에서 제시한 하류부 잠류도에 따른 유량계수 보정을 적용한 경우<그림 3>의 2와 같이 보정되었지만, 일반적인 여수로 기준을<그림 4>에서 보듯이 복잡한 직하류부 흐름 양상을 보이는 즉수로형 여수로에 적용하는데 다소 무리가 있는 것으로 판단되어 3차원 모의결과와 비교하였다.
설계홍수량인 1, 330 m3/s 조건에서 검토 결과 교량 지점에서부터 배수(backwater)가 발생하여 상류부의 수위가 전반적으로 증가하고 좌측제방을 월류하는 것으로 나타나 교량의 영향이 큰 것으로 나타났으며, 도수가 발생하는 감세 지에 서도 월류가 발생하는 것으로 나타났다.
방안으로 하류부 준설과 교량의 이설에 대해 검토하였다. 검토 결고}, 하류의 잡석 준설가능 깊이는 2m 정도이며, 감세지 하류부에 제한되므로, 교량 지점의 수위에 크게 영향을 미치지 못하는 것으로 분석되었다.

후속연구

FL0W3D의 모의 결과는<그림 3>의 3과 같고 전반적으로 방류량이 크게 나타났다. 실제 지형을 모의할 수 있는 매개변수의 기준이 적합하지 않은 것으로 분석되며, 향후 이에 대한 연구가 필요하다.
안전성확보를 위해 방류량이 적은 댐설계기준을 이용하였다. 앞으로 수리시설물의 지형과 특성을 고려한 정확한 모의에 대한 노력이 필요하며, 모형에서 이용하는 매개변수의 상관관계에 대한 연구가 더욱 필요할 것이다.

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