KDS 설계기준 54 20 15 댐 여수로

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여수로 설계 기준

1. 일반사항

1.1 목적

• 할당된 저류공간 초과 홍수량 또는 유량을 안전하고 효율적으로 방류하기 위한 여수로 설계 기준 제시

1.2 적용 범위

• 여수로 구성 요소(접근수로, 조절부, 급경사수로, 감세공, 방수로, 수문) 설계에 적용

1.3 참고 기준

• 관련 법규: 없음
• 관련 기준:
  • KDS 54 10 15 댐 설계 계획
  • KDS 54 30 00 필댐
  • KDS 54 40 00 콘크리트 표면차수벽형 석괴댐
  • KDS 54 50 00 콘크리트 중력댐
  • KDS 54 60 00 롤러다짐콘크리트댐
  • KDS 54 65 00 하드필(Hardfill)댐
  • KDS 54 70 00 아치댐
  • KDS 54 80 10 댐 부속 수리구조물

1.4 용어의 정의

• 감세공: 여수로 고유속 흐름을 댐 하류단 세굴/침식 또는 인접 구조물 손상 없이 에너지 감세시켜 하류하천에 이르게 하는 부분
• 공기혼입장치: 급경사수로에 설치, 고유속 흐름 발생 시 공동현상(cavitation)으로 인한 콘크리트 표면 손상 방지
• 급경사수로: 여수로 조절부 말단에서 감세공 시점까지 수로
• 방수로: 감세공으로부터 하류 하천까지 수로
• 여수로: 할당된 저류공간 용량 초과 홍수량 또는 전환댐 전환계통 용량 초과 홍수량을 안전하고 효율적으로 방류하는 수로
• 여수로 수문: 조절부에 설치, 홍수량 조절 설비, 일반적으로 철제 제작
• 접근수로: 여수로에서 저수지에서 조절부까지 수로
• 조절부: 여수로에서 저수지로부터 방류 제한/차단/조절하는 물넘이 부분

1.5 기호의 정의

• : 유량계수
• : 수심(m)
• : 급경사수로 측벽 여유고(m)
• : 푸루드수
• : 중력가속도
• : 접근속도수두 포함 수문 상단 총수두(m)
• : 수문 하단 총수두(m)
• : 설계수두(접근속도수두 포함, 월류웨어 형상에 관한 수두, m)
• : 접근속도수두 포함 총수두(m)
• : 속도수두(m)
• : 상부면 경사와 접근유속에 따른 상수 또는 가속도가 방사류 운동에 작용하는 비율
• : 사출궤도 계수
• : 수문 폭(m)
• : 웨어마루 유효길이(m)
• : 상규면 경사와 접근유속에 따른 상수
• : 접근 깊이(m)
• : 동수압(kPa)
• : 유량(㎥/s)
• : 단위폭당 유량(㎥/s/m)
• : 최소 곡률반경(m)
• : 유속(m/s)
• : 접근유속(m/s)
• : 웨어 마루 정점에 원점을 둔 수평방향 좌표
• : 웨어 마루 정점에 원점을 둔 수직방향 좌표
• : 각도(°)

2. 조사 및 계획

2.1 여수로 위치

• 경제성 및 친환경적인 측면 고려하여 선정
• 지형적 측면 고려: 현장여건에 적합한 형식 비교/검토, 접근수로와 조절부가 댐 중심선과 이루는 각도, 여수로와 기존 하천 접속 문제 등 고려
• 필댐: 댐 본체와 떨어진 저수지 주변 자연지반에 설치하는 것이 적당, 불가피할 경우 댐 본체 안전, 경제성 등 고려하여 위치 선정
• 콘크리트댐: 일반적으로 댐 본체에 설치하는 것이 경제적

2.2 여수로 형식

• 수리적/경제적으로 유리하고 구조적으로 안전한 형식 선정
• 가능한 한 직선 개수로형 택하고, 관수로형 불가피할 경우 충분한 용량 확보
• 형식 분류:
  • 조절부 조절수문 유무에 따른 조절형, 비조절형
  • 조절부 수리특성에 따른 월류형, 측수로 유입형, 샤프트형
  • 개수로형(자유낙하식, 월류식, 측수로식, 계단식)과 관수로형(터널 또는 암거식, 샤프트식, 사이폰식)

2.3 여수로 규모

• 댐 및 관련 시설 종합하여 댐 전체 계획이 가장 안정적이고 경제적이 되도록 결정
• 댐과 여수로 관계, 여수로와 보조여수로 조합 여부 고려
• 유입 설계홍수량 수용 가능한 댐 저류용량과 여수로 방류능력은 수문, 수리, 비용, 예상 피해액 등 모든 관련 인자 고려하여 최상의 조합이 되도록 함
• 홍수 유입 시 저수지 저류효과 불확실성과 댐 안전 고려하여 여수로 규모는 설계홍수량 유입 시 방류할 수 있는 규모로 함

2.4 비상여수로

• 댐 안전을 위해 여수로는 가능한 한 큰 용량을 갖는 것이 필요하나, 공사비, 하류수로 용량 등 제약을 받음
• 위의 사항 검토하여 가능하다면 비상여수로 설치하여 댐 안전도 증대
• 비상여수로는 비상사태 시 주 여수로와는 별도로 또는 동시에 작동하여 댐 월류 방지, 댐 안전 확보
• 정상적인 저수지 조작에서는 기능이 필요하지 않으므로 조절부 마루높이는 계획홍수위와 같거나 높게 위치시킬 수 있으며, 댐 여유고를 고려하여 가능최대홍수 등 대상홍수의 저수지 추적에 의하여 결정

2.5 월류수면 상부 구조물의 여유고

• 설계방류량이 여수로에서 방류되는 경우, 여수로 월류부에 설치되는 수문과 교각 구조물간 공간 높이는 월류수맥 상부 경계면보다 1.5m 이상 여유 있도록 함
• 월류수심이 2.5m 이하일 경우에는 여유고를 1.0m 이상으로 함

2.6 여수로의 구성

• 일반적인 개수로형 월류식 여수로는 접근수로, 조절부, 급경사수로, 감세공 및 방수로 5개 부분으로 구성
• 각 부분은 설계방류량을 안전하게 소통시킬 수 있는 단면을 가져야 함

3. 재료

• 내용 없음

4. 설계

4.1 접근수로

• 접근수로에서 설계홍수량 규모에 대한 접근유속은 4m/s 이하가 되도록 하여 홍수를 안정적인 수리현상으로 웨어를 월류시킬 수 있도록 함
• 접근수로 수심은 월류수심, 유량 등을 감안하여 결정, 웨어마루에서 접근수로 바닥까지 깊이는 웨어마루에서 설계수두의 1/5 이상이 되도록 함

4.2 조절부

4.2.1 월류웨어

• 웨어는 원칙적으로 평면형이 직선형이고 방류 시 효율이 높은 단면형으로 함
• 조절형 여수로에서는 설계홍수량뿐만 아니라 수문을 부분적으로 열었을 때의 유량도 감안하여 부압이 발생하지 않도록 웨어 단면형과 수문 위치를 결정
• 웨어 단면형은 칼날웨어의 통기된 수맥의 하부경계와 같은 형상, 설계수두, 웨어 상류면 경사, 웨어 높이에 따라 다르게 됨
• 설계수두는 유량계수 결정에 크게 영향을 끼치며 최고수위(MWL)에서의 총 수두(최대수두)의 75% ~ 80% 정도로 정하는 것을 권장
• 웨어마루면 부압이 크게 되면 공동현상으로 인하여 웨어마루면 손상 우려, 공동현상 방지를 위해 미국개척국(USBR)에서는 (최대수두/설계수두)가 1.33을 초과하지 않도록 권장, 미국육군공병단(USACE)에서는 부압이 –5m보다 낮지 않도록 권장
• 월류웨어 표준마루 형상: 미국개척국, 미국육군공병단 수로실험소(WES) 두 가지 많이 사용
  • 미국개척국 방법:
    • 식 (4.2-1): : 설계수두(접근속도수두 포함, 월류웨어 형상에 관한 수두, m), : 웨어마루 정점에 원점을 둔 좌표계, : 상류면 경사와 접근유속에 따른 상수
  • 미국육군공병단 방법:
    • 식 (4.2-2): : 설계수두(접근속도수두 제외, m), : 웨어마루에 원점을 둔 좌표계, : 설계수두와 접근수로 높이에 따른 상수
• 웨어마루 유량공식:
  • 식 (4.2-3): : 유량(), : 유량계수, : 웨어마루 유효길이(m), : 접근속도수두 포함 총 수두(m)
• 수문으로 유량이 조절되는 경우 유량공식:
  • 식 (4.2-4): : 중력가속도(9.8m/), : 유량계수, : 수문 폭(m), : 접근속도수두 포함 웨어마루와 수문하단에 대한 총 수두(m)

4.2.2 측수로식 여수로

• 설계방류량에 대하여 웨어의 어느 부분도 수중웨어가 되지 않도록 설계
• 최대수위에 대하여 측수로 내 수면이 그 최상류단에서 월류수심의 2/3보다 높지 않도록 설계
• 측수로 웨어마루 설계는 4.2.1 적용, 측수로 단면은 사다리꼴이 가장 보편적
• 측수로 폭과 수심 비가 작은 단면형이 수리학적으로 좋은 결과 제공, 수로 바닥 폭을 가능한 한 작게 함
• 측수로는 콘크리트 구조물로 하며 암반 기초에 설치

4.2.3 천이부

• 월류형 여수로에서 조절부는 댐과 직접 연결될 수 있으므로 월류수심이 제한을 받지 않도록 일반적으로 폭을 넓게 함
• 측수로식 여수로는 수로 단면이 보통 비대칭 사다리꼴, 측수로 내 흐름이 불안정하므로 측수로와 급경사수로 사이에 천이부를 설치하여 안정된 흐름이 급경사수로에 진입할 수 있게 함
• 월류형 여수로에서 천이부는 조절부 월류량으로 인해 조절부 상류에 불리한 수위 상승 또는 저하가 생기지 않도록, 천이부 내 불리한 수면 저하, 심한 난류가 일어나지 않고 유하하도록 설계
• 이상홍수 유량에 대하여도 수위유량곡선 등이 현저히 변동하지 않도록 함
• 천이부 평면 모양은 급경사수로 흐름과 여수로 방류능력에 큰 영향, 편류 방지하고 안정된 흐름 유지하도록 조절부, 천이부, 급경사수로가 동일 축에 있도록 함
• 천이부 흐름이 비교적 급류인 경우: 천이부 시점과 종점 최외측 유선을 연결하는 직선이 수로중심선과 거의 12.5° 각을 취하도록 함
• 천이부에서 수면이 역경사 또는 극단적으로 감소되는 평면 및 종단형상은 피하도록 함

4.2.4 조절부의 기초

• 여수로 조절부 기초는 그라우팅 또는 기타 방법으로 지수를 확실하게 해야 하며 조절부 하류에 불필요한 양압력이 발생되지 않도록 설계
• 조절부 기초 지수방법: 그라우팅이 가장 보통이나 기초 지반에 따라서는 표면 블랭키트 등에 의한 방법이 효과적인 경우도 있음
• 기초처리는 KDS 54 50 00(4.4.2) 와 KDS 11 00 00을 참조

4.2.5 월류웨어의 안정

• 조절형 여수로 월류웨어에 대한 구조계산은 다음 각 항에 대해서 그 안정을 확인
  • 만수위, 수문 폐쇄
  • 만수위, 수문 폐쇄, 임시수문 설치
  • 만수위, 수문 폐쇄, 인접수문 개방

4.3 급경사수로

4.3.1 선형

• 급경사수로 평면형 부적당한 만곡은 일정치 않은 흐름으로 충격파를 일으키므로 가능한 한 만곡이 작은 평면형 선정, 직사각형 단면을 원칙으로 함
• 급경사수로를 부득이 만곡시켜야 할 경우: 흐름이 상류상태에 있는 부분에서 만곡시키되, 가능한 한 수면폭의 10배 이상 큰 곡률반경으로 함
• 굴착량 절감 등 경제적인 면 고려하여 수로폭 수축시킬 경우: 횡파, 파의 처오름 및 월류, 불안정한 유황 등이 발생되지 않도록 점진적으로 수축시킴
• 급경사수로 폭을 확대 또는 축소할 경우에도 원활한 유황과 완전한 확대 및 축소 효과를 내기 위해서 변화 각도를 적절하게 정
• 급경사수로 변화 각도는 다음 한계각도 이내로 함:
  • 식 (4.3-1): : 수로 변화 각도(°), : 푸루드수(=), : 유속(m/s), : 수심(m), : 중력가속도(m/s2)
• 수로바닥 종단경사는 급경사수로 지점 지질, 지형학적인 제한인자를 고려하여 결정, 가급적 급변화가 되지 않도록 함
• 급경사수로 경사는 원칙적으로 상류부에서 완만하고 하류부에서 급하게 함
• 급경사수로 종단경사 변화부 볼록한 부분의 곡선은 포물선 식에서 유래한 다음 식에 의함:
  • 식 (4.3-2): : 종거(원점은 방사(放射)유로 기점, m), : 횡거(m), : 사출궤도 계수, : 유속수두(m), : 방사유로 기점에서 수로 경사각( °)
• 급경사수로 종단경사 변화부 오목한 부분 곡선부 최소 곡률반경은 아래 식으로 주어지는 기준을 따르며, 최소한 수심의 10배 이상 값을 취함:
  • 식 (4.3-3): : 최소 곡률반경(m), : 수심(m), : 유속(m/s), : 동수압(kPa, 일반적으로 47.88kPa)

4.3.2 급경사수로 측벽

• 급경사수로는 어느 부분에도 댐 본체나 여수로 안전에 지장을 주는 월류를 일으키게 해서는 안 됨
• 여수로 급경사수로에는 특히 많은 여유고를 주어 구조물 안전을 도모
• 급경사수로 측벽 여유고는 설계방류량이 방류될 때의 수심, 유속의 함수로서 식 (4.3-4)를 이용하여 산정:
  • 식 (4.3-4): : 급경사수로 측벽 여유고(m), : 유속(m/s), : 수심(m)

4.3.3 급경사수로의 라이닝

• 급경사수로 바닥과 측벽은 고속류 난류에 의해서 일어나는 침식 방지하고 장기간 매끈한 표면 유지할 수 있도록 콘크리트 구조물로 함, 콘크리트 두께는 최소 30cm~40cm로 하되 시공성과 운영 중 세굴 등 고려하여 결정
• 철근은 온도변화에서 산출한 철근량 또는 콘크리트 단면의 0.2% 중 큰 값을 취함

4.3.4 급경사수로의 이음

• 급경사수로에서는 콘크리트 라이닝이 하류로 이동하지 않도록 횡단방향으로 적당한 간격의 키(key) 및 수축 이음매를 설치
• 키 간격은 시공속도와 경사각도 등을 고려하여 결정
• 수축 이음 간격은 일반적으로 10m~15m 정도로 하며, 유수에 의한 이음부 파괴 방지를 위해 이음 하류 모서리는 모따기를 함
• 급경사수로 이음매는 반드시 콘크리트면에 직각으로 설치
• 콘크리트면이 예각이 되면 구석부분의 콘크리트는 시공상 공극이 생기기 쉽고 약점이 되므로 이음매를 피함

4.3.5 급경사수로의 공기혼입장치

• 급경사수로 내 평균유속이 12~15m/s 이상이면 공동현상에 의한 손상이 발생하기 시작, 유속이 20 m/s 이상이면 수로 표면이 매끈하고 수로경계면이 흐름의 유선과 동일하더라도 공동현상에 의한 손상 방지 어려움
• 고유속 흐름이 발생하는 대규모 댐의 여수로에는 공동현상(cavitation)으로 인한 급경사수로 콘크리트 표면 손상 방지를 위해 적절한 공기혼입장치(air entrainment device) 설치
• 여수로 흐름의 공기혼입은 고유속이 작용되는 동안에 공동현상의 침식작용(cavitation pitting)으로 인한 피해 방지를 위해 효과적으로 사용됨
• 댐에서 사용되고 있는 공기혼입장치는 다음 세 가지 종류가 있음:
  • 굴절형(deflector-type) 공기혼입장치
  • 벽단식(offset-type) 공기혼입장치
  • 홈형(groove-type) 공기혼입장치
• 우리나라에서는 굴절형과 벽단식의 단점을 보완하기 위해 이 두 종류를 혼합한 형태의 공기혼입장치를 주로 많이 사용

4.4 감세공

4.4.1 감세공의 기능

• 여수로 급경사수로 하류단에는 고유속(高流速) 방류수가 갖는 높은 에너지에 의하여 댐 본체, 여수로 구조물, 하류하천 관련 구조물 파괴 또는 침식되는 것을 방지하기 위해 감세공 설치
• 감세공 대상홍수량은 설계방류량을 기준으로 하되, 경제적 관점에서 댐 본체에 위험을 주지 않는다면 감세공에 다소의 피해를 주더라도 하류하천 설계홍수량을 감안하여 감세공을 설계할 수 있음
• 급경사수로를 통과한 유량은 하류부에서 도수 전후의 수심관계가 유량변화에 선형적인 것이 아니고 작은 유량에서 더 불리한 상태가 될 수가 있으므로 감세공 규모는 설계방류량뿐만 아니라 여러 가지 크기의 유량을 대상으로 검토

4.4.2 형식의 선정

• 방류수 높은 에너지를 감세시키려면 소정 수로구간 내에서 도수를 발생시켜 고속사류를 상류로 변화시켜 하류하천에 유하시켜야 함, 이 경우에는 도수 후 수위가 하류수위와 일치되게 함
• 도수에 의한 감세 형식을 취하는 것이 곤란할 경우: 방사형식, 확산식, 버킷식에 의해 댐 직하류 세굴 방지
• 감세공 형식은 하류수위와 도수위 관계, 지형 및 지질조건 등을 검토하여 소요 공사비를 감안한 기술적 판단에 의해 결정, 현상해석이 곤란할 경우에는 모형실험에 의하여 설계 확정
• 여수로 감세공 형식에는 크게 플립버킷형(flip bucket), 정수지형(stilling basin), 잠수버킷형(submerged bucket) 세 가지가 있으며 다음 요소를 고려하여 감세공 형식 선정:
  • 적용하고자 하는 감세공 수리특성
  • 댐 본체와 감세공 위치관계(거리, 표고 등)
  • 여수로 본체 수리, 구조 특성
  • 감세공 부근 지형, 지질, 수리 특성(하류수위, 유황 등)
  • 하류하천 부근 경지, 택지, 공작물 위치(거리, 표고 등) 및 중요도
• 일반적으로 하류수위가 도수 후 수심과 거의 일치할 때는 정수지형을 채택, 이 형식 감세방법은 수리학적으로 가장 안전
• 하류수위가 도수 후 수심보다 현저하게 낮을 때는 플립버킷형 채택, 이 경우에는 지질 및 지형 등 제 조건이 좋아야 함
• 하류수심이 도수 후 수심보다 높을 때는 잠수버킷형을 주로 채택

4.5 배수공과 유목받이

4.5.1 배수공

• 여수로 조절부 커튼 그라우트(curtain grout) 하류부에는 배수구를 설치하여 침투수를 안전한 위치까지 도수하여 방류
• 급경사수로 굴착 사면 빗물이 측벽마루 뒷면에 침입하지 않도록 배수장치 설치
• 여수로 측벽과 바닥 라이닝 하부에 배수공 설치하여 압력을 경감시키고, 간선 배수관을 두 줄 이상 설치하여 침투수 배출

4.5.2 유목받이

• 유목, 흙‧모래 등 유입에 의해서 여수로가 손상 또는 폐쇄될 우려가 있을 경우에는 접근수로 또는 그 상류에 적절한 방지시설 설치
• 유목받이 종류: 월류웨어에서 다소 떨어진 곳에 검불막이를 세우거나 상류에 띄운 통나무 또는 드럼통을 연결한 것을 가로질러서 방지하는 방법 등

4.6 여수로 수문

4.6.1 여수로 수문(水門)의 선정

• 여수로 수문은 다음 사항을 고려하여 선정
  • 수압, 빙압, 지진, 토압, 기타 외력에 대하여 충분히 견고할 것
  • 개방 시에 수류를 저해하지 않도록 충분한 경간과 권양고를 가지며, 개폐운전은 용이, 신속, 확실할 것
  • 충분한 수밀성을 가지고 있을 것
  • 경제적이고 내구성이 있으며 수리, 검사가 용이할 것
  • 홍수 상승속도에 대응되는 조작이 가능할 것
  • 요구되는 홍수위 조절 정확도를 가지고 있을 것
  • 하천 유하 부유물, 유목 및 자갈, 모래 유입에 대하여 안전할 것
• 여수로 수문에는 여러 가지 형식이 있으나 대규모 댐에서는 조작의 확실성, 유지 및 수리 편리성, 확실한 수밀성 등을 고려하여 인양식 수문(lift gate), 전동식 수문(rolling gate), 테인터 수문(tainter gate), 드럼 수문(drum gate) 등을 사용

4.6.2 여수로 수문 설계

• 수문 권양기에는 비상용으로 예비동력 설비를 설치
• 수문 사고를 고려하여 주 수문은 2개 이상으로 함
• 수문 구조의 원칙:
  • 댐 수문(밸브 포함)은 개폐가 확실하고, 또한 필요한 수밀성 및 내구성을 가져야 함
  • 댐 수문 개폐장치는 수문 개폐를 확실히 할 수 있는 구조로 함
  • 댐 수문은 예상되는 하중에 대하여 안전한 구조로 함
  • 수문이 있는 여수로에는 예비 수문, 측구 등 대체설비 외에 별도의 예비 여수로를 둘 수가 있음. 그러나 댐 보수를 할 경우에 저수지 수위저하를 쉽게 할 가능성이 있을 때는 예비 수문 설치할 필요 없음
• 여수로 수문이 파랑 등에 의한 월파에 대해서도 안전하도록 하기 위해 월류형 여수로인 경우, 수문 본체 높이를 수직인양 형식은 계획홍수위에 30cm를, 래디얼(radial) 형식은 50cm를 추가한 수치 이상의 높이로 하고 있음
• 월류형 여수로의 인양식 수문을 최대로 인양할 때, 수문 하단 및 월류형 여수로에 설치된 교량, 권양기 기타 댐마루 구조물은 설계방류량 월류수맥 상부 경계면보다 1.5m 이상 여유가 있도록 함. 단, 월류수심이 2.5m 이하일 경우에는 여유고를 1.0m 이상으로 함

4.7 수리모형실험

• 여수로 방류능력 및 방류수가 구조물이나 하류 하상에 미치는 영향에 대해서 수리학적 이론 및 공식, 기존 모형실험 결과 및 실측자료에 의하여 신뢰할 만한 판단을 할 수 없는 경우에는 수리모형실험으로 구조물에 대한 각종 수리량 자료 실측을 통한 수리현상 및 수리학적 특성 파악하여 설계에 대한 검토와 재해 미연 방지책을 강구
• 수리모형실험은 원형에서의 수리현상을 일정한 상사법칙에 따라 모형을 제작하여 수리인자를 계측하고 원형에서의 값으로 환산하여 수리특성을 파악하는 것
• 여수로 모형실험은 개수로 실험으로 중력이 유체의 운동을 지배하므로 관성력과 중력의 비인 푸루드(Froude)) 수(數)가 모형과 원형에서 일치되도록 하는 푸루드(Froude) 상사(相似)법칙을 적용
• 모형 축척은 여수로 웨어마루에서 월류수심을 7.5cm 이상 확보하여 점성 및 표면장력의 영향이 최소화되도록 축척 규모를 정
• 수리모형 실험을 필요로 하는 사항은 다음과 같음:
  • 여수로 위치, 형식의 선정과 기능의 검토
  • 여수로 조절부 홍수 배제능력 검토
  • 여수로 급경사수로 선형과 단면형상 결정
  • 감세공 감세기능
  • 하류하천 유황과 보호대책 검토

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