KDS 설계기준 54 20 15 댐 여수로 - 건설기준정보 모음

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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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