KR101262094B1 - 부분 피복사면 및 사면수로를 이용한 월류 파괴 방지형 필댐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저류수의 비정상 월류(越流)로 인한 제체(10) 파괴를 방지할 수 있도록 월류수를 제체(10) 하류측 사면을 회피하여 신속하게 배제하는 월류 파괴 방지형 필댐에 관한 것으로, 제체(10) 상단부 일부에 수리학적 피복체인 피복사면(12)을 형성하고 피복사면(12) 하단의 제체(10) 하류사면(20)에는 유입단은 댐 일측 안부(岸部)의 제체(10) 상단에 연결되고 유출단은 여수로(30)에 연결된 사면수로(40)를 설치하여 비정상 월류수가 피복사면(12), 사면수로(40) 및 여수로(30)를 통하여 댐 하류로 신속하게 배제될 수 있도록 한 것이다.
본 발명을 통하여, 제체(10) 증고 등 막대한 공사비가 소요되는 대규모 공사 없이도, 이상홍수로 인한 유입량의 급변, 지진, 사태(砂汰) 또는 강풍으로 인한 월파(越波) 등 필댐 저류수의 비정상 월류시 월류수를 신속하고 안정적으로 배제할 수 있는 시설을 구축함으로써, 제체(10) 월류에 대한 필댐의 안정성을 경제적으로 확보할 수 있다.

Description

부분 피복사면 및 사면수로를 이용한 월류 파괴 방지형 필댐{ANTI-OVERFLOW TYPE FILL DAM USING PARTIAL PAVEMENT SLOPE AND SLOPE CHANNEL}

본 발명은 저류수의 비정상 월류(越流)로 인한 제체(10) 파괴를 방지할 수 있도록 월류수를 제체(10) 하류측 사면을 회피하여 신속하게 배제하는 월류 파괴 방지형 필댐에 관한 것으로, 제체(10) 상단부 일부에 수리학적 피복체인 피복사면(12)을 형성하고 피복사면(12) 하단의 제체(10) 하류사면(20)에는 유입단은 댐 일측 안부(岸部)의 제체(10) 상단에 연결되고 유출단은 여수로(30)에 연결된 사면수로(40)를 설치하여 비정상 월류수가 피복사면(12), 사면수로(40) 및 여수로(30)를 통하여 댐 하류로 신속하게 배제될 수 있도록 한 것이다.

토석(土石)의 축제(築堤)에 의하여 제체(10)가 구성되는 필댐(fill dam)은 콘크리트 등의 재료에 비하여 균질성이 떨어지므로 역학적 안정성에 있어서 불리하다는 이유로 기피되어 왔으나 근래에 들어 토질역학 및 토공장비의 발전과 역학적 해석경험의 축적으로 다시 각광받고 있는 댐의 형식이다.

필댐의 제체(10)는 기본적으로 사면의 유지를 위한 최소한의 사면각도를 확보하여야 하므로 여타 댐 형식에 비하여 단면적이 클 수 밖에 없는 단점이 있으나, 필댐의 재료인 토석은 콘크리트에 비하여 단위중량이 작으므로 기초암반이 취약한 지점에도 축조가 가능한 장점이 있으며, 제체(10) 유연성 또한 상대적으로 우수하여 기초지반의 부등침하 또는 직접적인 물리적 타격에 대한 안정성이 양호한 장점이 있다.

필댐의 제체(10) 재료는 점토, 모래, 자갈 또는 석괴 등 입상체(粒狀體)로서 구조체 자체에 공극이 포함될 수 밖에 없으며, 따라서 완전 불투수체로 간주되는 콘크리트에 비하여 차수성 측면에서는 불리할 수 밖에 없는 바, 필댐을 통하여 저수지를 형성함에 있어서 상류의 수위는 댐 제체(10)의 완전 차수에 의하여 유지되는 것이 아니라 제체(10)를 구성하는 토립자로 인한 침윤선(浸潤線)의 하강에 의하여 유지된다.

도 1은 전형적인 필댐의 평면을 도시한 것으로 동 도면을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 제체(10) 사면의 안정적인 유지와 충분한 침윤선 하강 거리를 확보하기 위하여 제체(10) 하단부의 폭이 비교적 넓게 구성되어 있으며, 댐의 정부(頂部) 즉, 제체(10) 상단에는 소위 공도교라 불리는 정부도로(11)가 설치되어 댐 지점 하천을 횡단하는 교통을 처리하고 여수로(30) 및 수문설비(31) 등의 부속시설에 대한 접근성을 확보하는 것이 일반적이다.

여수로(30)는 댐으로 인하여 형성된 저수지의 수위를 안정적으로 유지하기 위한 배수로로서 도 1에는 가장 일반적인 형식이라 할 수 있는 월류식 여수로(30)가 도시되어 있다.

여수로(30)는 저류수의 신속한 배제를 목적으로 하는 구조물인 바, 제체(10) 중앙부에 댐축(dam axis)과 직각방향의 최단 유로를 가지도록 설치하는 것이 수리학적으로 가장 유리하고, 이와 같은 형식의 여수로(30)가 실제 대부분의 콘크리트댐에 적용되고 있으나, 필댐의 경우 제체(10) 하류사면(20)을 통한 월류는 절대 허용될 수 없으며, 하류사면(20)을 구성하는 입상체의 심각한 포화상태 또한 허용되지 않으므로 도 1에 예시된 바와 같이, 제체(10)와 이격된 일측 안부(岸部)에 별도의 구조물로서 구축되는 것이 일반적이다.

필댐의 제체(10) 하류사면(20)을 통한 월류가 허용되지 않는 이유는 전술한 바와 같이, 필댐은 제체(10)의 완전 차수에 의하여 유지되는 것이 아니라 제체(10)를 구성하는 토립자로 인한 침윤선(浸潤線)의 하강에 의하여 유지되는 바, 제체(10)를 통한 월류가 발생되면 침윤선의 안정상태가 파괴되어 급격한 토립자의 유실이 발생될 뿐 아니라, 하류사면(20)에 심각한 세굴(洗掘)이 발생되고 하류사면(20)의 활동(sliding)이 발생되어 제체(10)가 급격하게 파괴되는 심각한 결과를 초래하기 때문이다.

댐 저류수의 비정상 월류, 즉 설계 최고 수위을 과도하게 초과하는 댐 직상류부 저수지 수위의 상승은 도 2에서와 같이 다양한 원인 및 양태를 가지는데, 그 대표적인 예로서 저수지 유입량의 급변과 월파(越波)를 들 수 있다.

저수지 유입량의 급변은 주로 유역내 이상강우(異常降雨)로 인하여 발생된 이상홍수로 인하여 유발되는데, 도 2의 상부 도면에서 일점쇄선으로 표시된 형태의 월류수면을 가지는 것이 일반적이다.

월파는 그 사전적 의미에서와 같이, 저수지 수면에 발생된 파랑에 의하여 유발된 비정상 월류라 할 수 있는데, 저수지 수면의 파랑은 강풍, 지진, 인공 발파 및 저수지 상류측 수변에서 발생된 사태(砂汰) 등에 의하여 형성될 수 있으며, 도 2의 상부 도면에서 파선으로 표시된 형태의 월류수면을 가진다.

이상홍수로 인한 저수지 유입량 증가는 월류수심은 비교적 낮으나 지속성 및 유량이 상대적으로 큰 특징이 있으며, 월파 특히 사태 또는 지진으로 인하여 발생되는 월파는 전파과정에서 제체(10) 상류측 사면에 도달하면 일종의 천수효과(淺水效果)가 유발되어 파고가 급격하게 확대되면서 월류 지점의 수위가 순간적으로 상승하는 양상을 보인다.

이상홍수 및 월파 등의 비정상 제체(10) 월류는 유량 및 수면 형상에 있어서 다소간의 차이점은 있으나, 일반적인 홍수사상(洪水事象)에 비하여 급격한 수위상승을 나타낸다는 점과 예측이 지극히 어려운 점에 있어서 공통점을 가진다.

이상홍수에 의한 비정상 월류의 경우 일견 일반적인 홍수와 비교하여 양적인 차이점만을 가진 것으로 오해될 수 있으나, 이상홍수를 유발하는 이상강우는 강우량 총량 보다는 단위 시간당 강우량인 강우강도에 있어서 비정상성을 보이는 경우가 대부분이고, 이러한 비정상 강우강도는 유역내 유출특성 자체를 변화시켜 급격한 유출을 야기할 뿐 아니라, 최근 급격하게 진행된 도시화와 부분별한 개발로 인하여 수문학적 피복 면적이 증가함에 따라 강우 유출 현상이 불규칙화 및 가속화되어 댐 설계 당시의 계획 홍수량을 월등하게 상회하는 이상홍수의 발생 가능성이 커지고 있다.

이러한 이상홍수 및 월파 등의 비정상 월류 피해를 방지하는 최선책은 여수로(30)의 충분한 배제능력을 확보하고, 저수지 수위 상승을 예측하여 수문을 선제적으로 신속하게 개방하는 것이라 할 수 있는데, 여수로(30)는 기본적으로 고유속의 사류(射流) 발생을 전제로 구축되는 급경사 수로인 바, 수로 자체의 배제능력은 충분한 경우가 대부분이나 대규모 유체 기계인 여수로(30) 수문의 경우 신속한 개폐에는 한계가 있을 수 밖에 없다.

여수로(30)의 상단부에는 수문 및 권양기 등으로 구성된 수문설비(31)가 구성되어 기계적 동력을 통하여 여수로(30)를 개방 및 폐쇄하게 되는데, 댐 및 여수로(30)의 규모에 따라 차이는 있으나 권양기의 기동 및 수문의 개방에는 수분 이상의 시간이 소요되는 것이 일반적이며, 따라서 비정상 월류를 유발하는 급격한 수위변화에 대처하는 것은 사실상 불가능한 문제점이 있다.

이에 평시 저수지의 운영 수위를 충분히 하향 조정하여 여유고를 확보하거나, 저수지의 수위변화를 면밀히 관측하여 급격한 수위변화를 예측하는 방안을 고려할 수 있으나, 비정상 월류를 유발하는 급격한 수위변화를 정확하게 예측한다는 것은 사실상 불가능하며, 저수지의 운영 수위를 하향하는 것은 저수용량 및 발전 낙차의 감소를 수반하여 댐의 수익성을 심각하게 저해하는 문제점을 유발한다.

따라서, 비정상 월류에 대한 댐 및 저수지의 안정성을 확보함은 물론 수익성 또한 유지하기 위한 방편으로는 댐 제원의 변경 즉, 증고(增高)를 고려할 수 밖에 없으며, 전형적인 증고 방식으로서 제체(10) 증고 및 파라펫(parapet)(19) 설치 사례가 도 2의 하부에 도시되어 있다.

댐 제체(10)의 축제 증고는 도 2의 하부 좌측에 도시된 바와 같이, 추가 축제를 통하여 댐 정부 표고를 높이는 것으로서, 댐의 규모를 실질적으로 확대하는 가장 확실한 증고 방식이라 할 수 있으나, 기존 댐의 하류 사면에 막대한 양의 성토를 실시하여야 할 뿐 아니라, 심벽형 댐의 경우 심벽의 연장을 위하여 기존 댐의 상단 일부를 절토한 후 심벽 구성 및 추가 성토를 실시하여야 하는 등의 문제점이 있다.

특히, 이러한 추가 축제를 통한 증고는 댐 전체 체적의 증가로 인한 지반 침하, 댐축의 이동으로 인한 안부(岸部) 지지력 저하, 댐 하류부 하천 잠식 등 댐 자체의 안정성에 심각한 위험을 초래할 수 있을 뿐 아니라, 추가 축제 자체에 막대한 공사비 및 공기가 소요됨은 물론 여수로(30)의 이설 등 부대공사에도 막대한 공사비 및 공기가 소요되는 심각한 문제점이 있다.

이에, 도 2의 하부 우측 도면에서와 같이, 기존 댐의 정부에 파라펫(19)을 설치하여 추가 축제 없이도 댐 상단 표고를 높이는 방식을 고려할 수 있다.

파라펫(parapet)(19)이란 댐, 제방, 방조제 및 방파제 등의 수공구조물(水工構造物)에 설치되는 연속 벽체형 구조물로서, 댐의 경우 통상 제체(10) 정부(頂部)의 상류측에 설치되는데, 구조물 자체는 콘크리트, 강철 또는 유리 등 불투수 소재가 적용되어 차수성을 발현하기는 하지만 장기간 수면이 형성되어 수압이 작용하는 조건을 상정한 구조물은 아니며, 일시적인 월파에 대처하거나 정부도로(11)를 통과하는 차량 또는 보행자의 통행 안전을 확보하는 것이 주목적이라 할 수 있다.

따라서 대규모의 월파 또는 이상홍수로 인한 수위상승에 대한 대책으로서는 한계가 있을 수 밖에 없으며, 정부도로(11) 침수 방지를 위하여 정부도로(11)의 상류측 노견 즉, 저수지측 노견에 설치되므로 통행자의 저수지측 시야를 완전히 차단하여 수변경관을 심각하게 훼손하는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 감안하여, 과도한 공사비 및 공사기간이 소요되지 않으면서도 효과적인 비정상 월류수의 차단 및 하류 배제가 가능하고, 수변경관 또한 유지할 수 있도록 창안한 것으로, 제체(10) 상단에 불투수 포장체인 정부도로(頂部道路)(11)가 설치되고 일측 안부에 여수로(30)가 구축된 필댐(fill dam)에 있어서, 제체(10)의 하류사면(20)에는 제체(10) 종방향의 사면수로(40)가 설치되되, 사면수로(40)의 유입단은 여수로(30) 반대쪽 안부(岸部)의 정부도로(11)와 연결되고 유출단은 여수로(30)와 연결되어 여수로(30)측으로 점차 표고가 낮아지는 수로경사를 가지며, 사면수로(40)의 하류사면(20)측 단부에는 차단벽(41)이 형성되고 사면수로(40)의 저수지측 단부와 정부도로(11) 사이의 제체(10) 사면에는 불투수성 피복사면(12)이 형성되어, 저수지로부터 정부도로(11)로 유입된 비정상 월류수가 피복사면(12) 및 사면수로(40)를 통하여 여수로(30)로 유입된 후 댐 하류로 배제됨을 특징으로 하는 부분 피복사면 및 사면수로를 이용한 월류 파괴 방지형 필댐이다.

본 발명을 통하여, 제체(10) 증고 등 막대한 공사비가 소요되는 대규모 공사 없이도, 이상홍수로 인한 유입량의 급변, 지진, 사태(砂汰) 또는 강풍으로 인한 월파(越波) 등 필댐 저류수의 비정상 월류시 월류수를 신속하고 안정적으로 배제할 수 있는 시설을 구축함으로써, 제체(10) 월류에 대한 필댐의 안정성을 경제적으로 확보할 수 있다.

또한 비정상 월류에 대한 효과적인 대처가 가능하므로 필댐 저수지의 운영수위를 상향 조정할 수 있으며, 이로써 유효 저수용량, 발전 낙차는 물론 저수지 운용연한을 향상시키고 수변경관을 확보하는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 일반적인 필댐의 평면도
도 2는 댐 저류수의 비정상 월류 상태 및 종래의 대처방식 설명도
도 3은 본 발명이 적용된 필댐의 평면도
도 4는 본 발명이 적용된 필댐의 상세 평면도
도 5는 도 3의 A-A'선 단면도
도 6은 도 3의 B-B'선 단면도
도 7은 본 발명이 적용된 필댐의 비정상 월류수 배제상태 설명도
도 8은 비정상 월류시의 피복사면 및 사면수로 설치지점 대표단면도

본 발명의 상세한 구성을 첨부된 도면을 통하여 설명하면 다음과 같다.

우선 도 3은 본 발명이 적용된 필댐의 평면을 예시한 것으로, 동 도면과 제체(10) 상세도인 도 4 및 제체(10) 대표단면도 즉, 도 3의 A-A'선 단면도인 도 5를 통하여 알 수 있는 바와 같이, 제체(10) 상단에는 콘크리트 등 불투수 포장체로 구성된 정부도로(頂部道路)(11)가 설치되고 일측 안부에 여수로(30)가 구축되며, 제체(10)의 하류사면(20)에는 제체(10) 종방향의 사면수로(40)가 설치되되, 사면수로(40)의 유입단은 여수로(30) 반대쪽 안부(岸部)의 정부도로(11)와 연결되고 유출단은 여수로(30)와 연결된다.

본 발명의 사면수로(40)는 평면도인 도 3 및 사면수로(40)의 종단도 즉, 도 3의 B-B'선 단면도인 도 6을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 여수로(30) 반대쪽 안부의 제체(10) 상단과 연결된 유입단으로부터 여수로(30)에 연결된 유출단에 이르는 하향 경사를 가지도록 제체(10) 하류사면(20)에 설치된다.

이러한 사면수로(40)는 도 3 및 도 6에서와 같이, 수로 종단상 경사 뿐 아니라, 평면선형에 있어서도 댐축(dam axis)과 평행하지 않고 사선인 중심선을 가지게 되며, 이러한 수로경사의 형성 및 여수로(30)와의 연결을 위하여 도 5의 타원내 확대부에서와 같이, 사면수로(40) 하부와 하류사면(20) 사이에는 성토부(49)를 구성하게 된다.

또한, 사면수로(40)의 저수지측 단부와 제체(10) 상단 정부도로(11) 사이의 사면에는 전체 사면수로(40) 연장에 걸쳐 콘크리트 포장체 등의 피복사면(12)이 형성되는데, 이들 정부도로(11), 피복사면(12) 및 사면수로(40)는 단일 구조체로서 시공하거나 연결부의 수밀성을 확보하여 일종의 월류 구조물로서 거동할 수 있도록 설치한다.

또한, 사면수로(40)의 하류사면(20)측 즉, 하천 하류측 단부에는 전체 사면수로(40) 연장에 걸쳐 차단벽(41)을 설치하여 정부도로(11) 및 피복사면(12)을 월류한 월류수가 사면수로(40) 하부의 하류사면(20)으로 누출되는 것을 방지한다.

도 7 및 도 8은 본 발명이 적용된 필댐에서 비정상 월류가 발생된 경우를 상정한 도면으로서, 동 도면을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 비정상 월류수는 일단 제체(10) 상단의 정부도로(11)로 유입된 후 피복사면(12)을 월류하여 사면수로(40)로 유입되며, 차단벽(41)에 의하여 하류사면(20)으로의 추가 월류가 차단된 상태로 유하한 후 여수로(30)를 통하여 안전하고 신속하게 배제된다.

이상에서와 같이, 여수로(30)와 정부도로(11) 등 기존 시설물을 최대한 활용하고 최소한의 추가 시설물만으로 비정상 월류로 인한 피해를 예방할 수 있는 본 발명을 통하여, 필댐의 안정성을 경제적으로 확보할 수 있을 뿐 아니라, 필댐 저수지의 운영수위를 상향 조정함으로써 유효 저수용량, 발전 낙차는 물론 저수지 운용연한을 향상시킬 수 있다.

특히, 제체(10) 상단에 파라펫(19) 등의 경관 저해 시설을 일체 설치하지 않으므로, 평상시 정부도로(11)를 통과하는 통행자의 시선을 불필요하게 차단하지 않을 뿐 아니라, 수변경관을 최대한 확보할 수 있다.

10 : 제체
11 : 정부도로
12 : 피복사면
19 : 파라펫(parapet)
20 : 하류사면
30 : 여수로
31 : 수문설비
40 : 사면수로
41 : 차단벽
49 : 성토부

Claims (1)

1. 제체(10) 상단에 불투수 포장체인 정부도로(頂部道路)(11)가 설치되고 일측 안부에 여수로(30)가 구축된 필댐(fill dam)에 있어서,
   제체(10)의 하류사면(20)에는 제체(10) 종방향의 사면수로(40)가 설치되되, 사면수로(40)의 유입단은 여수로(30) 반대쪽 안부(岸部)의 정부도로(11)와 연결되고 유출단은 여수로(30)와 연결되어 여수로(30)측으로 점차 표고가 낮아지는 수로경사를 가지며;
   사면수로(40)의 하류사면(20)측 단부에는 차단벽(41)이 형성되고 사면수로(40)의 저수지측 단부와 정부도로(11) 사이의 제체(10) 사면에는 불투수성 피복사면(12)이 형성되어;
   저수지로부터 정부도로(11)로 유입된 비정상 월류수가 피복사면(12) 및 사면수로(40)를 통하여 여수로(30)로 유입된 후 댐 하류로 배제됨을 특징으로 하는 부분 피복사면 및 사면수로를 이용한 월류 파괴 방지형 필댐.

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