KR20050063865A - 자연석을 이용한 하천의 취입보 축조공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하상계수가 큰 강이나 하천에서 일정량의 물을 담수하여 유량이 적은 갈수기에 필요로 하는 관계용수를 공급하기 위하여 설치하는 취입보에서 월류수의 유속을 저감되도록 설치하는 물받이부를 자연석으로 시공할 때 그 지지기반을 안정되게 하고, 유량이 적은 갈수기에도 물받이부의 자연석 사이의 공간에 물이 항시 잔류되어 흐르도록 하여 수서생물의 환경을 고려한 하천에서의 자연석을 이용한 취입보 축조공법에 관한 것으로,

즉, 하천의 가로질러 설치되는 철근콘크리트로 된 물막이벽을 구비한 취입보에 있어서 상기 물막이벽을 월류하는 하류측 하상의 지반은 지지력이 약화된 수중의 포화상태(飽和狀態) 이므로 기초콘크리트로 지지력을 확보하고 하단부에는 적정높이로 지지벽을 설치하고 상기 기초콘크리트 상부에는 적정높이로 자갈층을 형성한 후 그 위에는 자연석을 조밀하게 배열하되 모양이 불규칙한 자연석의 사이의 비교적 큰 공극에는 월류수의 유수력에 자갈 및 자연석이 이탈되지 않게 근입 되도록 콘크리트로 타설하여 물받이부를 구축하며,

상기 지지벽의 하류에는 물받이부를 통과한 월류수의 유속에 의하여 취입보 하류의 세굴을 방지하기 위한 인위적인 정수지(물 웅덩이)를 만들어 월류수가 정수지로 유입될때 운동에너지가 소멸되도록 만든 정수지는 적정량의 물이 잔류되면서 갈수기시에 수서생물 또는 어족자원의 배양소(培養所) 역할을 할수 있는 친화경적 공법에 관한 것이다.

Description

자연석을 이용한 하천의 취입보 축조공법{Construction method of rivers using natural stone}

본 발명은 자연석을 이용한 하천의 취입보 축조공법, 보다 상세하게는 강이나 하천에서 일정량의 물을 담수하여 유량이 적은 갈수기에 필요한 관개용수(灌漑用水)를 공급하기 위하여 구축되는 취입보에서 월류수의 유속을 저감(低減)되게 하는 물받이부를 자연석으로 시공할 때 그 지반의 지지력을 안정되게 하고 아울러 침투수의 배수가 용이하게 하여 물받이부의 경사면을 친환경적으로 유지할수 있게 한 하천의 취입보 축조공법에 관한 것이다.

일반적으로, 여름철에 집중적으로 호우가 발생하는 우리나라의 기후 여건상 유량이 적은 갈수기에 대비하고자 대부분의 강 또는 하천에는 물막이 역할을 하는 여러 형식의 취입보가 구축되어 있으며, 상기 취입보의 대부분은 자재의 수급이 손쉬운 철근 콘크리트로 시공되어 있다.

취입보를 시공할 때 선행되어야 할 조사항목으로는 하천의 상황, 이수 및 치수에 관한 조사, 지형과 지질조사, 환경에 관련된 조사, 공사와 시공조건 및 관리에 관한 것 등이다.

특히, 하상계수가 크고 첨예한 수문곡선을 나타내는 계류하천(溪流河川)에서의 취수공이 갖추어야 되는 구비조건으로, 첫째 급격한 유량변동에 대해 안정적인 계획취수가 가능할것, 둘째 유하하는 토사력 또는 여러 가지의 부유낙하물에 의한 취수장애가 발생하지 않아야 할 것, 셋째 흐르는 돌이나 목재 등에 대해 견고해야 할 것, 넷째 유지관리가 용이하여야 할 것, 다섯째 주변의 경관이나 하천 환경을 저해하지 않을 것, 여섯째 어족이 서식하는 계류하천에서는 그 환경을 보장할수 있어야 할 것 등이다.

도 1a는 종래의 철근콘크리트로 된 취입보의 일예를 나타낸 단면 구성도로서, 하천(R)의 폭 방향으로 위치하게 철근콘크리트를 사용하여 물막이벽(10)을 축조하되 물이 넘쳐 흐르는 부위를 낙차 저항이 감소되게 경사면(11)으로 형성하고, 상기 경사면 하부에 월류수로 인하여 지반이 세굴되는 것을 방지하면서 물막이벽에 지지력을 제공하는 물받이부가 일체로 형성되어 있다.

그러나 상기 철근콘크리트로 축조된 취입보는 물막이벽(10)의 경사면(11)을 따라 월류된 물이 물받이부(12)를 지나 하상(河床)의 지표면(地表面)으로 흐르면서 유속에 의해 세굴(洗掘)되고, 이로 인하여 도 1b에서와 같이 세굴부위(D)에 낙수가 발생하여 세굴현상이 진행될 경우에는 물받이부(12)의 기초부위 보다 더욱 깊이 침식되어 침투수의 유로연장이 짧아져 이른바 파이핑(P) 현상이 가속화되고 마침내 물받이와 지반(地盤)사이에 공극이 발생되어 지지력을 상실한 물받이는 점진적인 파손이되는 문제점이 있다.

한편, 상기 철근콘크리트로 된 취입보의 취약성을 개선하고 친환경적인 측면을 고려하여 도 2에서와 같이 물막이벽(10)의 하류측에 적당한 간격을 유지하게 지지턱(13)을 축조한 후 그 사이에 부직포(14)와 조립돌(15)을 순차적으로 적층(積層)하고 그 위에 크기가 균일한 대립형 자연석(16)을 촘촘히 배열하여 물받이부(12)를 형성한 기술이 본원 출원인의 선등록 발명(특허 제395972호)으로 제안된 바 있다.

즉, 취입보의 구성요소중 물받이부를 하천변에 산재된 자연석으로 형성하여 그사이의 공간에 수서생물(水棲生物)이 착생(着生) 되도록 하고, 어류의 이동이 자유롭게하여 생태와 자연환경에 친화적인 효과를 얻게 되고, 물받이부의 지반에 적층된 부직포와 조립돌의 투수작용에 의해 파이핑 현상을 최소화 되도록 한 것이다.

그러나, 상기 선등록 발명의 경우에도 물받이부의 하류측을 지탱하고 있는 지지턱을 물이 월류할 때 월류수의 유속에 의해 발생되는 세굴현상을 근본적으로 방지할수 없는 문제점이 있었으며, 특히 물받이부의 지반(地盤)이 투수가 용이한 부직포와 조립돌로 형성되어 있어 물막이벽을 월류하는 유량이 적거나 유량이 없는 갈수기에는 대립형 자연석 사이의 공간에 물이 잔류되지 않으면서 수서생물의 생육이 불가능해지는 문제점도 있었다.

본 발명은 위와 같은 종래의 취입보의 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 그 목적은 하상의 세굴현상을 근본적으로 방지하면서 안정적인 생태환경을 조성할 수 있는 자연석을 이용한 하천의 취입보 축조공법을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 하천의 폭 방향으로 설치되어 갈수기에 필요한 물을 담수 하고자 설치하는 물막이벽과, 물막이벽을 월류하여 물받이로 흐르는 물이 자연석 사이의 공간에 잔류되도록 하고자, 물받이 지반의 안정을 확보하고자 설치하는 기초콘크리트를 물받이의 경사와 동일하게 설치하고, 취입보 하단부 지지벽은 적정높이로 설치한 후 기초콘크리트층의 경사면에 자갈층을 형성한후, 그 위에 자연석을 조밀하게 배열하여 설치한다,

상기 취입보의 하류에는 물받이부를 통과한 월류수의 유속에 의한 세굴을 방지하기 위하여 인위적으로 정수지(물 웅덩이)를 만들어 월류수가 정수지로 유입될때 유수단면을 확대하여 유속의 감세(減勢) 효과로 세굴현상을 방지한다.

이하, 본 발명의 자연석을 이용한 하천의 취입보 축조공법을 첨부도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 실시예의 하천의 취입보 축조상태를 나타낸 단면구성도로물막이벽(10)을 갖춘 취입보가 제반 조건을 고려한 설계치로 구축되어 있다.

하천을 가로질러 물이 담수되게 하는 물막이벽(10)은 구조의 안전성을 검토하여 설치하고, 물막이벽(10)의 하류측 물받이의 지반은 수중의 포화상태(飽和狀態)로 불안정한 지지력을 확보하고, 물받이의 자연석 사이 공간에 물이 잔류되도록 하류측으로 완만하게 경사지는 기초콘크리트층(20)을 형성하고, 그 경사 끝지점에 기초콘크리트층(20)의 상부에 설치되는 물받이부(30)를 지지하면서 유실을 방지하는 지지벽(21)을 적정 높이로 구축되어 있다.

이때, 기초콘크리트층(20)이 설치된 지반에는 물막이벽(10)과의 높이 차이로 수압이 가해지면서 유선망(流線網)이 형성되고 침투수(浸透水)가 발생 되므로 파이핑을 막기 위해 물빼기 구멍을 설치하면 양압력 감쇄에도 유효하나 물구멍을 설치하는 일이 오히려 파이핑을 일으키는 수가 있어 , 부직포와 드레인보드를 순차적으로 설치하고 배수구멍(22)을 설치하면 원활한 배수와 토사의 흡출을 방지하는데 효과적이다.

기초콘크리트층(20)의 경사면의 상부에는 조립자갈층(31)을 적정한 두께로 형성한 후 그 위에 대립형 자연석(32)을 조밀하게 배열하되 자연석 사이의 비교적 큰 공간에는 조립자갈과 자연석이 월류수의 유수력(流水力)에 유실되지 않도록 자연석에 근입되도록 콘크리트로 타설하여 물받이부(30)를 완성하게 되며, 본 발명의 공법으로 축조된 취입보는 물막이벽을 월류하여 자연석으로 된 물받이로 흐르는 물은 종래의 철근콘크리트로된 취입보의 유속에 비해 약 51%의 감속효과(Kutter's 조도계수 참조. 콘크리트면= 0.015, 평활하고 균등한 암반= 0.033)와 물받이의 표면이 내구성이 좋은 자연석으로 설치되어 홍수시 고속으로 흐르는 돌 또는 사력으로 인한 충격과 파쇄, 마모에 우수하다.

본 발명은 생태계 및 친환경적인 공법임을 특징으로 하고 있으나 하천의 유량이 적은 갈수기시 취입보의 전면(全面)으로 물이 월류할 때 수심이 낮아 어류의 이동이 자유롭지 못할 경우에 대비하여 어도설치 기준에 부합(符合) 되도록 물막이벽 및 물받이를 타원형으로 월류수심이 30cm이상 되도록 낮게 설치하면 취입보의 특성상 어도가 자연적으로 만들어 진다.

취입보의 세굴을 방지하고자 설치하는 바닥보호공은 물받이부를 통과한 물이 유입될때 유수단면의 확대하여 운동에너지가 소멸되도록 적정량의 물이 잔류되는 정수지(P)를 만든 바닥보호공(40)이 시공되며, 이 바닥보호공(40)은 유속에 의하여 토사가 흡출(吸出)되는 것을 방지될수 있도록 부직포(41)와 조립돌(42)을 순차적으로 적층 되게한 후 그 상부에 대립형자연석(43)을 조밀하게 배열하여 설치한 구성으로 되어 있다.

보의 하류에서 유수의 흐름은 하류수위의 조건에 따라 4가지 영역으로 구분되는데 영역별 특징을 요약하면 다음과 같다.

첫째, 사류(射流)영역 : 사류가 하류로 진행하여 고속흐름이 발생하고 국부적(局部的)인 세굴이 가장 크게 일어나는 수리영역.

둘째, 완전도수(完全跳水)영역 : 유속의 에너지가 소멸되어 가장이상적인 감세(減勢)가 발생되는 수리영역.

셋째, 불완전도수영역 : 최대의 유속이 바닥층 흐름에서 나타나는 영역으로 이 경우 바닥보호공(40)의 선정시 주위가 요망됨.

넷째, 잠김흐름영역 : 수면에서 최대 유속이 나타나고 세굴위험이 가장낮음.

예컨대, 하천에 설치된 종래의 철근콘크리트취입보에서 그 하류측에 깊이 세굴되어 물이 고여있는 이른바, 자연적으로 형성된 정수지를 발견할수 있으며, 이러한 정수지는 홍수시 월류수에 의해 세굴이 진행될 경우 취입보가 파손될 것으로 판단 되지만 파손이 되지 않고 현상태를 유지하는 것을 볼수 있다, 이러한 원인은 자연적으로 생긴 정수지가 월류수의 유속을 감쇄하여 세굴이 가장크게 일어나는 사류가 발생하지 않는 물방석 역할을 함으로써 가능하였음을 확인할수 있었으며, 이로부터 본 발명의 정수지를 갖춘 바닥보호공(40)은 물막이벽(10)을 월류하여 물받이부(30)를 통과한 물의 운동에너지가 정수지의 정수압과 충돌하여 에너지의 소멸로 인한 유속을 감속하게 하여 하천본래의 유속으로 흐름을 전환시키는 것이다.

유속이 빠르고 수심이 작은 유수, 즉 사류(射流)가 유속이 느린 완류수심(緩流水深)에 충돌하면 수위가 급격히 상승하며, 사류에서 상류(常流)로 변할 때 일어나는 과도현상(過渡現象)을 도수(跳水)라 하며, 도수 전후의 수면 차이는 대응수위(對應水位)의 차이로써 유량(Q)이 갖는 운동량의 차이는 정수압(淨水壓)의 차이 이므로 바닥보호공의 정수지의 깊이는 대응수위의 차이만큼 깊게하면 유수의 단면이 확대되어 월류수의 유속을 효과적으로 감쇄[감쇄효과 유속(v)=1/정수지의 수심(h) ]하여 하천본래의 흐름으로 전환할 수 있고, 세굴이 가장크게 일어나는 사류영역이 발생하지 않음으로 바닥보호공의 내구성을 향상 시킬수 있는 장점이 있다.

완전도수영역에서 수면에 생기는 맴돌이가 미치는 곳 까지의 길이가 사류에서 상류로 변화되는 도수의 거리이며, 이 거리가 바닥보호공(40)의 설치 길이가 되며, 그 설계에 필요한 실험공식은 여러 식이 있으나, 실제로는 L=(4.5~5)h2 공식을 사용하며, h2는 상류 수심이다.

상기 바닥보호공의 상류(上流)측 S구간은 취입보의 물받이에서 바닥보호공의 정수지로 유입되는 월류수가 수맥이 분리되지 않도록 하류측 비탈면 끝에 낙하수맥(落下水脈)을 수평방향으로 유도하기 위하여 완만한 구배로 설치한다.

또한, 매우 큰 운동에너지를 갖는 월류수가 사력 또는 돌을 동반하여 바닥보호공으로 유입될 경우, 바닥보호공(40)의 표면은 내구성이 큰 자연석으로 되어 있어 충격에 안정적으로 흡수할수 있으나, 유수력보다 자연석의 크기가 작고, 공극 사이로 월류수가 직접 침투할 때 부력(浮力)이 발생하므로 공극사이로 월류수가 직접 침투(浸透)할수 없도록 콘크리트로 근입되게 타설하며, 자연석의 크기는 유수력(流水力)보다 커야한다 그 설계에 필요한 공식은 다음과 같다

W > F=3.77AU2 / (2g)

여기서, W : 자연석 1개당 무게(tf)

F : 유수력(tf)

A : 유수가 자연석에 충돌하는 면적(㎡)

U : 유수가 자연석에 충돌할 때의 유속(m/s)

g : 중력가속도(m/s2)

이와 같은 본 발명의 자연석을 이용한 하천의 취입보 축조공법은 구성소재의 대부분이 하천에 산재된 골재를 이용하여 축조함으로써 유하하는 사력(砂礫)에 의한 충격 및 마모에 견딜수 있는 내구성을 갖추고, 물받이 표면을 자연석을 이용하므로써 유속을 감쇄하여 어도의 설치없이 하천 상,하류간 수생태 및 어족자원의 이동이 자유로워 자연환경을 저해하지 않고, 물받이부의 표면에 물이 흐르게 될 때 요철로 인하여 폭기작용이 이루어 지면서 하천수의 용존산소량을 높일수 있다.

또한, 바닥보호공에 구비된 정수지는 물받이에서 월류하는 빠른 유속을 정수압과 충돌할 때 에너지가 소멸되는 것을 이용하여 하천 본래의 흐름으로 전환시키는 감쇄(減殺) 효과와 더불어 갈수기에도 정수지에 잔류되는 물에 의해 수서생물 및 어족자원이 서식할수 있어 생태환경이 유지되어 자연에 친화적이다.

도 1a 및 1b는 종래의 철근 콘크리트로 된 취입보의 일예와 그 문제점을 개략적으로 나타낸 단면 구성도,

도 2는 종래의 취입보의 또다른 예를 나타낸 단면 구성도.

도 3은 본 발명의 실시예의 자연석을 이용한 하천의 취입보 축조상태를 나타낸 단면 구성도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 물막이벽 20 : 기초콘크리트층 21 : 지지벽

22 : 배수공 30 : 물받이부 31 : 조립자갈층

32 : 자연석 40 : 바닥보호공 41 : 부직포

42 : 조립돌 44 : 채움재 45 : 부언(副堰)

Claims (3)

1. 갈수기에 용수를 확보하기 위해 하천의 방향으로 위치하게 철근콘크리트로 된 축조된 물막이벽(10)을 갖춘 취입보에 있어서,

   상기 물막이벽(10)의 하류측 하상에 지반의 지지력이 약화되는 불안정을 방지하기 위하여 하류측으로 완만하게 경사진 기초콘크리트층(20)을 형성하는 단계와, 상기 기초콘크리트층(20)의 경사하단에 그 상부에 채워지는 물받이부(30)를 지지하면서 유실을 방지하는 지지벽(21)을 적정 높이로 구축하는 단계와, 상기 기초콘크리트층(20)의 경사면 위에 조립자갈층(31)을 적정 두께로 형성한 후 그 위에 대립형 자연석(32)을 조밀하게 배열하되 자연석 사이의 비교적 큰 공극에는 조립자갈과 자연석의 유실을 방지하게 콘크리트 채움재(C)를 타설하여 물받이부(30)를 완성하는 단계와, 상기 지지벽(21)의 하류측에 물받이부(30)를 통과한 물이 유입 및 충돌될 때 운동에너지가 소멸되도록 적정량의 물이 잔류되는 정수지(P)를 갖춘 대립형 자연석(43)으로 형성된 바닥보호공(40)을 시공하는 단계를 특징으로 하는 자연석을 이용한 하천의 취입보 축조공법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 기초콘크리트층(20)이 구축된 지반에 물막이벽(10)과의 높이 차로 인한 수압이 가해지면서 형성된 유선망으로 인한 지반의 취약성을 방지하기 기초콘크리트층(20)을 관통하게 필터를 갖춘 침출수 배출구멍(22)를 다수곳에 부설된 것을 특징으로 하는 자연석을 이용한 하천의 취입보 축조공법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 바닥보호공(40)은 하상의 지표면으로부터 유속에 의한 토사 흡출을 방지하는 부직포(41)와 조립돌(42)을 순차적으로 적층되게한 후 그 상부에 대립형 자연석(43)을 조밀하게 배열 설치하여 하류측에 방책(45)을 형성하고, 상기 대립형 자연석(43)의 사이에 형성된 공극에는 콘크리트로 된 채움재(44)를 채운 것을 특징으로 하는 자연석을 이용한 하천의 취입보 축조공법.