댐공학 담당교수명 : 서 영 민 연 락 처 : elofy@naver.com

여수로 (spillway)

댐의 주요 구성요소 수력발전소 취수탑 댐 본체 댐 저수지 여수로 접근수로 감세공 Continuous end sill 급경사수로 Chute block 수문 Baffle block

댐의 주요 구성요소 수문 댐 저수지 여수로 급경사수로 취수탑 감세공 댐 본체 수력발전소 보조여수로

여수로의 정의와 구성 □ 여수로 (spillway) - 댐 저수용량을 초과하는 홍수량을 안전하고 효율적으로 방류하기 위한 댐 부속 구조물 □ 여수로의 구성요소 - 접근수로, 조절부, 급경사 수로, 감세공, 방수로 □ 참고 - 댐의 파괴 중 상당수가 여수로에 의해 발생 (주로 여수로의 용량부족) - 여수로 직하류부에 반드시 감세공을 설치해야 함. (여수로의 급경사 수로 말단부에는 고속흐름으로 인한 에너지를 감소)  하류 하천 및 구조물 세굴 및 붕괴 방지 - 댐 공사비에서 여수로가 차지하는 비중이 큼

여수로의 정의와 구성 - 여수로의 구성요소 1) 접근수로 :- 저수지에서 조절부 사이의 구성요소 :- 저수지에서 여수로로의 접근유속 및 수두손실을 저감 :- 여수로에서의 균일한 흐름을 유도 :- 필댐의 경우 여수로를 댐 접안부 또는 안부에 설치하므로 접근수로 필요 :- 콘크리트댐의 월류 여수로의 경우 접근수로 불필요 2) 조절부 :- 접근수로 말단부에서 급경사 수로 시점까지의 구성요소 :- 여수로의 월류부 :- 방류량을 차단 및 조절하는 역할 :- 수문유무에 따라 조절형 또는 비조절형으로 구분

여수로 3) 급경사 수로 :- 조절부 말단에서 감세공 시점까지의 수로부 :- 급경사 수로를 통해 고유속 흐름을 하류로 유하시킴 :- 개수로, 터널, 암거형태 또는 개수로와 터널 병용 형태 :- 공동현상을 방지하기 위하여 공기연행장치를 설치해야 함 4) 감세공 :- 급경사 수로 말단부에서 방수로 시점까지 구성요소 :- 고유속 방류수가 가지는 막대한 에너지를 감소시키는 역할  댐 하류부 세굴 및 인접 구조물 손상 방지 :- 정수지형, 플립버킷형, 잠수버킷형 감세공 5) 방수로 :- 감세공 말단에서 하류하천 사이의 방류수로 :- 하류 수위 상승으로 인한 감세공의 기능 약화 방지

급경사 수로 접근수로 방수로 감세공 조절부

여수로 - 여수로의 종류 • 여수로는 크게 개수로형과 관수로형으로 분류 1) 월류형 여수로 (overflow spillway or ogee spillway) :- 광폭 사각형 위어의 형태로 방류수를 월류시키는 여수로 :- 많은 양의 방류수를 방류시킬 경우 적합한 형태 :- 월류형 여수로의 노면은 예연위어를 통해 유출되는 수맥의 아랫면의 곡선과 동일하도록 설계 :- 여수로 노면과 수맥 사이의 부압을 줄이고 공동현상 (cavitation)에 의한 구조물 손상을 방지하도록 설계 (공기연행장치) http://1.bp.blogspot.com/-m-hb_KPUA_c/UVEkrxvdFhI/AAAAAAAAAHg/a7kbASagyq8/s400/123.jpg http://hydrotopics.files.wordpress.com/2010/01/syphon-original5.jpg?w=300&h=163

여수로 2) 측수로형 여수로 (side channel spillway) :- 여수로의 배수 하도 (측수로)와 여수로 정점부가 평행하게 위치하며, 여수로 정점을 통과한 물이 측수로에 떨어져 수직으로 방향을 바꾸어 하류방향으로 흐르는 여수로 월류부 측수로 http://2.bp.blogspot.com/-f2My73ikos8/UVEmOQBJqUI/AAAAAAAAAIE/MUPTsCzTzMM/s400/123.jpg.png http://www.americansouthwest.net/arizona/photographs700/overflow-channel.jpg

여수로 3) 나팔형 여수로 (morning glory spillway or shaft spillway) :- 여수로 설치에 공간적인 제약이 있거나 지형 및 지질학상 다른 형태의 여수로를 설치하기 곤란한 경우에 적용 :- 원형 월류단면, 연직관, 만곡부, 수평관로 및 종말구조물로 구성 http://twistedsifter.files.wordpress.com/2010/05/morning-glory-plughole-spillway.jpg https://www.flickr.com/photos/mr_sam/8555546034/

여수로 4) 사이폰형 여수로 (siphon spillway) :- 역U자 형태의 사이폰 형태의 여수로 :- 1)저수지 수위를 적절한 변동범위 내에서 유지시키는 것이 바람직할 경우, 2)낮은 수두로 소량의 물을 배제시키기 위해 사용하거나, 3)많은 양의 물을 배제시키기 위한 보조 여수로로 사용 :- 특별한 운전장치가 필요 없이 자동으로 작동되는 장점을 가짐 :- 입구부, 상류방향 경사단면, 여수로 정점부, 하류방향 경사단면, 출구부로 구성 :- 사이폰 정점부에서의 설계부압수두를 약 -8m (이론적 절대영압 수두 -10.34m) 정도로 하여 공동현상이 발생하지 않도록 설계 하동댐

여수로 5) 기타 여수로 - 자유낙하식 여수로 (free overfall spillway) • 자유낙하 흐름에 의해 홍수량을 방류시키는 형태의 여수로 • 여수로의 기초가 견고한 경우에만 채택 • 낙하지점에서 침식발생  하류에 부댐을 설치하여 인공저수지를 조성 하거나 콘크리트 물받이를 설치 • 아치댐에 적합한 형식 - 계단식 여수로 (stepped spillway) • 댐 하류 사면을 계단형으로 만들어 급경사 수로로 이용하는 방식 • 계단형 구조에 의한 사류의 흐름에너지를 소산시키는데 효과적  감세공의 규모를 줄일 수 있음 • 롤러다짐 콘크리트댐에서 주로 채택 - 터널식 또는 암거식 여수로 (tunnel or conduit spillway) • 댐 주변이나 지하에 터널 또는 암거를 설치하여 홍수량을 배제하는 방식

여수로 - 여수로 위치 선정시 고려사항 1) 댐형식 :- 콘크리트댐은 댐 본체에 여수로 설치 :- 필댐은 댐 본체와 떨어진 저수지 주변 자연지반에 설치  여수로와 댐 본체의 안전성, 경제성 고려 2) 여수로 형식 :- 현장 여건 (지형 등)에 적합한 여수로 형식을 비교 검토하여 결정 :- 접근수로와 조절부가 댐 중심선과 이루는 각도, 여수로와 하류하천과의 접속문제 등 고려 3) 지질측면 :- 여수로는 경암반 상부에 위치 :- 암반지반이 아닐 경우 지질 검토를 통해 부등침하, 구조물 외측 침투방지 등 고려 4) 경제성 :- 댐 공사비 중 여수로 공사비의 비중이 큼 :- 굴착량 최소화, 굴착량을 댐축조에 사용 가능한 위치 고려 5) 환경성 :- 환경파괴 최소화, 친환경적 측면을 고려

수문 - 수문의 종류 1) Sluice gate (인양식 수문, lift gate) :- 교각에 수직홈을 설치하여 수문을 상하로 개폐함으로써 유량을 조절 :- 마찰력 감소를 위해 정수압, 권양력, 수문자중을 고려 2) Rolling gate (전동식 수문, Roller gate) :- 원통형 단면의 수문을 교각 사이에 수평으로 설치하여 치형레일을 따라 회전하면서 개폐되는 구조 :- 장경간의 깊은 수심을 가지는 여수로 조절부에 적합 3) Tainter gate (테인터 수문, radial gate) :- 수문 전면이 원호상이고 트러니온 핀을 중심으로 회전하면서 개폐하는 구조 :- 수문 전면의 정수압이 트러니온 핀에 집중되므로 작은 권양력을 필요로 함 :- 대규모 권양용 구조물이 불필요하므로 대규모 댐 여수로에 적합 4) Drum gate (드럼 수문) :- 공실 (hallow chamber)의 배수와 충수를 통해 수문을 개폐하는 구조 :- 대규모 공실 공간을 필요로 함 :- 수문 반개시 공동현상 및 진동 발생 우려

수문 Sluice gate http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/74/Sluice_gates-GAP.jpg/220px-Sluice_gates-GAP.jpg http://www.wemvalves.com/images/1143262286/Sluice%20gate%20instruction.jpg

수문 Roller gate http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/8d/Mississippi_River_Lock_and_Dam_number_15_closeup.jpg/800px-Mississippi_River_Lock_and_Dam_number_15_closeup.jpg

수문 Tainter gate 권양용 구조물 Trunnion pin http://lh5.ggpht.com/-Xg77MMvqbRA/TCjUvGbkWPI/AAAAAAAAWDQ/oi07kulk1u4/Lake%252520Red%252520Rock%252520Dam%252520Tainter%252520Gates%2525201%252520%25252806-28%252529.JPG http://www.nps.gov/history/history/online_books/rmr/2/images/fig28.jpg

수문 Drum gate Hallow chamber http://www.graconcorp.com/gallery/dams/drum-gate-shasta-dam.html# http://library.water-resources.us/docs/MMDL/FLD/Images/NavigationLockAndDams/Drumgate-2-thumb.gif

도수현상 □ 도수 (hydraulic jump) - 흐름상태가 사류에서 상류로 변하는 흐름상태 전환구간에서 발생하는 현상으로서 흐름 에너지의 일부를 격렬한 와류와 난류를 통해 소모하는 현상 - 도수전 흐름상태는 사류, 도수후 흐름상태는 상류 도수후 에너지 손실 발생 Hydraulic Jump Supercritical Flow Subcritical Flow

도수현상 Sluice gate에서의 도수현상 댐 여수로에 대한 도수 실험 http://mecasestudies.org/wp-content/uploads/2011/10/sluice_gate-1024x424.jpg http://www.iahrmedialibrary.net/wp-content/uploads/2014/02/hydraulic_jump_end_spillway.jpg http://3.bp.blogspot.com/-dvWd_k3xzt4/Tbku8l6iaDI/AAAAAAAAAAc/aJsylN7nfno/s320/Picture2.png

도수현상 파상도수 - 도수의 분류 Froude number (Fr): 약도수 진동도수 정상도수 강도수

도수현상 비에너지: 비력: □ 도수발생시 비에너지 및 비력곡선 (2) 상류 (2) 사류 (1) (1) 도수후 ΔE만큼 도수전후 에너지 손실 도수전후 비력 일정

도수현상 □ 도수 전후 수심관계 직사각형 단면 수로에서 비력 일정 조건 적용

도수현상 도수 전후의 수심 관계 Fr1=1 (한계류)일 경우, 식의 우변값 = 1  [참고] 2차방정식 근의 공식 도수 전후의 수심 관계 Fr1=1 (한계류)일 경우, 식의 우변값 = 1  (도수 미발생) Fr1>1 (사류)일 경우, 식의 우변값 > 1  (도수발생) 도수발생시 도수후 수심이 도수전 수심보다 크고, 도수가 발생하려면 상류부 흐름이 사류이어야 함.

도수현상 □ 도수로 인한 에너지 손실 ---(b) ---(a) (b)  (a)

도수현상 [예제] 도수후의 수심, 유속 및 도수로 인한 에너지 손실을 구하라. 단, 수로폭은 3m. (>1  사류)

에너지 감세공 - 에너지 감세공 (energy dissipator) :- 여수로 말단부 고속흐름의 막대한 에너지를 감세시켜서 댐 본체, 여수로 구조물, 하류하천 구조물의 침식 및 파괴를 방지하기 위한 구조물 :- 감세 수로부와 감세용 부속물 (chute block, baffle block, end sill)로 구성 <top view> <side view> http://onlinemanuals.txdot.gov/txdotmanuals/hyd/images/Hydf8-29.jpg

에너지 감세공 - 에너지 감세공의 종류 # Roller bucket

에너지 감세공 USBR-II USBR-I USBR-IV USBR-III Dented sill Chute block Continuous end sill Continuous end sill Chute block Chute block Baffle block http://scialert.net/fulltext/?doi=ajaps.2009.436.445

에너지 감세공 Flip bucket type (Roller bucket) Flip bucket type Plunge pool Submerged bucket type http://tariqaltaf.com/images/Basha/Model.gif http://i408.photobucket.com/albums/pp165/peichow/28Nov05-1.jpg http://dc250.4shared.com/doc/pLuaacwm/preview007.png Sloping apron

댐 여수로 공동현상 - 댐 여수로 공동현상 (cavitation) :- 댐 여수로에서의 고속흐름에 의해 국부적으로 압력저하가 발생하고 혼합기포 (가스+수증기)가 생성된 후 공동의 압축 및 결괴에 의한 충격압에 의해 콘크리트 라이닝이 파손되는 현상 http://www.usbr.gov/pmts/hydraulics_lab/pubs/EM/EM42.pdf

댐 여수로 공동현상 Development of cavitation 1) 3) 2) 4) http://www.usbr.gov/pmts/hydraulics_lab/pubs/EM/EM42.pdf

댐 여수로 공동현상 http://www.usbr.gov/pmts/hydraulics_lab/pubs/EM/EM42.pdf

댐 여수로 공동현상 - 댐 여수로 공동현상 진행과정 1) 댐 여수로 고유속 흐름 4) 콘크리트 표면 pitting 및 스폰지화 2) 국부적인 저압 발생 및 공동형성 5) 콘크리트 라이닝 부분 파손 3) 공동을 포함한 흐름이 고압부로 이동 6) 파손부위에서 저압 발생 및 공동현상 촉진의 악순환 4) 공동의 압축, 결괴 및 충격압 발생

댐 여수로 공동현상 - 공기연행 (air entrainment) :- 수로표면에 불연속면을 부여 (굴절부, 벽단, 홈, pier, duct 등)  흐름 속으로 공기 주입  공기와 물의 혼합체의 압축성 증가  공동의 찌그러짐에 의한 충격력 흡수 - 혼입공기량 결정 :- 최소공기량 :- 5% 이상 (공기와 물의 혼합체의 부피에 대한 공기의 부피) :- 흐름유하에 따른 혼입공기농도 감소를 고려하여 최소공기량보다 훨씬 많은 양 주입 :- 혼입공기량 Qa: 혼입공기량, C=0.01~0.04, L=공동길이 (cavity length) V: 유속, W=수로폭

댐 여수로 공동현상 - 공기혼입장치 Deflector type Offset type Groove type http://www.usbr.gov/pmts/hydraulics_lab/pubs/EM/EM42.pdf