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

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1 댐공학 담당교수명 : 서 영 민 연 락 처 :

2 여수로 (spillway)

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

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

5 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

6 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

7 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

8 급경사 수로 접근수로 방수로 감세공 조절부

9 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)

10 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

11 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

12 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 m) 정도로 하여 공동현상이 발생하지 않도록 설계 하동댐

13 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

14 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

15 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

16 수문 Sluice gate

17 수문 Roller gate

18 수문 Tainter gate 권양용 구조물 Trunnion pin

19 수문 Drum gate Hallow chamber

20 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

21 도수현상 Sluice gate에서의 도수현상 댐 여수로에 대한 도수 실험

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

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

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

25 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.

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

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

28 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>

29 에너지 감세공 - 에너지 감세공의 종류 # Roller bucket

30 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

31 에너지 감세공 Flip bucket type (Roller bucket) Flip bucket type
Plunge pool Submerged bucket type Sloping apron

32 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

33 댐 여수로 공동현상 Development of cavitation 1) 3) 2) 4)

34 댐 여수로 공동현상

35 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

36 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

37 댐 여수로 공동현상 - 공기혼입장치 Deflector type Offset type Groove type