TIMWORK-inc/kds-kcs-standards huggingface dataset:
(가) 충격블록 수직낙차공(Straight drop spillway with impact)
<그림 4.5-7> 충격블록 물받이 수직낙차공 표준도
㉮ 물넘이 유효폭
· <표 4.5-2>에서 D와 에 해당하는 를 찾고 로부터 를 계산한다.
<표 4.5-2> 충격블록의 낙차공의 Lp 대 y
㉯ 최소정수지수의 길이
㉰ 배플블록(baffle block)의 최소 위치는 , 배플블록의 높이는
㉱ 최소 말단수심
㉲ 최적 배플블록의 폭 및 간격은 0.4 d c
㉳ 최적 엔드실(end sill)의 높이는 0.4 d c
② 수직낙차공(Straight drop spillway)
가. 수직낙차공의 각 치수를 계산하기 위하여 다음 낙차수(dop number) 을 이용 하여 다음과 같이 시험자료를 만들었다.
<그림 4.5-8> 수직낙차공
즉, 낙하높이 y, 단위폭당 유량 q 만 알면 Ld, df, d1, d2를 윗 공식으로부터 계산할 수 있다.
여기서, Ld: 낙하길이 (m) df: 수맥선 하의 수심 (m)
d1: A점의 수심 (m) d2: d1 에 따른 하류수심 (m)
나. 만일 하류수심이 d2 보다 낮을 경우는 하류측으로 경사지게 흐를 것이고, d2 보다 높을경우는 잠수상태가 될 것이다.낙차공의 물받이폭은 접속수로의 폭과 같은 것으로 가정하였다.
③ 도수형(跳水型) 수직낙차공(Straight drop spillway with hydraulic jump) Q(유량), y(낙하높이), He(비에너지), hd(에너지손실), dtw(하류측 수로수심), P1(웨어까지의 상류수심), B1(낙구폭), B'(정수지의 폭), q1(단위폭당유량), D(Drop number)를 알면 Ld(낙하길이), df(수맥선하의 수심), d1(낙하점의 수심), d2 (d1에 따른 하류수심)의 값은 아래 식에 의하여 구한다.
는 1.0～1.2 정도가 되어야 한다. 비율이 1.0보다 작으면 정수지는 y를 증가해야 하고 위의 과정을 되풀이 한다.
<그림 4.5-9> 도수형 수직낙차공
도수길이 L Ⅰ, L Ⅱ, L Ⅲ는 정수지형에 따라 와 의 관계를 나타낸 아래 <그림 4.5-10>에서 구한다.
<그림 4.5-10> 정수지 Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ의 도수길이
4.5.3.2 급류공
(1) 수로 도중의 급경사 부분에 설치하는 개거형 수로로서 낙차공을 연속 설치하는 대신에 채택되는 구조물이다.
(2) 급류공의 구성은 입구접속수로·급류부·방사류부·정수지·출구접속수로로 된다.
가. 입구 접속수로는 설계유량이 배수(背水) 또 저하배수를 일으키지 않고 급류부 이하 에서 바람직하지 못한 난류가 일어나지 않고 유하될 수 있게 설계해야 한다. 이를 위해서 급류부 시점에서 한계수심이 유지되는 동시에 급류부 시점까지의 수로단 면의 변화는 완만하고 좌우 대칭인 평면형을 이룰 수 있어야 하며 곡선부가 설치되어서는 안 된다.
(가) 유입구 완화공의 길이
여기서, d: 수심 g: 9.8 (m/s2)
V: 유속 θ: 완화공바닥 경사각 (°)
L: 최소 1.50 m
(나) 최소여유고
<표 4.5-3> 수심별 최소여유고

수 심

0 ～ 1.5m

1.5 ～ 2.1m

2.1 ～ 2.7m

여 유 고

0.30m

0.37m

0.46m
② 급 류 부
가. 유입구 수심 및 저폭
(가) 급류부의 유입부를 계산의 기점 즉 지배단면으로 하여 상류 수로의 수면 변화 및 침식이 되지 않도록 한다. 점축부의 단면 축소부는 급류부에 두지 않도록 한다.
나. 구형일 때의 한계유속(Vc) 및 단면계산
<그림 4.5-11> 유입구
Q: 유량 (㎥/s)
Bc: 한계단면의 저폭 (m)
Dc: 한계단면의 수심 (m)
다. 수리계산
(가) 급류부 시점 이하의 수면추적계산은 베르누이 공식을 이용한다.
<그림 4.5-12> 급류부
㉮ 베르누이 공식
(나) 급수로의 단면확대 시점은 포물선형 종단기울기의 시점과 같다. 포물선형 종단 기울기에 있어 S는 1:0.5～1.0, K는 0.5 이내로 한다.
(다) 위의 조건은 폭 및 형이 변동될 수 없는 사다리꼴 수로에서는 적용되지 않는다.
③ 방사류부
가. 급류부 확대완화공의 위치·확대각 및 포물선형 종단기울기는 다음과 같다.
(가) 급류부 확대완화공
㉮ 급류부 확대완화공(spread transition)은 종단 포물선 시점에서 확대한다.
확대각
(나) 포물선형 종단기울기
공 식
여기서, y: 포물선의 기점부터의 종단거리 (m)
S: 포물선 지점에서의 기울기
X: 포물선의 기점부터의 수평거리 (m)
hv: 포물선 시점의 유속수두
K: 수직가속으로 일어나는 가정된 중력비율 0.5 또는 그 이하
θ: 포물선 시점에서 수평과 급류부 수로가 이루는 각도 ( ° )
포물선형 종단기울기와 단면확대는 가능한 한 급수로벽 위와 정수지벽 위와의 교 점에서 끝나거나 그 이전에 끝나도록 한다.
<그림 4.5-13> 급류공단면도
④ 급류부의 여유고( Fb)
가. Fb=C·V·d 1/2 식으로 계산
여기서 Fb: 여유고 (m)
C: 계수 (구형: 0.1, 제형: 0.13)
V: 유속 (m/s)
d: 수심 (m)
d: 수심 (m) (단, 구형단면)
⑤ 정수지
가. 도수부의 에너지 손실(F)
<그림 4.5-14> 정수지
나. 정수지의 폭
(가) 구형으로 유량 Q가 2.93 ㎥/s 이하일 때,
다. 도수심
d1, V1: 도수전의 수심과 유속
d2, V2: 도수후의 수심과 유속
Fr: 프루드 수(Froude number)
라. 도수의 길이
(가) Safranez 공식: L=4.5d2 (m)
(나) Smetana 공식: L=6(d2-d1) (m)
(다) 미 개척국 공식: L=6.1d2 (m)
(라) BakhmetffMatzke 공식: L=4.8d2 (m)
※ Bakhmeteff에 의하여 사류측의 프루드 수가 1<>일 때, 파상도수가 발생하며, 일 때 완전도수가 발생하는 한계이다.
프루드 수에 대한 도수의 길이를 결정하거나 슈트블록(chute block), 배플블록 (baffle block), 실(sill)을 설치하게 되는 정수지의 설계는 「KDS 67 10 00 농업용댐 편」을 참조한다.
마. 정수지 측벽 여유고
Fb=0.1(V1+d2)
V1: 유입유속 (m/s)
d2: 도수심 (m)
4.5.3.3 관급류공
(1) 수로내 및 횡단 배수구조물로서 낙차가 0.9∼4.5m이며, 유량이 적은 경우 관수로는 설계와 시공이 쉽고 경제적이며 유지관리가 용이하다.
(2) 상류완화공·유입구·관체·유출구·완화공으로 구성되며, 유입구는 조절노치(notch)·제수문·웨어로서의 기능을 갖도록 만들고, 잡초·잡물·유사에 의해 관이 막힐 우려가 없는 수로는 Ⅰ호형, 관이 막힐 우려가 있는 수로는 Ⅱ호형이 사용된다.
(3) 잡초나 잡물이 관속으로 유입되는 것을 방지하기 위해 스크린을 설치하며, 유입 잡물의 배출이 용이하도록 관의 직경은 충분해야 된다.
① 구 조
가. Ⅰ호형 관 급류공
(가) 상류수로 완화공
길이: 3m 이상, 바닥기울기: 토공수로에서 유입구까지
㉮ 조절 유입구 (control inlet)일 경우 : 토공수로와 같이 평행하게
㉯ 제수 유입구 (check inlet) : 기울기는 1:4 보다 완하게 한다.
(나) 유입구
㉮ 조절 유입구 : 설계유량의 20～100%까지의 유량이 수로의 평수심에서 유하되도록하고, 상류 수로에 급류 및 와류가 생기지 않도록 조절노치 (control notch)로 한다.
㉯ 제수 유입구 : 제수 각낙판이나 문비로 제수하며 상류에 분수문이 있을 경우 및 수위조절 방수문이 있는 경우에는 제수구조물로 겸용할 수 있다.
(다) 관체
㉮ 수리조절이 관 유입구 대신에 유입 구조물의 유입부에서 이루어지도록 하기 위해 충분히 낮추도록 한다. 관체의 기울기는 1:2 보다 완하게 한다. 초과 에너지의 분산을 위해 관 내에서 도수가 일어나도록 관의 유입구 부분을 낮추고, 기울기는 1:200 보다 완하게 하며, 그 길이는 유입구가 콘크리트 완화공일 때 5D(최소 1.80m)로 한다.
㉯ 수로 내 구조물일 경우 최소관경은 0.30m, 최대유속은 3.5m/s, 횡단 배수구조 물일 경우 최소관경 0.60m, 유속은 1.0～1.5m/s가 되도록 한다.
(라) 유출구
㉮ 콘크리트 완화공: Q≦1.45 ㎥/s, V≦1.52 m/s (만류시)
※ 유량 Q>1.45㎥/s일 때 구형 경사형 낙차공으로 설계하는 것이 유리할 경우가많으며, V>1.52m/s일 경우 하류부에서 배플관수로(baffled pipe)로 하여 유속을 느리게 한다.
㉯ 유출구부에서 토공수로에 유입되는 부분은 조약돌 보호공을 설치하는 것이 좋 다.
㉰ 관의 경사변화는 사면으로 관을 접합하든지 7°30′기성콘크리트 곡관을 사용 한다.
㉱ 관의 유출구 최대유속은 만류시 1.5m/s이다.
㉲ 유입마찰, 굴곡, 출구 손실수두는 작으므로 무시한다.
㉳ 기성콘크리트관의 굴곡변화부의 사면접합을 석면 시멘트 압력관 또는 철근 소 성 모르타르 압력관을 사용할 수 있다.
㉴ 표준설계는 1.45㎥/s이하에 사용하며 1.45㎥/s 이상일 때 구형 경사낙차공으로사용하는 것이 좋을 경우가 있다. 최대수면낙차는 4.5m이다.
나. Ⅱ호형 관급류공
(가) 초과 에너지의 분산은 배플(baffle)이나 정수지가 있는 유출구에 의한다. 수로 내의 구조물일 경우 check 유입구나 조절 유입구가 있어야 하며, 수중에 잡초가있을 경우 정수지가 있는 낙차공으로 하는 것이 좋다.
㉮ 배플이 있는 충격형 감세공
㉯ 정수지가 있는 관급류공
다. 원관 급류공(Pipe chute)의 단면결정
(가) 조절 및 제수부가 없는 유입부
㉮ 유입구에 지배단면(control section)이 생기도록 하고 한계수심 d2=0.75～ 0.80D(관경)으로 한다.
㉯ 단면 결정을 위한 수리계산
<그림 4.5-15> 원관형 급류공의 단면
<그림 4.5-16> Ⅱ호형 관급류공
<표 4.5-4> 관경속견표
<표 4.5-5> 원관형 급류공 단면산정표
(나) 조절 및 제수부가 있는 유입부
㉮ 관체 시점부가 소요 피복공(매설심)이 있어야 되는 급경사 지역에 있어 상자 (box)형 유입부로 설계할 경우 관체단면은 오리피스 공식으로 결정한다.
Q=AV,
여기서, C: 유량계수 (0.6)
H: 상자형 수면에서 관체 중심까지의 높이 (m)
㉯ 관체시점부 유속 V=2.5m/s로 하면,
상자형의 유입단면 소요 H가 충분하여 완전월류 낙차공이 될때의 낙구폭 b는
소요낙차 H가 불충분하여 잠류가 될 때는 윗 식을 참조하여 노치단면을 결정한 다.
(다) 압력운동방정식 (Pressure momentum equation)
여기서, d1: 도수전 수심 (m) V: 유속 (m/s)
d2: 도수후 수심 (m) D: 관의 직경 (m)
Q: 유량 (㎡/s) A: 통수단면 (㎡)
Y: 수면부터 통수단면 도심까지 높이 (m)
위 식을 이용 계속 계산하여 d2를 결정한다. 위 식 중 좌측은 상류 등류(NWL) 상태에서 유입구로 흐르는 상태를 한계류로 계산하여 d2, V1 등을 구하여 d1V 지점의 Y1은 다음과 같이 구한다.
여기서, W=d1 점의 수면폭
(라) 충격형 정수지(Impact type stilling basin)
㉮ 특성 : 유량이 비교적 적을 경우 상자형, 충격형 감쇄공은 연직으로 매달린 배플(baffle)에 유입 사류의 충돌과 충돌한 후 사류의 방향 전환에서 생기는 와류에 의하여 하류 수심에 관계없이 초과 에너지를 소산하게 되므로, 같은 프루드 수에 대하여 도수형 감세공으로 설계할 경우보다 유리한 경우가 많다.
㉯ 적용 및 구조세목
· 유량 Qmax을 참조하고 그 이상의 유량인 경우는 여러 개를 설치한다.
· 유속 Vmax=15.24m/s
· 하류 수위가 배플 높이의 중간에 가깝고 초과하지 않을 때 수리작용이 가장 좋 다.
· 배플의 바닥은 하류 수로 또는 관의 바닥과 같은 높이에 있어야 한다.
· 배플의 벽상에 작용하는 충격으로 인한 활동에 저항하도록 구조물을 설계해야 한다.(큰 동수압에 의한 진동 및 교란류에 안전한 구조일 것)
· 하류수가 얕을 때 말단부에서 하류 유출수로는 세굴이 되므로 인접한 수로바닥과 측면에 보호공을 한다.
· 정수지의 유입 수로는 일반적으로 관수로로 하고 유입부는 정수지의 내폭보다 작은 개수로로 할 수 있다.
· 상류 관유입부가 수로의 경사변환으로 인한 도수로가 만류될 경우 관경의 1/6의 공기밸브를 도수로의 상류에 설치한다.
㉰ 설 계
아래의 <표 4.5-6>와 <그림 4.5-17>을 참고하여 설계한다.
<표 4.5-6> 충격형 정수지의 설계치수표
<그림 4.5-17> 정수지의 구조
4.5.3.4 배플 슈트(Baffle Chute)의 설계
(1) 특징
① 급수로에서 하류 수로로 유입될 때 유속이 작아지도록 배플 피어(Baffle pier)를 설치하여 급사면으로 흘러내릴 때 초과 에너지를 분산하여 흐름을 억제하도록 한 공작물로서 정수지 설치가 곤란한 지역에서 사용되며, 그 특징은, ① 일반적으로 경제적이다. ② 낙차가 큼에도 불구하고 말단부 유속이 작다. ③ 흘러내릴 때 방수작용에 영향을 미치지 않는다. ④ 정수작용을 효과적으로 하기 위해 정수지에서는 필요한 초기의 하류부 수심이 필요하지 않는다.
가. 이용상의 주의
(가) 구조물의 각 부분의 치수기준인 W(정수지내폭) 산출은 유량 Q에 대한 근사치로서 프루드 수에 의해 산출한 값을 비교한 후 제 단면을 결정한 것임.
(나) 각 관(pipe)의 최대유속 Vmax=3.65m/s로 하여 최대유량을 결정한 것임.(Design of Small Canal Structures의 Pipe drop편 참조)
① 배플 슈트 각 부분 구조의 특성과 치수 결정의 유의사항은 다음과 같다.
가. 급류공 기울기는 1:2의 경사 이하로 한다.
나. 급사면 정부(crest)에 곡률반경을 둔다.
다. 배플 피어의 첫줄은 정부 표고보다 0.3m보다 낮지 않도록 한다.
라. 피어의 높이 H=0.8Dc～0.9Dc로 한다.
구형단면 한계수심
마. 배플 피어의 폭과 간격은 1.0H～1.5H로 하고, Partial baffle pier 폭은로 하며, 격렬로 교호되게 한다. Pier 상단 두께는 0.20～0.25m 로 한다.
바. 배플 피어의 열 간격은 고차로 H 이상 1.8m 이하이다(경사 1:2의 급류면에서는 2H이다).
사. 배플 피어의 상류면은 급류면에 직각이며, (물이 많이 튀어 에너지 분산이 크고 와류가 적다) 배면경사는 1:0.5로 한다.
아. 피어의 열 수는 4열 이상이다.
자. 측벽 높이는 바닥에서 직각으로 배플 피어 높이의 3배 이상이 되어야 한다.
차. 배플 피어의 한 열 이상을 와류 방지를 위해 유출구 수로 바닥 아래로 묻히도록 한다.
카. 유출구는 확폭한다.
타. 측벽의 하류말단은 세굴을 방지하기 위해 보호공을 한다
(3) Sill Control
① 유입구 길이는 2d1 이상으로 한다. 유입구 바닥보다 높게 요구되는 Sill의 높이는 상류수로와 유입구 사이의 에너지 균형으로 결정한다.
hs: Sill의 높이 He1=d1+hv1 (상류수로 비에너지)
Hec=dc+hvc (Sill에서 조절단면(한계류)이 된다.)
hi는 유입손실수두
실(sill) 정부의 곡선은 최대: 2.70 m, 보통: 1.80 m
실로 인해 상류에 고여있는 물을 배제하기 위해 0.15 m의 홈통을 둔다.
(4) Notch Control
① 직사각형 유입단면은 Control notch로부터 1.50 m 상류에서 시작하고, Notch와 Sill 간의 길이는 상류수심의 3배로 한다.
(5) 수리제원
① 유입구 접근유속 V1은 한계유속 Vc보다 작고 물의 튐이 적도록 V 1≦ 가 됨 이 좋다.
가. 유입이론유속(V1)과 한계유속(Vc)
여기서, g: 9.8 (m/s2) B: 폭 (m)
Q: 총 유량 (㎥/s), q: 단위폭당 유량 (㎥/s/m)
<표 4.5-7> Q에 대한 q의 값
<표 4.5-8> Q에 대한 m의 값
<그림 4.5-18> 배플 슈트의 허용유속과 Baffle Pier의 높이
4.6 조절시설
(1) 수로의 이수기능과 통수의 안전성을 확보하기 위한 조절시설로서 수로조직의 실정에 따라 유량 유속 수위 압력 등의 수리조건을 조절하는 수위조절시설 물넘이 방수공 조절지 조압시설 배수문 등을 설치한다.
(2) 또한 조절시설은 용 배수계획에 의한 이수조건 노선의 입지조건 물 관리조건 등을 고려하여 충분한 조절능력을 가지며 안전하고 경제적이 되게 해야 한다.
① 조절시설(regulating structure)은 협의로는 수위조절시설만을 뜻하기도 하지만, 여기서는 수로의 수리조건(유량, 유속, 수위, 압력 등) 중 한 가지 이상을 인위적으로조절하는 시설, 즉 수위조절시설, 물넘이, 방수공, 조절지, 조압시설, 배수문 등 조절시설을 취급한다.
② 조절시설은 타 수로시설과 함께 물 관리에 있어서 중요한 시설이다. 따라서 조절 시설은 수로조식 전체에 걸쳐서 계획초기에 일관된 물 관리방식의 선택, 각 시설의 배치계획 등 수로조직설계를 기본으로 하여 완성후의 유지관리에 활용해야 한다.
③ 물 관리방식을 선택할 때에 상정되는 수로조식의 물 제어방식으로서는 수위제어, 압력제어, 유량제어가 있고 이들의 각 특징은 다음과 같다. 이들의 제어방식과 함께 수로의 관리수준 및 자유도에 따라 여러 가지 조절시설을 적당히 배치해야 한다.
4.6.1.1 수위제어
(1) 물 관리조직에서 피제어량(被制御量)으로 수위를 이용하고 수리시설을 조작하는 제어방식이다. 수위를 항상 일정하게 조절하는 정수위 제어와 조건에 따라서 수위를 변화시키는 설정 수위제어가 있다.
4.6.1.2 압력제어
(1) 수위제어에서 목표지점이 관수로(Pipe line)인 경우는 피제어량은 압력이 된다. 압력을 이용하여 수리시설을 조작하는 제어는 수위제어와 같이 정압력 제어와 설정 압력제어로 분류할 수 있다.
4.6.1.3 유량제어
(1) 물 관리조직에서 피제어량으로 유량을 이용하고 수리시설을 조작하는 제어방식으로 수위제어와 같이 정유량 제어와 설정 유량제어로 분류할 수 있다.
(2) 그리고 조절시설의 종류와 특징을 보면 다음과 같다.
① 수위조절시설
가. 수위조절시설은 제수문(check gate)을 뜻하는 것으로 수로내의 유량변화에 의 한 수위변동을 조절하는 시설로 수로 내에 웨어 또는 게이트를 설치한다. 수위 조절시설을 수로조직 내에 적절히 설치하면 수로관리상 다음과 같은 이점이 있다.
㉮ 분수공에서 확실하고 안정하게 유량을 분수할 수 있다.
㉯ 급격한 수위변동에 의한 수로조직의 손상을 방지하며 물넘이, 방수공 지점에 대한 수위, 유량을 조절하여 안정을 기할 수 있다.
㉰ 저하배수곡선(drop down curve)에 의해 예기치 않은 빠른 유속발생을 방지하여 수 로의 침식, 세굴 및 손상을 방지할 수 있다.
㉱ 배수로에서는 지하수의 과도한 저하와 그에 따른 용수량의 증가를 방지할 수 있다.
② 물넘이, 방수공
가. 수로기능의 유지와 안전을 확보하기 위하여 설치하는 시설이다.
나. 물넘이는 취수지점에서의 과잉유입수, 강우시 수로주변에서의 유입홍수량, 분수공의 폐쇄에 의한 잉여수 등을 배제시키는 시설로서 방수공과 병설하는 경우가 있다.
다. 방수공은 필요에 따라 수로의 전체 통수량을 방류시키려는 것으로 주로 수로의 일정구간이 공백상태가 되도록 조작한다.
③ 조절지
가. 취수량, 통수량 및 용수량이 시간적으로 크게 변화할 때는 수로조직 중에 조절 지를 설치하는 것이 물 이용에 유리한 경우가 많다. 따라서 그 가능성과 경제 성을 충분히 검토한 후 설치한다. 조절지는 수원의 취수량, 수로 통수량, 경지의 용수량 간에 발생하는 불균형을 조절하므로 용수관리상 일어나는 수량손실을 최대로 방지함과 동시에 수로의 기능을 유기적, 탄력적으로 유지시키는 저수지라 할 수 있다.
나. 각 유량의 불균형은 특히 시간적 변동에 따라 일어나는 것으로 수로연장이 긴 수로일수록 그 영향이 심하다. 조절지에는 상·하류 수로의 낙차를 이용하여 간선수로의 중간에 저수지를 설치, 하류의 용수량에 따라 자연 유하하는 형식과 지선의 분수점이하에 설치하여 저류수를 그 지선의 수요에 따라 공급하는 형식이 있는데 후자를 일반적으로 팜폰드(farm pond)라 한다.
다. 용·배수겸용의 수로에서는 용수에 필요한 수위를 유지하는 조절시설을 계획한 다.
라. 또 배수로 및 용·배수겸용 수로에서는 방류하천(배수 본류)의 수위상황에 따라 역류를 방지하기 위한 시설이 필요할 때가 있다.
4.6.2 수위조절시설
(1) 수위조절시설은 계획한대로 수위를 유지시킴으로써 안정적으로 분수함과 동시에 물넘이, 방수공 등의 작동을 효율적으로 하기 위하여 설치된다.
(2) 수위조절시설의 배치 및 구조형식은 분수공, 물넘이, 방수공 등의 위치, 수로의 유량변동과 수위변화 등을 고려하여 적절한 수위제어방식에 의하여 물 관리가 용이하도록 하여야 한다.
(1) 수위조절시설(이하「체크 게이트: check gate」라 함)은 유량변동에 대한 수위변화를 제어하고 물 관리조직에 있어 수위제어를 목적으로 설치한다. 따라서 유량변화에 따라 생기는 수위변동에 대응하는 분수게이트, 밸브 등의 조작 횟수를 줄일 수 있으며 유량급변에 대한 완충효과, 저류효과 등 물 관리를 탄력적으로 운용할 수 있는 효과가 있다. 또한 수위제어에 따른 효과로서는 물 관리의 탄력적 운용 이외에 다음과 같은 이차적인 효과가 기대된다.
① 정수위를 확보하여 분수의 안전성을 높여서 분수공의 지배범위를 확대하는 효과
② 수로저류에 의하여 수로에의 부력 또는 양압력, 토압 등의 외압에 대응하는 효과
③ 저류에 따른 잡초생육방지
④ 유속을 억제함에 따른 수로내부의 세굴, 마모방지
⑤ 수로의 건습 (또는 만류, 공허) 변화에 대한 각종 불안정성의 방지
⑥ 게이트에 의한 방수공, 물넘이의 작동 효율 향상 등의 효과
(2) 체크 게이트
① 수로계 전체의 체크시스템 방식의 결정,
② 체크 게이트의 배치,
③ 각 체크 게이트의 형식결정,
④ 각 체크 게이트의 설계 등
가. 단계에 따른 제 조건을 고려하여 합리적으로 설계되도록 한다.
4.6.2.2 체크 게이트의 수위조절방식 선정
(1) 체크 게이트의 수위조절방식에는 상류수위 제어방식과 하류수위 제어방식이 있다.이 방식의 결정에는 각 특성 외에 수로조직전체의 배치와 동시에 물 관리계획, 조절지 유무, 수두배분, 시공성 및 경제성 등을 충분히 고려하여 선정해야 한다.
4.6.2.3 설계의 기본
(1) 설치수위의 선정
① 물 관리계획에서 요구되는 수위제어의 목표치 즉 관리수준에 따른 체크수위를 유지 확보하기 위하여 체크 게이트의 설치간격, 장소 및 설치 개소수를 결정하여야 한다.
② 따라서 체크 게이트의 배치는 분수공 설치장소, 수로단면의 변화지점, 물넘이, 방수 공의 위치와 함께 검토할 필요가 있다.
③ 또 다음 지점에서는 수위조절시설을 설치하지 않는 것이 바람직하다.
가. 수로의 곡선부 및 그 직상·하류부, 대분수공 등의 직상·하류부에서 수위변화가 심한 지점
나. 대성토 및 연약 지반 등의 불안정 지점
다. 관리상 불편한 지점
(2) 상류수위 제어방식의 계획에서 설치위치 등 설계 기본지침은 다음과 같다.
① 전 수로계통에 일관된 방침에 따라 설치계획을 수립한다.
② 물넘이, 방수공의 바로 하류측에는 수위, 유량의 조절이 될 수 있는 수동조절시설을 설치한다.
③ 대분수공, 중요분수공 직하류지점에는 수위자동조절시설을 설치한다.
④ 하류에 체크를 설치할 경우 그 체크에 의한 체크수위가 상류 체크지점에서 거의 계획수심의 1/2 이상 확보를 표준으로 한다. 그러나 높은 절·성토구간, 유지관리상의 편의, 기초지반, 지형의 변화점 등도 충분히 고려해야 한다.
(3) 체크 형식(특히 자동체크)에 따라서는 파동과 편류 등 수리적 조건에 따라 헌팅(Hunting) 등을 발생시켜 관리상 심한 불편을 주는 경우가 많으므로 수로선형의 상·하류 구조물 등의 관계를 고려하여 최종 결정한다.
4.6.2.4 체크형식의 선정
(1) 체크의 형식을 선정할 때는 선택할 체크시스템의 방법, 물관리계획에 따라 요구되는 정도, 조작, 물넘이 우회수로(by-pass)의 필요성 및 공사비 등을 종합적으로 판단하여 형식을 결정해야 한다.
(2) 체크의 조절목표가 되는 수위, 유량, 유속 등의 요소와 물 관리에서 요구되는 정도에 따라 ① 게이트 유무와 작동방식, ② 통수형태(오리피스 월류), ③ 보조기구의 유무, ④ 우회수로의 유무, ⑤ 물넘이, 방수공이 병설 등 요소의 조합에 의하여 여러 가지로 분류할 수 있으나 대략 분류하면 게이트의 유무와 작동방식에 따라 자동식, 조작식, 조합식, 고정식으로 대별한다.
① 수동식 체크(Manual check)
가. 인력 또는 동력 등에 의하여 임의로 게이트를 조작하는 것으로 가장 일반적인 형식이다. 임의조작이 가능하나 시간적으로 연속하여 조절의 정도를 유지하는 것이 불가능하며 정확도를 확보하기 위해서 일정한 폭이 필요하다.
나. 수위조절의 경우에 바이패스를 설치하므로 체크수위는 계획수위의 20～30cm낮게 설정한다. 기구도 단순하고 역사도 오래되어 설계지침으로 비교적 잘 정리되 어 있다. 빈지식보(Stop-log check)가 원형이고 공사비도 비교적 저렴하다.
다. 자동식 체크는 수위유지가 주목적이나 조작식 체크는 유량도 조절하는 것으로 물넘이, 방수공과 조합하여 설치한다
라. 일반적으로 양측 또는 한 측에 월류형의 바이패스를 설치한다. 월류형이므로 수 위변동이 작고 유량조절 기능은 큰 특성을 가지고 있어 바이패스 용량 범위 내 에서는 본체 조작 게이트의 조절이 필요 없고 대체로 체크수위가 유지된다.
마. 조작식 체크에는 월류식 게이트에 의하여 상류수위를 확보하는 월류형, 오리피스형이 있다. 월류형은 수위조절을 주목적으로 한 것이며 오리피스형은 약간의 유량변동이 있더라도 항상 일정수위를 유지하도록 고안된 조절시설이다.
② 자동식 체크 (Automatic check)
가. 자동식 체크는 수위, 유량을 자동식으로 조절하는 것으로 부력 또는 전동력에 의해 상류 또는 하류수위를 일정하게 유지하도록 자동식으로 게이트가 조작되는 것을 말한다. 인위적 조작의 필요가 없어 편리하나 감도가 지나치게 예민하거나 기구가 복잡하여 고장이 생기기 쉬우므로 설치나 적용조건에 배려를 요한다. 동력원을 필요로 하는 것은 유지관리가 번잡하므로 주의를 해야 한다. 계획수위를 일치시킬 수 있으므로 수위관리에는 가장 효율이 좋다.
나. 또 자동식 체크는 조절하는 수위에 따라 상류수위 제어 게이트식과 하류수위 제 어 게이트식으로 분류된다.
다. 자동식 체크에는 구체의 부력에 의해 자동적으로 작동되어 상·하류수위를 조절 하는 자동게이트와 와트맨 게이트 또는 보통게이트와 자동조작용 기구를 조합한 것 등이 있으며, 일반적으로 가격이 고가이다.
(가) 상류수위 제어 게이트식 체크
㉮ 상류수위 변동시에는 게이트 문짝에 부대된 부자(float)와 게이트 후부에 부착 된 카운터 웨이트(counter-weight)가 상류수위 변동에 따라 회전축을 중심으로하여 균형을 이루고 게이트를 개방시켜 물을 방류하거나 보를 막아 수위를 일정하게 유지하는 것이다. 수로의 중간체크에 적합하다. 파랑, 편류 및 게이트 하류의 단파 등에 의하여 헌팅(hunting)을 일으키므로 터널, 사이펀, 암거 등의 직전·후에 접속하여 설치하지 않는 것이 좋다.
· 게이트 2개 이상의 병설은 상호간에 헌팅이 발생하는 경우도 있으므로 배치 에 특별히 주의해야 한다.
· 게이트부는 토사의 퇴적을 방지하도록 상·하류수로보다 수심을 얕게 함이 바 람직하다.
· 위 게이트는 수위조절용 게이트이고 완전하게 수밀 되지 않아도 되므로 물넘이, 방수공 등의 통수차단을 필요로 하는 장소에는 사용을 피하는 것이 바람직하다.
· 게이트 상·하류의 수위차는 사용 수문에 대하여 일정한 제한이 있으므로 적용범위에는 특별히 주의해야 한다.
(나) 하류수위 제어 게이트식 체크
㉮ 문짝에 붙인 카운터 웨이트와 축심보다 뒤에 붙인 부자가 하류수위의 변동에 의하여 회전축을 중심으로 평행이 되고 제어수위 이상이 되면 부자가 상승하 여 게이트립이 닫히며, 역으로 되면 개방되어 하류측 수위를 일정하게 유지하 는 것이다.
㉯ 이 게이트를 사용하면 상류수위 변동이 클 경우에도 하류수위 (취수부)를 일 정하게 하므로 편리하다. 또 상·하류의 수두차가 큰 경우에도 사용이 가능하나 손실수두가 크므로 공사비가 많이 든다.
③ 조합형 체크 (Combined type check)
가. 조합형 체크는 설계유량 중 본류는 조작식 체크 게이트로 유하시키고, 일부를 바이패스 월류보 대신에 소형의 자동식 체크 게이트로 유하시키는 것을 말한다. 개략 수위조작은 조작식 게이트로 하고 미세한 수위조정은 자동식 게이트로 한다. 일 변동유량이 적고 장기간에 걸쳐 변화가 적은 수로 또는 항상 일정유량 이상을 유하시키는 수로에 적합하고 조작식 게이트와 조합시킴으로써 자동식 게이트를 소형화하고 공사비절감, 유량 등의 조절능력증대, 인위적 조절빈도의 감소 등이 기대된다. 설계시에 유량의 분할비율은 설계유량의 내용 및 그 시기별 변화와 예측한 조작 회수를 검토하여 결정해야 한다.
④ 고정식 체크 (Fixed check)
가. 수위를 고정보 등으로 유지하는 것으로 이 형식의 체크에는 월류형과 오리피스 형이 있다 . 반고정식으로 설치하는 빈지보도 여기에 포함된다.
나. 고정식 체크는 수두에 여유가 있고 수위의 조절 폭이 커도 좋은 경우에 적합하 다.
다. 수위변동은 크지만 최저수위는 확보되어 물넘이와 병설함으로써 유량의 개략적 인 조정을 할 수 있다. 또 손실수두는 크나 고장은 거의 없고 공사비는 저렴하 며 경제적이고 관리도 매우 용이하다. 더욱이 월류보 상류에는 토사퇴적이 되기 쉬우므로 토사배제방법을 검토할 필요가 있으며 물을 뺄 때를 대비해서 배수 게이트를 설치할 필요도 있다.
4.6.2.5 바이패스의 수리설계
(1) 바이패스는 관리의 생력화를 위하여 가동보에 병설된 고정보 부분을 말하고 상류구간에 발생하는 관리조절수량(분수공의 개폐에 의한 변동량 등)을 하류에 유하시켜 유효하게 이용하기 위하여 설치한다. 주로 조작식 체크에 설치하지만 타 형식의체크에 대해서도 기능, 목적 등을 고려하여 설치적부를 검토하는 것이 바람직하다.바이패스 능력은 수로, 각 시설의 배치 및 본선수로의 통수단면 등을 고려하여 적정하게 결정해야 한다.
(2) 바이패스의 설계유량
① 바이패스 능력 결정방법은 다음과 같다.
가. 수로 설계유량에 근거하는 방법
QB=α·Qμ
여기서, QB: 바이패스의 설계유량 (㎥/s)
Qμ: 상류수로의 설계유량 (㎥/s)
α: 계수(보통 α=0.1～0.2로 함)
나. 설계유량의 축소량에 근거하는 방법
QB=β·QR
여기서, QB: 바이패스 설계유량 (㎥/s)
QR: 설계유량의 축소량 (㎥/s)
β: 1.00 이하임
설계유량의 축소량이라 함은 상류수로의 설계유량에서 하류수로의 설계유량을 뺀 유량임.
다. 상류구간의 분수공 설계유량에 근거하는 방법
QB=rΣQτD
ΣQτD: 해당 체크와 직상류 물넘이 사이의 분수공 설계분수량의 누계 (㎥/s)
r: 계수 (1.0 이하임)
(3) 바이패스의 월류수심
① 바이패스의 월류수심 즉, 체크수위와 설계수위와의 표고차는 관리상 각 체크별로 변화되는 일정치로 하는 것이 바람직하다. 바이패스의 월류수심은 일반적으로 20～30cm 정도로 한다.
(4) 바이패스의 월류길이
① 바이패스의 월류길이는 다음 식으로 산정한다.
여기서, L: 바이패스의 월류길이 (m) QB: 바이패스의 설계유량 (㎥/s)
H: 바이패스의 월류수심 (m) C: 유량계수 (반원형의 경우 1.8)
(5) 바이패스의 단면
① 최소단면치수는 시공 또는 관리상의 필요치수로 정하지만 바이패스는 원칙적으로 직사각형단면으로 한다. 바이패스 단면 결정방법은 다음과 같다.
가. 폭
여기서, B: 바이패스의 폭 (m) QB: 바이패스의 설계유량 (㎥/s)
V: 체크하류(바이패스)의 유속 (m/s) H: 바이패스의 수심 (m)
나. 물받이(Cushion)
(가) 월류수의 충격을 완화하고 바닥을 보호하기 위하여 출구부분에 월류보를 설치할 수 있다. 이 경우 출구의 월류보에는 배수공을 설치하는 것이 좋다.
다. 덮개
(가) 바이패스에는 안전 및 관리작업상 덮개를 하는 것이 좋다. 또 바이패스의 월류수가 낙하하는 소음이 상당히 크기 때문이다.
4.6.2.6 게이트의 설계
(1) 게이트의 형식
① 체크에 사용되는 게이트는 그 사용목적에 적합한 형식을 선정해야 한다. 특히 자동식 게이트는 규격화된 것이 많고 적용수심, 적용폭 등에 유의하여 수리적으로나 구조적 으로 안전하고 경제적인 형식을 선정한다.
(2) 게이트의 설계조건
① 게이트의 설계는 게이트의 사용조건에 적합하도록 다음 사항을 고려하여야 한다.
② 즉, 형식, 치수(게이트의 높이, 경간장, 지점위치), 설계수심(전·후면 설계수심), 수밀 방법, 부식, 재질, 도장, 개폐기구 등을 고려한다.
③ 체크 게이트는 조절게이트이고 작동회수가 많으므로, 유황에 적응되고 진동발생이 적으며 견고한 구조로 한다. 체크 게이트를 설치함에 있어서는 게이트부근에서의 토 사퇴적을 방지하기 위하여 배사시설의 설치나, 게이트 부근의 수로바닥을 높여 게이 트 부근의 유속을 상·하류 유속보다 약간 빨리 하는 등의 검토를 해야 한다. 보통 저항이 작아 진동발생이 적은 레이디얼 게이트가 많이 사용된다. 소형의 슬루스 게이트로 인력으로 조작하는 것은 장래 전동화에 대비하여 스핀들과 프레임 등의 교체가 없도록 고려해야 한다.
(3) 단면 설계시 고려사항
① 게이트를 설치하는 단면의 수심은 상·하류 수로보다 약간 작게 하고 유속은 약간크게 하여 토사침전을 방지한다.
② 게이트의 종·횡 비는 1:1～1:2 로 한다.
③ 대형 게이트보다는 소형 게이트 여러 개가 조절 및 경제적으로 유리한 때가 많다.
④ 조작식 체크의 바이패스 통수용량은 본선유량의 20% 정도를 확보하고 관리단위가 되는 구간에서는 계획단면의 대소에 불구하고 그 구간의 바이패스 용량을 통수량과 동일하게 해야 한다.
⑤ 자동식 체크에서는 작동불능을 고려하여 안전시설(예를 들면 어느 정도 상류에 월류 식 물넘이 설치 등)을 고려해야 한다.
⑥ 체크의 상류측 바로 근처에 최소 ·300mm 정도의 예비배수게이트를 설치하면 관리 상 편리하다.
(4) 체크의 구조설계
① 체크에는 조작교가 필요하다. 조작교는 최소폭 60cm 이상이나 조작교 높이가 1.2m이상일 때는 90cm 이상으로 한다. 조작교에는 핸드레일이 필요하다. 체크 상·하류 수두차에 의해 많은 침투수가 발생하므로 기초에 배수공(under drain)을 매설하고 하단에밸브를 부착하여 수로내에 배수시킨다. 또 침투수에 의한 부력도 검토하고 전도,활동,침투로장에 대하여 안전해야 한다.
② 게이트를 설치하는 체크에서는 상·하류의 수리조건에 대한 구조적 안정과 충분한 침투로장을 확보하도록 해야 하며 필요하면 지수벽을 설치한다.
가. 전도에 대하여는 활동이나 침투로장에 대한 것과 같이 중요하지는 않지만 좁고높은 구조일 때는 체크의 상류수심이 최대가 되고 하류수심이 최소 또는 부력이최대일 경우를 고려하여 안정하게 설계해야 한다.
나. 활동에 대하여도 전도와 동일한 조건으로 검토한다. 활동계수(수평력과 부력을 감안한 수직력의 비)는 기초지반에 따라 다르며 점토 0.3, 사토 0.4, 사력 0.5로 한다.
다. 체크 게이트(제수문)의 길이는 ① 침투로장, ② 도수의 길이에 따라 「KDS 67 1500 취입보편」을 참조하여 설계한다.
4.6.3 수로의 물넘이
(1) 수로 물넘이는 수로조직의 관리상 발생하는 잉여수 또는 유입홍수량을 안전하게 배제하기 위하여 설치하는 조절시설이다.
(2) 수로 물넘이의 배치 및 구조형식은 분수공의 위치와 분수량, 수로조직을 구성하는 각종 시설의 배치상황, 물 관리방식, 방수로의 조건 등을 고려하여 잉여수의 배제가 안전하게 되도록 해야 한다.
(1) 수로는 보통 설계유량을 대상으로 하여 설계되지만 그 외에 출현빈도에 따라 중요 시설에 지장을 미친다고 생각되는 유량에 대하여도 검토되고 있다. 그러나 수로도 중에서의 유입홍수량 및 계획분수불능에서 발생하는 잉여수가 집중하여 수로의 통수능력 이상으로 될 때는 이들 잉여수를 안전하게 배제하기 위하여 수로도중에 물넘이를 설치한다. 또한 게이트의 조작 미비, 부유물 등의 통수방해물에 의한 수위상승 등의 위험을 방지할 목적에서도 물넘이 설치를 검토한다. 따라서 수로 물넘이는 수로단면의 축소에 의한 공사비 절감과 물넘이 설치에 따르는 공사비 증가와의 비교검토에 의하여 규모, 구조가 결정된다.
(2) 한편, 설계에서는 수로조직상 필요한 기능을 확보함과 동시에 그 수로조직이 수로 구조적으로 안전하도록 사용목적에 적합한 물넘이 형식의 선정과 설치에 대하여 검토해야 한다. 일반적으로 물넘이는 방수공과 병설되며 물넘이 지점에서 본선 수로의 단면을 축소시킨다.
4.6.3.2 물넘이의 형식
(1) 수로 물넘이는 구조적으로 유입형상에 따라서 월류형 물넘이와 사이펀형 물넘이로 분류된다.
4.6.3.3 설계의 기본
(1) 월류형 물넘이
① 월류형 물넘이는 수로측벽의 일부에 월류보를 설치하여 웨어마루를 설계수위와 일치시켜서 수로내의 잉여수를 월류시켜 배제하는 형식이다. 또한 잡물, 얼음 등의 부유물을 잉여수와 함께 수로 밖으로 배제시키는 역할도 한다. 월류형 물넘이는 물넘이의 기능에서 가장 중요한 작동이 확실하고 안전성이 가장 높다. 이 형식은 비조작형으로 월류수심이 낮기 때문에 완전한 기능발휘를 위해서는 연장이 긴 월류보가 필요할 때가 많아 일반적으로 하류에 설치되는 체크 게이트나 조작형 수문식 물넘이와 조합하여 설치함으로써 공사비절감과 기능확대를 기하고 있다.
② 월류형 물넘이는 작용중 상류단과 하류단의 월류수심이 다르고 그 사이의 월류수심의 변화에 문제가 있어 수리계산방법에도 여러 가지 제안이 있다.
가. 수리설계
(가) 방류유량의 설계
㉮ 방류량 = 상·하 단면 차인 유량 + 단면내 홍수유입량
㉯ 단면내 홍수량: Q = 0.002778 f·r·A (㎥/s)
여기서, f: 유출계수
A: 유역면적 (ha)
r: 홍수도달 시간내 강우강도 (mm/h)
(나) 유량공식
㉮ 엔겔 (Engel) 공식
· 본선 수로의 횡월류 물넘이에는 수면 변화 때문에 ±10% 내외의 정확도를 가진 엔겔 공식을 사용한다. 주수로 폭이 점차 축소되어 상류로 흐를 때 적 용되는 것으로 평야부 수로에 사용된다.
뾰쪽 보일 때 =0.49~0.48
넓은 마루 보일 때
여기서, Q: 물넘이 월류량 (㎥/s) h: 월류평균수심 (m)
L: 물넘이 길이 (m) μ: 월류계수 (0.644 정도)
㉯ 伊藤, 本間공식
여기서, Q: 물넘이 월류량 (㎥/s) h: 물넘이 월류평균수심 (m)
L: 물넘이 길이 (m) μ: 월류계수 (0.50～0.55)
나. 주수로가 균일한 경우
(가) 적용조건
㉮ 수로의 평면형이 직선일 때
㉯ 물넘이 길이(L)는 수로폭(B)의 2배 이상이고 물넘이 상류단의 프루드 수(Fr) 는 (0.05L/B+0.4) 이하일 것
㉰ 수로폭(B)과 수심(H)과의 비(B/H)가 1.5～2.0 범위일 것
· 물넘이 길이가 긴 경우에는 일반적으로 월류형 물넘이의 하류단에서 월류수 심이 영으로 되어 물넘이 통과후의 수로수심은 계획수심(보의 높이 D)보다 높게 된다. 따라서 수리설계를 할 때 우선 고려할 점은 물넘이를 유하한 하 류수로에서 방류시 수위를 계획수위보다 어느 정도 높게 취할 것인가를 정하는 일이다. 허용하류수심(H2)과 계획수심(D)과의 비율(H2/D)이 1.05 정도에서는 좋은 방류효과를 기대하기 어렵고 물넘이 길이를 길게 해도 효과는 적다. 그러므로 방류량을 증대시키려면 측면보 물넘이 하류단의 수위를 높게 한다. 일반적으로 과잉유입량이 계획통수량에 대한 비율이 33% 이상일 때 측면보 물넘이 설치효과가 크다.
(나) 월류량 산정
㉮ 물넘이 상류단 보높이 h1 과 물넘이 하류단 보높이 h2를 가정한다.
㉯ 하류의 설계유량에서 물넘이 하류단 월류수심 He2를 계산한다.
㉰ 보길이 L 및 물넘이 상류단의 수심 He1을 가정하여 평균월류수심 Hem을 구한다.
㉱ 가정한 모든 수치를 사용하여 아래 식으로 월류량을 계산한다.
여기서, Qw: 물넘이의 월류량 (㎥/s)
C: 월류계수 = 1.838( 1+0.0012/H em)(1
Hem: 평균월류수심{(He1+He2)/2} (m)
He1, He2: 물넘이의 상·하류단 월류수심 (m)
㉲ 수로의 측면보 구간에 있어서 마찰손실수두(Hf)와 여수의 손실수두(Hb)는 아래 식을 이용하여 계산한다.
V 1,V 2 : 상·하류단 단면의 평균유속 (m/s)
(R 1 ,R 2: 상·하류단의 경심)
Q r : 여수의 비(Q 2/Q 1)
Q 1: 상류측 유량 (㎥/s)
Q 2: 하류측 유량 (㎥/s)
㉳ Hf와 Hb의 값을 계산한 후 아래 식이 성립하는지 검토한다.
E 1=E 2+Z+Hf +Hb
여기서, E1: 상류단의 비에너지(=
E2: 하류단의 비에너지 (=
· 위의 식이 성립되지 않을 때는 물넘이 길이(L)와 상류단 월류수심 ( He 1 )을 수정하여 식을 까지 계산을 반복한다. 그래도 조정이 안 되면 맨 처음으로 되 돌아가 하류단 월류수심 ( He 2 ) 값을 검토하여 수정 계산한다.
다. 설계요령
(가) 물넘이의 월류수심이 △h인 경우에 파랑영향에 의한 수면 상승을 고려하여 수로의 계획수면보다 물넘이 보마루의 표고를 높게 하며 물넘이 높이 계산은 적절한 수로의 여유고와 설계기준을 고려하여 아래 <표 4.6-1>과 같이 한다.
<표 4.6-1> 물넘이 보마루 높이(m)
작은 수로에서는 보통 물넘이의 마루표고를 설계수면보다 5～15cm 높게 정하나 대 간선수로(Q=10㎥/s 이상)에서는 설계수면과 일치시킨다.
(나) 월류수심은 월류유량에 따라 수로의 여유고와 물넘이 연장을 고려하여 적절히 정한다.
(2) 사이펀형 물넘이
① 사이펀형 물넘이는 일반적으로 월류형 물넘이가 불가능할 경우나 만수위에서 홍수위까지의 높이를 낮게 할 목적으로 설치한다. 사이펀형 물넘이의 결점은 월류형에서 통수량이 서서히 증가하는데 비해 급격히 계획 홍수량이 배출되어 하류에서 하상 침식이나 피해가 생길 수 있는 것이다. 그러나 여러 개의 사이펀을 병렬로 설치하면 이런 위험도 피할 수 있다.
② 또한 사이펀형은 2개 이상을 병렬하여 설치할 경우 각각 동시에 시동하는 일은 곤란하므로 다소 시간적 변화가 있다. Mobirney형 사이펀 물넘이는 미국 USBR 의 Mobirney가 1958년에 제안하였다. 이것은 디플렉터(deflector)에 떨어진 제트(jet)의 낙하에 의한 교란을 이용하고 공기배제를 하여 안정된 사이펀 시동을 하고 또한 유속수두를 약간 감소시킬 수 있다.
③ 사이펀형 물넘이의 월류조건은 정점 A에서 최저압력이 되고 이 점에서의 압력이 수중 용존 공기배출의 한계압 이하로 되지 않는 것이다 .
④ 아래의 식의 우변은 한계압을 대기압수두 Ha의 0.7 배로 하여 구한 사이펀의 작동한계이다. 이용수두에서 구한 좌변의 유량이 이 이상이면 사이펀 작용이 불안정하게 되므로 이 값이 설계의 기본조건으로 된다.
여기서, q: 단위폭당 월류량 (㎥/s/m) Q: 월류량 (㎥/s)
B: 직사각형단면관의 폭 (m) D: 관경 (m)
H: 사이펀 정부 A점과 출구수면과의 표고차 (m)
C: 유량계수
R c: throat 저면의 곡률반경 (m) H ar : 대기압수두 (≒10.33m)
4.6.3.4 물넘이 설치위치의 선정
(1) 수로 물넘이는 보통 통수능력을 감소시키는 위치 즉, 수로단면이 변하는 지점에 설치하지만 설치에 유의할 사항은 다음과 같다.
① 물넘이는 수로도중의 분수공의 수 및 그 유량 또는 유입 구조물의 수와 그 유량에 따라 설치를 검토한다. 일반적으로 구간의 잉여수 유량이 수로의 여유고로 처리할 수 없을 경우에 물넘이를 설치하나 4～5km마다 1개소 정도를 설치하는 것이 바람직하다.
② 크고 긴 사이펀, 터널, 암거 및 수로교의 직상류부에서는 물넘이의 설치를 검토한다.
③ 높은 흙 쌓기 등 구조적으로 불안전한 곳이나 시가지를 통과하는 경우에는 그 직상류부에 물넘이의 설치를 검토한다.
④ 양수장의 직상류 부근에는 물넘이를 설치할 필요가 있다.
⑤ 물넘이에서의 방류량을 받는 하천, 조절지 등의 시설유무 및 규모에 따라 물넘이 설치계획은 크게 좌우된다. 따라서 물넘이로부터의 방류시설의 위치 및 규모 등에 대하여 미리 조사하여 물넘이 설치계획을 충분히 검토해야 한다.
⑥ 물넘이 설치에 따른 수로단면의 축소에 기인하는 수로 공사비 감소와 물넘이-방수로-감세공의 공사비를 비교하여 수로 물넘이의 위치, 규모 등을 검토해야 한다.
4.6.4 방수공
(1) 방수공은 수로의 보수, 점검, 사고시의 긴급방수 등을 위하여 설치하는 조절시설이다. 방수공의 배치 및 구조형식은 수로조직을 구성하는 각종 시설의 배치상황, 수로의 물 관리와 유지관리조건, 방수로와 방류하천 상황 등을 고려하여 방수가 안전하게 되도록 결정해야 한다.
4.6.4.1 일반사항
(1) 수로의 보수점검, 퇴적토사, 쓰레기 제거 등 관리상 수로의 물을 빼야 할 경우와 수로시설의 사고 등으로 긴급하게 낙수를 해야 되는 경우가 있다. 그러므로 보수점검개소 및 긴급방수발생 개소의 상류에서 유수를 방류하기 위하여 필요에 따라 방수공을 설치한다. 방수공은 방류하천의 상황, 그 외의 물넘이, 방수공, 분수공 등에서의 분산방류 가능성, 긴급방류시의 배제시간 등을 검토한 후에 방수공을 적정하게배치할 필요가 있다.
(2) 방수공의 최대 방류량은 그 지점의 계획관개수량에 수로내로의 유입량을 합한 양으로 하는데 이는 비상시 최악의 상태이다. 이 양을 배수로 또는 하천에 방류하면 배수로나 하천의 단면이 부족하게 되어 배수로나 하천을 정비할 필요가 있으므로 경제성을 다각적으로 검토하여 결정해야 한다.
(3) 물넘이나 방수공은 수로조직의 보호를 위하여 설치되기 때문에 수로의 여유고와 관계가 있으며, 잉여수량을 고려하여 물넘이나 방수공을 설치하되 이와 연결되는 방수로도 고려하여 그 위치를 결정한다.
(4) 긴급 방수시의 설계 방류량은 수로의 설계유량으로 하며 일반 관리용에는 방류하천의 유입상황, 분수공 물넘이 등의 시설로부터의 분산방류가능성, 방류시간을 고려하여 시설의 단면을 작게 하는 것이 경제적이다. 또 방수공은 물넘이와 병설하는 경우가 많다.
(5) 방류수의 흐름은 급류가 될 경우가 많고 설계시는 지형, 지질, 지반 등의 입지여건 을 고려하여 수리구조적으로 안전하게 배제할 수 있도록 한다.
(6) 물넘이, 방수공은 보다 낮게 있는 하천, 배수로 또는 기존 유지에 가까이 있으나 대부분 출구와는 상당한 낙차가 있어 급류공이나 낙차공으로 계획하여 유수 에너지를 감세시켜 수로의 파손이나 세굴을 방지해야 한다.
4.6.4.2 방수공의 구성
(1) 방수공은지형조건 및 방수공 위치에 따라 오리피스 공식이나 낙차공식으로 단면을 결정하며, 용수로에서 방류할 때 문비는 슬라이드 게이트를 주로 사용한다.
① 유입부: 입구 완화공, 방류게이트부
② 방수로: 접속수로부, 급류부 및 방사류부
③ 감세공: 감세지, 출구완화공 (또는 감세구조물)
4.6.4.3 설계의 기본
(1) 방수공의 설치위치선정
① 방수공의 설치시에 유의할 사항은 다음과 같다.
가. 크고 긴 터널, 사이펀, 암거 및 수로교 등 주요 구조물 직상류부에는 재해시 긴급방수가 가능하도록 방수공을 설치한다.
나. 시가지 입구부근이나 지형적으로 불안정한 곳에는 그 직상류부에 ①과 동일한 방 수공을 설치한다.
다. 수로의 유지관리상 설치하는 방수공은 ① 및 ② 방수공의 위치도 감안하여 경제적이고 유지관리에 편리한 간격으로 설치한다.
라. 방류하천 등의 능력에 따라 방수공의 설치계획은 크게 좌우된다. 따라서 방류수를 받아들이는 하천이나 배수로 등을 미리 조사하여 노선선정 및 공종선정시에 방수 공 설치계획을 충분히 검토해야 한다.
(2) 방수공의 설계
① 방수공 각부의 설계에 있어서는 시공의 경제성, 구조물의 안전성을 확보하여 방류가안전하게 이루어지도록 해야 한다.
(3) 방수구의 수리설계
① 방수구는 설계방류량을 안전하게 방류시키는 구조로 하여야 한다. 또 방수 게이트 부는 대량의 물이 일시에 방류되므로 특히 견고한 설계를 해야 한다. 또한 방수구가 고위부에 있을 때는 수로의 누수와 지상에서 지하수유동에 의한 활동을 방지하기 위하여 구조물에는 지수벽의 설치 등을 고려할 필요가 있다.
② 수리설계에서 방수구에 부여된 조건은 다음과 같다.
가. 시점의 에너지고는 본선의 설계유량에 유입홍수량을 합한 유량시의 수위로 한다.
나. 유입부 또는 경사변화점에서 한계수심이 될 경우에는 그 한계수심을 기점으로 하 여 급류수로의 수리계산을 한다.
다. 수로의 방수공에 도달하는 최대유량계정
(가) 최대방류량 = 계획유량 + 단면내 홍수량 + 유입량 (물넘이 참조) 단면내 홍수량 q = 0.002778 f·r·A
(나) 최대방류량으로 단면을 검토하였을 때 토공에서는 여유고의 2.5%, 라이닝에서는 5% 이내를 월류수심으로 하고 그 값을 초과하여서는 안 된다.
(다) 양수장으로부터 유입하는 경우는 모든 양수기가 가동될 때 최대수두로서 흐르는 최대설계유량으로 한다.
(라) 중력식 흐름에서는 분수문의 게이트가 완전히 열리고 체크 게이트는 좌우의측면보를 월류하는 물은 최대수심으로 흐른다고 본 상태에서 가능한 최대유량을 취한다.
(마) 간선수로에서 지선 및 지거로 분기되어 있는 수로의 방수공은 방수공 상류부 의 유량을 취해야 하나 인접상류부의 설계유량을 초과해서는 안 된다.
(4) 게이트의 설계요령
① 게이트는 설계유량을 충분히 배제시킬 수 있는 구조로 설계하고 게이트를 완전히 개 방하였을 때 방수구를 통하는 최대유속은 1.2m/s를 표준으로 한다.
② 게이트를 통과하는 유량공식은 오리피스 공식을 사용하여 계산한다.
③ 배수구조물과 방수공을 병용할 경우에는 횡단배수량이 방수공으로부터 배제되는 유 량을 합한 단면 이상으로 설계한다.
④ 방수공의 유입부 및 배출부에는 지형 및 지역여건에 알맞은 보호공을 설치한다.
⑤ 게이트 중심선이 되는 위치 표고가 수로의 계획수위보다 낮게 설치한다.
(5) 방수로의 설계
① 방수로는 일반적으로 급류인 경우가 많고 수리설계상 개수로 형식이 바람직하나 지 형, 관리, 주변환경에 의하여 개수로 이외의 공종을 채택하는 경우는 그 통수능력 등 안전성에 따른 각종의 배려가 필요하다.
② 설계상의 유의사항