TIMWORK-inc/kds-kcs-standards huggingface dataset:
지반반력은 지질, 기초말뚝의 장단 등에 따라 달라지기 때문에 실제의 반력분포상태를 확인하기는 거의 불가능하다. 그림 4.4-1과 같은 경우는 B~C구간에 정점을 가지는 고차(高次)의 포물선으로 되는 것으로 생각한다. 그러나 수치적으로 표시하기에는 곤란하기 때문에 보통 지반반력의 분포는 A부터 D로 향해 으로부터 로 변화하는 것으로 가정한다. 이 가정은 암거의 휨모멘트에 대해 가장 위험한 상태에 대한 것으로 이 가정에 의해 산출되는 휨모멘트는 실제의 경우보다 크다. 단, 암거중앙부의 지반압력은 이 가정에 의한 수치보다 크게 되므로 말뚝, 기타의 기초공은 이 반력도의 반력보다 큰 반력에 견딜 수 있도록 설계하지 않으면 침하를 일으키고 대단히 큰 휨모멘트가 일어나 암거에 균열이 생겨 파괴된다.
4.4.3.1 관체의 구조설계
(1)“KDS 67 25 00 농업용관수로”설계기준을 참고한다.
4.4.3.2 완화부(Transition)
(1) 트란지숀은 개수로 구간에서 역 사이펀의 구간으로 진입할 때 단면변화와 표고차로 생기는 에너지손실 및 배수현상을 완충할 수 있는 부분을 설계하여야 한다.
① 완화공 형식
가. 에너지손실과 배수현상은 사이펀에서 단면·유속·높은 플륨·흙깍기 또는 피복한단면 및 터널 등의 갑작스런 변화에 의해 일어난다. 완화공 유입부와 유출부의형식은 여러 가지이며 다음과 같이 5종류로 구분한다.
(가) 연직식(vertical transition)
(나) 비틀림식(warped transition)
(다) 직선식(straight lined transition)
(라) 유선식(streamlined transition)
(마) 탱크식(tank typed transition)
② 완화공의 기울기
가. 완화공의 기울기는 직선식 완화공에서 유입부 및 유출부 바닥의 최대기울기가 각각 1:4, 1:6 보다 완만해야 한다.
③ 완화공의 길이
가. 완화공의 길이는 유입부 단면과 유출부 단면 간에서 측벽을 연결한 직선이 수로측과 이룬 각도를 12°30′으로 한 경우의 실험치이다. 또한 완화공의 수면과 중심선이 이루는 각은 유입부 완화공에서 27°30′, 유출부에서 22°33′을 초과 할 수 없다. 어떤 경우에는 구조물의 입구·출구를 다같이 25°로 설계하는 것이 경제적이다.
나. 제수공에서는 유입부 완화공의 각도를 30°로 하고 유입손실수두로는 상류수로 와 제 수문개구의 유속수두 차의 0.5배, 즉를 취한다.
다. 길이가 긴 완화공을 제외하고는 완화공 내의 마찰손실수두는 무시한다.
여기서, d 1: 수면고 d 2: 수면고＋lining 여유고 (0.1～0.2)
다. 일반적으로, 로 하기도 하는데 이 때 은 완화공 유입구에서 수로폭과 관경이 이루는 축소각이다.
④ 유입구·유출구의 개방완화공
가. 유입구·유출구의 개방완화공은 될 수 있는 한 손실수두를 작게 하기 위한 시설이다. 수로공과 개방완화공과의 접속부분의 보호공은, 보통 유입부에서는 설치하지 않으며, 유출부에서는 개방완화공의 종점의 유속이 0.7m/s 이상일 때 설치하여야 한다.
⑤ 유입구·유출구
가. 유입구에서는 관체 속으로 토사나 공기가 유입되지 않도록 한다. 침사작용을 완전히 하기 위해서는 유입구 바로 상류에 침사지를 설치하는 경우도 있다. 유입구의 상단은 완화공의 속도수두에서 토공수로의 속도수두를 뺀 값의 1.5배 이상의 깊이가 필요하며, 최소 0.45m 이상이어야 한다. 유입구 상류에는 스크린을 경사지게 설치하여 부유물의 침입을 방지하고 안전조치도 겸한다. 유출구의 상단은 관체의 속도수두와 수로의 속도수두의 차이만큼의 깊이로 하든가 수로 내의 수위와 같게 하여도 된다.
⑥ 유입구·유출구의 폐쇄완화공
가. 개방완화공과 관체를 연결하는 구간으로 손실수두를 될 수 있는 한 작게 하기위한 시설이다. 유입구·유출구 폐쇄완화공의 개방완화공 쪽 단면은 관체의 내경 을 변으로 하는 정사각형으로 하고, 길이는 관경의 2배로 하여 관체와 연결한다.
4.4.3.3 잠관 입출구의 실(Seal)
(1) 잠관 입출구의 수면에서 폐쇄완화공 또는 관의 내측 정부(頂部)까지의 수직 높이이며 유입구에서는 관내로 공기가 들어가는 것을 방지하는 역할을 하고 유출구에서는 에너지 손실에 관계됨으로 적절하게 정해야 한다.
(2) 유입구의 실
① 유입구의 실은 관 또는 폐쇄완화공의 천정이 물에 잠길 수 있게 하기 위해 필요한 높이이며, 식으로 표시하면 아래 식과 같다.
여기서, △WS 1: 개방완화공 상하류 끝 사이의 수면표고차
K1, fgc: 점축손실계수
△hv 1: 수로와 관체의 속도수두의 차
h f1 : 완화공 구간의 마찰손실수두
가. 관경 300～900mm인 경우
(가) 유입구의 실은 아래 식에서 계산된 값 또는 10cm 이상 혹은 속도수두 차의 1.5 배 즉 중 큰 값을 취한다.
나. 관경 900mm인 경우
(가) 유입구의 실은 식 (4.6.7)에서 계산된 값 또는 최소 45㎝ 혹은 속도수두 차의 1.5배 중 큰 값을 취한다.
다. 관경 1,800～4,000mm인 경우
(가)유입구 실은 50cm를 취한다.
(3) 유출구의 실
① 유출구에서는 관체나 폐쇄완화공 끝의 천정이 물에서 뜨지 않고 또 너무 많이 잠기지 않게 하여야 하며 수면과 일치시키는 것이 가장 좋다.
② 유출구 단면 높이의 1/6 이상 물에 잠기면 완화공의 점확 손실계수 대신 급확 손실계수를 적용하게 되어 출구손실이 커지게 된다. 유출구의 실은 완화공 하류끝의 수면과출구의 관체나 폐쇄완화공 끝의 천정과의 표고차이며 아래 식으로 구한다.
여기서, △WS 2: 유출구의 개방완화공 상하류 끝 사이의 수면표고차
③ 완화공 길이가 짧은 경우 h f1, h f2는 계산된 값이 아주 작기 때문에 완화공이 특히길지 않은 경우는 계산에서 생략하여야 좋다.
4.4.3.4 구조물 설계의 유의사항
(1) 잠관은 관의 매설과 관의 시공을 지형 및 지질에 부합되도록 설치해야 한다.
(2) 특히 용수로를 횡단하는 배수잠관(배수 잠관)은 토사 퇴적으로 배수기능을 상실할우려가 있으므로 이를 피하고, 다른 방법을 찾는 것이 필요하다.
① 관의 선택
가. 잠관은 일반적으로 공장제 원심력 콘크리트 원형관 또는 철근콘크리트 원형관을사용하는 것이 좋다. 이들을 규격품으로 사용하게 되면 응력계산을 생략할 수 있다. 다음과 같은 곳에서는 현장타설 상자형이 유리한 경우가 있으므로 비교·검토할 필요가 있다.
(가) 내압이 적고 통수량이 많은 경우
(나) 지형상 매설의 깊이를 얕게 하지 않으면 안 될 경우
(다) 관의 길이가 짧고 내경이 큰 경우
(라) 다른 구조물의 일부를 이용하는 경우
② 관의 연수(連數)
가. 관의 연수는 1련이 원칙이지만 다음과 같은 경우는 2련으로 할 것을 고려한다.
(가) 교통이 불편하든가 또는 용수 등으로 대형 관의 운반·취급이 곤란한 경우
(나) 지질상 대형 관을 깊이 매설하기가 곤란하거나 부적당한 경우
(다) 개척지와 같이 전 수량을 필요로 하고 상당히 장기간을 필요할 때 1 련만 먼저 부설하고 나머지를 차기 공사로 하는 경우
③ 매설깊이
가. 매설깊이는 다음 사항을 유의하여 결정한다.
(가) 경지 내에서는 경작에 지장이 없는 깊이로 한다.
(나) 터널식 구조는 피한다.
(다) 이동성 지반에서는 활동면 이하로 매설한다.
(라) 한랭지에서는 동결선 이하로 매설한다.
(마) 중요한 도로·궤도 밑에 매설하는 경우는 관의 재료·기초공 여하에 따라 아래의<표 4.4-1>을 표준으로 한다.
<표 4.4-1> 매설 깊이의 표준
④ 기초공
가. 잠관의 관체는 구조물로서는 가벼운 것이므로 0.6m 이하의 소구경 관인 경우에는 부등침하를 방지할 정도로 하고 특별한 기초공을 하지 않는다. 관경 0.6m 이상의 기초공 종류와 지반과의 관계는 아래의 <표 4.4-2>∼<표 4.4-3>을 표준으로 한다.
<표 4.4-2> 관경 0.6m 이상의 원심력관의 기초공
<표 4.4-3> 관경 0.6m 이상의 보통콘크리트관의 기초공
나. 그 밖에 특수한 경우나 지지력이 부족한 경우는 기초설계를 하며, 경사부의 기초는 흙다짐을 잘하거나 또는 모래를 깐다. 유입구와 유출구는 접속수로·침사지·기타의 부대시설과의 관계를 고려하여 침하·이동이 없게 한다.
⑤ 신축이음
가. 원심력 콘크리트관이나 흙 속에 매설하는 관체에 대하여는 신축을 고려하지 않는다. 그러나 현장타설로 할 때는 지표면에 노출되는 구조에서는 수축이음을 생략하고 팽창이음 간격을 20m (B·H=1.5×1.5m 이상), 또는 30m (B·H=1.5×1.5m 이하) 범위 내에서 신축이음을 설치한다.
4.4.3.5 설계 세부사항
(1) 기초처리
① 암거파괴의 주원인은 지내력 부족에 의한 침하에 기인하는 것이므로, 충적평야 특히 소택지(沼澤地) 등에서는 주의해야 한다. 간척지이거나 구릉에 둘러싸인 답지대는 불량지반으로 생각해야 하며, 이런 불량지반에 대하여는 토질을 충분히 조사하여야하는데 구조물의 규모와 중요도에 따라 종방향 또는 횡방향으로 여러 곳을 보링조사 한 후 토질주상도나 재료분포결과를 설계자료로 하여 기초처리에 임해야 한다.
가. 연약지반에 대한 대책
(가)연약지반상의 암거설계에는 다음 사항을 고려해야 한다.
㉮ 침하량은 길이의 3승에 비례하므로 지형, 기타의 조건이 허용하는 범위 내에서 길이를 짧게 하는 것이 바람직하다.
㉯ 기초말뚝은 하중이 많이 걸리는 중앙부에 긴 것을 설치한다.
㉰ 기초말뚝은 시험말뚝에 다소의 여유를 보고 긴 것을 써야 한다.
㉱ 암거의 길이가 길면 휨모멘트가 길이에 비례해서 증가하고 철근량도 증가할 뿐만 아니라 균열이 생기기 쉬우므로 암거에 이음을 설치하는 방법 등이 강구되어야 한다. 이때 이음은 전단력발생에 대한 대책이 필요하며 누수가 없도록 해야 하고 이음에는 휨모멘트가 생기지 않는 것으로 보고 계산하고 구조도 휨모멘트가 일어나지 않는 것으로 한다.
㉲ 기초말뚝은 이음부근에 집중시켜 이음부분의 지반반력을 고려하지 않을 수도 있다.
나. 기초처리방식
(가) 암거를 철근콘크리트로 만들 때는 기초에 반드시 빈배합 콘크리트(lean concrete)를 설계해야 한다. 지질이 양호해서 깬 조약돌이나 호박돌에 자갈을 1/3 정도 혼합해서 다진 것만으로도 충분히 상부하중을 지반에 널리 균등하게 분포할 수 있을 때라도 배근의 정확을 기하기 위하여 10cm 이상의 린 콘크리트를 치는 것으로 해야 한다.
(나) 용수가 있거나 배수가 잘 되지 않는 바닥 파기에서는 작업 중 지반상태가 불량해 지므로 깬 조약돌이나 모래를 최소 20cm 이상을 깐 위에 린 콘크리트를 친다. 암거가 하천의 제방을 횡단하는 경우에는 조약돌 기초를 두껍게 하면 조약돌을 투수하여 하천수위가 높을 때 물이 침입할 우려가 있다. 이러한 때는 빈배합(1:4:8)의 콘크리트를 조약돌이나 모래 대신에 사용한다.
(2) 침투수방지
① 암거에서 침투수는 저면을 따라 이동하는 것과 다짐이 불충분하기 때문에 주변을 통해 이동하는 것이 있다.
② 암거의 기초를 통하는 침투수는 기초부터 1m 내외의 곳에 암반 또는 점토 등의 불투수층이 있다면 불투수층까지 굴착하여 1:3:6 정도의 콘크리트 차수벽을 설치하여 지수할 수 있다. 콘크리트의 폭은 깊이에 따라 30～50cm로 하며 이 차수벽은 일반적으로 얕은 것을 여러 줄로 하는 것보다 깊은 것으로 수를 줄여 설치하는 것이 효과적이다. 기초가 투수성의 모래, 자갈 등의 경우에는 널말뚝을 박아서 방지할 수 있다.
③ 널말뚝은 지반의 양부, 암거의 중요성 및 암거가 받는 수두에 따라 길이나 두께가 결정된다. 널말뚝의 위치는 암거의 입구 및 출구이고 칼라(collar)를 붙일 때는 그 하부에 박는다. 하천제방을 횡단하는 암거의 출구에는 물받이를 설치하고 물받이 전면에도 널말뚝을 박는 것으로 해야 하고 널말뚝은 암거의 본체 밑의 널말뚝보다 짧아도 좋다.
④ 널말뚝 두부(頭部)는 1:3:6 정도의 콘크리트로 폭 30～40cm, 두께 30～50cm 정도로 둘러쌓고 좌우에의 연장은 본체 또는 물받이의 폭보다 1～2m 길게 한다. 투수의 위험이 많을 경우나 암거 상하류의 수위차가 클 때 또는 홍수하천의 제방횡단에 대해서는 널말뚝공을 생략해서는 안 된다.
(3) 터파기와 되메움
① 터파기나 되메움을 어떤 방식으로 할 것인가에 따라 공사비와 공기에 큰 영향을 준다. 따라서 그 방법에 대하여는 장비, 토질, 진입도로 등 현장여건을 충분히 조사하여 정한다.
가. 터파기
(가)터파기의 폭은 구조물의 저폭에 0.2～0.5m 이상의 여유를 둔다. 즉, 지질의 양부, 지하수위의 고저, 용출수량의 다소, 터파기공법 및 거푸집과 동바리 등을 고려하여 정한다. 공사 중 배수가 필요한 경우는 별도의 배수로를 설치하고 배수로말단에는 양수에 적합한 요부(凹部)를 설치하여 공사 중 건조상태를 유지토록 한다.
(나) 터파기의 비탈면 기울기는 토질, 함수량 및 공기의 장단에 의해 좌우되며 단단한 점토 또는 잘 다져진 점토분의 토질이고 공기가 짧은 경우에는 3～5m는 수직으로 파낼 수도 있다. 비탈면 기울기는 토사의 내부마찰각, 점착력 및 굴착심도를 고려하여 정할 것이고 공기가 긴 때는 점착력을 고려치 않는다.
나. 되메움
(가)되메움은 양질토를 사용하고 암거의 바닥으로부터 정부까지는 다짐 되메움을 하는 것을 원칙으로 한다. 되메움흙의 한 층 두께는 20cm 정도로 하고 래머(달구), 바이브 레이터, 탬핑 롤러 등을 사용하며 잘 다져지지 않는 구석부분은 다짐봉을 사용하여 충분한 다짐을 해야 한다. 또한 양측을 균등하게 동시에 메우도록 주의하고 구조물에 충격을 주거나 이동이 생기지 않도록 한다.
(나) 롤러나 불도저 등 다짐기계를 사용하는 경우에는 암거정부 위로 최소 60cm 이상을 되메움 한 후에 주행시키지 않으면 안 된다. 다짐방식은 현장의 상태에 따라 다소의 차이가 있을 수 있으나 일반적인 경우의 되메움방식은 아래 그림에 따른다.
<그림 4.4-2> 암거의 되메움 표준도
(4) 동해방지
① 기온이 -10℃ 이하로 되는 지방에서는 동해에 대한 고려를 해야 한다. 암거의 동해에는 서리기둥에 의한 동상과 암거내부의 물이 누수해서 외부로 침출하여 결빙하는 경우가 있다. 어느 경우도 암거의 흙덮기 두께가 작아서 지상에 노출되어 있는 플륨이나 암거의 유출입구에서 일어나기 쉽다. 그늘지는 북쪽에서는 -5℃ 전후에서도 암거 유출입구 측벽이 결빙에 의한 동해를 입는 경우도 있다.
② 암거의 노반이 동상할 우려가 있는 곳에서는 그 지역의 동결심도를 조사하여 그 이상의 흙덮기를 해야 하고 암거의 양측에 흙을 쌓거나 지하의 동결하는 깊이까지 기초자갈을 깔아서 지하수의 모세관작용을 단절시켜 서리기둥이 생기지 않도록 한다.
③ 지역여건에 따라서는 동절기에도 생활용수나 방화용수, 기타 용수의 이용을 위하여 수로에 물을 단수시킬 수 없는 경우가 있다. 이러한 경우 현장타설 콘크리트 암거는 누수에 의한 동해를 받기 쉽다. 콘크리트 내의 공극을 통한 누수가 결빙하기 때문에 암거외측의 콘크리트벽이 벗겨져 철근이 노출하여 부식, 파괴되는 경우도 있다.
(5) 맨홀, 침사지
① 암거내의 퇴적토사의 제거, 수리 등의 유지관리를 위하여 맨홀과 침사지의 설치여건을 검토해야 한다.
가. 맨홀 (Manhole)
(가) 일반적으로 암거에는 맨홀을 설치하지 않으나 암거가 길고 내부검사나 보수를 요할 때 또는 퇴적 토사를 제거해야 할 경우를 고려하여 설치하는 경우도 있다. 단순히 검사 때문에 설치되는 맨홀은 직경 60cm면 충분하나 토사제거나 기타의 목적이 있을 때는 각각의 경우에 맞게 크기를 결정한다.
(나) 맨홀은 원형, 정방형 또는 직사각형으로 하고 승강용 사다리를 붙인다.
나. 침사지
(가) 지형상 암거의 기울기를 급하게 할 수 없거나 수로 내 유송토사가 많은 경우는 암거 내 퇴적 등을 고려하여 암거입구에 침사지를 설치한다. 침사작용을 균일하게 하기 위하여 수로폭을 점차 넓히고 배사가 잘 되도록 모난 부분을 두지 않는다. 배사의 위치는 모래흙의 양과 지형에 따라 결정하며 물로 배사가 되지 않을 때는 인력에 의한 제거가 편리하도록 통로를 미리 설치하기도 한다. 소수로의 암거 특히 흙수로에 접한 작은 암거의 입구에는 반드시 침사지를 설치하며 침사지 바닥은 암거 밑바닥보다 30～50cm 낮게 하는 것이 보통이다.
(6) 부상(浮上)에 대한 검토
① 부상에 대한 검토는 암거의 단면형상에 따라 다음 각 식을 사용하여 필요한 흙덮기 두께를 확보한다.
가. 원형암거
(가) 원형암거가 부상하지 않기 위한 흙덮기 두께 H는 식 (4.4-6(a))에 의해 구한다 (그림 4.4-3 참조).
H ≥ H 1 (4.4-6(a))
(4.4-6(b))
여기서, H: 암거가 부상하지 않기 위한 필요한 흙덮기 두께 (m)
H 1: 암거가 부상하지 않기 위한 최소 흙덮기 두께 (m)
D: 암거내경 (m) r c : 암거의 단위중량 (kN/m3)
D c : 암거외경 (m) r s: 되메움 흙의 포화단위중량 (kN/m3)
F s: 안전율은 1.2로 한다.
π: 원주율 r w: 물의 단위중량, 보통 9.8 (kN/m3)
식 (4.4-6(b))는 지표면까지 지하수로 포화되어 있을 경우이다. 현지의 지하수위가 출현가능성이 없는 경우에는 별도로 그 조건을 전제로 하여 검토한다.
<그림 4.4-3> 원형암거의 경우
<그림 4.4-4> 표준마제형의 경우
나. 표준마제형암거
(가) 표준마제형암거가 부상하지 않기 위한 필요한 흙덮기 두께 H는 식 (4.4-7(a))에 의해 구한다 (그림4.4-4 참조).
H ≥ H 1 (4.4-7(a))
(4.4-7(b))
여기서, H: 암거가 부상하지 않기 위하여 필요한 흙덮기 두께 (m)
H 1 : 암거가 부상하지 않기 위하여 필요한 최소 흙덮기 두께 (m)
D: 암거직경 (m) r s: 되메움흙의 포화단위중량 (kN/m3)
t: 암거의 부재두께 (m) r c : 암거의 단위중량 (kN/m3)
F s: 안전율은 1.2로 한다
식 (4.4-7(b))는 지표면까지 지하수로 포화되어 있는 경우이다. 현지의 지하수위가 확실하고 지표면까지의 지하수위의 출현가능성이 없는 경우에는 별도로 그 조건을 전제로 하여 검토해야 한다.
다. 박스형 암거
(가) 박스형 암거가 부상하지 않기 위한 흙덮기 두께 H는 식 (4.4-8(a))에 의해 구한다. (그림 4.4-5(a), 그림 4.4-5(b) 참조).
H ≥ H 1 (4.4-8(a))
(4.4-8(b))
여기서, H: 암거가 부상하지 않기 위한 흙덮기 두께 (m)
D 0: 암거의 전높이 (m) D 0 = T 1 + T 2 + D
B 0: 암거의 전폭 (m) 1련인 경우 B 0 = 2T 3 + B , 2련인 경우 B 0 = 2T 3 + T 4 + 2B
D: 암거의 내측높이 (m) a: 1련인 경우 a=0, 2련인 경우 a=1
B: 암거의 내측폭 (m)
T 1 , T 2, T 3 , T 4: 암거단면 부재두께 (m)
F s: 안전율은 1.2로 한다. r c : 암거의 단위중량 (kN/m3)
r s: 되메움흙의 포화단위중량 (kN/m3)
식 (4.4-8(b))는 지표면까지 지하수로 포화된 경우이다. 현지의 지하수위를 확인하고 지표면까지 지하수위의 출현가능성이 없는 경우에는 별도로 그 조건을 전제로 하여 검토해야 한다.
<그림 4.4-5(a)> 1련의 경우
<그림 4.4-5(b)> 2련의 경우
(7) 부재두께의 검토
① 부재두께는 원칙적으로 각각의 하중조건에 따라 구조계산을 하여 결정한다. 암거의 최소부재두께는 20cm로 한다. 또한 기성제품암거에서의 관체의 상세설계는 4.11 관수로 항에 따른다.
(8) 이 음 매
① 시공이음매
가.암거의 단면현상 및 콘크리트의 타설방법 등에 따라 시공상 필요한 종방향 시공이음매의 위치, 구조는 이를 도면에 명시하고 시공자가 임의로 그 위치를 변경하는 것은 원칙적으로 피해야 하며 구조물의 시공은 신·수축이음 구간단위로 계획하여 불필요한 시공이음이 발생치 않도록 해야 한다.
② 수축이음매
가. 현장타설 철근콘크리트 암거는 구조상 종방향 안전성, 온도변화 등에 의하여 생기는 수축응력의 완화 및 시공구분의 필요성 등으로 일정간격마다 횡단적으로 연속하여 수축이음매를 설치한다. 그 표준간격은 9.0m 정도이다.
③ 신축이음매
가. 암거본체(관체 또는 함체)는 신축이음매를 설치할 필요는 없으나 특별히 기초지반이 좋지 않을 때는 종방향의 검토를 해야 한다.
나.오픈완화공은 지표에 노출되어 일조를 받기 때문에 시공후의 신축이 생기므로 오픈완화공과 암거의 구체사이에는 신축이음매를 설치한다.
다. 신축이음의 간격은 통상 2cm로 하는데, 그 구조는 안전함과 동시에 충분한 방수처리가 되어 있어야 하며 박스형 암거용 지수판 재료로는 합성고무, 염화비닐 등 유연하고 신축성이 큰 것을 사용해야 한다.
4.4.4 부대시설
(1) 잠관은 계획된 유량·유속을 확보시키기 위하여 침사조·물넘이·맨홀등 유지관리에 편리한 시설을 계획하여야 한다.
4.4.4.1 침사조
(1) 관내 유속으로 운반할 수 없는 크기 입경의 실트가 유하하는 수로에서는 반드시잠관 상류에 침사조를 설치하며, 집적된 실트나 모래를 배사문으로 배제한다. 낙차가 없는 평야지에서 유수에 의한 배사가 불가능한 곳에서는 비관개기에 제거 한다.
4.4.4.2 물넘이
(1) 잠관이 수원에서 취수한 수로의 바로 하류에 있는 경우나, 다른 곳에서 유입하는수로에 연결되는 경우에는 예기치 못한 홍수에 대비하여 수로 내의 물을 배제할 수 있도록 잠관 상류에 물넘이를 설치하는 것이 좋다.
4.4.4.3 맨 홀
(1) 길이가 긴 사이펀에는 유지관리상의 목적으로 500m에 한 곳 정도의 맨홀을 설치한다. 맨홀은 작업상 사람이 출입할 수 있는 크기가 필요하며 일반적으로 600～800mm정도의 크기를 기준으로 한다. 맨홀의 설치 목적은 사람이 출입하는 것을 생각하면 관체의 凹부에 설치하는 것이 바람직하나, 점검을 위한 여건도 생각하여 배니(排泥)시설의 배치도 고려하여 결정한다.
4.4.5 수로교
4.4.5.1 일반사항&n
(1) 수로교 또는 잠관을 설치하는데 이때에 고저차가 크거나 그 하천의 하상이 불안정한 경우 또는 수리계획상 잠관으로는 손실수두가 지나치게 클 때에는 수로교가 유리할 때가 많다.
(2) 더욱이 수로교 계획에 있어서는 그 위치와 선형, 통수단면 결정, 형식과 경간 등에 대하여 경제성, 안전성 및 시공의 가능성, 마을의 경관 훼손 등을 충분히 검토해야 한다.
① 위치와 선형
가. 수로교의 위치와 선형은 수로 전체를 검토하여 결정하는 것으로 그 개략적인 것은 대개 수로조직의 설계 단계에서 검토한다.
(가) 기초가 얕고 견고할 것
(나) 교체 하부의 공간높이(clearance)를 충분히 취할 것
(다) 하도가 좁고 직선이며 안정되면서 기초가 안정될 것
② 통수단면 결정
가. 플륨형 수로교의 통수단면은 전ㆍ후 수로와의 접속, 수로바닥높이, 경제적인 주보로서의 유리성 등을 고려하여 결정한다.
나. 또 높이와 폭의 관계는 1:1.2～1.5 정도가 많다. 플륨형 수로교 및 개수로의 일부를 구성하는 파이프 형식의 수로교에서는 매닝 공식에 의해 단면을 계산하나 관내를 만류로 계획할 때의 통수단면 결정은 관수로에 준하여야 한다.
4.4.5.2 수로교의 분류
(1) 수로교는 상부의 통수부분과 하부의 기초와 구체로 되어 있다. 일반적으로 상부 통수부분의 구조 형식에 따라 플륨 형식과 파이프 형식으로 분류된다.
① 플륨 형식의 수로교
가. 철근콘크리트 수로교
(가) 수로교에서 일반적으로 많이 채용되는 것으로 그 구조형식은 단순보 형식, 연속보형식, 라멘 형식, 아치 형식 등이 있다. 철근콘크리트 수로교에서 특히 주의하여야 할 것은 기초지반의 침하에 따른 균열발생이며 이를 방지하기 위해서는 견고한 기초위에 설치하여야 한다. 더욱이 일반적인 구조로는 통수부를 구성하는 플륨 측벽을 주보로 겸하는 것이 많다.
(나) 또한 경간이 긴 것은 측벽의 정상부에 플랜지를 붙여 콘크리트 유효단면을 크게 함과 동시에 플랜지부를 관리용 보도로 한 구조의 것이 많다.
(다) 주보의 구조계산은 각 구조형식에 따라 자중, 물, 보도상의 하중 등을 고려하여 보, 라멘 또는 아치 구조로 계산한다.
(라) 측벽은 일반적으로 외팔보로서 그 상단까지 만수된 정수압으로 하고 필요에 따라서는 지진시의 동수압에 대하여도 고려하여 계산한다.
(마) 저판은 양측의 주보에 따라 지지되는 슬래브로서 측벽에서 전달되는 모멘트를 고려하여 계산한다. 양측의 주보 간을 횡보로 연결하고 저판은 주보와 횡보로 지지하는 이방향판으로 하는 것도 있다.
(바) 또한 횡보의 간격에 비하여 적을 때는 횡보를 지점으로 하는 연속보로 다루는 경우도 있다.
나. PC 콘크리트 수로교
(가)이 형식의 수로교는 설계하중에 의하여 발생하는 인장력에 대해 측벽부에서는 일반적으로 PC 강선을, 저판에서는 PC 강봉을 긴장시켜 미리 인장부재에 압축력을 가하여 제작한 부재로 인장력에 대응시키고 있다.
(나)PC 콘크리트교는 철근콘크리트 구조보다 긴(25～60m 정도) 경간에 쓸 수 있어 경제적으로 유리한 때가 많다. 구조단면은 철근콘크리트교와 같이 통수부의 측벽을 주보로 한 것이 많으나 대규모 수로교에서는 양측의 측벽뿐 아니라 중간에 PC 보를 넣어 그 플랜지 부분을 양측의 PC 보와 함께 횡방향에 프리스트레스를 걸어 일체화 시키고 그 강도와 강성을 높인 것도 있다.
다. 플레이트 거더(Plate girder) 수로교
(가) 이 형식은 측벽 및 저판을 강판으로 이어 맞추어(용접) 만든 것으로 철근콘크리트와 PC 콘크리트 구조에 비하여 자중이 가벼워 경간을 길게 할 수 있다. 그러나 강판의 부식에 대한 표면도장의 문제가 있어 보다 안전하고 경제적인 부식방지를 계획함과 동시에 유지관리상의 문제도 함께 검토하여 구조형식을 결정해야 한다.
② 파이프 형식의 수로교
가. 파이프 빔(Pipe beam) 수로교
(가)강관은 그 자체로 커다란 강도와 강인성을 가지고 있다. 이 형식의 수로교는 파이프를 보로 하여 자중, 물, 바람, 눈 그 밖에 지진시의 하중 등에 대응하는 것으로 수로교에 널리 채용되고 있으며 설계시 허용처짐량은 지간의 1/350 이하로 한다. 파이프빔 수로교 형식은 다음과 같이 4가지로 대별된다.
㉮ 단순지지 형식
· 단순보식의 관수로교로서 가장 간단하여 양단을 지점이 되는 링 베어링으로 한 단순보로 된 것이 많다.
㉯ 일단고정, 일단자유지지 형식
· 이 형식은 한쪽을 고정하고 다른 한쪽 끝에 신축이음매를 설치한 것으로 처짐량이 작고 관두께, 재질의 조합에 따라 단순지지의 경우보다 긴 경간을 가설할 수 있다.
㉰ 양단고정 형식
· 이 형식은 일반적으로 짧은 경간의 경우에 사용되나 온도에 대한 신축이 제약되어 온도변화를 고려하지 않아도 될 경우에 채용된다.
㉱ 연속지지 형식
· 중간에 교각이 있는 연속보로서 교각수와 경간은 주로 지형조건 등에 따라 결정된다.
· 관두께의 조합에 의해 경제적으로 긴 지간의 가설도 가능하다. 양단교대에는 신축이음매를 설치하고 중간교각에는 링 서포트를 설치하거나 온도변화에 의한 신축이 클 경우에 신축이음매를 설치하는 경우도 있다.
나. 보강 관수로교
(가) 이 형식의 관수로교는 지형상 또는 경제적 견지에서 지간이 길게 되며 파이프 빔 형식에서는 강도 또는 강성이 부족한 경우 파이프빔을 보강한 것으로 보강 관수로교의 종류에는 다음과 같은 것이 있다.
㉮ 플랜지 보강 수로교
· 관의 상부 또는 하부에 Ｔ.Ｙ. π형 등의 보강재를 용접한 것으로 순 연직보강 형식이다.
㉯ 트러스 보강 수로교
· 관을 트러스의 상현재 또는 하현재로 이용하는 것으로서 일반적으로 삼각트러스가 중량 면에서 경제적이며 또 수평보강의 측면에서도 유리하여 많이 사용된다.
㉰ 고정아치 보강 수로교
· 강관을 아치로 이용한 것으로 양단지지가 된다. 이 경우는 사이펀 작용으로 물이 흐르기 때문에 강관 정부에 강제배기장치를 반드시 설치해야 한다.
㉱ 랑카 보강 수로교
· 지간 및 관경이 클 때는 강관을 랑카교의 보강보로 이용한 것으로 미관도 좋아 일반적으로 많이 사용된다.
㉲ 현수교 보강 수로교
·지간이 경간에 비하여 극히 크고 강관이 요성인 것을 이용한 구조이며 이 형식은 흔들림을 멈추게 할 것을 충분히 고려하여 설계하여야 한다.
㉳ 사장 보강 수로교
· 일반적으로 다지간인 경우 경제적이지만 풍하중에 약하기 때문에 이점을 충분히 검토해야 한다.
· 파이프빔 수로교 및 보강 관수로교의 구조설계에 있어 일반적으로 고려해야 할 설계조건에는 자중, 물, 외압(지진하중, 풍하중, 설하중, 온도변화, 군집하중 등), 허용응력(축방향인장응력, 축방향압축응력, 변곡응력, 전단응력, 지압응력), 부식, 처짐, 캠버 등이 있으며 필요에 따라 검토해야 한다.
· 보강 관수로는 강성이 크기 때문에 파이프빔 형식보다 적용지간이 크지만 보강재 때문에 풍압면적이 늘고 횡하중에 대하여 상당한 내력을 필요로 하는 경우가 많다.
· 어느 형식을 채택할지는 그 지점의 지형, 상하류의 수로형식, 전체공사비, 유지관리비, 내구성, 시공성 등을 비교 검토하여 결정한다.
4.4.6 수리계산
(1) 수로교는 수리설계는 경제성을 특히 배려하여야 한다. 그러므로 수로단면의 결정에 있어서는 수리상 가장 유리한 단면을 기본으로 하여 검토한다. 수리계산은 원칙적으로 매닝(Manning) 공식을 적용한다.
(2) 일반적으로 유속은 수로교 전ㆍ후의 유속보다 빠르게 하고, 긴 수로교에서는 20～50% 증가시키고 짧은 수로교에서는 비율을 작게 하여 손실수두를 작게 하는 것이 경제적이다.
(3) 대개 수로교의 여유고는 그 위치 또는 수로의 규모에 따라 결정되나 연결되는 전ㆍ후의 수로 여유고의 1.5배 정도 크게 하는 것이 바람직하다.
(4) 다만 상류 수로의 구조가 잉여수를 방수하는 등으로 수로교에서 월류의 위험이 없을 때는 접속하는 수로와 같은 정도로 할 수 있다.
4.4.7 구조설계
(1) 수로교는 설계에 있어서는 자중, 수압, 외압 등 필요한 하중을 결정하고 수리설계에서 결정된 수로단면을 설치장소의 입지조건, 시공조건을 고려하여 상부 및 하부구조 등 안전하고 경제적으로 설계하여야 한다.
① 경간장
가. 수로교의 길이가 길게 되는 경우에는 교각을 설치하지만, 수로교가 지정하천을 횡단하는 경우는 홍수유하에 현저히 지장을 초래하는 경우가 있는 것으로 「하천설계기준」에 따라서 결정한다. 또한, 지정하천 이외의 배수로에 관해서는, 가장 경제적이되도록 경간장을 결정한다.
나. 각각의 형식에 있어서의 수로교 슬래브 내면고에 대한 지간장의 관계는 그림 4.5.6에 나타나 있다.
<그림 4.4-6> 수로교의 슬래브 내면고와 지간장의 관계
가. 여유고, 즉 홍수위상의 다리밑 공간은 계획홍수량을 안전하게 소통시키기 위해서 하천에서 발생할 수 있는 여러 가지 불확실한 요소들에 대한 안전 값으로 주어지는 여분의 높이로 수로교 상부구조는 하천홍수위＋여유고 이상에 있어야 한다.
나. 수로교가 법정하천을 횡단할 경우의 여유고는 계획홍수량에 따라 도로의 구조 시설기준에 관한 규칙에서 규정한 표 4.5.1 값을 적용함을 원칙으로 하나 현지 여건을 고려하여 결정한다.
<그림 4.4-7> 여유고 (하천의 경우)
<표 4.4-4> 계획홍수량과 여유고 (h)
③ 교대 및 교각의 위치와 근입심
가. 교대의 위치
(가)교대는 설치지점의 지형, 지질상황 및 교량전체의 배치를 고려하고 관리상 지장이 없는 위치에 선정한다. 교대를 하천제방에 설치시는 하천폭이 50m 미만의 경우 교대의 전면이 제방법선보다 앞으로 나가지 않도록 한다. 단지 산간의 좁은 부분, 기타 하천 및 지형의 상황 등에 따라 치수상 지장이 없다고 인정될 때는 그렇지 아니하다.
(나) 또한 배수로에 설치하는 교대에 관해서는 계획최대유량을 만족하는 단면을 확보할 수만 있으면 경제성을 고려하여 제방법선보다 전면에 계획하는 것도 좋다. 하천폭 50m 이상의 경우는 고수법선 이내이어야 한다.
나. 교각의 위치
(가)교각의 위치는 경간장에 의해서 정해지는 것이지만, 하천을 횡단하는 경우는, 홍수유하에 현저히 지장을 미치게 하지 않는 위치를 선정한다.
(나)복단면을 갖는 하천에 교각을 설치하는 경우, 교각의 위치는 원칙적으로, 하안 또는 제방의 법선 및 저수하안(低水河岸)의 법선으로부터 각각 10m(계획최대유량 500m3/s미만의 하천에 있어서는 5m) 이상 거리를 둔다.
(다)하천 또는 배수로에서, 할 수 없이 하안 또는 제방의 법선, 또는 저수호안(低水護岸)의 법선에 설치하지 않을 수 없는 경우는 필히 호안을 보다 견고한 것으로 함과 동시에, 호안공 또는 고수부지 보호공을 마련한다.
다. 교각의 근입깊이
(가)교각의 근입깊이는 계획 하상고를 고려하고, 하상변동과 홍수시의 국부적인 세굴 등에 충분히 안전하도록 하여야 한다.
(나)일반적으로 하천의 계획 하상고(계획 하상고가 없을 경우는 현상태의 최심 하상) 보다 2m 이상 근입이 필요하다.
(다)교각이 고수부지 내에 설치시는 저수로의 하안 법선으로부터 제방측으로 20m 이상일 때 고수부지 하상고로부터 1m 이상 근입하여 설치하여야 한다.
라. 교각의 형상
(가)하천에서의 교각의 평면형상은, 유수에 대한 저항이 적고, 또 하천 단면적을 저해하는 것이 적도록 가늘고 긴 타원형 또는 이것과 닮은 형상의 것으로 한다.
(나)타원형 외에 직사각형, 원형 등을 들 수 있지만, 다음 사항을 고려하여 선정한다.
㉮ 직사각형 단면은 하천 이외의 차도, 철도를 횡단하는 경우에는 좋다.
㉯ 유수의 방향이 일정하지 않은 하천이나 합류부 등에 원형단면이 좋다.
㉰ 하천에서 유수방향이 일정한 경우는 좁은 단면의 것이 좋다. 원형단면보다 나비를 작게 할 수가 있고 하천의 유수 저해가 작아 유리하다.
㉱하천단면적 저해율(교각의 총폭이 강폭에 차지하는 비율)의 목표치는 일반적으로 3～5%이다.
④ 이음설계
가. 시공이음이나 신ㆍ수축이음은 수로교의 특성상 일반적으로 1경간인 철근콘크리트교 5～12m, PC 콘크리트교 25～30m의 간격을 원칙으로 하며 누수가 생기지 않도록 수밀성이 있는 재료로 한다.
(가) 시공이음
㉮단면형상 및 콘크리트의 타설 방법 등에 따라 시공상 필요한 종방향 시공이음의 위치ㆍ구조는 이를 도면에 명시하고 압축력의 방향에 직각으로 하는 것이 원칙이다.
㉯ 특히 수로교는 미관을 고려 시공해야 하므로 이음의 처리를 다음과 같이 하여야 한다.
· 수평면의 레이탄스와 시멘트풀을 제거한다.
· 연직면의 구콘크리트 치핑(chipping), 신콘크리트 와이어 브러싱 처리후 콘크리트를 타설한다.
· 콘크리트+철근+철골이 일체가 되게 신ㆍ구콘크리트를 관통하게 한다.
(나) 신축이음
㉮ 플륨 형식
· 신축이음매는 고정측, 가동측의 구별에 관계없이 마련하는 것으로 하여 교체(橋·) 및 교체와 완화구간과의 사이에 설치되고, 수밀이 보장되는 것이 아니면 안 된다. 사용재료로 엘라스틱 필러(elastic filler) 등을 쓴다.
㉯ 관 형식
· 관 형식의 신축이음장치는 기온 및 관내수온의 변화에 대응하고, 보로서의각변형을 흡수시키는 것을 목적으로 한다. 따라서 경간의 나눔 및 교체구조의 형식에 따라 신축길이, 이음 위치에서의 각변형(변위각) 및 부등침하 등을 검토하여 결정한다. 신축이음에 사용하는 형식으로는 드레서(dresser)형, 클로저형 및 벨로즈(bellows; 주름통)형 등이 있다 (그림 4.5.10 참조). 수밀고무는 합성고무가 바람직하다.
· 파이프 빔(pipe beam)을 떼어내는 경우가 있으며, 드레서형과 클로저형은 탈착이 가능하다.
⑤ 받침장치
가. 수로교의 상부구조와 하부구조의 접점에 위치하면서 상부구조로부터 전달되는 연직하중을 하부구조로 전달하는 장치로 고정단, 가동단이 있으며, 지진, 바람, 온도변화 등에 안전하게 적응토록 하는 장치이다.
(가) 받침장치의 형식
받침장치에는 일반적으로 상부구조에 따라 플륨 형식과 관 형식 있다.
받침장치의 종류에는 고무 받침장치, 미끄럼 받침장치 등 여러 종류가 있으나 설계자가 경제성, 내구성, 사용성 및 안전성 등을 감안하여 설계한다.
관 형식의 받침장치에는 새들 지지(saddle support) 형식과 링 지지(ring support)형식이 있고 각각 다음과 같은 특징이 있다.
· 강관을 강제(鋼製)의 새들 위에 놓아 지지하는 것으로 구조가 간단하다.
· 새들과 강관과의 접촉부분에 큰 모멘트가 생기기 때문에 지간장에 제약이 따르며, 소구경φ150～450mm, 지간 16m 이하에 잘 쓰인다.
(나) 링지지
· 강관에 용접된 보강 링(ring)에 의해 지지하는 것으로, 새들 지지 에 비교하여 관체의 응력해석을 엄밀히 할 수 있다.
· 관(pipe)형식의 수로교에서 구경φ500mm 이상, 지간 17m 이상에 잘 쓰인다.
4.4.8 철근콘크리트 수로교 설계
(1) 철근콘크리트 수로교는 설계순서 흐름도를 참고한다.
<그림 4.4-8> 흐름도
(2) 단면치수의 가정
① 철근콘크리트 수로의 표준단면은 그림 4.5.15와 같다고 가정한다.
<그림 4.4-9> 표준단면도
(3) 하중의 계산
① 상판에 작용하는 하중 (단위폭당)
자중 Wc= t 2· r c
내부물하중 Ww1=H· r w
계 W 1= Wc+ Ww1 (kN/m2)
여기서, r c : 철근콘크리트의 단위부피중량 (kN/m3)
r w: 물의 단위부피중량 (kN/m3)
단, 개거 안쪽 물의 중량과 설하중을 비교하여, 큰 쪽의 값을 사용한다.
② 주형(主桁)에 작용하는 하중 (1본당)
③ 하중상태
가. 횡단방향과 종단방향의 하중상태는 그림 4.4-10과 같다.
<그림 4.4-10> 하중상태도
④ 응력해석
가. 상판에 작용하는 휨모멘트 및 전단력
(가) 휨모멘트
상판에 작용하는 휨모멘트는 다음 두 가지 경우에 관해서 계산을 하여 그 중 큰 값을 채용한다.
<그림 4.4-11> 상판의 휨모멘트도
㉮ 측벽을 포함시킨 일체구조라고 생각한 경우
㉯ 상판을 양다리에 고정되었다고 생각한 경우
상기 두 가지 경우의 M 1 , M 2 중 최대치를 채용한다.
(나) 전단력
전단력의 검토는 그림 4.4-12에서 보는바와 같이 상판단부보다 떨어진 단면에 있어서 한다.
<그림 4.4-12> 전단력을 검토하는 위치
(다) 축방향력
상판에는 수압강도에 의해 축방향에 인장력 N이 생긴다.
나. 주형에 작용하는 휨모멘트 및 전단력
주형을 단순보로 보고 전단력을 계산한다.
전단력은 그림 4.4-13에서 보는바와 같이 주형의 전단력은 지점보다 h/2 위치에서 검토한다.
<그림 4.4-13> 전단력을 검토하는 위치
⑤ 응력의 검토
응력의 검토는 공통편 구조기준을 참조한다.
4.5 낙차공 및 급류공
4.5.1 일반사항&n
(1) 수로의 잉여 낙차가 있을 경우에는 낙차공 및 급류공을 설치하여 수로의 안전성을 도모하여야 하고, 설계에서는 수리·입지조건 등을 충분히 고려하여 수로조직 전체의 기능과 경제성이 확보되도록 해야 한다.
(2) 수로조직 설계에 있어서 적정한 경사배분·노선선정을 하여도 잉여 낙차가 생길 경우, 이 낙차를 조절하여 수로의 안전성을 확보하고, 수로조직 전체의 기능을 발휘시키기 위하여 수로 중에 낙차공 또는 급류공을 설치한다.
(3) 낙차공은 일반적으로 입구접속수로·낙차부·정수지·출구접속수로 등으로 구성되며 급류공은 낙차부 대신에 높은 곳에서 낮은 곳에 이르는 사면의 사류부가 있다.
(4) 낙차공과 급류공의 형선정은 주로 구조물의 설치위치의 조건·기능·경제성의 비교 를 통해서 선정해야 한다.
(5) 낙차공과 급류공은 높은 수두의 물을 처리하는 구조물이며 일반적으로 충격을 받아 진동을 동반한다. 따라서 이에 견딜 수 있는 견고한 자연지반이나 충분히 경화 된 기초위에 설치해야 한다.
(6) 수로 노선상의 구조물로서 흐름을 규제하는 낙차공과 급류공 등의 구조물은 기본적인 설계대상 유량 이외의 유량에 대하여서도 유황을 검토한다. 검토대상 유량은 적어도 계획유량의 0.5～1.2배의 범위를 취하는 것이 바람직하다.
4.5.2 설계순서와 요령
(1) 낙차공 및 급류공은 입구접속수로·낙차부(급류공에서는 급류부)·정수지·출구접속수로의 순으로 설치하며, 각 부분은 수리 및 구조상으로 안전하고 경제적이어야 한다.
4.5.2.1 수리계산
(1) 유량이 2.0㎥/s 이하에서는 최대 수면차를 보통 0.90m 정도로 하고 유량이 2.0㎥/s이상이고 구조물 하류가 라이닝 수로가 아닌 경우에는 0.45m 정도로 한다. 최대 낙차가 1.85m 이상인 경우에는 낙차공 입구에 제수문을 설치하여 상류부의 침식을 방지하고 수면을 조절하는 것이 보통이다.
① 입구 접속수로
가. 상류의 흐름이 상류(常流)인 때 낙차공의 낙구에서 흐름이 한계수심이 되기 때문에 수면은 상류 수로보다 저하되고 통수단면도 축소되어 유속이 증가된다. 따라서 양측 비탈면과 수로바닥이 세굴 또는 침식되므로 이를 보호하기 위한 보호공이 필요하다.
그 소요길이 L1은 식 (4.5-1), 식 (4.5-2)로 계산한다.
일 때, (4.5-1)
일 때, (4.5-2)
또는, (4.5-3)
여기서, Q: 전 유량 (m3/s)
q: 단위폭당 유량 (m3/s/m)
L1: 유입구구 접속수로 길이 (m)
H: 상·하류수면차 (m)
qm3＞2/s 의 경우, 식 (4.7.2) 및 식 (4.7.3) 중에서 큰 길이를 채택한다.
입구 접속수로의 L1구간 손실수두는 근사적으로 0.1△hv로 보아도 좋다. △hv는 접속부에서 상류수로와 낙구와의 유속수두의 차이다.
② 낙구(落口)
가. 낙구에서 한계수심이 일어난다고 보고 낙구에서의 비에너지는 상류 등류부에서의 비에너지보다 손실수두 0.1hv만큼 저하한다.
나. 낙차공 상류유속이 필요 이상으로 증가하는 것을 방지하기 위하여 상류 등 류수로의 비에너지와 낙구의 비에너지가 균형이 잡히도록 하는 방법은 ① 낙구의 폭을 좁힌다 (협폭낙구), ② 낙구의 턱을 높인다 (막아올림 낙구), ③ 낙구의 턱을 높이는 동시에 폭을 좁힌다 (협폭막아올림 낙구), ④ 노치(notch) 로 하는 것 등이 있다.
(가) 협폭 낙구
㉮ 완전월류의 경우
· 폭은 상류 등류수로 비에너지(수심＋유속수두, 즉 )와 같은비에너지가 되도록 정한다. 낙구 위에서 한계수심이 생기며 지배단면(상류(常流)에서 사류로 변하는 단면)이 생긴다.
· 직사각형일 때,
· 일반적으로 한계수심 H c는 비에너지의 2/3로, 즉 이므로 낙구의 폭 b는
여기서, H c : 한계수심 (m) Q: 전 유량 (m3/s)
H e : 상류 등류수심의 비에너지 (m) α: 에너지 보정계수 (1.1)
q: 단위폭당 유량 (m3/s) b: 낙구의 폭 (m)
㉯ 잠류의 경우
· 하류의 수면이 낙구의 비에너지의 2/3 이상 높아지는 경우이고, 즉 하류수심 일 때를 말하며 낙구를 직사각형단면으로 하면
<그림 4.5-1> 잠류인 경우의 낙구
여기서, m: 계수 (0.7～0.9)
He: 상류 등류수로의 비에너지 (m)
h2: 하류 수심 (m)
(나) 막아올림 낙구
㉮낙구를 직사각형 단면으로 할 때 낙구폭은 협폭낙구 보다는 넓게 취하며, 보통 수로저폭 또는 평균폭을 표준으로 한다.
㉯ 낙구의 막아올림 높이는 상류 수로의 비에너지에 맞도록 높인다.
<그림 4.5-2> 막아올림 낙구
여기서, h: 막아올림 높이 (m)
A: 상류 등류수로의 통수단면적 (m2)
He1: 상류 등류수로의 비에너지 (m)
He: 낙구의 비에너지 (m)
b: 낙구의 폭 (m)
△hv: 상하류 유속수두의 차 (m)
(다) 협폭 막아올림 낙구
㉮폭을 좁게 하는 것은 위의 협폭낙구와 같게 하고 막아올림도 막아올림 낙구의 중간으로 하고 계산은 막아올림 낙구와 같이 한다.
(라) 노치(notch) 낙구
㉮ 막아올림 없이 밑폭을 좁게 한 사다리꼴 단면형으로 수로의 수심과 낙구의 수위가 유량 증감에 관계없이 만족시킬 수 있게 설계하는 것으로서 노치부와 상류 수로의 비에너지는 같게 한다.
③ 한계류
가. 낙구 또는 급류공 입구를 한계점으로 보고 수리계산에 사용되는 기호는,
A: 통수단면적 (㎡) hv: 유속수두 (m)
Ac: 한계단면에 대한 통수단면적 (㎡)
hc: 한계단면에서의 유속수두 (m)
a: 즉 한계수심에 대한 총 에너지의 비
K: M: 한계수심 계산의 약호
B: 수로의 저폭 (m) N: 한계수심 계산의 약호
Bc: 한계단면의 저폭 (m) n: 조도계수
H: 수로의 수심 (m) Q: 유량 (㎥/s)
Hc: 유량 Q㎥/s에 대한 한계수심 (m)
S: 옆비탈면 기울기
E: 비에너지, H＋hv , Hc＋hc T: 수면폭 (m)
g: 중력가속도 (9.8m/s2) Tc: 한계단면의 수면폭 (m)
(가) 한계단면의 계산식
a=0.1∼0.9에 대한 M, N의 값은 아래 <표 4.5-1>와 같고, 이에 따라 Bc 및 S는 윗 식에 위에서 구한다. 또한, 아래 <그림 4.5-3>은M1, M2, N1, N2 값을 유량의 변화에 따라 상류수로의 등류수심을 유지하도록 각 모양의 낙구단면을 결정하는데 사용된다.
<표 4.5-1> M, N의 값
<그림 4.5-3> M1/M2 과 N1/N2에 대한 a의 그림표
(나) 한계수심 계산
㉮ 구형단면
<그림 4.5-4> 구형단면 수로
㉯ 사다리꼴단면
<그림 4.5-5> 사다리꼴 단면수로
④ 정수지(Stilling basin)
가. 낙수의 충격은 수량이 적고 높이가 낮을수록 적으므로 흐름을 얇게 분산시키는 노 치낙차공은 충격이 적으나, 폭을 좁히면 흐름이 집중되어 충격이 크다. 막아올림방법은 높이가 증가하나 단위 폭당의 수량이 좁아지므로 충격은 상쇄된다. 낙하수 를 받는 정수지는, ① 견고한 물받이를 설치하는 것으로, 지반이 견고한 암일 때는 이를 생략할 수도 있으며 보통지반에서 많이 사용한다. ② 배플 블록(baffle block)에 의하여 충격을 완화시키는 것으로 지반이 약하거나 수량이 많은 경우에는 사용한다.
(가) 정수지의 길이 (L)
㉮ 정수지의 길이는 낙하수가 중앙에 오도록 한다.
⑤ 출구 접속수로
가. 정수지 바닥과 하류수로 바닥이 접속하는 부분의 기울기는 1:4～1:10으로 하고 길이는 정수지의 길이와 같게 한다. 단, 연약지반의 경우는 2배로 한다.
⑥ 여유고
가. 유입구 접속수로의 여유고
(가) 수로의 수심을 H라 하면 유입구 접속수로의 끝부분의 여유고는 를 표준으로 한다. 여기서 H는 수로의 수심이다.
나. 정수지의 여유고
(가) 를 표준으로 한다.
다. 유출구 접속수로의 여유고
(가) 정수지 여유고와 하류 수로의 여유고를 연결한 것으로 한다.
4.5.2.2 구조설계
(1) 낙차공은 입구접속부·낙차부벽·정수지·출구접속수로 등으로 구성된다. 라이닝수로 또는 지반이 양호한 수로에서는 입구·출구의 접속부 또는 하류수로의 보호공을 생략할 수 있다. 또 유량이 적고 규모가 작은 것으로 지질이 양호한 경우에는 낙차부 만으로 할 수도 있다.
① 입구 접속부
가. 입구의 접속수로는 수리계산에 의하여 단면을 결정하고 상류로부터의 침식에 대하여 위험이 없는 길이 여부를 검사한다. 측벽은 토압을 받는 벽으로 취급하고, 현장에서 얻기 쉬운 호박돌 찰쌓기 또는 콘크리트로 축조한다.
나. 입구 접속수로 끝의 여유고는 수로의 수심을 H라고 하면 m)를 표준으로 한다. 접속시점의 콘크리트 지수벽은 을 표준으로 한다. 두께는 수로바닥 두께와 같게 하고 콘크리트이면 를 표준으로 한다. 접속수로와 낙차부의 벽은 직각으로 접속시키는 경우와, 35°～45°로 접속시키는 경우, 또는 원활하게 접속시키는 경우가 있으며, 직각으로 접속시키는 경우가 경제적이며 시공이 용이하다.
다. 손실을 적게 하는 것은 낙차공에서 바람직한 것이 못 된다
② 낙차부의 벽
가. 낙차부의 벽은 폭이 수심에 비해 클 경우에는 옹벽으로 하고, 작은 경우에는 측벽으로 지지되는 보로서 계산한다. 안식각 θ=30°라 할 때 b= h 2/3/1.5의 폭을 보로 생각하는 경우와, 옹벽으로 계산하는 경우의 경계가 되고, 보로 계산할 경우의 토압은 하부와 상부가 다르다. 폭에 비하여 높이가 높은 경우는 낙차부가 정수지 밑바닥으로 고정된 판으로 계산하는 것이 유리하다. 또 구조물 전체로서 전도에 대해서 검사하는 것이 필요하다.
나. 막아올림에 의하는 경우 또는 물 빈지에 의하여 수위를 조절하는 구조에서는 수압을 고려하고, 토압은 건조토가 아닌 습윤상태의 토압을 고려한다.
다. 낙차부 벽의 하부는 정수지 밑바닥의 하단과 일치시키고 낙차부 벽의 길이는 수로양측의 침투에 안전할 만큼 흙 속으로 연장시켜 놓는다.
③ 정수지
가. 정수지의 측벽은 흐름의 방향으로 평행하게 되고 토압에 대하여 견딜 수 있는 단면을 주어 정수지의 상판에 접속시킨다.
나. 콘크리트나 철근콘크리트로 축조할 경우에는 측벽을 낙차벽과 지수벽으로 지지하는 보로서 계산할 때에는 지수벽과 낙차벽은 충분히 고정되도록 축조해야 한다.
다. 정수지의 길이는 높이에 비해서 긴 것이 일반적으로 이 경우에는 부벽 또는 외팔보옹벽으로 계산한다. 정수지의 바닥두께 t(m)는
식에서, q: 낙구 1m당 유량 (㎥/s/m)
F: 낙차 (m)
a: 토질재료에 따른 계수
라. 밑바닥을 철근콘크리트로 할 때에는 철근을 0.3m 간격으로 상측에 넣는다. 정수지의 바닥폭은 상류 수로의 통수단면의 평균 폭을 표준으로 하고 정수지의 단면은 상류 수로단면의 두 배 이상으로 한다. 토질에 따라서는 정수지의 상류단에 낙수벽에 접하여 배수공을 설치하여 정수지 상판에 양압력이 걸리는 것을 방지한다.
④ 출구 접속수로 출구 접속수로는 낙차에 의하여 일어나는 소용돌이나 부정류를 속히 정류되게 하기 위하여 하류 수로와의 사이를 원활하게 접속시킨다. 접속수로의 말단에는 지수벽을 설치하든가 측벽에 대한 계산법 등은 입구 접속수로에 준한다. 여유고는 정수지 여유고와 하류 수로의 여유고를 연결한 것으로 하고 하류 수로의 여유고가 높을 때에는 그 둑마루 높이를 연장해서 정수지의 둑마루(천단)에 접속시킨다.
4.5.3 형식선정
(1) 낙차공과 급류공의 구조는 현지 지형에 적합하고, 수로의 세굴이나 침식이 일어나지 않게 기술적·경제적으로 가장 알맞은 형식으로 결정해야 한다.
(2) 낙차공·급류공 등의 배치와 공종은 비교·설계하여 안전하고 전 수로 조직이 가장 경제적이 되도록 선정한다.
4.5.3.1 낙차공
(1) 일반적으로 낙차공은 다음 <그림 4.5-6>의 흐름도와 같은 과정을 거쳐 그 형식을 선정한다.
<그림 4.5-6> 낙차공 형식 선정의 흐름도
① 수직낙차공
가. 수직낙차공(vertical drop)은 낙구가 수직의 단락으로 되어 있으며 낙차가 그리 크지 않 는 장소에서 채용되는 일반적인 낙차공이다.