수치해석 모형 구축

FLOW-3D를 이용하여 3차원 수치해석을 통한 유동특성 타당성설계 검토가 가능합니다. 또한 문제점을 개선시키기 위한 대안 제시도 가능합니다.

구 분	마루고(EL. m)	월류웨어폭(m)	감세공 형식	감세공바닥고(EL. m)	감세공 길이(m)	감세공 폭(m)
실시설계	438.0	38.0	정수지	396.0	45.0	20.0

홍수사상	상류경계조건	하류경계조건	해석영역	격자간격	격자 수
(홍수위 EL. m)	(홍수위 EL. m)	(m)	(m)	(m)	(개)
200년	441	404.98	X방향 : 890 Y방향 : 750 Z방향 : 56	X방향 : 0.5 ~ 2.0 Y방향 : 0.3 ~ 6.4 Z방향 : 0.5 ~ 0.9	X방향 : 710 Y방향 : 385 Z방향 : 80 총 : 21,868,000
PMF	442.6	406.25

200년 홍수사상 여수로 검토

200년 홍수사상 방류량 결과 (EL. 441.0m)

수리계산(m3/s)	수치해석(m3/s)	상대오차(%)
407.74	424.18	(+) 3.88

200년 홍수사상 시 3차원 유속분포를 위 그림에 나타내었으며, 상류홍수위 EL. 441.0m에서 방류량은 424.18m³/s로 산정되어 그 결과를 위 표에 나타내었다. 수리계산 방류량(407.74m³/s)대비 약 (+)3.88%로 실시설계 여수로 규모를 확보한 것으로 평가되었다.

접근 수로부

200년 홍수사상 시 접근수로부 3차원 유속분포 및 평면 접근유속 분포를 위 그림에 나타내었다. 접근유속이 4m/s 이하로 나타나 설계기준을 만족하고 측수로 형식 변경에 따라 유입유황이 양호한 것으로 나타나며, 타당성설계에서 나타난 국부적 수면강하영역이 개선된 것으로 평가되었다. 취수탑 부근 유속도 0.5m/s이하의 저유속으로 나타나 취수탑에 의한 흐름의 영향은 미미한 것으로 나타났다.

조절부

그림에 조절부 종단면 압력분포를 나타내었다. 월류웨어에서 최소압력은 약 759Pa(0.077m)로 부압이 발생하지 않으며, 구조물의 안전성을 확보한 것으로 나타났다.

도류부

대부분의 여수로 급류수로는 급경사를 이루고 있기 때문에 고유속의 흐름이 형성되며, 고유속의 흐름으로 인하여 수로에서는 부압이 발생하여 물속에 녹아있는 공기가 방울을 형성하며, 압력이 증가되면서 공기방울이 압궤될 때 구조물이 손상되는 공동현상(cavitation)이 발생될 수 있다. 이와 같은 공동현상을 방지하기 위해 여수로 흐름 내에 압력이 증기압 이하로 낮아지는 부위가 생기지 않도록 콘크리트 표면을 매끄럽게 하거나 공기를 혼입시키는 공기혼입장치를 설치한다.

댐설계기준에 따르면 급경사 수로내에서 평균유속이 12~15m/s 이상일 경우 공동현상에 대한 검토가 필요하고, 유속이 20m/s 이상이면 공동현상에 의한 손상이 발생할 가능성이 있다고 기술되어 있으나 USBR에서는 공동현상에 의해 손상된 댐 사례들을 조사한 결과 파손된 여수로의 흐름속도는 30m/s를 초과하며 공동지수는 0.2이하에서 발생하는 것으로 나타났다. (USBR Engineering monograph No. 42, P.36)

수리계산 결과에 따르면 유속이 20m/s를 상회하는 구간이 발생하나 유속이 30m/s이하이고 한계공동지수 0.2를 초과하지 않는 것으로 나타나 공동현상에 의한 손상은 발생되지 않을 것으로 예측된다.

도류부 공동지수 및 유속분포

도류부시점 기점거리 (m)	공동지수 ( )	평균유속 (m/s)
0	7.39	6.21
5	6.8	6.34
10	6.36	6.49
15	6.11	6.62
20	6.12	6.62
25	6.06	6.65
30	5.8	6.78
35	5.8	6.77
40	6.03	6.65
45	6.38	6.49
50	6.82	6.31
55	7.12	6.19
60	7.15	6.18
65	7.08	6.2
70	6.93	6.26
75	6.58	6.4
80	6.09	6.62
85	5.33	7.02
90	3.85	8.13
95	2.73	9.5
100	2	11.09
105	1.52	12.5
110	1.07	14.82
115	0.8	16.7
120	0.67	18.43
125	0.55	19.88
130	0.51	20.85
135	0.43	22.43
140	0.42	23.33
145	0.39	23.86
150	0.38	24.54
최소공동지수	0.38	0.38

수위 – 측벽고 검토

수위-측벽고를 나타냈다. 여수로 내 도류벽 월류가 발생하지 않는 것으로 평가되었으며, 도류부시점으로부터 101.2m 지점에서 도류부 우안의 최소여유고가 약 2.20m로 산정되었다.

감세공 3차원 및 평면 수위분포

감세공 3차원 및 평면 수위분포로 도류부 시점으로부터 185.6m 지점에서 최고수위(EL.407.52m)가 산정되어 감세공 측벽고(EL.408.5m)를 넘지 않는 것으로 나타나며, 최소여유고는 약 0.98m로 평가되었다.

감세공 중앙 종단면 유속 및 수위분포를 볼 수 있으며, 감세공 중앙종단면에서 최고수위는 EL. 407.22m로 산정되었고, 감세공에서 원활한 도수가 발생하여 5m/s 이하의 낮은 유속이 하류하천으로 전파되며, 도수 후 수위가 하천수위와 일치되는 것으로 나타나 감세공의 규모가 적정한 것으로 평가되었다. (댐설계기준, 2005, p404)

하류하천 평면 유속분포를 볼 수 있으며 감세공의 적정한 규모확보에 따라 5m/s 이하의 낮은 유속이 하류하천으로 전파되는 것으로 평가되었다.

하류하천 평면 및 하천호안 횡단면 유속분포를 볼 수 있으며 감세공에서 하천으로 전파되는 유동이 우안호안에 미치는 영향을 평가하기 위하여 유속을 산정하였는데 우안호안에서 최대유속은 4.93m/s (EL. 404.37m)로 나타났다.

홍수사상 검토

수리계산(m3/s)	수치해석(m3/s)	상대오차(%)
821.42	821.51	(+) 0.01

PMF 홍수사상 시 3차원 유속분포에 나타난 것처럼며, 상류홍수위 EL. 442.6m에서 방류량은 821.51m³/s로 산정되어 그 결과를 표 5-5에 나타내었다. 수리계산 방류량(821.42m³/s)대비 약 (+)0.01%로 실시설계 여수로 규모를 확보한 것으로 평가되었다.

접근수로부

PMF년 홍수사상 시 접근수로부 3차원 유속분포 및 평면 접근유속 분포를 위 그림에 나타내었다. 접근유속이 4m/s 이하로 나타나 설계기준을 만족하고 측수로 형식 변경에 따라 유입유황이 양호한 것으로 나타나며, 타당성설계에서 나타난 국부적 수면강하영역이 개선된 것으로 평가되었다. 취수탑 부근 유속도 0.5m/s이하의 저유속으로 나타나 취수탑에 의한 흐름의 영향은 미미한 것으로 나타났다.

조절부

그림에 조절부 종단면 압력분포를 나타내었다. 월류웨어에서 최소압력은 약 1,904Pa(0.194m)로 부압이 발생하지 않으며, 구조적 안전성을 확보한 것으로 나타났다.

조절부 종단면 유속분포 및 Froude number 분포를 나타냈으며, 웨어 전 영역에서 사류(Fr > 1)가 발생하는 것으로 평가되었다.

그림과 표에 도류부 공동지수 및 유속분포를 나타내었다. 최소 공동지수는 0.41로 나타나 USBR 기준인 유속이 30m/s이하, 공동지수가 0.2 이상으로 공동현상에 대한 안전성을 확보한 것으로 평가되었다.

그림에 수위-측벽고를 나타냈다. 여수로 내 도류벽 월류가 발생하지 않는 것으로 평가되었으며, 도류부시점으로부터 101.2m 지점에서 도류부 우안의 최소여유고가 약 0.71m로 산정되었다.

그림에 감세공 3차원 및 평면 수위분포를 나타냈다. 도류부 시점으로부터 189.0m 지점에서 최고수위(EL.411.14m)가 산정되어 감세공 측벽고(EL.408.5m)를 약 2.64m 월류하는 것으로 나타났다.

그림에 감세공 중앙 종단면 유속 및 수위분포를 나타냈다. 감세공 중앙종단면에서 최고수위는 EL. 410.70m로 산정되었고, 감세공에서 원활한 도수가 발생하여 5m/s 이하의 낮은 유속이 하류하천으로 전파되며, 도수 후 수위가 하천수위와 일치되는 것으로 나타나 감세공의 규모가 적정한 것으로 평가되었다. (댐설계기준, 2005, p404)

그림에 하류하천 평면 유속분포를 나타냈다. 감세공의 적정한 규모확보에 따라 5m/s 이하의 낮은 유속이 하류하천으로 전파되는 것으로 평가되었다.

여수로 방류 능력 검토

여수로의 방류능력을 검토하였다. 여수로 월류웨어의 마루고는 EL. 438.0m이며, 웨어의 폭은 38.0m이다. 여수로 방류능력 검토는 수위 EL. 438.0m부터 EL. 441.0m까지 0.6m 간격으로 여수로에 대한 방류능력을 검토하였으며, 검토결과 수리계산과 3차원 수치해석 결과의 오차범위가 5% 이내로 비슷한 결과가 나타나며, 타당성설계에서 부족하게 평가되었던 PMF 홍수사상 방류량이 개선되었다.

저수지수위(EL. m)	수리계산(m3/s)	수치해석(m3/s)	상대오차(%)
438.0	0.00	0.00	( ) 0.00
438.6	31.40	33.26	(+) 5.59
439.2	93.56	99.04	(+) 5.53
439.8	178.86	188.88	(+) 5.30
440.4	284.27	293.46	(+) 3.13
441.0	407.74	424.18	(+) 3.88
442.6	821.42	821.51	(+) 0.01

저수지수위(EL. m)	수리계산(m3/s)	수치해석(m3/s)	상대오차(%)
439.2	93.56	99.04	(+) 5.53

저수지수위(EL. m)	수리계산(m3/s)	수치해석(m3/s)	상대오차(%)
440.4	284.27	293.46	(+) 3.13

저수지수위(EL. m)	수리계산(m3/s)	수치해석(m3/s)	상대오차(%)
441.0	407.74	424.18	(+) 3.88

200년 홍수사상 결과 분석

구 분	접근유속	방류량(m3/s)	최소압력(m)	최소여유고(m)	우안호안유속(m/s)
200년	4m/s 이하	424.18	0.077	2.20	4.93

200년 홍수사상 시 여수로 분석결과를 위 표에 나타내었다. 200년 홍수사상 시 접근유속이 4m/s 이하로 나타나 설계기준을 만족하고, 측수로식 여수로 변경으로 타당성설계에서 발생한 불안정 유입유황이 개선되었다.

상류 홍수위 EL.441.0m에서 방류량은 424.18m³/s로 산정되어 수리계산 방류량(407.74m³/s)대비 약 (+)3.88%로 기본설계 여수로 방류 규모를 확보한 것으로 평가되었다.

월류웨어에서 최소압력은 약 759Pa(0.077m)로 부압이 발생하지 않으며, 구조물의 안전성을 확보한 것으로 나타났다. 도류부의 최대유속은 24.54m/s, 최소 공동지수는 0.38로 산정되어 USBR 기준인 유속 30m/s이하, 공동지수 0.2 이상으로 나타나 공동현상에 대한 안전성을 확보하였다. (USBR Engineering monograph No. 42, P.36)

도류부 좌안 및 우안에서는 도류벽 월류가 발생하지 않으며 도류부 시점으로부터 101.2m 지점에서 도류부 우안 최소 여유고가 약 2.20m로 산정되어 200년 홍수사상 방류 시 충분한 여유고를 확보한 것으로 나타났다.

감세공 검토결과 도류부 시점으로부터 185.6m 지점에서 최고수위(EL.407.52m)가 산정되어 감세공 측벽고(EL.408.5m)를 넘지 않는 것으로 나타나며, 최소 여유고는 약 0.98m로 평가되었다. 감세공에서 도수가 발생하여 5m/s 이하의 낮은 유속이 하류하천으로 전파되며, 도수 후 수위가 하천수위와 일치되는 것으로 나타나 감세공의 규모가 충분한 것으로 평가되었다. (댐설계기준, 2005, p404)

충분한 감세후 방류되어 하류하천에서 우안호안으로 범람이 일어나지 않으며, 우안호안에서 최대유속은 4.93m/s (EL.404.37m)로 산정되었다.

홍수사상 결과 분석

구 분	접근유속	방류량(m3/s)	최소압력(m)	최소여유고(m)	정수지여유고(m)
PMF	4m/s 이하	821.51	0.194	0.71	(-) 2.64

PMF 홍수사상 시 여수로 분석결과를 위 표에 나타내었다. PMF 홍수사상 시 접근유속이 4m/s 이하로 나타나 설계기준을 만족하고, 측수로식 여수로 변경으로 타당성설계에서 발생한 불안정 유입유황이 개선되었다.

상류홍수위 EL.442.6m에서 방류량은 821.51m³/s로 산정되어 수리계산 방류량(821.42m³/s)대비 약 (+)0.01%로 실시설계 여수로 규모를 확보한 것으로 평가되며, 타당성설계에서 발생한 방류 규모부족이 해소되었다.

월류웨어에서 최소압력은 약 1,904Pa(0.194m)로 부압이 발생하지 않으며, 구조물의 안전성을 확보한 것으로 나타났다. 도류부의 최대유속은 24.21m/s, 최소 공동지수는 0.41로 산정되어 USBR 기준인 유속이 30m/s이하, 공동지수가 0.2 이상으로 나타나 공동현상에 대한 안전성을 확보하였다. (USBR Engineering monograph No. 42, P.36)

도류부 좌안 및 우안에서는 도류벽 월류가 발생하지 않으며 도류부 시점으로부터 101.2m 지점에서 도류부 우안 최소여유고가 약 0.71m로 산정되어 PMF 홍수사상 방류 시 충분한 여유고를 확보한 것으로 나타났다.

감세공 검토결과 도류부 시점으로부터 189.0m 지점에서 최고수위(EL.411.14m)가 산정되어 감세공 측벽고(EL.408.5m)를 약 2.64m 월류하는 것으로 나타났다.

감세공에서 충분한 감세후 5m/s 이하의 낮은 유속으로 하류하천에 유입되며, 도수 후 수위가 하천수위와 일치되는 것으로 나타나 안정적인 방류가 이루어진다. (댐설계기준, 2005, p404)