앞 절에서 설명한 바와 같이 수치모형실험은 현장 축척으로 수행되었으며, 수리모형실험은 실험실 축척으로 수행되었다. 본 절에서는 수치 및 수리모형실험 결과를 서로 비교하기 위하 여 수리모형실험의 결과를 현장에 해당하는 값으로 환산하여 제시하였으며, 관련 도면 역시 현장 축척에 해당하는 것으로 제시하였다. 수리모형실험의 실험실 축척의 결과는 부록 B에 자세하게 기술하였다. 또한 수리모형실험의 결과에서 수문 상․하류측의 수두차가 3.5 mm (현장 기준: 0.14 m) 보다 작은 경우에는 그 데이터는 부록 B의 표에는 제시하였지만, 그림에 서는 제시하지 않았다. 이것은 각 계측점에서 수면의 변동이 심한 수리 현상을 계측하게 됨 에 따라 ±1 mm 내외의 수위 계측 정밀도로 측정한 두 개의 값의 차이를 구한 결과에 포함 된 오차는 최대 ±2 mm까지 될 수 있는 여건을 고려하여 보수적 결론을 얻기 위함이었다. 이에 따라서 본 절에서의 수치모형실험 결과도 수두차가 0.14 m보다 작은 경우의 데이터는 그래프에 표시하지 않았다.
한편, 수문구조물의 통수성능을 비교 평가할 때에는 수두차 0.5 m 내외의 작은 수두차에서 통과유량이 많은 수문구조물의 성능이 더 우수한 것으로 판단하였다. 그 이유는 수문 운영시 외해측과 조지측의 수두차가 대부분 0.5 m 이내에서 발생하기 때문이다. <그림 3-4-2-1> 및
<표 3-4-2-1>은 가로림 조력발전소 타당성조사사업으로부터 얻은 결과로서 대부분의 수두차
가 0.5 m 이내의 범위에 있으며 1 m를 넘는 경우는 극히 적음을 알 수 있다.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
Sea water level - Basin water level
Probability
(m)
<그림 3-4-2-1> 외해측과 조지측의 수두차 확률분포 (가로림 조력발전소 타당성조사사업)
<표 3-4-2-1> 외해측과 조지측의 수두차에 따른 누적확률분포 (가로림 조력발전소 타당성조사사업)
수두차 (m) 누적확률분포
ΔH ≤ 0.1 0.09
ΔH ≤ 0.2 0.22
ΔH ≤ 0.3 0.39
ΔH ≤ 0.4 0.60
ΔH ≤ 0.5 0.74
ΔH ≤ 0.6 0.83
ΔH ≤ 0.7 0.88
ΔH ≤ 0.8 0.91
ΔH ≤ 0.9 0.95
ΔH ≤ 1.0 0.99
가. 기존 수문구조물의 대표 단면
수치 및 수리모형실험을 위해서 가장 처음 제작한 수문구조물 모형은 <그림 3-4-2-2>에 제 시된 두 개의 모형이었다. 이 두 가지 모형은 기존의 조력발전소 및 방조제의 배수로 등의 수문구조물 설계시에 자주 검토되었던 전형적인 수문구조물 형상을 토대로 하여 제작되었다.
<그림 3-4-2-2(a)>의 모형은 통상적으로 벤츄리(Venturi)형 수문으로 불리며, 게이트 설치 위
치에서의 수문구조물의 바닥면을 높이고, 측면을 좁게한 것이 특징이다. 벤츄리형 수문은 수 심이 깊은 곳에 설치할 경우에 수문의 통수성능이 우수한 것으로 알려져 왔다. 한편, <그림
3-4-2-2(b)>의 모형은 통상적으로 컬버트(Culvert)형 수문으로 불리며, 수문구조물의 바닥면을
해저 지반의 높이와 같게 유지하며 측면 형상도 직선형으로 매우 단순한 구조 형식이다. 이 두 가지 수문구조물 모형의 분류기호는 각각 W60H21L40M00 및 W80H04L91M00이며 각각의 모형에 대한 수치 및 수리모형실험을 수행한 결과를 <그림 3-4-2-3>에서 비교하였다. 그림에서 는 조지 내외의 수두차를, W는 흰색(white) 심볼을, B는 검정색(Black) 심볼을 의미한다.
(a)
(b)
<그림 3-4-2-2> 기존 수문구조물의 대표적 형상: (a) 벤츄리형 수문, (b) 컬버트형 수문
W60H21L40M00 / T1a W80H04L91M00 / T6a
수치모형실험 결과 수리모형실험 결과
0 0.5 1 1.5
DH (m) 0
500 1000 1500 2000 2500
Q (m3/sec)
W: W60H21L40M00 B : W80H04L91M00
+,: LW -/: MW (*: HW
0 0.5 1 1.5
DH (m) 0
500 1000 1500 2000 2500
Q (m3/sec)
W: W60H21L40M00 B : W80H04L91M00
+,: LW -/: MW (*: HW
0 0.5 1 1.5
DH (m) 1.0
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Cd
W: W60H21L40M00 B : W80H04L91M00
+,: LW -/: MW (*: HW
0 0.5 1 1.5
DH (m) 1.0
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Cd
W: W60H21L40M00 B : W80H04L91M00
+,: LW -/: MW (*: HW
<그림 3-4-2-3> W60H21L40M00 및 W80H04L91M00 모형의 통수성능 비교
<그림 3-4-2-3>에서 알 수 있듯이 수치 및 수리모형실험 결과는 서로 간에 약간의 차이는 있지만 매우 유사하다. 두 수문 모형의 유량계수() 값은 W60H21L40M00 모형에서 대체로 크게 나타났지만, 반면에 수문의 통과유량()은 오히려 W80H04L91M00 모형에서 더 크게 나타났다. 이것은 식 (3.3.3.1)에서 알 수 있듯이 통과유량은 유량계수 뿐만 아니라 최소단면 의 단면적()에도 비례하기 때문이다. 즉, W60H21L40M00 모형은 단위면적당의 통수성능은 우수하지만 통수단면적이 작기 때문에 통과유량은 더 작아지게 되는 것이다.
나. 최소단면 폭 변화의 영향
앞에서 검토한 바와 같이 수문구조물의 최소단면 폭이 통수성능에 미치는 영향이 클 것이 라고 판단됨에 따라서 이미 제작된 두 가지 모형의 다른 설계변수는 그대로 유지한 채 최소 단면의 폭을 조금씩 변화시킨 모형을 네 가지 추가로 제작하였다. 즉, 벤츄리형 수문구조물
인 W60H21L40M00 모형에 대해서는 W70H21L40M00 및 W80H21L40M00 모형을 제작하였
으며, 컬버트형 수문구조물인 W80H04L91M00 모형에 대해서는 W60H04L40M00 및
W70H04L40M00 모형을 제작하였다.
<그림 3-4-2-4>는 W60H21L40M00 및 W70H21L40M00 모형의 수치 및 수리모형실험 결과
를 비교한 것으로서, 두 가지 모형 중에서 최소단면의 폭이 더 넓은 W70H21L40M00 모형의 통과유량 및 유량계수가 모두 더 큼을 알 수 있다. 한편 <그림 3-4-2-5>는 W70H21L40M00
모형과 W80H21L40M00 모형의 실험 결과를 비교한 것으로서, 이 경우에는 유량계수는 두
모형 사이에 큰 차이가 없지만, 통과유량은 W80H21L40M00 모형의 통수단면적이 더 넓기 때문에 더 크게 나타났다. 다만, W60H21L40M00 과 W70H21L40M00 에서보다는 두 모형 사 이의 통과유량 차이가 더 적었다. 즉, 최소단면의 폭을 수문구조물의 폭의 60%에서 70%로 증가시킬 때에 비해서 70%에서 80%로 증가시킴에 따른 통과유량 증가율은 감소한다.
이러한 경향은 컬버트형 수문과 같이 최소단면의 바닥이 해저면과 같은 위치에 있는 경우 의 모형에 대해서도 마찬가지로 나타난다. <그림 3-4-2-6>은 W60H04L40M00 및
W70H04L40M00 모형의 실험 결과를 비교한 것으로서, 이 경우에도 최소단면 폭을 증가시킴
으로써 통과유량이 커짐을 확인할 수 있다. 다만 유량계수는 수리모형실험에서는 최소단면 폭 증가에 따라 증가하였지만, 수치모형실험에서는 이러한 경향이 뚜렷하게 나타나지 않았
다. W70H04L40M00 및 W80H04L91M00 모형의 결과를 비교한 <그림 3-4-2-7>에서도 최소단
면 폭 증가에 따른 통과유량 증가의 경향이 나타났다.
<그림 3-4-2-4>∼<그림 3-4-2-7>의 결과로부터 수문구조물의 최소단면 폭을 증가시키는 것
이 통과유량을 증가시키는 데 매우 중요한 설계변수가 됨을 확인하였다.
W60H21L40M00 / T1a W70H21L40M00 / T2a
수치모형실험 결과 수리모형실험 결과
0 0.5 1 1.5
DH (m) 0
500 1000 1500 2000 2500
Q (m3/sec)
W: W60H21L40M00 B : W70H21L40M00
+,: LW -/: MW (*: HW
0 0.5 1 1.5
DH (m) 0
500 1000 1500 2000 2500
Q (m3/sec)
W: W60H21L40M00 B : W70H21L40M00
+,: LW -/: MW (*: HW
0 0.5 1 1.5
DH (m) 1.0
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Cd
W: W60H21L40M00 B : W70H21L40M00
+,: LW -/: MW (*: HW
0 0.5 1 1.5
DH (m) 1.0
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Cd
W: W60H21L40M00 B : W70H21L40M00
+,: LW -/: MW (*: HW
W70H21L40M00 / T2a W80H21L40M00 / T3a
수치모형실험 결과 수리모형실험 결과
0 0.5 1 1.5
DH (m) 0
500 1000 1500 2000 2500
Q (m3/sec)
W: W70H21L40M00 B : W80H21L40M00
+,: LW -/: MW (*: HW
0 0.5 1 1.5
DH (m) 0
500 1000 1500 2000 2500
Q (m3/sec)
W: W70H21L40M00 B : W80H21L40M00
+,: LW -/: MW (*: HW
0 0.5 1 1.5
DH (m) 1.0
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Cd
W: W70H21L40M00 B : W80H21L40M00
+,: LW -/: MW (*: HW
0 0.5 1 1.5
DH (m) 1.0
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Cd
W: W70H21L40M00 B : W80H21L40M00
+,: LW -/: MW (*: HW
<그림 3-4-2-5> W70H21L40M00 및 W80H21L40M00 모형의 통수성능 비교
W60H04L40M00 / T4a W70H04L40M00 / T5a
수치모형실험 결과 수리모형실험 결과
0 0.5 1 1.5
DH (m) 0
500 1000 1500 2000 2500
Q (m3/sec)
W: W60H04L40M00 B : W70H04L40M00
+,: LW -/: MW (*: HW
0 0.5 1 1.5
DH (m) 0
500 1000 1500 2000 2500
Q (m3/sec)
W: W60H04L40M00 B : W70H04L40M00
+,: LW -/: MW (*: HW
0 0.5 1 1.5
DH (m) 1.0
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Cd
W: W60H04L40M00 B : W70H04L40M00
+,: LW -/: MW (*: HW
0 0.5 1 1.5
DH (m) 1.0
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Cd
W: W60H04L40M00 B : W70H04L40M00
+,: LW -/: MW (*: HW
<그림 3-4-2-6> W60H04L40M00 및 W70H04L40M00 모형의 통수성능 비교
W70H04L40M00 / T5a W80H04L91M00 / T6a
수치모형실험 결과 수리모형실험 결과
0 0.5 1 1.5
DH (m) 0
500 1000 1500 2000 2500
Q (m3/sec)
W: W70H04L40M00 B : W80H04L91M00
+,: LW -/: MW (*: HW
0 0.5 1 1.5
DH (m) 0
500 1000 1500 2000 2500
Q (m3/sec)
W: W70H04L40M00 B : W80H04L91M00
+,: LW -/: MW (*: HW
0 0.5 1 1.5
DH (m) 1.0
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Cd
W: W70H04L40M00 B : W80H04L91M00
+,: LW -/: MW (*: HW
0 0.5 1 1.5
DH (m) 1.0
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Cd
W: W70H04L40M00 B : W80H04L91M00
+,: LW -/: MW (*: HW
<그림 3-4-2-7> W70H04L40M00 및 W80H04L91M00 모형의 통수성능 비교
다. 사석마운드 설치에 따른 영향
한편, 수문구조물이 수심이 깊은 곳에 설치되는 경우에는 사석마운드 위에 놓이게 되므로 이에 대한 고려를 할 필요가 있다. 이 연구에서는 <그림 3-4-2-8>에 보인 것처럼 PVC 재질로 사석마운드 모형을 제작하였다.
<그림 3-4-2-8> 사석마운드 위에 설치된 수문구조물 모형의 모습
<그림3-4-2-9>∼<그림3-4-2-12>는 사석마운드 설치에 따른 수문구조물의 통수성능을 비교한
것이다. <그림3-4-2-9>는 W60H21L40M00 및 W60H21L40M50 모형의 실험 결과를 비교한 것
으로서 수치 및 수리모형실험의 결과가 서로 상반된 경향을 나타내고 있다. 즉, 수치모형실 험에서는 사석마운드를 설치하였을 경우 통과유량 및 유량계수가 감소하는 반면, 수리모형실 험에서는 반대로 증가하는 경향을 보였다. 그러나, 최소단면의 폭이 넓은 W80H21L40M00 및
W80H21L40M50 모형의 경우에는 <그림3-4-2-10>에 보인 것처럼 사석마운드를 설치하였을
경우 통과유량 및 유량계수가 다소 감소하는 결과가 수치 및 수리모형실험 양쪽으로부터 얻 어졌다. 한편, 수문구조물의 바닥높이가 해저면과 거의 같은 높이인 모형 중에서 최소단면의 폭이 좁은 경우(W60H04L40M00 및 W60H04L40M50)와 넓은 경우(W80H04L91M00 및 W80H04L91M50 모형)에도 <그림3-4-2-11>∼<그림3-4-2-12>에 보인 것처럼 사석마운드를 설
.
W60H21L40M00 / T1a W60H21L40M50 / T1b
수치모형실험 결과 수리모형실험 결과
0 0.5 1 1.5
DH (m) 0
500 1000 1500 2000 2500
Q (m3/sec)
W: W60H21L40M00 B : W60H21L40M50
+,: LW -/: MW (*: HW
0 0.5 1 1.5
DH (m) 0
500 1000 1500 2000 2500
Q (m3/sec)
W: W60H21L40M00 B : W60H21L40M50
+,: LW -/: MW (*: HW
0 0.5 1 1.5
DH (m) 1.0
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Cd
W: W60H21L40M00 B : W60H21L40M50
+,: LW -/: MW (*: HW
0 0.5 1 1.5
DH (m) 1.0
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Cd
W: W60H21L40M00 B : W60H21L40M50
+,: LW -/: MW (*: HW
<그림 3-4-2-9> W60H21L40M00 및 W60H21L40M50 모형의 통수성능 비교
W80H21L40M00 / T3a W80H21L40M50 / T3b
수치모형실험 결과 수리모형실험 결과
0 0.5 1 1.5
DH (m) 0
500 1000 1500 2000 2500
Q (m3/sec)
W: W80H21L40M00 B : W80H21L40M50
+,: LW -/: MW (*: HW
0 0.5 1 1.5
DH (m) 0
500 1000 1500 2000 2500
Q (m3/sec)
W: W80H21L40M00 B : W80H21L40M50
+,: LW -/: MW (*: HW
0 0.5 1 1.5
DH (m) 1.0
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Cd
W: W80H21L40M00 B : W80H21L40M50
+,: LW -/: MW (*: HW
0 0.5 1 1.5
DH (m) 1.0
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Cd
W: W80H21L40M00 B : W80H21L40M50
+,: LW -/: MW (*: HW
W60H04L40M00 / T4a W60H04L40M50 / T4b
수치모형실험 결과 수리모형실험 결과
0 0.5 1 1.5
DH (m) 0
500 1000 1500 2000 2500
Q (m3/sec)
W: W60H04L40M00 B : W60H04L40M50
+,: LW -/: MW (*: HW
0 0.5 1 1.5
DH (m) 0
500 1000 1500 2000 2500
Q (m3/sec)
W: W60H04L40M00 B : W60H04L40M50
+,: LW -/: MW (*: HW
0 0.5 1 1.5
DH (m) 1.0
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Cd
W: W60H04L40M00 B : W60H04L40M50
+,: LW -/: MW (*: HW
0 0.5 1 1.5
DH (m) 1.0
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Cd
W: W60H04L40M00 B : W60H04L40M50
+,: LW -/: MW (*: HW
<그림 3-4-2-11> W60H04L40M00 및 W60H04L40M50 모형의 통수성능 비교
W80H04L91M00 / T6a W80H04L91M50 / T6b
수치모형실험 결과 수리모형실험 결과
0 0.5 1 1.5
DH (m) 0
500 1000 1500 2000 2500
Q (m3/sec)
W: W80H04L91M00 B : W80H04L91M50
+,: LW -/: MW (*: HW
0 0.5 1 1.5
DH (m) 0
500 1000 1500 2000 2500
Q (m3/sec)
W: W80H04L91M00 B : W80H04L91M50
+,: LW -/: MW (*: HW
0 0.5 1 1.5
DH (m) 1.0
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Cd
W: W80H04L91M00 B : W80H04L91M50
+,: LW -/: MW (*: HW
0 0.5 1 1.5
DH (m) 1.0
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Cd
W: W80H04L91M00 B : W80H04L91M50
+,: LW -/: MW (*: HW
<그림 3-4-2-12> W80H04L91M00 및 W80H04L91M50 모형의 통수성능 비교
한편, <그림3-4-2-9>∼<그림3-4-2-10>에서 검토한 두 가지 모형의 경우에는 수문구조물의 최소단면의 바닥면이 해저지반으로부터 볼록하게 솟아올라 있는 형상인 반면, <그림3-4-2-11>
∼<그림3-4-2-12>의 두 가지 모형은 해저지반과 수문구조물 바닥높이와 거의 같으므로 수치
및 수리모형 실험에서의 수심이 서로 다르게 된다. 이것은 실험에서의 수위 조건이 앞에서 설명한 바와 같이 수문구조물 상부 바닥면의 최저점으로부터 일정한 높이로 결정되었기 때 문에 최소단면의 바닥면이 서로 다른 모형의 경우에는 수심 조건은 서로 달라지게 되기 때 문이다. 따라서 최소단면의 바닥면이 낮은 모형의 경우에는 마운드의 높이를 높게 해서 수심 조건을 동일하게 맞춘 경우에 대해서도 실험을 수행하여 그 결과를 검토해 볼 필요성이 있 다. 이를 위해서 마운드의 전 후면 경사를 유지한 채로 마운드의 바닥 높이를 5cm (현장 기
준: 2m) 높여서 별도로 실험을 수행하고, 그 결과를 서로 비교하였다.
<그림3-4-2-13>∼<그림3-4-2-14>는 이에 대한 실험결과를 나타낸다. 최소단면의 폭이 좁은
형태인 W60H04L40M50과 W60H04L40M67 모형 및 최소단면의 폭이 넓은 형태인
W80H04L91M50과 W80H04L91M67 모형의 실험결과로부터 마운드의 높이를 더 상향시킨 경
우에 통과유량 및 유량계수가 미세하게 더 감소하는 경향이 나타남을 알 수 있었다.
이상의 결과로부터 W60H04L40M00과 W60H04L40M50 모형에 대한 수리모형실험 결과를 제외하고는 모든 경우에서 마운드 높이를 높임에 따라서 수문의 통수성능이 대체로 감소함 을 알 수 있었다. 그러나 이것은 이 연구에서 검토 대상으로 삼은 마운드 형상에 국한된 결 과로 해석해야 할 것이며, 일반적인 결론으로 삼기에는 바람직하지 않다. 다만 사석마운드의 설치 여부가 수문구조물의 통수성능에 분명한 영향을 미치는 설계변수임을 확인하였고, 특히 수문구조물 최소단면의 바닥면이 해저면과 동일한 컬버트형 수문 형태는 현장의 수심이 깊 은 경우에는 수심조건을 맞추기 위해서 바닥면이 볼록하게 솟아오른 벤츄리형 수문에 비해 서 마운드를 더 높게 설치해야 하므로 공사비가 많이 들고 수문구조물을 마운드가 없는 곳 에 설치하였을 경우에 비해서 통수성능 감소 효과가 더 커질 가능성이 있다고 추론할 수 있 다.