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수문 (토목)

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목차

1. 개요

수문은 물의 흐름을 조절하기 위해 설치되는 가동식 문으로, 물을 가두거나 흐르게 하는 역할을 한다. 수직 상승 수문, 반경 수문, 플랩 수문 등 다양한 종류가 있으며, 작동 방식과 형태에 따라 분류된다. 수문은 개수로의 흐름을 제어하고 측정하는 데 사용되며, 설계 시 상류 및 하류 수심, 수문 개구 등의 깊이가 중요한 요소로 작용한다. 벌목 산업, 광업 등 다양한 분야에서 활용되며, 재료로는 알루미늄, 목재, 주철, 스테인리스강, 섬유 강화 플라스틱 등이 사용된다. 지역에 따라 클라이스, 코커스, 호로부와 등 다른 명칭으로 불리기도 한다.

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수문 (토목)
개요
정의머리 부분에 문이 있는 수로
용도운하 또는 강을 가로지르는 갑문
방조제 또는 제방의 수문
관개용 수로의 수문
제분소의 수문
상세 정보
기능수위와 흐름 조절
홍수 조절
관개
항해 지원
유형
구조에 따른 분류수직 게이트 수문
경첩 게이트 수문
플랩 게이트 수문
섹터 게이트 수문
원통형 게이트 수문
용도에 따른 분류관개 수문
배수 수문
홍수 조절 수문
조력 수문
구성 요소
게이트수위를 조절하는 문
작동 메커니즘게이트를 올리고 내리는 장치 (수동 또는 자동)
수로물이 흐르는 통로
제어 시스템게이트 작동을 제어하는 시스템
추가 정보
관련 용어갑문
방조제
제방
수문
관련 기술수리학
수문학
토목 공학

2. 수문의 작동 원리

수문은 물의 흐름을 아래로 조절하는 가동식 문이다. 수문을 내리면 물이 위로 넘쳐 보처럼 기능한다. 일반적으로 수문을 위아래로 움직이는 장치가 사용되는데, 간단한 수동 체인, 웜 기어나 랙 앤 피니언 구동 방식, 또는 전기나 유압으로 작동하는 방식 등이 있다. 플랩 수문처럼 외부 개입 없이 자동 작동하는 수문도 있다.

2. 1. 수문의 종류


  • 플랩 슬루스 게이트: 압력에 의해 자동 제어되는 형식으로, 체크 밸브와 비슷하게 작동한다. 상단에 경첩이 달린 게이트로, 한쪽에서 압력이 가해지면 닫히고, 반대쪽에서 압력이 임계점을 넘으면 열린다.
  • 수직 상승 슬루스 게이트: 기계 제어를 통해 수직으로 미끄러지는 판 형태의 수문이다.
  • 반경 슬루스 게이트: 원통형 표면의 일부가 수문 역할을 하며, 원통 반경을 통과하는 반경 구조물에 의해 지지된다. 균형추가 제공되는 경우도 있다.
  • 상승 섹터 슬루스 게이트: 채널 바닥에 놓여 중심을 기준으로 회전하며 상승하는, 원통형 표면의 일부를 이용한 수문이다.
  • 니들 슬루스: 니들 댐처럼 얇은 바늘 여러 개를 묶어 수압으로 고정하는 방식의 수문이다.
  • 팬 게이트(waaiersluisnl): 1808년 네덜란드 수공학자 얀 블랑켄(Jan Blanken)이 발명했다. 당시 네덜란드 왕국의 수자원 관리 (Waterstaat) 감찰관이었다.[1] 수압만으로 높은 수위 방향으로 열리는 특성을 지닌다. 주로 특정 지역의 범람을 위해 사용되었으며, 홀란트 수로(Hollandic Water Line)가 대표적이다. 오늘날에도 고다 등 일부 지역에서 볼 수 있다. 팬 게이트는 별도의 챔버가 있어 물을 채울 수 있으며, 큰 문으로 슬루스의 높은 수위 측면과 분리된다. 챔버와 높은 수위 측면을 연결하는 튜브를 열면 챔버의 수압이 높아진다. 큰 문은 높이 차가 없어 힘이 작용하지 않지만, 작은 문은 상류 쪽 수위가 높아 닫히는 힘을 받는다. 낮은 수위 측면과 연결된 튜브를 열면 챔버 수위가 낮아지고, 문 표면적 차이로 인해 문을 여는 힘이 발생한다.


팬 슬루스의 평면도 (아래에서 위로 물이 흐름, 회색 영역은 물이 흐를 수 있는 빈 공간).
1: 챔버와 높은 수위 측면 연결 튜브
2: 챔버 수위 조절 게이트 (한 번에 하나만 개방)
3: 챔버와 낮은 수위 측면 연결 튜브
4: 수위 조절 가능 챔버
5: 큰 문
6: 작은 문
높은 수위 측면(1) 튜브 개방 시 챔버(4) 수위 상승. 큰 문(5)은 높이 차가 없어 힘이 없고, 작은 문(6)은 상류 쪽 수위가 높아 닫힘(시계 반대 방향). 낮은 수위 측면(3) 튜브 개방 시 챔버(4) 수위 하강, 큰 문(5)이 열림(시계 방향). 압력 차는 같지만 표면적 차이로 열림(5)이 닫힘(6)을 이겨 시계 방향 회전.


슬루스 게이트 설계의 중요 변수

2. 2. 수문 설계

수직 상승 수문은 개수로에서 가장 흔하며 자유 흐름과 잠긴 흐름의 두 가지 흐름 체제에서 작동할 수 있다.[2] 수문 설계를 할 때 가장 중요한 깊이는 다음과 같다.

  • '''YU''': 상류 수심
  • '''YG''': 수문 개구
  • '''Ym''': 수문 이후 흐름의 최소 수심
  • '''YJ1''': 수리 도약의 초기 수심
  • '''YJ2''': 수리 도약의 2차 수심
  • '''YD''': 하류 수심

3. 수문의 활용

수문은 벌목 산업과 광업 등 다양한 산업 분야에서 활용되어 왔다.

3. 1. 벌목 산업

미국 산간 지역에서 수문은 가파른 산비탈에서 아래쪽 제재소 연못이나 야적장으로 통나무를 운반하는 데 사용되었다. 19세기 벌목은 전통적으로 여름에는 농장에서 일하는 사람들이 겨울에 하는 활동이었다. 밤에 얼음이 어는 곳에서는 매일 밤 벌목용 수문에 물을 뿌려 다음 날 아침 수문에 놓인 통나무의 마찰을 줄이는 미끄러운 얼음 막을 만들기도 했다.[4]

3. 2. 광업

광부들이 알래스카의 Lucky Gulch에서 작은 수로를 작업하고 있다


수로(Sluicing영어)는 선광 채광 작업 중 검은 모래, 금, 기타 광물을 선광 퇴적물에서 회수하는 데 자주 사용된다. 수로는 탐사에 사용되는 것처럼 소규모일 수도 있고, 상업적 운영에서와 같이 훨씬 더 클 수도 있는데, 이 경우 재료는 때때로 트로멜, 선별 플랜트 또는 체를 사용하여 선별된다. 전통적인 수로는 카펫 또는 고무 매트 위에 가로 방향의 리플이 있어 무거운 광물, 보석 및 기타 귀중한 광물을 가둔다. 2000년대 초반부터 더 많은 광부와 탐사자들이 더 현대적이고 효과적인 매트 시스템에 의존하고 있으며, 그 결과 추가 처리가 필요한 농축물이 생성된다.[1]

4. 수문의 재료

수문은 프레스 브레이크를 사용하여 U자 모양으로 만들기 위해 주로 알루미늄으로 제작된다. 전통적으로 수문 제작에는 목재가 사용되었다. 주철은 수년간 수문 건설에 널리 사용되었으며, 강력한 수위에도 필요한 강도를 유지하는 데 매우 뛰어나다. 스테인리스강은 대부분의 경우 기존의 주철 재료보다 가볍다. 현대에는 섬유 강화 플라스틱과 같은 새로운 재료를 사용하여 수문을 제작하고 있다. 이러한 최신 기술은 기존 재료의 많은 속성을 가지면서 부식 방지 및 훨씬 가벼운 무게와 같은 장점을 제공한다.

5. 지역별 명칭

서머싯 레벨스에서는 수문을 클라이스(clyse)[5] 또는 클라이스(clyce)[6][7]라고 부른다.

가이아나의 대부분의 주민들은 수문을 코커스(kokers)라고 부른다.

고대 빗물 관개 기반 문명을 가지고 있던 스리랑카의 신할라족은 수문을 호로부와(Horovuwa)[8]라고 부른다.

6. 갤러리

일본 마고메주쿠에 있는 작은 나무 수문. 물레방아에 동력을 공급하는 데 사용됨

참조

[1] 서적 Nieuw ontwerp tot het bouwen van minkostbare sluizen, welke alle de vereischten der bekende sluizen bezitten, en daarenboven de steeds ontbrekende, meer uitgebreide nuttigheden van dezelve vervullen kunnen 1808
[1] 서적 Verhandeling over het ontwerp van sluizen, volgens de uitgave van den heer inspecteur generaal bij den waterstaat van het Koningrijk Holland, J. Blanken Jansz., het eerste aan de Benschopper Sluis beproefd: opgesteld ter aanleiding tot eene naauwkeurige overweginge van hetzelve, in vergelijking met zijnen over dit onderwerp gedrukten brief, en het antwoord door eerstgenoemden daar op uitgegeven Van Esveldt-Holtrop 1809
[2] 서적 Fluid mechanics McGraw Hill 2011
[3] 논문 Flow Rate Measurements under Sluice Gates http://ascelibrary.o[...] 2017-06
[4] 서적 Two Feet Between the Rails (Volume 1 - The Early Years) Sundance Books
[5] 웹사이트 FOCUS on Industrial Archaeology No. 68, June 2007 http://www.hias.hamp[...] 2007-10-30
[6] 서적 History of the County of Somerset: Volume 8: The Poldens and the Levels Victoria County History 2004
[7] 웹사이트 'Huntspill', A History of the County of Somerset: Volume 8: The Poldens and the Levels http://www.british-h[...] 2007-10-30
[8] 웹사이트 The water regulation technology of ancient Sri Lankan reservoirs: The Bisokotuwa sluice http://www.slageconr[...] 2012-08-14


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