맨위로가기

물넘이

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
목차

1. 개요

물넘이는 저수지에 저장된 물을 안전하게 방류하여 댐이나 저수지의 안전을 확보하는 시설이다. 물넘이는 물의 운동 에너지를 감소시켜 하류의 침식을 방지하며, 제어형과 비제어형, 부속형, 인접형, 분리형 등으로 구분된다. 구조에 따라 제정 월류형, 슈트형, 터널형으로 나뉘며, 기능에 따라 상용형과 비상용으로 분류된다. 물넘이는 유입부, 조절공, 도류부, 감세공, 유출부로 구성되며, 설계 시 최대 홍수량을 고려해야 한다. 물넘이 내 무단 침입은 익사 위험이 높으므로 안전 관리가 중요하다.

더 읽어볼만한 페이지

  • 수리 시설 - 방파제
    방파제는 파도의 힘을 약화시켜 해안 지역을 보호하고 안전한 정박지를 제공하는 구조물로, 항만 강화, 해안 침식 감소, 해양 시설 보호 등의 역할을 하며 다양한 종류와 구조, 재료에 따라 분류되고 쓰나미 대비 및 환경 영향 최소화를 위한 기술 개발이 진행 중이다.
  • 댐 - 어도
    어도는 하천 횡단 구조물로 단절된 어류의 이동 통로를 확보하기 위해 설치하는 시설로, 하천 생태계 복원에 중요한 역할을 하며 다양한 방식과 혁신적인 기술이 적용되고 있다.
  • 댐 - 사방댐
    사방댐은 계류, 배수로 등에 설치되어 물의 흐름을 늦추고 침식을 감소시키는 구조물로, 토사 유출 방지, 산림 보호, 지하수 함양, 수질 관리 등 다양한 기능을 수행하며 산사태 위험을 줄이는 데 기여한다.
물넘이

2. 기능

물넘이의 가장 중요한 기능은 저수지에 저장된 물을 제방이나 저수지 구조물 자체에 피해를 주지 않고 안전하게 방류하는 것이다.[22] 또한, 물이 예상치 못한 곳으로 넘쳐흐르는 것을 방지하여 댐의 전반적인 안전을 확보하는 역할을 한다.

물이 물넘이를 통해 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐를 때, 위치 에너지가 운동 에너지로 변환되면서 매우 강력한 물살이 만들어진다. 이 에너지를 효과적으로 줄이지 않으면 물이 떨어지는 지점의 하상(강바닥)이나 하안(강둑)이 심하게 침식될 수 있으며, 이는 댐의 기초를 약화시켜 안정성을 위협할 수 있다.[22] 예를 들어, 파키스탄의 타르벨라 댐 물넘이는 최대 방류 시 약 40,000 MW의 에너지를 방출할 수 있는데, 이는 댐 자체 발전 용량의 10배에 달하는 엄청난 양이다.[23]

이러한 강력한 물의 에너지를 분산시키고 약화시키기 위해 다양한 방법이 사용된다.[24]


  • '''계단식 물넘이''': 물이 흘러내리는 물넘이 표면 자체에 계단을 만들어 물의 흐름을 여러 단계로 나누어 에너지를 점진적으로 감소시킨다.[5]
  • '''플립 버킷'''(Flip bucket): 물넘이 끝부분에 설치되어 물의 흐름 방향을 위쪽으로 바꾸어 던져 올림으로써 수압 도약(hydraulic jump) 현상을 유도하고 에너지를 분산시킨다.
  • '''스키 점프'''(Ski jump): 물을 수평 방향으로 멀리 쏘아 보내 넓은 면적에 떨어뜨리거나, 두 개의 물줄기가 공중에서 충돌하게 하여 에너지를 상쇄시키는 방식이다.[5][23]
  • '''감세공'''(Stilling basin): 물넘이 가장 아래쪽에 위치한 구조물로, 물의 속도를 줄이고 에너지를 최종적으로 흡수하여 하류 하천의 침식을 방지한다. 내부에는 유속을 효과적으로 줄이기 위해 슈트 블록(chute blocks), 배플 블록(baffle blocks), 엔드 실(end sill) 등 다양한 구조물이 설치될 수 있다.[25]


미국 개척국 3형 감세공의 작동 원리


결론적으로 물넘이는 단순히 물을 넘기는 통로가 아니라, 저수지의 안전을 지키고 강력한 물의 에너지를 제어하여 하류 하천을 보호하는 필수적인 수리 구조물이다. 이를 위해 필요에 따라 다양한 형태의 감세공과 같은 에너지 소산 설비가 설치된다.

3. 형식

물넘이는 일반적으로 저수지 수위의 상단에 위치한다. 댐은 홍수 유량을 방류하기 위해 작동될 수 있는 밸브나 게이트가 있는 바닥 배출구를 가질 수도 있으며, 일부 댐은 월류 물넘이 없이 바닥 배출구에만 의존하기도 한다.

물넘이는 크게 제어형(controlled)과 비제어형(uncontrolled) 두 가지 주요 유형으로 나뉜다.
제어형 물넘이는 유량 속도를 조절하기 위한 기계 구조물 또는 게이트를 갖추고 있다. 이 설계는 댐 높이의 거의 전부를 연중 물 저장에 사용할 수 있게 하며, 홍수 시에는 필요에 따라 하나 이상의 게이트를 열어 물을 방류할 수 있다는 장점이 있다.

반면, 비제어형 물넘이는 별도의 게이트가 없다. 물이 물넘이 마루(crest) 위로 차오르면 자연스럽게 저수지에서 방류되기 시작한다. 방류량은 오직 저수지 수위, 즉 물넘이 마루 위 물의 높이에 의해서만 결정된다. 따라서 물넘이 마루 위의 저수지 공간 일부는 홍수 시 물을 임시로 저장하는 용도로만 사용될 수 있으며, 평상시 물 공급을 위한 저장 공간으로는 활용하기 어렵다.

이 두 유형의 중간 형태도 존재한다. 평상시 저수지 수위 조절은 기계식 게이트로 이루어지지만, 댐 구조 자체가 최상단으로 물이 넘치는 것을 견디도록 설계되지 않은 경우가 있다. 이때 저수지로 유입되는 물의 양이 게이트의 처리 용량을 초과하면, 보조 물넘이 또는 비상 물넘이라고 불리는 별도의 인공 수로가 물을 방류하는 역할을 한다. 이 비상 물넘이는 때때로 퓨즈 플러그(fuse plug)라는 구조물로 의도적으로 막혀 있기도 하다. 퓨즈 플러그는 물넘이 게이트의 방류 용량을 넘어서는 대규모 홍수가 발생했을 때 터져나가도록 설계된다. 퓨즈 플러그가 작동하면 이후 복구 작업에 시간이 소요될 수 있지만, 댐 본체가 넘쳐 발생하는 더 큰 피해와 복구 비용을 예방할 수 있다. 퓨즈 플러그 방식은 필요한 용량의 물넘이를 건설하는 비용이 과도할 경우 고려된다.

이 외에도 물넘이는 설치 위치, 구조, 기능 등에 따라 다양하게 분류될 수 있다.

3. 1. 부속형

제방의 일부에 방류 기능을 갖는 형식을 부속형이라고 한다. 물이 제방 상부 또는 제방 내부를 통과하는 구조적 특징 때문에 대규모 필 댐에는 부적합하다고 여겨진다.

3. 2. 인접형

독립된 설비를 제방에 인접하여 설치하는 형식을 말한다.

3. 3. 분리형

제방에서 떨어진 장소에 설치하는 형식이다.

3. 4. 구조에 따른 분류

물넘이는 구조상의 형식에 따라 다음과 같이 분류될 수 있다.

  • '''제정 월류형''': 댐이나 제방의 가장 윗부분(제정)에서 물이 넘쳐흘러 방류되도록 하는 가장 일반적인 형식이다. 물이 댐 구조물 위를 직접 넘어가는 방식이다.
  • '''슈트형''': 댐 본체 옆의 땅을 파서 만든 개수로(開水路)나, 댐 중턱 또는 산 중턱에서 시작하여 경사면을 따라 물을 흘려보내는 방식이다. 계단식 여수로가 대표적인 예이다.
  • '''터널형''': 터널을 이용하여 물을 댐 하류로 우회시켜 방류하는 형식이다. 지형적 제약이 있거나 다른 형식의 물넘이를 설치하기 어려울 때 사용된다. 벨마우스 물넘이나 수직 입구형 물넘이도 종종 터널과 연결된다.

3. 5. 기능에 따른 분류

물넘이는 그 기능에 따라 크게 두 가지 유형으로 나눌 수 있다.

  • '''상용형''': 저수지의 수위를 조절하거나 하류의 유량 조절을 적극적으로 수행하는 물넘이다. 평상시 물 관리에 주로 활용된다.
  • '''비상용형''': 계획된 기준치를 초과하는 큰 홍수가 발생했을 경우, 댐의 안전을 확보하기 위해 설치된 물넘이다. 예상치 못한 비상 상황에서 댐이 넘치거나 붕괴되는 것을 방지하는 역할을 한다.

4. 구조

물넘이는 물이 저수지에서 유입부, 조절부, 감세공, 유출부를 거쳐 하류로 안전하게 방류되도록 하는 구조물이다. 각 부분의 역할은 다음과 같다.


  • '''유입부''': 물을 저수지에서 방류 설비로 인도하는 기능을 한다. 글로리홀과 같은 특수한 형태를 포함하여 수로, 취수탑, 터널 등이 사용될 수 있다.
  • '''조절부''': 방류하는 수량을 조절하는 역할을 한다. 구조 자체로 수량 조절이 가능하기도 하지만, 필요에 따라 수문(게이트)을 설치하여 적극적으로 수량을 제어하기도 한다.
  • '''감세공''': 방류된 물의 강한 운동 에너지를 줄여 하류 하천과 댐 구조물을 보호하는 설비이다. 물의 흐름을 이용하는 방식에 따라 여러 종류로 나뉜다.
  • '''유출부''': 감세공을 통과한 물을 최종적으로 하류로 안전하게 흘려보내는 통로 역할을 하며, 수로나 터널 등이 사용된다.

4. 1. 유입부

thumb의 글로리 홀 물넘이]]

물을 저수지에서 방류 설비로 인도하기 위한 설비로, 주로 수로나 취수탑, 글로리홀, 터널 등이 사용된다.

특히 글로리홀(Glory Hole Spillway)은 벨마우스 물넘이(Bell-mouth Spillway)라고도 불리며, 거꾸로 된 종처럼 설계되어 물이 전체 둘레를 따라 들어갈 수 있는 독특한 형태를 가진다.[11] 이 무제어형 물넘이는 그 모양 때문에 (꽃에서 유래한) 모닝 글로리 물넘이(Morning Glory Spillway)라고도 불린다.[12][13] 저수지 표면이 얼 수 있는 추운 지역에서는 물넘이가 얼어붙는 것을 방지하기 위해 제빙 장치가 설치되기도 한다.

일부 벨마우스 물넘이는 게이트로 유량을 제어하기도 한다. 세계에서 가장 높은 모닝 글로리 물넘이는 미국 몬태나주 Hungry Horse 댐에 있으며, 약 19.51m x 약 3.66m 크기의 링 게이트로 제어된다.[14] 포르투갈 Covão dos Conchos 저수지의 벨마우스 물넘이는 주변 환경과 어우러지도록 자연적인 지형처럼 보이게 건설되었다. 현재까지 가장 큰 벨마우스 물넘이는 호주 뉴사우스웨일스주 Geehi 댐에 있으며, 호수 표면에서의 지름이 약 32.00m에 달한다.[15][16][17]

4. 2. 조절부

방류하는 수량을 조절하기 위한 설비이다. 물넘이의 조절 방식은 물이 댐 마루 위를 자연스럽게 넘치도록 하는 방식과 수문을 설치하여 인위적으로 조절하는 방식으로 나눌 수 있다. 주요 형식으로는 월류정, 오리피스, 사이펀 등이 있다.

  • '''越流頂|월류정한국어'''(Crest): 물이 댐이나 물넘이 구조물의 꼭대기(마루)를 넘어 흐르도록 설계된 가장 기본적인 형태이다. 저수지 수위가 일정 높이 이상이 되면 자연스럽게 물이 넘어가며 방류된다.
  • '''오리피스'''(Orifice): 댐 본체나 물넘이 구조물의 수면 아래 부분에 비교적 작은 구멍이나 관을 설치하여 물을 방류하는 방식이다.
  • '''사이펀'''(Siphon): 사이펀 원리를 이용하여 물을 방류하는 방식이다. 유입구와 배출구 사이의 높이 차이로 발생하는 압력 차이를 이용하며, 물이 특정 수위에 도달하면 자동으로 작동하여 물을 빨아들여 방류한다.[18] 사이펀 내부의 공기를 효과적으로 제거하기 위해 볼류트(volute)라는 깔때기 모양 구조를 사용하기도 한다.[18]


이러한 구조 자체만으로도 어느 정도 수량 조절이 가능하지만, 필요에 따라 수문(게이트)을 설치하여 방류량을 보다 적극적으로 제어하기도 한다. 제어형 물넘이는 게이트를 조작하여 저수지 수위를 관리하고 홍수 시 방류량을 조절할 수 있다.

4. 3. 도류부

유입부에서 조절부를 거쳐 온 물을 감세공까지 안전하게 유도하는 부분이다. 일반적으로 개수로(Open channel) 형태이다.

4. 4. 감세공 (Energy Dissipation)

물이 물넘이를 지나 경사면을 따라 흐르면서 위치 에너지가 운동 에너지로 변환되어 상당한 에너지를 갖게 된다.[22] 이 에너지를 소산시키지 않으면 하류의 강바닥(하상)이나 강둑(하안)이 침식될 수 있으며, 댐 자체의 안정성에도 위협이 될 수 있다.[22] 예를 들어, 파키스탄의 타르벨라 댐 물넘이는 최대 방류 시 약 40,000 MW의 에너지를 발생시킬 수 있는데, 이는 댐 발전소 용량의 10배에 달하는 엄청난 양이다.[23]

이처럼 강력한 물의 에너지를 안전하게 줄여 하류 하천과 댐 구조물을 보호하기 위해 설치하는 것이 감세공(減勢工, Energy Dissipator)이다. 감세공은 물넘이 설계의 여러 부분에서 다양한 방식으로 에너지를 소산시킨다.[24]

주요 에너지 소산 방식은 다음과 같다.

  • 계단식 물넘이: 물이 흐르는 물넘이 표면 자체를 계단 형태로 만들어 물이 떨어지면서 에너지를 점차 소산시키는 방식이다. (계단식 물넘이 참조)[5]
  • 플립 버킷(Flip Bucket): 물넘이 끝부분에 설치되어 물의 흐름 방향을 위쪽으로 바꾸어 던져 올리는 구조물이다. 이 과정에서 수압 도약(Hydraulic jump) 현상이 발생하여 에너지가 소산된다.
  • 스키 점프(Ski Jump): 물을 공중으로 쏘아 올려 멀리 떨어뜨리는 방식으로, 마치 스키 점프처럼 물줄기가 포물선을 그리며 날아가 떨어진다. 물이 떨어지는 지점에 별도의 감세 연못(Plunge pool)을 만들거나, 두 개의 물줄기를 서로 충돌시켜 에너지를 상쇄하기도 한다.[5][23]
  • 완화 수조(Stilling Basin): 물넘이 바로 아래에 설치되는 구조물로, 물의 속도를 줄이고 에너지를 흡수하여 하류 하천의 침식을 방지한다. 완화 수조 내부에는 유속을 효과적으로 줄이기 위해 슈트 블록(Chute block), 배플 블록(Baffle block), 엔드 실(End sill) 등 다양한 형태의 구조물을 설치하기도 한다.[25]


감세공은 작동 원리에 따라 크게 두 가지 방식으로 분류할 수 있다.

  • 도수식(跳水式): 댐 하류부에서 수압 도약 현상을 인공적으로 발생시켜 물의 에너지를 줄이는 방식이다. 주로 완화 수조를 이용한다.
  • 방수식(放水式): 물의 흐름을 공중으로 방출하여 에너지를 소산시키는 방식으로, 스키 점프식과 자유 낙하식(Free-fall type)으로 나뉜다.

4. 5. 유출부

물을 하류로 안전하게 인도하기 위한 설비이며, 수로나 터널 등이 사용된다.

5. 설계 시 고려 사항

물넘이 설계의 한 가지 중요한 매개변수는 처리하도록 설계된 최대 홍수량이다. 구조물은 적절한 물넘이 설계 홍수(SDF, Spillway Design Flood), 때로는 유입 설계 홍수(IDF, Inflow Design Flood)라고도 불리는 수치를 안전하게 견뎌야 한다. SDF의 크기는 구조물의 크기와 하류의 인명 또는 재산 피해 가능성을 기준으로 댐 안전 지침에 의해 설정될 수 있다.

홍수량은 때때로 재현 기간(Return Period)으로 표현된다. 100년 빈도 홍수는 평균 100년에 한 번 초과할 것으로 예상되는 홍수 규모를 의미한다. 이 매개변수는 특정 연도에 초과될 확률이 1%인 초과 빈도(Exceedance Frequency)로 표현될 수도 있다. 설계 홍수 동안 예상되는 물의 양은 상류 유역의 수문학적 계산을 통해 얻는다. 재현 기간은 구조물의 크기와 하류의 인명 또는 재산 피해 가능성을 기준으로 댐 안전 지침에 의해 설정된다.

미국 육군 공병대는 가능한 최대 홍수(PMF, Probable Maximum Flood) 및 가능한 최대 강수량(PMP, Probable Maximum Precipitation)을 기준으로 요구 사항을 설정한다. PMP는 상류 유역에서 물리적으로 가능한 최대 강수량을 의미한다. 위험도가 낮은 댐은 PMF보다 작은 IDF를 가질 수 있다.

6. 안전

물넘이 수문은 원격 제어를 통해 예고 없이 갑자기 작동될 수 있다. 이 때문에 물넘이 안으로 무단 침입하는 경우 익사 위험이 매우 높다. 일반적으로 물넘이 주변에는 울타리가 설치되어 있고 잠금 장치가 있는 문이 있어 무단 침입을 방지한다. 또한, 하류 지역 이용자에게 갑작스러운 방류를 알리기 위해 경고 표지판, 사이렌 등의 안전 조치가 마련되어 있다. 운영 규정에 따라서는 하류의 사람들에게 미리 경고하기 위해 소량의 물을 먼저 방류하는 절차(수문 "크래킹")가 포함될 수도 있다.

한편, 물넘이 수문을 갑자기 닫으면 물고기가 물 밖에 남겨져 좌초될 수 있으므로, 이러한 상황은 일반적으로 피하도록 관리된다.

참조

[1] 웹사이트 Chute spillways, The Engineering of Large Dams http://www.dur.ac.uk[...] 2010-07-05
[2] 간행물 Historical Development of Stepped Cascades for the Dissipation of Hydraulic Energy
[3] 간행물 Hydraulics of Stepped Spillways: Current Status http://espace.librar[...]
[4] 서적 Hydraulic Design of Stepped Cascades, Channels, Weirs and Spillways Pergamon
[5] 서적 The Hydraulics of Stepped Chutes and Spillways Balkema
[6] 간행물 Skimming Flow in Stepped Spillways
[7] 간행물 Hydraulic Design of Stepped Spillways and Downstream Energy Dissipators http://staff.civil.u[...]
[8] 간행물 Hydraulic Design of Stepped Spillways and Downstream Energy Dissipators for Embankment Dams https://staff.civil.[...]
[9] 서적 Hydraulic Design of Stepped Spillways and Downstream Energy Dissipators for Embankment Dams Impact of Converging Chute Walls for Roller Compacted Concrete Stepped Spillways
[10] 서적 Non-Aerated Skimming Flow Properties on Stepped Chutes over Small Embankment Dams in Hydraulic Structures: a Challenge to Engineers and Researchers, Proceedings of the International Junior Researcher and Engineer Workshop on Hydraulic Structures http://espace.uq.edu[...] University of Queensland, Division of Civil Engineering
[11] 서적 Twort's water supply. https://books.google[...] Butterworth-Heinemann
[12] 간행물 Analysis of the Impact of Effective Length of Morning Glory Spillway on Its Performance (Numerical Study) 2019-06-30
[13] 웹사이트 Lake Berryessa, Bureau of Reclamation, Mid-Pacific Region https://www.usbr.gov[...] Dept. of Interior 2017-12-15
[14] 웹사이트 Hungry Horse Dam http://www.usbr.gov/[...] U.S. Bureau of Reclamation 2010-11-01
[15] 웹사이트 Dams http://www.snowyhydr[...] 2016-10-04
[16] 웹사이트 Hungry Horse Project History http://www.usbr.gov/[...] U.S. Bureau of Reclamation 2010-11-01
[17] 서적 The Bureau of Reclamation: history essays from the centennial symposium, Volume 1 https://books.google[...] United States Government Printing Office 2010-11-01
[18] 간행물 Design of Volute Siphon. http://eprints.iisc.[...] 2013-12-19
[19] 웹사이트 Hydraulic Design, Types of Spillways http://users.rowan.e[...] Rowan University 2010-07-05
[20] 웹사이트 INFLOW DESIGN FLOODS FOR DAMS AND RESERVOIRS https://www.publicat[...] USACE 2019-04-05
[21] 웹사이트 Manual on Estimation of Probable Maximum Precipitation (PMP) http://www.wmo.int/p[...] WMO 2019-04-05
[22] 서적 Irrigation and Water Power Engineering https://books.google[...] Firewall Media
[23] 서적 Hydraulic structures https://books.google[...] Taylor & Francis
[24] 서적 Energy Dissipation in Hydraulic Structures https://www.crcpress[...] IAHR Monograph, CRC Press, Taylor & Francis Group, Leiden, The Netherlands, 168 pages
[25] 서적 Energy dissipators and hydraulic jump https://books.google[...] Kluwer


본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com