아치댐
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
1. 개요
아치 댐은 수압을 댐 양안에 분산시키는 아치 형태를 이용하여 댐 자체에 가해지는 하중을 줄이는 방식으로 설계된 댐이다. 중력 댐과 유사하게 자중으로 수압을 견디지만, 아치 효과를 통해 지반에 가해지는 하중을 감소시켜 댐의 부피를 줄일 수 있다. 아치 댐은 계곡의 폭이 좁고 양쪽 산이 급경사인 지형에 적합하며, 싱글아치 댐과 이중곡률 댐으로 구분된다. 설계는 고정 하중, 수압 하중, 온도 하중, 지진 하중 등을 고려하여 매우 복잡하게 이루어진다. 아치 댐은 고대 로마 시대부터 건설되었으며, 현재는 중국의 진핑-I 댐이 세계에서 가장 높은 아치 댐으로 알려져 있다. 대한민국에도 여러 아치 댐이 건설되어 운영되고 있다.
더 읽어볼만한 페이지
- 아치댐 - 구로베 댐
구로베 댐은 일본 도야마현에 위치한 186m 높이의 아치 댐으로, 간사이 지방의 전력난 해소를 위해 건설되었으나 환경 훼손 논란과 사회적 비판도 존재하며 현재는 관광 명소이다. - 아치댐 - 인구리 댐
인구리 댐은 조지아 인구리 강에 위치한 아치형 댐으로, 1987년 완공되었으며 1,320MW의 발전 용량을 갖춘 수력 발전소 시설의 일부로서 조지아 전력 공급에 중요한 역할을 하고 해안 침식 문제, 방사성 동위원소 열전 발전기 분실 사고 등의 논란이 있었으나 국제 사회의 지원으로 유지 보수되고 2015년 조지아 문화 유산 목록에 등재되었다.
| 아치댐 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 정의 | 곡면을 사용하여 물의 압력을 지반으로 전달하는 댐 |
| 작동 원리 | 아치 작용 |
| 주요 재료 | 콘크리트 |
| 건설 복잡성 | 높음 (정확한 설계 및 시공 필요) |
| 적합 지형 | 좁고 단단한 암반 계곡 |
| 특징 | |
| 장점 | 댐 벽의 두께 감소 콘크리트 사용량 감소 건설 비용 절감 |
| 단점 | 적합한 지형 조건 제한 복잡한 설계 및 시공 지반 조건에 민감 |
| 설계 고려 사항 | |
| 하중 | 수압 토압 퇴적압 온도 변화 지진 |
| 형태 | 단일 아치 이중 아치 다중 아치 |
| 지반 조건 | 암반의 강도 및 안정성 균열 및 단층 유무 투수성 |
| 유형 | |
| 형태에 따른 분류 | 원호 아치 댐 컵 아치 댐 아치 중력 댐 |
| 두께에 따른 분류 | 얇은 아치 댐 중간 아치 댐 두꺼운 아치 댐 |
| 세계의 주요 아치 댐 | |
| 후버 댐 | 미국 |
| 바이온트 댐 | 이탈리아 |
| 잉구리 댐 | 조지아 |
| 알마다이나 댐 | 스페인 |
| 테리 댐 | 인도 |
| 구론 댐 | 프랑스 |
| 대한민국의 주요 아치 댐 | |
| 소양강댐 | 높이: 123m 길이: 530m |
| 화천댐 | 높이: 77.5m 길이: 408m |
| 춘천댐 | 높이: 22m 길이: 164m |
2. 원리
아치 댐은 수압을 댐이 위치한 양안에 분산시켜 지반에 전달되는 하중을 줄이는 아치 효과를 이용한다. 이는 댐의 부피를 줄이면서도 높은 수압을 견딜 수 있게 해준다.[1] 댐의 형태가 복잡하여 설계는 어렵지만, 댐 자체의 무게를 이용하여 저수지의 수압에 의한 댐 전도력에 대항하는 중력식 콘크리트 댐에 비해 콘크리트 사용량이 적게 들고, 공사비 압축이 가능하여 경제성이 뛰어나다.
아치 댐은 싱글아치 댐과 이중곡률 댐으로 나뉜다. 아치의 곡률(曲率)이 일정하면 싱글아치 댐이다. 싱글아치 댐에는 등각 아치와 등반지름 아치가 있으며, 등반지름 댐보다 등각 댐이 더 일반적이다. 이중곡률 댐은 곡률을 이중으로 사용하여 건설에 필요한 콘크리트를 줄일 수 있지만, 지반에 하중을 많이 전달하므로 지반 조건이 양호해야 한다. 겉보기에는 싱글아치 댐과 비슷하지만 하류쪽에서 보면 오목한 부분이 분명하지 않다.
아치 댐은 계곡의 폭이 좁고 양쪽 산이 급경사인 지형에 유리하며, 기초 암반의 지지력, 활동저항, 수밀성, 내구성 등을 고려하여 건설해야 한다.[1] 가장 적절한 입지는 협곡이고 양안이 양호한 암석으로 이루어진 곳이다. 따라서 아치 댐을 건설하려면 막대한 수압에 견딜 수 있을 만큼의 강고한 양쪽 기초 암반의 존재가 절대 조건이며, 건설 가능한 지점은 제한된다.[1] 프랑스의 말파세 댐 붕괴 사고는 기초 암반 강도가 불충분하여 발생한 대표적인 사례로, 아치 댐 시공에 큰 영향을 미쳤다.
3. 형식
돔형 아치식 콘크리트 댐은 형태가 복잡하여 설계가 어렵지만, 콘크리트 양을 가장 적게 쓸 수 있어 현재까지 주류 아치식 콘크리트 댐의 기본형이 되었다. 이 외에도 포물선 아치 댐이나 만곡되지 않은 원통형 아치 댐 등이 있다. 파생된 형식으로는 캐나다의 다니엘 존슨 댐이나 일본의 호넨이케 댐처럼 여러 아치가 연결된 멀티플 아치 댐과, 러시아의 사야노-슈셴스카야 댐, 미국의 후버 댐처럼 중력식 콘크리트 댐의 특징을 함께 갖춘 중력식 아치 댐이 있다.
아치 댐은 콘크리트 사용량이 적고, 중력식 콘크리트 댐에 비해 공사비 압축이 가능하여 경제성이 뛰어나다. 하지만 댐 자체의 무게를 이용하여 저수지의 수압에 의한 댐 전도력에 대항하기는 어렵다. 따라서 아치 댐을 건설하려면 막대한 수압에 견딜 수 있을 만큼 강고한 양쪽 기초 암반의 존재가 절대 조건이며, 건설 가능한 지점은 제한된다. 프랑스의 말파세 댐 붕괴 사고에서는 기초 암반의 강도가 불충분하여 시험 담수 중에 댐이 수압을 견디지 못하고 암반과 함께 댐 제체가 붕괴되어 대참사를 초래했다. 말파세 댐 사고는 아치 댐 시공에 큰 영향을 미쳤으며, 일본에서도 구로베 댐에서 댐을 보강하기 위해 양쪽에 윙을 설치하여 수압에 견딜 수 있도록 했다.
대부분의 아치 댐에는 상용 홍수 토출(비 홍수 시·소규모 홍수 시의 방류 설비)이 갖춰져 있으며, 댐 제체 중앙부에 단독 또는 복수의 게이트를 설치하여 방류한다. 스키 점프식 홍수 토출을 댐 양쪽에 갖춘 것, 또는 락필 댐처럼 산복에 홍수 토출을 설치하고 댐 자체는 홍수 토출을 설치하지 않는 비월류형도 있다. 비상용 홍수 토출에 대해서는 자연 월류·게이트 방류를 포함하여 중앙 월류형 홍수 토출이 많이 채용되고 있다. 또한, 많은 아치식 콘크리트 댐 제체 하류 측 표면에는 순시로(캣워크)가 설치되어 있다.
3. 1. 분류
일반적으로 아치 댐은 기초 두께와 구조 높이의 비율(b/h)에 따라 다음과 같이 분류된다.[11]
| 분류 | b/h 비율 |
|---|---|
| 얇은 댐 | 0.2 미만 |
| 중간 두께 댐 | 0.2에서 0.3 사이 |
| 두꺼운 댐 | 0.3 이상 |
아치 댐은 구조적 높이에 따라 다음과 같이 분류된다.[11]
| 분류 | 높이 |
|---|---|
| 낮은 댐 | 약 30.48m 이하 |
| 중간 높이 댐 | 약 30.48m에서 약 91.44m 사이 |
| 높은 댐 | 약 91.44m 초과 |
4. 설계
아치 댐의 설계는 매우 복잡한 과정이며, 초기 댐 배치부터 시작하여 설계 기준 내에서 설계 목표가 달성될 때까지 지속적으로 개선된다.[11][12]
아치 댐 설계 시 고려해야 할 주요 하중은 다음과 같다.[11][12]
- 고정 하중
- 저수지와 하류 수위에 의해 생성되는 수압 하중
- 온도 하중
- 지진 하중
댐에 영향을 미치는 기타 잡하중에는 얼음 및 실트 하중, 그리고 양압력이 있다.[11][12]
아치 댐은 대부분 콘크리트로 만들어지며 V자형 계곡에 설치된다. 아치 댐의 기초 또는 벽체는 콘크리트에 비해 매우 안정적이고 비례해야 한다. 수축 이음은 일반적으로 아치 댐에 20m 간격으로 설치되며, 제어 장치가 냉각 및 경화된 후 그라우트로 채워진다.[14]
4. 1. 종류
아치 댐에는 여러 종류가 있다.- 정반경 아치 댐: 댐의 상류면이 일정한 반지름을 가지며 댐의 높이에 걸쳐 선형 모양을 이룬다. 그러나 내부 곡선은 상단에서 하단으로 내려갈수록 반지름이 감소하며, 따라서 단면에서 삼각형 모양을 이룬다.
- 가변 아치 댐: 댐 아치의 내부 및 외부 면의 반지름이 하단에서 상단까지 변한다. 아치의 반지름은 상단에서 가장 크고, 낮은 고도에서 가장 작다. 아치의 중심각도 위로 올라갈수록 넓어진다.
- 정각 아치 댐: 건설 측면에서 가장 경제적이다. 그러나 지반 단면에 오버행이 포함되므로 더 강력한 기초가 필요하다. 정각 아치 댐은 수평 아치 링의 중심각이 모든 고도에서 동일한 크기를 갖는 댐이다.
이 외에도 하류 측으로 만곡된 돔형 아치식 콘크리트 댐, 포물선 아치 댐, 원통형 아치 댐, 멀티플 아치 댐, 중력식 아치 댐 등이 있다.
5. 역사
아치 댐의 역사는 기원전 1세기 고대 로마 시대로 거슬러 올라간다. 최초의 아치 댐으로 알려진 글라눔 댐(Glanum Dam)은 프랑스에서 고대 로마인에 의해 건설되었으며, 인근의 글라눔(Glanum)에 물을 공급하기 위해 사용되었다.[2][3][4] 포르투갈의 몬테 노보 댐(Monte Novo Dam)은 서기 300년에 건설된 또 다른 초기 로마 시대 아치 댐이다.[5] 다라 댐(Dara Dam)은 로마인들이 건설한 또 다른 아치 댐으로, 역사가인 프로코피우스(Procopius)는 이 댐의 설계에 대해 "초승달 모양으로 구부러져 강물의 흐름에 맞서 곡선이 강물의 힘에 더 많은 저항을 할 수 있도록 했다"고 기록했다.[2]
몽골 제국도 오늘날의 이란에 아치 댐을 건설했다. 1300년경에 건설된 케바르 댐(Kebar Dam)과 1350년경에 건설된 쿠리트 댐(Kurit Dam)이 대표적이다. 특히 쿠리트 댐은 20세기 초까지 세계에서 가장 높은 댐이었다.[3]
스페인 티비에 있는 티비 댐(Tibi Dam)은 로마 시대 이후 유럽에서 처음으로 1579년부터 1594년 사이에 건설된 중세 이후의 아치 댐이다.[3]
20세기 초, 알래스카 주노 근처의 살몬 크릭 댐(Salmon Creek Dam)은 세계 최초의 가변 반경 아치 댐으로 건설되었다. 이 댐은 혁신적인 설계로, 미국 개척국(U.S. Bureau of Reclamation)에서 유사한 설계를 곧 전 세계적으로 채택하게 되었다.[3]
1920년에 스위스 엔지니어 알프레드 슈투키(Alfred Stucky)는 아치 댐에 대한 새로운 계산 방법을 개발하고,[6] 탄성(Elasticity (physics))의 개념을 도입하여 댐 설계를 개선했다.
1940년에 오클라호마 주에 완공된 펜사콜라 댐(Pensacola Dam)은 미국에서 가장 긴 다중 아치 댐으로, 51개의 아치를 가지고 있다.[7]
아치 댐 설계는 1960년대에 더욱 발전했으며, 20세기 말에는 전 세계적으로 상대적인 설계 균일성에 도달했다.[3] 현재 세계에서 가장 높은 아치 댐은 중국의 305m 진핑-I 댐(Jingpin-I Dam)이다.[9]
6. 특징
아치 댐은 콘크리트 사용량이 적어 중력식 콘크리트 댐에 비해 공사비가 적게 들어 경제적이다. 그러나 중력 댐처럼 댐 자체의 무게를 이용하여 저수지의 수압에 의한 댐 전도력에 대항하기 어렵다. 이 때문에 댐에 걸리는 수압을 아치 형태로 만들어 양쪽 산복의 암반에 압력을 분산시켜 수압에 견디는 구조로 되어 있다.[1] 따라서 아치 댐을 건설하려면 막대한 수압에 견딜 수 있을 만큼의 '''강고한 양쪽 기초 암반의 존재'''가 반드시 필요하며, 건설 가능한 지점은 제한된다.[1] 프랑스의 말파세 댐 붕괴 사고에서는 기초 암반의 강도가 불충분하여 시험 담수 중에 댐이 수압을 견디지 못하고 암반과 함께 댐 제체가 붕괴되어 대참사를 초래했다.[1] 말파세 댐 사고는 아치 댐 시공에 큰 영향을 미쳤으며, 일본의 구로베 댐에서는 댐을 보강하기 위해 양쪽에 '''윙'''을 설치하여 수압에 견딜 수 있도록 했다.[1]
홍수 조절을 위해 대부분의 아치 댐에는 상용 홍수 토출 (비 홍수 시·소규모 홍수 시의 방류 설비)이 갖춰져 있으며, 댐 제체 중앙부에 단독 또는 복수의 게이트를 설치하여 물을 방류한다.[1] 스키 점프식 홍수 토출을 댐 양쪽에 갖춘 것, 또는 락필 댐처럼 산복에 홍수 토출을 설치하고 댐 자체는 홍수 토출을 설치하지 않는 비월류형도 있다.[1] 비상용 홍수 토출에 대해서는 자연 월류·게이트 방류를 포함하여 중앙 월류형 홍수 토출이 많이 채용되고 있다.[1]
7. 세계의 아치 댐
순위
(m)
용량
(1000m3)
