댐 형식 분류

왜 배우는가: 댐 형식은 지반 조건, 재료 확보, 경제성, 내진 안정성을 결정하는 출발점이라 수자원 설계 전반의 기초가 된다. 1교시 용어 문제와 2~4교시 논술 문제에서 반복해 출제되므로 형식별 특징과 분류 기준을 함께 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제134회 2교시 2번, 제119회 1교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

댐 형식 분류는 댐체를 이루는 재료와 수압을 버티는 원리(구조 형식)에 따라 댐을 나누고, 각 형식의 안정 조건과 적용 지반을 구분하는 것이다.

• 핵심 키워드: 필댐, 콘크리트댐, 중력댐, 아치댐, 버트레스댐, 록필댐, 흙댐(균질형·코어형), 콘크리트 표면차수벽형 댐

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 댐을 '무엇으로 만들었는지'와 '물을 어떻게 버티는지'로 나누는 것이다. 흙이나 돌을 다져 쌓아 자기 무게로 수압을 견디면 필댐이고, 콘크리트로 만들어 구조물의 무게나 모양으로 수압을 견디면 콘크리트댐이다.

정식 정의는 다음과 같다. 댐 형식은 댐체의 재료와 수압에 저항하는 구조 원리에 따라 분류한 댐의 종류를 말한다. 대표적인 분류는 필댐과 콘크리트댐 두 갈래다.

필댐(Fill dam, 축조댐)은 재료를 다져서 만든 댐이다. 재료의 자중으로 수압을 견디며, 록필댐과 흙댐으로 나뉜다. 필댐은 대부분 자연 재료를 현장 가까이서 구하므로 공사비가 낮다.

콘크리트댐은 콘크리트로 만든 댐이다. 구조물 자체의 무게나 아치 작용으로 수압을 견딘다. 중력댐, 아치댐, 버트레스댐으로 나뉜다.

중력댐(Gravity dam)은 자중에 의한 모멘트가 수압에 의한 전도 모멘트보다 커서 안정을 얻는 댐이다. 수압과 자중의 합력이 댐 밑면 안에 있어야 하며, 단면 내 합력이 중앙 1/3 안에 들어야 인장응력과 압축응력이 과도하지 않다. 이 조건을 합력 작용점 단면 중앙 1/3 이내 로 외운다.

록필댐(Rock-fill dam)은 자유 배수가 되는 조립 흙을 다져 쌓고, 상류 쪽이나 내부에 차수 역할을 하는 불투수 존(zone)을 둔 댐이다. 큰 입자 비율이 높아 '록(rock)'이라는 이름이 붙었다. 내부 차수벽을 코어라고 한다.

흙댐(Earth dam)은 점성토 등 세립토를 주로 쓴 댐이다. 차수 기능이 재료 자체에 있어 균질형과 코어형으로 나뉜다.

3. 등장 배경과 필요성

댐 형식은 기술 발전과 재료 조건에 따라 달라졌다. 필댐은 2차 세계대전 이전에 경험적인 방법으로 많이 만들어졌다. 근대 기술로 설계된 댐은 1960년대 이후에 본격적으로 늘었다. 따라서 필댐의 사고 건수는 콘크리트댐보다 많은데, 이는 필댐 수가 많고 초기 시공법이 경험에 의존했기 때문이다.

콘크리트댐은 기반암이 단단한 협곡에서 발전했다. 중력댐은 재료 사용량이 많아 고가이지만 월류에 강하다는 장점이 있다. 아치댐은 양안 암반에 수압을 전달하는 방식이라 협곡 입지에 맞다. 버트레스댐은 콘크리트를 줄이려는 목적에서 나왔다.

형식 선정은 지형, 지질, 재료 수급, 공기, 경제성을 함께 보고 결정한다. 같은 저수량이라도 기초 지반이 연약하면 필댐이 유리하고, 단단한 암반이 양안에 있으면 콘크리트댐이 유리하다. 따라서 분류의 실무적 의미는 입지 조건과 형식을 맞추는 데 있다.

필댐은 연약 지반에 적용성이 높고, 콘크리트댐은 양호한 암반 기초가 필요하다.

4. 구성요소·원리·절차

댐 형식은 댐을 지지하는 주된 힘이 무엇인지에 따라 나뉜다. 중력댐은 자중으로, 아치댐은 아치 작용으로, 필댐은 재료의 자중과 차수벽의 조합으로 수압을 견딘다. 형식마다 구성요소가 다르므로 먼저 전체 구조를 파악해야 한다.

댐 본체는 크게 제체, 차수벽, 기초 처리부, 배수 설비로 나뉜다. 필댐에서는 차수 기능을 가진 코어 또는 표면 차수벽이 차수벽(core, impervious zone) 역할을 하고, 필터층은 세립토의 이동을 막는다. 콘크리트댐에서는 콘크리트 자체가 차수 기능을 가지며, 기초부의 그라우팅과 배수공이 누수와 양압력을 줄인다.

표는 구성요소별 기능을 한눈에 보여 준다. 필댐은 차수 재료와 제체 재료를 분리하고, 콘크리트댐은 구조체가 곧 차수체가 된다.

원리는 힘의 전달 경로로 설명한다. 중력댐은 수압 합력이 저판 중앙 1/3 안에 들어오도록 단면을 정한다. 아치댐은 수압을 양안 암반으로 전달한다. 필댐은 제체 전단강도와 침투 경로 길이로 안정성을 확보한다.

형식 선택은 하중 전달 경로와 기초 조건의 조합으로 결정된다

댐 설계의 기본 절차는 다음과 같다.

• 입지 조사: 지질, 기초암 강도, 재료 채취지를 조사한다.
• 형식 선정: 기초 조건, 재료 가용성, 계곡 형상을 비교한다.
• 하중 산정: 정수압, 양압력, 퇴사압, 지진력을 계산한다.
• 안정 검토: 활동, 전도, 전단, 침투 안정을 검토한다.
• 세부 설계: 여수로, 배수 설비, 계측 설비를 배치한다.

중력댐의 안정 검토에서는 전도 안전율과 활동 안전율을 확인한다. 자중 W와 수압 합력 P가 작용할 때 활동 안전율은 F_s = \frac{f \cdot \sum V}{\sum H}로 쓴다. 여기서 f는 기초면 마찰계수, \sum V는 연직력 합, \sum H는 수평력 합이다.

단면 응력 조건은 다음과 같다. 합력 작용점은 저판 중앙 1/3 안에 있어야 하며, 이를 벗어나면 인장응력이 생긴다.

5. 관련 법령·기준·표준

댐의 형식과 설계는 「댐건설 및 관리에 관한 법률」과 하천설계기준·댐설계기준 체계를 따른다. 형식 구분은 국내에서 약호로 관리된다. 국내 댐 형식 약호는 HE(균질형 필댐), CE(코어형 필댐), ER(락필댐), CF(콘크리트 표면차수벽형 락필댐), PG(콘크리트 중력식댐), BM(바라지, 방조제·하구둑)이다.

중력댐의 기준 조건은 다음과 같이 쓴다. 합력은 단면 중앙 1/3 안에 있어야 하고, 기초면 활동 안전율은 관련 기준 이상(정상 상시 하중)으로 검토한다.

필댐의 비탈면 안정은 활동 안전율로 검토한다. 상시 조건의 활동 안전율 기준은 관련 기준 이상이다. 지진 시 조건은 별도로 검토한다.

아치댐은 양안 암반의 강도와 지지 조건이 중요하다. 이중곡률 아치댐은 콘크리트량이 적지만 지반에 큰 하중을 전달하므로 지반 조건이 양호해야 한다.

대한민국 댐의 형식 구분은 위의 여섯 가지 약호 체계로 관리된다.

6. 유형과 비교

댐 형식은 축조 재료와 하중 지지 원리에 따라 나뉜다. 크게 필댐(축조댐)과 콘크리트댐으로 구분하고, 콘크리트댐은 다시 중력식·아치식·부벽식으로 나눈다. 형식 선택은 기초지반의 강도, 계곡 폭, 재료 확보 여건에 따라 달라진다.