가배수터널 수리해석

정의와 유수전환

댐을 쌓는 자리에 강물이 흐르면 공사를 할 수 없다.

그래서 강물을 옆으로 돌려 보내는 임시 터널을 뚫는다. 이를 가배수터널이라 하며, 이 작업을 유수전환이라 한다.

가배수터널은 관수 또는 부분 관수 상태의 암거로 보고 수리해석한다.

구조와 흐름 제어

가배수터널은 상류 접근수로, 입구부, 터널 본체, 출구부로 이루어진다.

입구부는 유입을 제한하고, 터널 본체는 길이와 조도로 손실을 정한다.

입구에서 흐름이 제한되면 입구 조절, 출구 쪽 영향을 받으면 출구 조절이다.

그래서 먼저 흐름이 어디에서 제한되는지 판정해야 계산식을 고를 수 있다.

입구 조절 계산

입구 조절에서 비잠수 상태는 입구가 위어처럼 작동한다.

이때 유량은 Q = C_w·B·H_W^{3/2}로 구한다.

C_w는 위어 계수, B는 위어 마루 폭, H_W는 상류 수위다.

잠수 상태에서는 입구가 오리피스나 수문처럼 작동하므로 오리피스 식을 쓴다.

C_w는 초기 계산용 가정값이므로 실제 설계는 입구 형상별 계수로 바꾼다.

출구 조절과 수위 비교

출구 조절에서는 에너지 손실의 합으로 상류 수위를 구한다.

총 손실수두는 입구 손실, 마찰 손실, 출구 손실을 모두 더한 값이다.

에너지 방정식의 손실 항은 빠짐없이 적어야 한다.

입구 조절과 출구 조절 수위를 각각 구한 뒤 큰 값을 택한다.

헷갈리는 점과 시험 포인트

앞 문제의 정답은 입구, 마찰, 출구 손실을 모두 더하는 것이다.

입구 제어와 출구 제어는 지배 요인과 계산식이 다르다.

입구 제어는 위어나 오리피스 식으로, 출구 제어는 에너지 방정식으로 계산한다.

자유수면 흐름과 관수 흐름은 같은 유량에서 수위가 크게 다르다.

설계는 보통 두 상태를 모두 검토해 더 불리한 쪽을 택한다.

흔한 실수와 정리

흔한 실수는 네 가지다. 첫째는 입구 제어와 출구 제어를 하나의 식으로 계산하는 것이다.

둘째는 출구 제어에서 마찰손실만 넣고 유입 손실과 출구 손실을 빠뜨리는 것이다.

셋째는 공사 중 가배수터널을 상시 배수로와 같은 기준으로 설계하는 것이다. 넷째는 단위를 섞는 것이다.

결론적으로 두 제어를 모두 계산해 큰 상류 수위를 채택한다.