Fig. 9. Improvement Measures for Tunnel Plan

FLOW-3D를 이용한 충주댐 보조여수로 설치 계획 평가 및 개선안 제시

Fig. 9. Improvement Measures for Tunnel Plan
Fig. 9. Improvement Measures for Tunnel Plan

연구 배경 및 목적

문제 정의

  • 기후변화로 인해 극한 강우 발생 빈도가 증가하고 있으며, 이에 대응하기 위해 기존 댐의 홍수 방류 능력을 증대하는 사업이 진행 중임.
  • 충주댐은 기존 여수로 용량(17,000 m³/s) 외에도 추가적인 홍수 방류를 위해 보조여수로(11,000 m³/s) 건설이 계획됨.
  • 대형 수리구조물 설계에는 물리적 수리 모형 실험이 일반적으로 활용되지만, 비용과 시간이 많이 소요되고 다양한 대안을 검토하기 어려운 한계가 있음.
  • 최근 3차원 수치해석(FLOW-3D 등)이 물리 실험을 대체할 수 있는 대안으로 떠오르고 있음.

연구 목적

  • FLOW-3D를 활용하여 충주댐 보조여수로 설계의 적절성을 평가하고,
  • 월류위어(Spillway), 접근수로(Approach Channel), 도류터널(Tunnel) 등 주요 구조물의 수리학적 특성을 분석하여,
  • 설계 기준을 만족하지 못하는 부분에 대한 개선안을 제시함.

연구 방법

FLOW-3D 모델링 설정

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 해석 수행.
  • 난류 모델: RNG k-ε 난류 모델 적용.
  • 격자(grid) 설정:
    • 구조물이 복잡한 영역은 세밀한 격자 사용, 단순한 영역은 큰 격자로 구성하여 계산 효율 최적화.
    • 총 격자 수: 약 17,680,256개.
  • 경계 조건(Boundary Conditions):
    • 상류(저수지) 수위: EL. 146.0m
    • 하류(방류 구간) 수위: EL. 89.6m

비교 분석 대상

  1. 기존 설계안
  2. 개선 설계안:
    • 월류위어 폭 확대
    • 접근수로 위치 조정
    • 도류터널 직경 확대 및 형상 변경

주요 결과

① 월류위어(Spillway) 평가

  • 기존 설계(폭 9.5m)의 방류량: 10,588.7 m³/s → 계획 방류량(11,000 m³/s)보다 411.3 m³/s 부족(3.7% 미달).
  • 폭을 10.0m로 확대한 개선안에서는 총 방류량 11,064 m³/s 확보 가능.

② 접근수로(Approach Channel) 평가

  • 기존 설계에서는 월류위어 좌측 교대(Pier)로 인해 와류(Vortex) 발생 → 수면 저하 및 유속 증가(4 m/s 초과).
  • 월류위어를 83m 하류로 이동하는 개선안을 적용한 결과, 와류 감소 및 유속 4 m/s 이하로 안정화됨.

③ 도류터널(Tunnel) 평가

  • 기존 설계: 직경 15.8m, 곡선형 3련 터널 → 터널 내 편류(偏流) 발생 및 유동 불안정 문제 확인.
  • 개선안:
    • 직경 16.3m로 확대하여 터널 내 통수단면비(Flow Area Ratio) 73.35%로 감소(기준 만족).
    • 곡선형 터널을 직선형으로 변경 → 편류 감소 및 유동 안정성 확보.

결론 및 향후 연구

결론

  • FLOW-3D를 활용한 충주댐 보조여수로 설계 검토 결과, 기존 설계에서 일부 문제점(방류량 부족, 유속 초과, 편류 발생)이 확인됨.
  • 월류위어 폭 확대(9.5m → 10.0m), 위치 이동(하류 83m), 도류터널 직경 확대(15.8m → 16.3m), 직선형 터널 적용을 통해 개선 가능.
  • FLOW-3D 기반 수치해석이 수리 모형 실험을 대체할 수 있으며, 다양한 설계 대안을 검토하는 데 효과적임.

향후 연구 방향

  • 더 다양한 홍수 시나리오 적용하여 최적 설계 검토.
  • LES(Large Eddy Simulation) 난류 모델을 활용한 세부 유동 해석 진행.
  • 실제 시공 후 모니터링 데이터를 활용하여 모델 검증 연구 수행.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 대규모 수리구조물(댐 보조여수로)의 설계를 평가하고 최적화하는 방법론을 제시한 연구로, 향후 홍수 대응 및 방류시설 설계 개선에 기여할 수 있는 실질적인 데이터를 제공하였다.

Fig. 1. Additional Construction Plan for the Chungju Dam Spillway
Fig. 1. Additional Construction Plan for the Chungju Dam Spillway
Fig. 6. Discharge Passing through Each Weir
Fig. 6. Discharge Passing through Each Weir
Fig. 9. Improvement Measures for Tunnel Plan
Fig. 9. Improvement Measures for Tunnel Plan

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