아치댐 형상의 설계

아치댐 형상의 설계

1. 댐 형상 설계시 고려사항

가. 댐 길이와 높이의 비율

• 댐 길이와 높이의 비율은 6보다 작으면 경제적인 것으로 되어 있으나, 이 기준에 만족한다 하더라도 댐의 건설비용과 여수로 건설비용 등을 복합적으로 고려하여 댐 형식을 결정한다.
• 댐 길이와 높이의 비율이 3보다 작으면 아치댐으로 가장 바람직히다.

나. 대칭성

• 응력분포의 관점에서 보면 아치의 형상은 대칭이어야 한다. 그러나 부득이 비대칭으로 설계할 때는 다음의 방법을 사용하여 비대칭성을 개선한다.

1. 적절한 장소를 더 깊게 굴착한다.
2. 인공적인 접안시설을 건설한다.
3. 댐축을 재정리하거나 다시 설정한다.

• 개선이 불가능한 경우에는 2심원 아치댐으로 설계를 한다. 이 경우 아치형상의 연속성을 유지하기 위하여 좌 우측의 중심 캔틸레버(crown cantilever)를 포함하는 연직면에 따라 있어야 한다.

다. 계곡의 형태

• 댐의 중심각, 댐 높이 및 아치 형태 등의 요소가 서로 같다고 가정하면, 넓은 계곡에 적합한 아치댐은 협곡의 아치댐보다 캔틸레버의 강성에 대해 좀 더 융통성이 있다.

라. 캔틸레버 형상

• 넓은 계곡의 댐인 경우에는 고정하중에서 얻을 수 있는 최대의 효과를 얻는 것이 바람직하다.
• 중심 캔틸레버 형상은 상류측면이 기초를 절단하고 하류측면이 마루에서 돌출부분(overhang) 형태를 갖는 것이 바람직하다.

마. 아치 접안부

• 아치 접안부는 양호한 암반에 잘 연결되도록 이음부 등에 특히 주의한다.
• 접안부의 방향은 댐축에 연직으로 하는 것이 암반의 지지력 등에도 이점이 있다. 접안부의 반경방향 길이 전체를 암반과 연결시키기 위해서 과도하게 많은 양의 굴착이 필요하다면, 적은 양의 굴착을 수행하여 이용할 수 있는 다른 접안부 형상을 이용한다.
• 하류측 아치단면과 등고선과 나란한 선과의 사이각이 30˚보다는 커야 하며, 필렛을 이용할 경우에는 이 값은 45˚보다 커야 한다.

바. 아치형상 설계

• 아치형상은 대부분 일정한 두께를 갖는 것으로 하고 있다. 넓은 계곡에서 좀 더 균일한 응력분포를 얻기 위해 다음과 같은 몇 가지 기술적인 조치가 필요하다.

1. 아치단면의 두께를 변화시키는 방법
2. 삼심원 아치를 이용 하는 방법
3. 타원형, 포물선이나 왜곡선형의 아치형상을 취하는 방법

• 암반에 작용하는 하류면 쪽으로 필렛(fillet)을 설치한다. 이 필렛을 설계할 때는 다음 사항을 고려한다.

1. 필렛의 중심은 평면내의 원활한 곡선내에 있도록 한다.
2. 아치의 하류형상과 댐의 양쪽 필렛 사이의 접선 궤적은 원활한 곡선을 나타내도록 한다.
3. 필렛 반지름은 접안부에 전달되는 응력이 안전하게 향하도록 충분한 길이가 필요하다.

 

2. 아치형상

• 댐 형상의 설계는 계곡의 형상, 암반의 성상 및 홍수처리 방법을 고려하여 댐체와 기초암반의 안전을 확보할 수 있도록 한다.
• 아치형상은 좌 우 대칭이 바람직하나 지형에 따라서는 비대칭인 경우도 있다. 댐의 아치형상은 일정반경형, 일정각형, 부정반경형 등이 있다.

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3. 아치댐의 기본형상 설계

• 아치댐은 기본적으로 3차원 특성에 지배되는 구조물이므로 기초암반의 성상, 계곡의 형상 등 여러 가지 요소에 의하여 기본형상을 달리한다.

가. 형상 설계의 요령

• 아치댐의 형상 설계는 댐체의 충심각 및 두께를 적절하게 정하여 댐체 응력의 균형을 잡도록 하고 기초암반의 안전을 기할 수 있도록 한다.
• 댐의 형상은 계곡의 형상, 암반의 성질 및 상태 등을 종합적으로 고려하여 결정한다.

나. 계곡 형상과의 관계

• 댐의 형상은 계곡의 견암선형에 근거해서 검토하며, 통상 댐의 중앙 연직단면적은 하류측에 캔틸레버보와 같은 형상으로 한다.
• 수평단면의 아치 곡선형은 단심원, 삼심원, 포물선, 쌍곡선 등을 이용해서 같은 두께 또는 변단면의 아치를 써서 아치응력을 조절한다.

다. 암반의 성상 관계

• 댐의 위치는 양암의 암질이 모두 견고하고 구조상 가능하며 취약부가 적은 지점을 택하고, 최종적으로 댐의 기초 부분에 대해서 현장시험을 통해 가장 안전도가 높은 지점을 선정한다.
• 기초암반으로 부적합한 곳이 포함된 경우에는 기반의 개량과 댐의 형상에 대해서 검토하며, 보통 다음과 같은 방법을 취하거나 댐의 두께를 두껍게 하는 경우가 있다.

1. 중심각을 줄여서 아치추력의 방향을 개량한다.
2. 수압면을 확대한다.
3. 인공받침과 같은 보조구조물을 이용한다.

라. 암반의 탄성계수

기초암반의 탄성계수(Er)는 댐체 및 콘크리트의 탄성계서(Ec)와 더불어 댐의 응력 검토의 한 요소이다.

Ec/Er 가 클 때에는 아치의 하중 분담율이 크게 되어 크라운의 압축응력도 크게 나타나는 경향이 있는 점 등을 고려해서 댐을 설계한다.

마. 아치 접안부 형상

• 아치 종단과 암반과의 접촉면은 반경 방향으로 한다. 비반경 방향으로 굴착하면 암반 주위의 불록형상이 양호하지 못하고 균열의 원인도 된다.
• 캔틸레버보의 저면이 하류로 처지고 숄더(shoulder)가 얇을 때는 기초암반의 안정성을 잃는 경향이 있어 일반적으로 좋지 않다.

바. 기타 고려사항

• 여수로가 댐체에 설치되고 그 규모가 큰 경우에는 댐의 안전성에 큰 영향을 끼칠 수 있으므로 형상을 설계할 때 주의한다.
• 댐의 표면은 원활한 곡면으로 설계하여 한 곳에 응력이 집중되지 않도록 한다.

 

4. 보조구조물 설계

• 아치댐의 기초암반은 하상 부근뿐만 아니라 좌 우안 모두 견고하고 균일한 암반이 좋으며, 댐 부지의 지형, 지질상의 결함을 보충하기 위해 여러 가지 인공 받침 등의 보조구조물을 설치한다.

가. 전추력(thrust) 블록

• 전추력 블록은 댐마루 부근에서 골이 급하게 열려 있는 경우 또는 지질상의 결함이 있는 경우와 댐체와 암반 사이에 설치해 댐체로부터의 추력을 암반에 전달하는 것이다.
• 전추력 블록형상을 적절히 선정하여 댐 본체 형상이 지형 또는 지질상의 국부적 결함에 좌우되는 일이 없게 할 수 있다.
• 전추력 블록은 외하중으로 아치 전추력 및 상류측 수압을 받아 중력댐과 같이 전도와 활동에 대해 아치댐이 안정되게 한다.

나. 플러그(plug)

• 플러그는 지형에 깊은 틈이 있는 장소 또는 단층, 그 밖의 연약층을 제거한 자리를 채우는 콘크리트 부분으로 댐체의 기본형상과 구별해서 그 크기와 형상을 정할 수 있다.
• 플러그는 보통 중력댐으로 설계되어 전도와 활동에 대해 검토하나, 플러그 형상이 큰 경우에는 3차원 유한요소법과 모형실험에 의해 아치부와 일체화 된 구조물로서 안정성 검증이 필요하다.

다. 중력 인공받침과 날개벽

• 중력 인동받침(중력댐)은 아치댐 상부 부근에 지형 또는 지질상의 결함으로 아치 전추력을 그 부근의 기초암반에 전달하지 못할 경우에 설치한다.
• 중력 인공받침은 보통 그 상류측에 날개벽(wing dam)과 함께 설치한다.

라. 새들(saddle)

• 새들은 기초암반에 작용하는 응력을 완화하기 위해 아치댐 본체와 기초암반 사이에 설치한다.
• 새들 두께를 적절히 조정하여 기초암반의 요철에 대처할 수 있으므로 아치댐 형상은 기초암반 형상에 의존하지 않고 계획할 수 있다.
• 굴착 중 판명된 지질상 결함으로 굴착선을 수정하는 경우에도 아치댐 본체의 변경 없이 새들 부분의 수정만으로 대처할 수 있다.

전추력(thrust) 블록	플러그(plug)
중력 인공받침과 날개벽	새들(saddle)

 

출처 : 댐 설계기준