1. 공 사 개 요
양수발전이란 전력이 남아도는 심야에 하부 저수지의 물을 상부 저수지로 끌어올려 저장한 뒤, 전력 소비가 많은 낮 시간대에는 물을 낙하시켜 발전하는 방식이다.
발전소의 수차가 시계방향으로 돌면 전기가 생산되고, 반대로 돌리면 물을 위로 밀어 올리는 펌프 역할을 한 다. 양수발전은 기동·정지 시간이 다른 발전방식에 비 해 짧아 첨두부하 담당하며 대용량 발전소(원자력, 화 력)의 예상치 않은 정지 시 즉각 대응할 수 있는 기동성 과 예비전력을 확보함으로서 전력공급의 안정과 신뢰도 향상에 기여한다.
한국남동발전(주)가 발주한 예천양수발전소는 국내 7 번째의 순양수식 발전소로 경북 예천군 용문면 선리에 상부저수지를, 하리면 송월리에 하부저수지를 축조하여 400MW × 2기의 양수발전소를 건설하는 공사로 총 71 만평의 부지에 총사업비 7,470억원 중 토목공사는 2,560억원으로 2004년 11월에 착공하여 2011년 12월에 준공예정이다.
상·하부댐 모두 콘크리트표면 차수벽형 석괴댐
(CFRD, Concrete Face Rockfill Dam)으로 상부저수 지는 댐높이 73m, 댐길이 620m로 총 저수용량은 약 680만톤이며, 하부저수지는 댐높이 63m, 댐길이 535m로 총 저수용량이 약890만톤이다. 상부저수지와 하부저수지를 연결하기 위한 수로는 외경 8.3m, 내경 7.3m에 대구경 터널로서 도수터널, 수직수압터널, 수평 수압터널, 흡출터널, 방수터널 등 총 3.8km에 터널을 축조하게 된다. 또한 지표에서 300m 아래에 건설되는 지하발전소의 규모는 높이 55m, 폭 26m, 길이 129m로 수차, 발전기, 변압기 등이 설치된다. 그림 1은 예천양수 발전소의 위성조감도이다.
박 학 원
대림산업 / 예천양수발전소현장 [email protected]
그림 1. 예천양수발전소 위성조감도
2. 공 사 개 요
가. 상ㆍ하부댐 공사
상·하부댐은 발전용수를 저장하기 위한 구조물로 댐 체는 상·하부댐 모두 콘크리트표면 차수벽형 석괴댐
(CFRD, Concrete Face Rockfill Dam)공법으로 축조 되었다. CFRD댐에서 석괴댐은 물의 응력에 저항하고 석괴댐 표면에 콘크리트가 차수를 담당하게 된다. 표 1 은 상·하부댐 단면도이다.
상부댐은 일반적인 C.F.R.D댐의 단면인 반면 하부댐 은 단면 중 Zone 4의 경우 댐 기초굴착 시 발생한 토사
그림 2. 하부댐 하류사면(Zone4) 전경 그림 3. 하부댐 FACE SLAB 전경
구분 하부댐 상부댐
댐형식 C.F.R.D C.F.R.D
단면도
Zone 구성
제원 H(63 m) × L(535 m) H(73 m) × L(620 m)
축조량 205만㎥ 212만㎥
표 1. 상ㆍ하부댐 단면
Zone 기능
1/1A 누수방지기능 2/2A 표면차수벽을 직접
받치고 있는 지지층 3A/3B 콘크리트 차수벽과
차수벽 지지층을 4A/4B/4C 받치고 있는 댐의
주골격층
Zone 기능
1/1A 하부댐 1/1A와 동일 2/2A 하부댐 2/2A와 동일 3A/3B 하부댐3A/3B와동일
3C 하부댐
4A/4B/4C 와동일
를 이용하여 암석단면을 대체함으로써 석산개발 및 추 가 사토장 조성으로 인한 환경파괴를 최소화하고 또한 토사 단면에 녹지를 조성한 친환경 댐이다. 상부댐의 경 우는 댐 주변의 문화재 보호를 위하여 댐체를 꺽어서 시 공하였으며, 국내에서 댐체가 꺽인 사례 예천양수발전 소의 상부댐이 유일하다. 그림 2. ~ 그림 7.은 상·하부 댐 전경사진이다.
나. 수로터널 공사
수로터널은 상부댐↔지하발전소↔하부댐을 연결하 기 위한 총 연장 6.4km의 구조물로 주변암반의 지지력
을 최대한 활용하여 굴착해 들어가는 NATM(New Austrian Tunneling Method)공법으로 시공하였으며, 굴착과 동시에 숏크리트, 락볼트, 강지보등으로 지반 보 강을 실시하고 최종적으로 약 50cm 두께의 라이닝콘크 리트를 타설하였다. 상류에서 하류 순서로 취수구, 도수 터널, 조압수조, 수직수압터널, 수평수압터널, 수압철 관, 흡출터널, 방수터널, 방수구로 구성되어 있다.
양수발전소에서 취수구와 방수구는 취수 및 방수기능 을 동시에 갖는 구조물으로서 그 명칭은 발전을 위주로 상부지 구조물을 취수구, 하부지 구조물은 방수구로 표 시한다. 도수터널은 취수구와 조압수조 및 수압터널을 연결하는 비교적 내수압을 적게 받는 상부 수로 터널이 그림 4. 상부댐 하류사면(Zone3) 전경 그림 5. 상부댐 FACE SLAB 전경
그림 6. 하부지 항공사진 그림 7. 상부지 항공사진
다. 조압수조는 수차의 운전개시나 급정지시 수격작용 에 의해서 수압터널 내에 급격한 압력 하강이나 상승을 방지하는 역할을 하며, 발전소의 위치가 하부지에 가까 이 배치되어(Tail type) 상부지측에만 조압수조를 설치 하였다. 수압터널은 도수터널과 수압철관을 연결하는 압력터널로서 수직수압터널 423m, 수평수압터널 527m로 구성되며 터널운영과정에서 내수압의 작용이 반복되는 구간이다. 흡출터널은 발전소 가동 중에 펌프/
수차에서 토출된 물을 흡출관을 통해 에너지를 감쇄시 킨 후 방수터널 및 방수구를 통하여 하부저수지로 방출 시키는 기능을 가진 터널이다. 마지막으로 방수터널은 흡출터널과 방수구를 연결하는 수로터널이며 그림 8.은 당 현장 터널들의 종단면도 이다.
수로터널 중 수직수압터널은 조압수조에서 수직터널 하부 ELBOW까지 굴착길이 530m로 R.B.M공법으로
시공된 수직터널 중 국내 최장대 수직터널이다. Pilot공 은 직경이 311mm이고, REAMING공은 직경 2.4m, 확 갱은 조압수조구간은 직경 10m, 수직터널구간 직경 8.3m로 이루어져 있다. 굴착공법으로는 R.B.M공법을 채택하였으며, R.B.M공법의 가장 큰 약점인 암반변화 에 따른 수직편차 문제는 R.V.D.S를 부착하여 해결하 였다. 그림 9.는 수직수압터널의 개요도이다.
수직터널 굴착공법은 시공방법에 따라 크게 전단면 하향 굴착공법(Down Method)과 유도공-확갱공법 (Pilot-Enlargement Method, Up and Down Method)이 있으며, 유도공 확갱공법은 사용장비에 따 라 그림 10.과 같이 R.B.M(Raise Boring Machine Method)공법과 R.C(Raise Climber)공법이 있다. 하향 굴착공법은 굴착심도가 깊을 경우 굴착비용뿐만 아니라 공기를 맞출 수 없어 검토대상에서 제외시켰고 유도공-
그림 8. 터널 종단면도
확갱공법 중 R.C공법은 국내 시공실적이 많고, 상부 작 업장 준비(토지보상, 진입도로 등)가 필요 없어 작업착 수가 빠르다는 장점이 있지만, 예천양수발전소의 수직 터널의 경우 장대터널로 R.C공법의 궤도식 운반장비의 이동거리가 길어져 막장작업인원에 대한 안전상의 문제
와 발파에 따른 분진이 당 현장의 Critical Path이며 가 장 많은 인원이 투입되는 지하발전소로 유입되어 환기 문제를 야기할 것으로 예상되었다. 따라서 회전 파쇄식 기계굴착공법 인 R.B.M공법을 채택하여 안전성을 최대 화 하였고, 분진에 의한 간섭사항을 최소화 하였다. 그 림 11.은 R.B.M장비 구성요소이다. 예천양수발전소의 수직터널 유도공 굴착 공법은 R.C공법이 고소작업 및 열악한 환경으로 인한 안전상의 문제가 예상되고 열악 한 막장의 작업여건 때문에 시공성이 떨어져 기능공의 확보가 매우 어려운 실정이며, 수직터널구간에서 용수 가 발생시 측량작업의 불량으로 터널의 수직성 유지면 에서도 매우 큰 어려움이 예상되어 굴착공법은 경제성, 안전성 및 시공성 측면에서 유리한 R.B.M공법을 채택 하는 것이 유리하다고 판단하였다.
R.B.M 공법의 굴착원리는 유압에 의한 Thrust와 회 전 Torque의 합성으로 굴착이 이루워지며, 기본 원리는 비폭파 기계력에 의한 굴착으로 실시된다. Pilot공 굴착 은 311mm Tri-Cone Bit로 굴착하며, Pilot공 굴착시 암질의 변화 및 불연속면 등에 대하여 Tri-Cone Bit가 수직도를 정확히 유지하지 못하여 편차가 발생할 경우
그림 10. R.C공법과 R.B.M공법 개요도 그림 9. 수직수압터널 개요도
a. R.C공법 b. R.B.M공법
후속공정인 REAMING이나 확갱발파가 순조롭게 진행 되지 못 할 수 있어 수직편차 발생시 기계적인 장치에 의하여 수직도를 유지할 수 있는 R.V.D.S(Rotary Vertical Drilling System)장비를 적용하였다. R.V.D.S 는 자가 조향장치로 디자인되었으며 굴착 초기에 수직 적 타겟을 초기화하고 굴착이 시작된 후 실제 데이터들 은 mud pulse에 의해 지상으로 전송하여 R.V.D.S 스 스로 컨트롤하며 굴착을 진행한다. R.V.D.S의 조향원 리는 수력에 의해 구동되는 rib들에 의해 행하여지며, rib들은 지속적으로 공벽방향으로 Pushing한다. 4개의 rib들 아래에 위치한 수력 피스톤에는 같은 힘의 동력을 공급받으면서 미리 정한 코스와의 편차가 발견될 경우 편차가 생긴쪽의 rib 아래의 피스톤은 컨트롤 밸브에 의
해 높은 압력을 받아 rib이 움직이며, 반대쪽의 낮은 압 력의 rib은 공 안쪽으로 이동한다. 그림 12.는 R.V.D.S 장치도이다.
R.V.D.S의 기준편차는 설계위치에서 1.06m 이내인 0.20%이지만 본 공사의 시공결과 관통편차는 설계위치 로부터 0.177m(x축:17cm, y축:5cm) 벗어난 0.03%로 R.V.D.S 시공 된 이후로 최소의 편차를 기록하였다. 그 림 13.은 Pilot공 굴착 시공결과이다.
다. 지하발전소 공사
지표에서 300m 아래에 건설되는 지하발전소의 규모 는 높이 54.5m, 폭 25.8m, 길이 129.1m로 20층의 높이 그림 11. R.B.M 장비 구성요소
R.B.M 본체 TRICON-BIT REAMER HEAD DRILL PIPE
그림 12. R.V.D.S 장치도
의 아파트 약80세대 정도 수용 할 수 있는 대단면 지하 공간으로써 펌프·수차(Pump/Turbine), 발전·전동기 (Generator/Motor), 주변압기(Main Transformer)와
주요기기 및 기타 설비를 설치하기 위한 대규모 철근·
콘크리트 구조물을 축조하는 공사이다.
그림 13. Pilot공 굴착 시공결과
a. Pilot공 굴착 시공결과 b. 변화율 편차추이
그림 14. 지하발전소 개요도 그림 15. 지하발전소 3D 모식도
그림 16. 지하발전소 굴착 전경 그림 17. 지하발전소 축조 전경
3. 맺 음 말
양수발전소 공사는 댐과 터널, 지하공간이 공존하는 토 목 공 사 이 며 , 지 하 발 전 소 는 펌 프 · 수 차 (Pump/Turbine), 발전·전동기(Generator/Motor), 주변압기(Main Transformer) 설치공사와 동시에 진행 해야 하는 공사로써 간섭이 매우 많이 발생하는 난공사 이다. 또한 예천양수발전소 현장은 R.B.M공법으로 시 공된 수직터널 중 국내 최장인 530m의 수직터널을 오 차율 0.03%라는 국내뿐만 아니라 세계적으로도 경이로 운 관통편차를 기록하며 공사를 완료하였으며, 무엇보 다도 사소한 실수, 조금한 결함이 바로 추락으로 연결될 수 있는 수직구 공사임에도 무사고로 굴착공사를 끝마 쳤다. 또한 국내에서 시공경험이 적은 C/B Wall, NCSP
공법을 이용하여 댐 주변 차수를 실시하였고, 터널 그라 우팅 공사를 수행하며 다각도 그라우팅 장비를 개발하 여 특허 등록 하는 등 국내 토목기술 발전에 이바지 하 고 있다.
예천양수발전소는 현재 국내에 계획되어 있는 마지막 양수발전소로써 대림산업이 청평양수발전소를 시공하 며 국내 양수발전소의 역사가 시작되었고, 예천양수발 전소를 통하여 양수발전소의 역사를 마감하는 양수발전 소의 처음과 끝을 같이 하는 뜻깊은 공사이다. 국내 마 지막 양수발전소라는 이름이 무색하지 않도록 준공 때 까지 품질과 안전관리에 최선을 다하겠다.
기획: 이달원 [email protected]
