4장. 하천시설물

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4장. 하천시설물

2019. 10.

1. 제방 2. 호안 3. 수제

4. 하상유지시설 5. 보

6. 어도

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우효섭, 오규창, 류권규, 최성욱 (2018) 인간과 자연을 위한 하천공학, 청문각

3. 수제

2

수제(dyke, spurdyke, groyne)는 하여 을 으로부터 보호하기 위해 호안 또는 하안 전면부에 설치하는 시설 물을 의미

수제 설치의 목적은 하안의 침식 방지, 호안 파손 방지, 저수로 법선의 이동 방 지, 유로 고정, 생태공간 확보, 경관 개선, 주운을 위한 수심확보 등이 있음

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수제의 기능



유로제어 기능: 저수로 폭이 넓은 구간과 좁은 구간이 반복되는 구간이나 흐름 상태가 흐트러져 있는 저수로를 수제에 의해 원활한 형상으로 고정



하상세굴방지 기능: 하안과 하상에 역효과를 발생시키지 않고 하도의 유하능 력을 충분하게 확보



토사퇴적 기능: 수제를 설치함으로써 유속을 감소시키고 이로 인하여 유사이 송 능력이 감소됨. 결과적으로 흐름을 제방에서 멀리하고 토사의 퇴적을 유발 하여 제방을 세굴로부터 보호



수위상승 기능: 물 이용 목적으로 유량 일부를 전환하거나 취수를 위하여 충분

(4)

수제의 형식

4

수제는 흐름이 수제를 통화하는 지의 여부에 따라 투과 수제, 불투과 수제, 그 리고 혼용수제로 분류됨



투과 수제: 흐름의 일부가 수제를 투과할 수 있어 투과 과정에서 유속이 감소되 고 유사의 퇴적을 유도하여 하안이나 호안을 보호. 흐름에 대한 저항이 불투과 수제보다 작고 안정성이 뛰어나며, 수목이나 콘크리트 블록을 이용하여 제작



불투과 수제: 불투과 수제는 흐름을 투과시키지 않고 흐름의 방향을 변화시켜 제방에 발생하는 수충을 감소. 불투과 수제는 유수에 대한 저항이 커서 파손되 기 쉬운점에 유의



혼용 수제: 투과 수제와 불투과 수제를 혼용하여 각각의 효과를 극대화

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수제의 형식

수제는 흐름과 관련하여 어떻게 배치되는가에 따라 횡수제, 평행수제, 그리고 혼합형 수제로 분류할 수 있음



횡수제: 하안에서 하천의 중심부로 설치하는 수제이며 상하류로 향하는 방향 에 따라 상향(상류방향) 수제, 직각 수제, 그리고 하향(하류방향) 수제로 분류

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수제의 형식

6



평행수제: 유수와 평행하게 설치하며 유수의 분산을 막아 유로를 고정시킴



혼합형 수제: 일명 T자형 수제라고 하며 횡수제와 평행수제를 조합한 것

(7)

공법별 수제

수제를 제작하는 공법별로 분류할 수도 있음 이 경우는 수제의 주재료에 따라 분류하는 것이다. 대표적인 공법별로 분류하면 다음과 같음



① 말뚝 수제: 투과수제의 대표적인 공법으로서 나무말뚝이나 철근 콘크 리트 말뚝을 사용하며 완류하천에 많이 설치됨. 각각의 말뚝은 가급적 균 등하게 유수 저항을 받도록 배열하고, 세굴에 대하여 충분히 견딜 수 있 어야 함



② 침상 수제: 침상 수제에는 섶침상 수제, 목공침상 수제, 콘크리트 방틀 상 수제, 개량목공 수제, 말뚝침상 수제 등이 있음. 침상 수제는 불투과 수제로 설치되는 경우가 많기 때문에 비교적 굴요성이 부족하고 채움돌

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공법 별 수제

8



③ 뼈대․틀류 수제: 투과 수제로서 하천 중류로부터 상류에 걸쳐 자주 사 용되며 하상이 말뚝박기가 곤란한 자갈이나 조약돌 등으로 되어 있을 경 우와 급류부에 주로 사용됨.



④ 콘크리트블록 수제: 콘크리트블록을 사용한 수제로서 형태, 치수, 투 과도 등을 자유로이 변경시킬 수 있는 장점을 갖고 있지만, 블록 주변의 세굴이 커서 전도나 유실의 위험을 내포하고 있음. 사용되는 블록의 형태 는 Y자블록, 십자블록, 테트라포트 등이 있음

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공법별 수제

각 공법별 수제 그림

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수제의 설치 위치

10

수제는 일반적으로 다음과 같은 위치에 설치함



① 유속이 강해서 하상유지시설만으로 하상의 유지가 곤란하거나 세굴이 심 한 장소 또는 수제를 설치함으로써 하상유지시설을 간소화할 수 있거나 설치 하지 않아도 되는 장소



② 급류하천이나 대하천에서 수심이 깊은 수충부



③ 국부적인 수충부에서 흐름의 방향을 유심방향으로 변환시키려는 장소



④ 흐름을 반류시키려는 장소



⑤ 흐름의 방향을 일정하게 고정시키려는 장소



⑥ 저수로를 고정시키려는 장소

(11)

수제 높이 설계

수제의 높이는 설치 목적과 기능 및 유수에 대한 저항, 하상의 변화, 하상고 등 을 고려하여 결정하며, 유지관리가 용이한 높이로 해야함

수제의 높이는 아래와 같이 결정



① 평행 수제는 일반적으로 저수로 법선형을 고정하거나 수정하는 저수로 공 사에 많이 사용되므로 높이는 평균 저수위보다 0.5 m 정도 높게 설치



② 횡수제의 높이는 홍수 시에도 월류시키지 않는 불투과 수제의 경우에는 높 게 하지만 보통의 경우 하안 접속부에서 평균 저수위보다 0.6~1.0 m 정도 높 게 하고 흐름의 중심으로 1/10~1/100 정도의 경사를 가지도록 함

(12)

수제 높이 설계

12



③ 투과 수제의 경우에는 토사의 퇴적을 촉진할 수 있는 구조로 설치



④ 급류하천에서는 큰돌이 유하하면서 수제를 손상시킬 위험이 있으므 로 수제를 아주 낮은 구조로 함. 그렇지 않은 경우 큰돌이 넘어갈 수 없 는 높이로 하는 것이 적절



⑤ 완류하천에서는 평균 저수위보다 0.5 m 정도 높여서 설치하며 보통 저수위와 같게 함

(13)

수제 폭 설계

수제의 폭은 공법, 종류, 하천상태 등을 고려하여야 하며, 다음과 같이 결정



① 수제의 폭은 일반적으로 대하천에서는 7~9 m 정도가 적절함



② 수심과 수제높이의 비가 0.1~0.4의 범위가 적당하고, 대부분 0.2~0.3의 범위로 함

(14)

수제 길이 설계

14

① 불투과성 수제

비월류 수제길이를 구하는 계산식은 다음과 같음

② 투과성 수제

하폭에 대한 첫 번째 수제 길이 계산식은 다음과 같음

여기서 는 하폭(m)을 나타냄. 𝑖번째 수제의 길이 계산식은 다음과 같음

(15)

4. 하상유지시설

하상유지시설: 하상경사를 완화시켜 하상을 유지하고 하천의 종단 및 횡단 형상을 유지하기 위한 시설

낙차공, 대공, 경사낙차공으로 분류

하상유지시설의 횡단형상은 수평으로 하는 것을 원칙으로 함

하류측 비탈면 경사는 1:0.5보다 완만하게, 상류측 비탈면 경사는 1:0.5~1:1로 함

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설계기준

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KDS 51 50 20 (국토교통부, 2018), 하천설계기준·해설 26장 (한국수자원학회, 2009)

하상유지공의 구조설계지침 (국토기술연구센터, 1998) 보의 설계기준 적용 가능

상하류 낙차를 일으키므로 유수의 종방향 연속성 저해



하류 방향으로 유사이송량 감소, 상류 방향으로 어류의 이동 방해



경사낙차공이나 어도 설치 등으로 연속성 유지 노력 필요

(17)

설계 기본



낙차공의 낙차: 1 m 이내 (1 m 이상 필요시 다단 낙차공 설치)



하상유지시설 연속 설치시 설치간격:

마루 높이



설치 후 상·하류 계획하상고가 유지되며 구조물이 안전하도록 설계

낙차



상·하류 하상차 2 m 이내



다단낙차공 설치시 종단 배치간격은 감세효과를 받을 수 있도록 길게 설계 낙차공 마루 형상

0

l h

S S

 

(18)

하상변동과 구조물 안정성

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하상유지시설은 하상변동방지가 설치목적이므로 하상변동 예측이 필수적임 하상변동 계산

1차원 계산: 횡단으로 평균된 하상고 산정 (최심~평균하상의 차이 유의 필요) 3차원적인 수리현상이 중요하거나 중요도가 높은 구조물이 있는 경우 수리 모형실험 수행이 바람직함

구조물 안정성

낙차공 설치시 와류나 홈의 교란, 유황의 급변으로 하상세굴 발생

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자연형 하상유지시설

수생물의 서식에 악영향을 끼치지 않는 석재 및 목재를 주 재료로 사용

부등침하 및 구조물의 바닥과 하상의 공극의 발생으로 인한 안정성 문제 보 완

세굴, 침식에 유의하며 주변 경관과 조화될 수 있도록 설계해야 함

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5. 보

20

보: 각종 용수의 취수, 주운 등을 위하여 수위를 높이고 조수의 역류를 방지 하기 위하여 하천의 횡방향으로 설치하는 시설물

한국수자원학회 (2009)에 따르면 보의 높이를 15 m 미만으로 규정



기존 하천에 설치된 보의 높이는 일반적으로 2 m 이내



댐의 경우 15 m 이상은 대댐으로 정의함



4대강 사업으로 건설된 16개의 보 중 10개 보는 규모 면에서 대댐에 해당 설치된 보의 종류가 다양하고 담당기관이 달라 구체적인 현황파악이 안됨

(21)

보의 구조

본체, 물받이, 바닥보호공으로 구성 상류 측: 와류에 의한 침식 방지 하류 측: 수세에 의한 침식 방지 차수공: 파이핑 현상 발생 방지

(22)

보의 형식과 종류

22

보의 형식



구조에 따른 형식: 고정보, 가동보, 복합형보



기초에 따른 형식: 고정형, 부상형

보의 종류



목적에 따른 분류: 취수보, 분류보, 방조보, 유량조절보



구조 및 기능에 따른 분류: 고정보, 가동보



가동보의 종류: 강제 전도식 보, 자동 수문식 보, 고무보

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설계기준



중소하천의 보에 적용

일본 설계기준 및 문헌



하천사방기술기준 (국토교통성, 2014)



보의 설계 (山內, 1990)



하굿둑 크기의 대형 보에 적용됨

(24)

고정보의 단면

24

상류 측: 연직 혹은 이에 가까운 기울기 하류 측: 완만한 기울기

자갈이 많이 유하하는 하천의 경우 상류 측 경사를 완만하게, 하류 측 경사를 급하게 할 수 있음

보 상·하류 수위차에 의한 침투수의 침투길이와 외력에 의한 본체의 전도, 활 동, 침하 등을 고려해야 함

(25)

물받이

보 상·하류의 침식과 파이핑 파괴를 방지하기 위하여 설치 물받이 길이 산정 방법



블라이공식

L

₁

= 0.6CH

_a^0.5



국립건설시험소 공식

L

₁

= 4.05H

_a^0.316

q

^0.514

D

₅₀^-0.325



랜드 공식

L

₁ = 4.3H_a(h_c/H_a

)

^0.81



도수길이 고려한 방법

L

₁ = L_1A + L_1B

물받이 두께 산정 방법

(26)

바닥보호공

26

월류한 흐름의 수세를 약화시켜 하상의 세굴을 방지하고 보의 본체 및 물받이 를 보호하기 위하여 설치

조도가 다른 두 종류 이상의 재료를 사용

흡출, 활동을 고려한 설계 필요 바닥보호공 길이

L

₂

= 0.66C

_f^0.316

H

_a^0.5

q

^0.5

L

₁

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6. 어도

어도: 하천을 가로막는 수리구조물에 의하여 이동이 차단 또는 억제된 어류를 포함한 동물의 소상을 목적으로 만들어진 수로 또는 장치

서식지를 연결하는 통로 전국 어도 설치율 15%

어도의 42%가 하천설계기준에서 제시하고 있는 표준 형식을 따르지 않음

(28)

물고기의 거동

28

어도 설계를 위해서는 물고기에 대한 이해가 매우 중요

우리나라의 대표 어종은 미국, 캐나다, 일본 등 보다 체장이 작은 어종임

향류성: 흐름 방향을 거슬러 이동하려는 특성

주 흐름으로의 이동: 유속이 제일 빠른 지점의 가장자리를 따라 이동함

유영속도: 일반 2~4 BL/s, 돌진속도 10 BL/s, 어도 내 유속은 돌진속도 이하로 설계

도약: 장애물을 만나는 경우 도약 가능

(29)

어도의 분류

(30)

어도의 분류: 계단식 어도

30

우리나라와 일본에서 가장 많이 설치되는 어도

담수어종에 비하여 유영력과 도약력이 뛰어난 소하성 어류를 대상으로 함 유속이 빠르며 물고기의 휴식공간이 없음

1/20의 경사를 유지할 경우 1 m 내외 낙차에서 경제성과 효율성이 좋음

(31)

어도의 분류: 버티컬슬롯식

외국의 대규모 저수지에서 주로 적용되는 형태 유속이 빠르나 물고기의 휴식공간이 있음

빠른 유속에 대하여 전문가의 수리 검토 필요

구조가 복잡하여 현장에서 정밀시공이 어렵고 어류의 종류를 제한함 어도에 공급 가능한 유량이 풍부한 경우 적합

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어도의 분류: 아이스하버식

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격벽 전체로 물이 넘지 않는 비월류부를 가짐

고르게 분포하는 유황과 비월류부 하류에서 휴식공간 제공 구조가 복잡하여 시공이 어렵고 공사비가 비쌈

유량이나 낙차에 민감하지 않아 섬진강, 탄천과 같은 국내 하천에서 좋은 이용 효율 보임

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어도의 분류: 도벽식

경사진 평면 수로에 흐름을 유도하는 도류벽을 설치하여 유로의 길이 연장 유영력과 도약력이 좋은 은어 및 황어를 주 대상으로 시공됨

간단한 구조로 인하여 계단식 어도 다음으로 많이 시공되는 형식

경사가 급할 경우 유속이 매우 빠르며 어도 내 유속이 고르지 않고 수심유지 어려움

낙차가 1 m 이내이거나 상류 지역의 좁은 하천에 적합

(34)

자연형 어도

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자연형 어도: 자연의 재료를 이용하여 소하천 형태로 설치하는 어도 분류: 우회수로형 어도, 경사로형 어도

국내 하천설계기준에서는 우회수로형 어도만를 자연형 어도로 취급 어도의 기울기를 그 지역 하천의 기울기와 비슷하게 해야 함

어도의 길이가 지나치게 길어지고 많은 공사비 소요

(35)

설계기준



4가지 모형의 표준형식 어도 제안

일본 설계기준 및 문헌



어도의 설계 (국토기술연구센터, 1982)



어도의 설계 (広瀬와 中村, 1995)



기술자를 위한 어도 가이드라인 (安田, 2011)

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설계 일반

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지형적 조건: 소상 어류가 입구 이외의 지역에 모여들지 않아야 함 기울기: 일반적으로 1/20보다 완만하게 함

입구부와 출구부: 입구부는 2개 격벽 이상이 하류의 수위보다 아래에 위치, 출구 부는 출구부에 낙차가 발생하지 않도록 함

잠공의 설치: 도벽식과 버티컬슬롯식 어도를 제외한 표준모형 어도에 잠공 설치 어도 형식의 결정: 계단식, 아이스하버식, 버티컬슬롯식, 도벽식 제시

어도를 설치한 이후에 나타나는 침식이나 퇴적을 고려하여 설계

(37)

어도의 효율성

어도가 효율적으로 기능하는지 살펴보는 것은 매우 중요함

황길순 등 (2012): 어도에 대한 문제점 지적 및 개선방안 제시



제한적인 발상으로 설계



구조적 안전성, 토사나 유목에 대한 피해, 설치 비용 등 한계 문제 발생



국내의 소형 어류나 치어가 이용가능한 어도형식을 개발 보급하는 것이 필요



돌로 조성된 어도는 도약을 요구하므로 길이가 길어지면 휴식공간 배치 필요

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감사합니다!

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