지하방수로 통수능력 향상 및
설계 고도화 실험 연구

유입구에서 수십 미터 아래의 대심도 지하방수로로 물을 안전하게 유도하기 위해서는 와류 유입구(vortex intake) 형상을 적용하는 것이 유리하다. 와류 유입구는 낙하 흐름에 회전운동을 유도하는 구조로, 물이 벽면을 따라 낙하하면서 지속적인 벽면 마찰이 발생하고 와류 중심에는 공기를 배출할 수 있는 공기핵(air core)이 형성된다. 와류 유입구 형태는 소용돌이식(scroll), 나선식(spiral), 접선식(tangential) 등이 있고, 이 중 접선식 유입구가 가장 많이 연구 및 설계에 활용되고 있다. 접선식 유입구는 연결수로가 수직구로 가면서 폭이 점차 작아지는 급경사수로 형태로, 연결수로의 한쪽 벽은 수직구 벽면의 접선인 구조다(그림 1).

접선식 유입구에서는 접근수로에서 연결수로로 유입된 물이 연결수로 구간에서 급경사수로와 점축수로의 특성에 의해 흐름의 가속과 저항을 모두 크게 받는다. 유량과 연결수로 제원에 따라 연결수로에 유입된 물은 사류 상태를 유지하거나 사각 도수(oblique jump) 또는 급경사면 도수(inclined jump)를 발생시킬 수 있다. 접선식 유입구는 연결수로에서 수직구로 유출될 때 강한 관성력에 의해 원형 벽면을 따라 흐르며 원심력을 받게 되고, 중력가속도의 영향으로 인해 하강 속도가 가속된다. 원심력과 중력에 의해 수직구 내 흐름은 연결수로 근처에서 두꺼워진 후, 아래로 내려가면서 얇아지게 된다. 유입 유량 증가에 따라 수직구 내 흐름 두께가 증가하고 그만큼 중앙 공기핵의 면적이 좁아진다. 공기핵의 면적이 0이 되면 지하방수로 수직구에 안정적으로 물을 공급하는데 문제가 발생함은 물론 수직구 압력 증가로 인한 연결수로 부분 수위 상승을 예상할 수 있으므로, 공기핵이 소멸하지 않는 최대 유량을 최대 유입 유량으로 설정할 필요가 있다. Jain(1984)은 설계 시 수직구 단면적 대비 공기핵 면적이 0.25 이상이 되도록 유량을 설정할 것을 권장하고 있으며, 공기핵 단면적에 대한 관계식을 제시하였다. 그 외에도 Yu와 Lee(2009)는 한계점 이동 유량(control shift discharge, Qc)와 자유 배수 유량(free drainage discharge, Qf)을 정의하여 연결수로 내부 흐름 특성과 최대 유입 유량에 대하여 수리학적 이론에 기반한 관계식을 개발하고 실험으로 검증을 수행하였다. 한국건설기술연구원에서는 기존 연구에서 충분히 검토하지 못한 실험조건을 보완하여 보다 범용적으로 적용할 수 있는 유량 특성에 대한 관계식을 제시하고자 한다. 그 외에도 유입구 제원과 유량에 따른 수직구 공기핵 두께 변화나 연결수로에서 사각도수, 급경사면 도수가 발생할 때 흐름 특성을 검토하고 있다. 이를 위해 한국건설기술연구원에서는 지하방수로 유입구 실험수로를 제작하고 다양한 흐름 제원을 변화시키며 실험을 수행하고 있다. 1회의 실험에서 연결수로와 수직구에서 각 흐름특성을 측정할 수 있도록 실험 절차를 설계하여 실험 결과를 기록하고 있다. 실험결과는 2차원 수치모형과 OpenFOAM을 이용하여 수치모의를 통해 검증 자료로 사용되어 차후 수치모형을 이용한 상세한 평균흐름 및 난류량 등을 검토할 계획이다.

대심도 지하방수로는 크게 유입구, 본선 터널, 환기수직구, 유출구로 구성된다. 유입구에서 본선 터널에 유입된 물은 큰 낙차로 인해 빠른 흐름으로 하류에 흐르게 된다. 이때 유입구와 본선 터널 연결지점에는 감세지를 설치하여 낙차에 의한 충격 감소 및 도수를 통한 에너지 감쇠를 유도한다. 본선 터널을 따라 흐르는 물이 본선 터널 하류단에 도달하면 흐름 차단에 의해 수위와 정수압이 빠르게 증가하고, 이에 따라 상류 방향으로 역전파가 발생한다. 역전파가 본선 터널 상류단에 충돌한 이후 본선 터널은 점차 수위가 증가하고 만관 상태가 되며, 최종적으로 유출구의 수위에 따라 유입구측 수직구의 수위가 상승한 상태에서 정상상태(steady state)에 도달한다. 유입구에서 물이 본선 터널에 유입될 때 수면에서 공기를 연행하게 되므로 본선 터널 내에서는 공기를 포함한 흐름이 발생하게 된다. 공기를 배출하지 못하게 되면 관 내에 거대한 공기주머니가 생성되어 본선 터널의 안전성에 큰 문제를 일으킬 수 있으므로, 본선 터널에 환기수직구를 건설하여 공기가 배출되도록 한다. 상류단에 도달하는 역전파의 크기는 본선 터널과 유출구의 제원과 유량에 따라 달라지며, 유출구에 조압수조를 설치함으로써 이를 완화할 수 있다. 한국건설기술연구원에서는 본선 터널 내에서 환기수직구와 조압수조 설치에 따른 저류시간, 역전파 특성, 감세지와 터널에서의 압력 변화 특성을 검토하였다. 이를 위해 지하방수로 전체 실험수로를 제작하여 실험을 수행하였다. 다양한 실험 조건을 검토하기 위해 본선 터널을 모듈화하여 환기수직구를 자유롭게 설치·분리할 수 있도록 하였고, 본선 터널 직경 및 감세지의 크기를 변화시키며 실험을 수행하고 있다.

최근 기후변화로 인해 기존 설계기준을 넘어서는 집중호우가 빈번하게 발생하면서 도시침수에 대한 보다 적극적인 대응이 요구되고 있다. 특히 이미 고밀도로 개발된 도시지역에서는 기존 우수관로나 하천의 치수능력을 확대하는 데 한계가 있어, 대규모 우수를 신속하게 배제할 수 있는 대심도 지하방수로의 활용이 더욱 중요해질 것으로 예상된다. 이와 함께 지하방수로가 계획된 성능을 충분히 발휘하기 위해서는 시설 규모뿐만 아니라 유입부터 배수에 이르는 과정에서 발생하는 다양한 수리현상을 고려한 설계기술이 필요하다. 한국건설기술연구원에서는 이러한 지하방수로의 통·배수능력을 높이고 보다 안정적인 설계가 가능하도록 유입구와 본선 터널을 대상으로 다양한 연구를 수행하고 있다. 유입구에서는 접선식 유입구의 연결수로와 수직구에서 발생하는 흐름 특성, 공기핵 형성 및 최대 유입 유량 등을 실험과 수치모의를 통해 검토하고 있으며, 이를 바탕으로 다양한 시설 제원에 적용할 수 있는 설계기술을 마련하고자 한다. 또한 본선 터널에서는 빠른 수위 상승과 역전파, 공기 연행 등으로 발생할 수 있는 불안정한 흐름을 대상으로 환기수직구와 조압수조의 영향을 검토하고 있으며, 실제 지하방수로의 흐름을 재현할 수 있는 실험시설을 활용하여 관련 자료를 축적하고 있다. 앞으로 다양한 유량과 시설 제원에 대한 실험 및 수치모의 결과를 지속적으로 축적하고 분석하여 지하방수로의 주요 수리현상을 보다 명확하게 규명하고, 이를 실제 설계에 활용할 수 있는 기술로 발전시킬 예정이다. 이러한 연구가 향후 국내 대심도 지하방수로의 계획과 설계 과정에서 통수능력과 수리적 안정성을 함께 확보하고, 도시침수 대응능력을 높이는 데 활용될 수 있기를 기대한다.

이 연구는 기후에너지환경부 도시홍수시설의 계획, 운영, 유지관리 최적화 기술개발사업(RS-2024-00397821)의 지원으로 수행되었습니다.