KR100801441B1 - 신축이음 및 내부 속 채움을 갖는 조력발전소용 수차구조물 및 수문구조물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 조력발전소의 수차구조물 및 수문구조물에 관한 것으로, 특히 수차구조물과 수문구조물의 단위 구조물에 대하여 2개의 단위 구조물을 하나의 일체화 된 블록으로 형성하되, 상기 2개의 단위 구조물 양측 블록을 신축이음으로 하여 중간벽체를 연결 형성하고, 상기 2개의 단위 구조물 사이의 중간벽체는 일정구간 내부에 해수를 채우는 내부 속채움으로 형성하여 공기단축 및 콘크리트 타설량을 줄여 건설비용을 절감할 수 있도록 경제성을 고려하고 부력에 의한 구조물의 안정성도 고려한 신축이음 및 내부 속 채움을 갖는 조력발전소용 수차구조물 및 수문구조물을 특징으로 한다.
수차구조물, 수문구조물, 신축이음, 내부 속채움

Description

신축이음 및 내부 속 채움을 갖는 조력발전소용 수차구조물 및 수문구조물{Turbine Structure and Gate Structure having Flexible Joint and Inside Stuffing for Tidal Power Plant}
도 1은 본 발명의 수차구조물 및 수문구조물이 설치되는 전체 조력발전소 시스템의 설치 및 배치 상태를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 2는 도 1의 조력발전소용 수차구조물을 일부분을 절단하여 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 2의 수차구조물의 내부 속채움을 예시한 단면도이다.
도 4는 도 3의 조력발전소용 수차구조물을 절단하여, 내부 속 채움과 신축이음을 나타내는 수차구조물의 평면도이다.
도 5는 도 1의 조력발전소용 수문구조물을 일부분을 절단하여 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 5의 조력발전소용 수문구조물을 절단하여, 내부 속 채움과 신축이음을 나타내는 수문구조물의 평면도이다.
도 7은 도 6의 수문구조물의 전체를 나타낸 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 조력발전소용 수차구조물 및 수문구조물 설치상태를 나타낸 부분단면 사시도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
80, 82 : 신축이음
500: 수차구조물 600: 수문구조물
E, J : 중간벽체 W : 해수 측
L : 호수 측
본 발명은 조력발전소의 수차구조물 및 수문구조물에 관한 것으로, 특히 수차구조물과 수문구조물의 단위 구조물에 대하여 2개의 단위 구조물을 하나의 일체화 된 블록으로 형성하되, 상기 2개의 단위 구조물 양측 블록을 신축이음으로 하여 중간벽체를 연결 형성하고, 상기 2개의 단위 구조물 사이의 중간벽체는 일정구간 내부에 해수를 채우는 내부 속채움으로 형성하여 공기단축 및 콘크리트 타설량을 줄여 건설비용을 절감할 수 있도록 경제성을 고려하고 부력에 의한 구조물의 안정성도 고려한 신축이음 및 내부 속 채움을 갖는 조력발전소용 수차구조물 및 수문구조물에 관한 것이다.
현재 상업운영중인 세계 최대 발전규모의 조력발전소인 프랑스 랑스의 경우, 배수갑문 구조물은 블록간 조인트 없이 설계되었으며, 전체 배수갑문 구조물의 길이인 115m를 한 번에 콘크리트로 시공하여 구조물의 안정성을 확보하고자 하였다. 이와 같이 전체 구조물을 한 번에 콘크리트 타설하는 경우 과다한 수화열의 발생을 억제하기 어렵고, 구조물에 크랙이 발생할 수도 있다. 또한, 수차구조물이나 수문구조물 단위 유닛 1기당 독립적인 콘크리트 블록으로 계획할 경우에는 중간벽체의 육중한 무게에 의해 단면계획이 불가피하게 된다.
상기한 문제점들을 방지하고자 적용하는 신축이음에 대한 설계기준에는 암거 및 옹벽 구조물에 대해 신축이음을 15~30m 이하로 설치토록 규정하고 있다. 구조물이 외적으로 구속되어 있는 경우 신축장이 길수록 구속응력이 커지므로 콘크리트 구조물에 균열발생 가능성이 커진다. 암거 및 옹벽의 경우 기초는 물론 벽체도 토사와 접하므로 구조체 팽창시 마찰력으로 인한 외적인 구속력이 크게 발생하므로 상기 기준에 따라 신축이음을 설치하거나 균열을 유도할 수 있는 설계(수축이음)를 반영하고 있다.
신축이음은 온도 및 화학적 팽창, 하중 부등침하 등에 의한 압축력이 이음부에 발생할 때 인접 콘크리트가 파쇄되는 것을 막기 위하여 설치하는 이음(팽창이음이라고도 함)으로써, 이 이음부에는 철근이 절단되어야 한다.
또한, 종래의 거대 구조물 특히, 해양구조물 케이슨의 경우 부력에 저항하기 위하여 케이슨 내부에 사석이나 모래 및 물 채움 등을 실시하는 것이 일반적인 건축 구조물 시공법으로, 우리나라의 경우 부산 신항 컨테이너 부두, 인천 북항 목재부두 축조공사 등에서 사용되고 있다.
본 발명에서는 조력발전소용 수차구조물 또는 수문구조물의 중간벽체를 블록으로 설계할 경우 벽체두께를 줄이거나, 개구부를 설치하여 경제적인 설계가 가능하도록 한 것이다.
또한, 본 발명은 조력발전소에 있어서, 조력발전소의 통합된 관리시설과 접근도로 등이 통합된 수차구조물과 수문구조물을 제공함에 있어서 수차구조물과 수문구조물을 단위 형태로 블록화하여 조력발전소의 현장 규모 및 발전용량에 따라 수차구조물 및 수문구조물의 증강이 가능하여 설치현장의 상황에 따라 능동적인 대처할 수 있도록 한 조력발전소용 수차구조물 및 수문구조물의 연결이음을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 조력발전소용 수차구조물 및 수문구조물은 기초 저판만이 외적으로 구속되어 있는 구조로 건물, 체육관 등 대부분의 구조와 동일하며, 내부 속채움 및 신축이음을 매 2블록마다 번갈아 설치함으로써 대용량의 조력발전소용 수차구조물 및 수문구조물의 부력 및 진동에 의한 영향을 감소시키고 공기단축, 콘크리트 타설량의 감소로 건설비용을 절감하고, 콘크리트의 균열 방지 및 수화열 발생 억제에 유리하도록 하였으며, 유지관리 시에 1개 발전수로만을 배수할 경우 발생되는 부력에 대하여도 구조적 안정성 확보에 유리하도록 하였다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성을 살펴보면 다음과 같다.
호수와 해수와의 사이에 수차구조물이 수문구조물과 함께 연결구조물을 매개로 연결되고 상기 수차구조물과 수문구조물이 적어도 1기 이상 배치되는 수차구조물과 수문구조물에 있어서, 상기 수차구조물과 수문구조물의 수평방향의 부등변위 및 활동에 대한 안정성을 확보하기 위해 아래 기초바닥 전후의 양 끝단에 전단 키(shear key)를 갖고 상기 수차구조물의 발전수로부와 수문구조물의 도수로의 상측으로 발전시스템의 시설관리 및 친수 해양관광단지의 접근도로가 다층구조로 설치된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 수차구조물과 수문구조물의 단위 구조물에 대하여 2개의 단위 구조물을 하나의 일체화 된 블록으로 형성하되, 상기 2개의 단위 구조물 양측 블록은 신축이음으로 하여 중간벽체를 연결 형성하고, 상기 2개의 단위 구조물 사이의 중간벽체는 일정구간 내부에 해수를 채우는 내부 속채움으로 형성한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 신축이음재로는 주로 코르크(Cork) 또는 발포폴리스티렌(Polystyrene) 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 중간벽체의 내부 속채움은 해수로 하며, 내부 속채움 해수의 수위관리를 위해 상기 내부 속채움 상부에 수위관측용 파이프 계측기가 설치된 것을 특징으로 한다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 1실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 수차구조물 및 수문구조물이 설치되는 전체 조력발전소 시스템의 설치 및 배치 상태를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도시된 바와 같이 조수간만의 차이가 적절한 조력발전소 건설지에서 호수(L)와 해수(W)와의 사이에 조력발전소를 설치하면서, 주변의 공원부지와 육지와의 사이에 블록으로 이루어진 다수의 수차구조물(500)과 수문구조물(600) 및 그 사이에 연결구조물(700)을 설치하여 해양관광기능, 접근도로기능, 발전소기능 등이 함께 공존하는 자연 친화형 창조식 조력발전소용 수문구조물이다. 도면 중 설명부호 1000은 최외측의 수차구조물(500)과 연결되는 수차구조물 날개벽이고, 설명부호 2000은 최외측의 수문구조물(600)과 연결되는 수문구조물 날개벽을 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 조력발전소용 수차구조물을 일부분을 절단하여 나타낸 단면도이다.
본 발명에 따른 수차구조물(500)은 해수(W) 측의 해저암반부에 하측을 지면부로 하여 구축되어 기초바닥을 형성하기 위해 해수(W) 측 및 호수(L) 측의 양 끝단으로 전단 키(2a)를 갖고 형성되는 기층부(2)와, 이 기층부(2)의 상측에 수차발전기(10)와, 이 수차발전기(10)로부터 유입된 해수를 호수(L) 측으로 배출하는 흡출관(16)이 형성되며, 수차발전기(10)와 흡출관(16)의 상측으로는 수차발전기실(21) 및 기계실(22)이 설치되며, 상기 흡출관(16)의 하측은 평탄하게 형성되어 작업원의 접근이 가능하도록 수차 하부공간(65)을 설치하며, 상기 수차 하부공간(65)의 누설수를 수집하기 위해 기층부(2)에 배수관(61)이 설치되어 누설수를 모아 외부로 배출가능하게 하는 배출구(60)가 설치되며, 상기 기층부(2)의 해수(W) 측으로는 전면 헤드부를 그리고 런너(18)는 호수(L) 측을 향하게 수차발전기(10)를 설치한 발전부와 상기 발전부로 유입되는 해수의 와류발생과 공기혼입을 방지하기 위해 입구부는 만곡구조(R)를 갖도록 하고 런너(18)까지는 좁아지며 이후 호수(L) 측의 배출부까지 점차 확장되어가는 벤튜리 형태의 구조를 갖는 발전수로부가 형성되며, 상기 발전수로부의 발전부의 상측으로는 수차발전기 관리용 접근통로(40)로 연결된 수차발전기실(21)이 설치되며, 발전수로부의 상측으로는 1,2차 접근도로(33)(34)가 다층구조로 설치된 창조식 조력발전소용 수차구조물이 구성된다.
도면 중 설명부호 12는 해수 측 스톱로그 지지벽체이고, 15는 수차발전기(10)를 고정하는 벌브고정부이고, 17은 호수 측 스톱로그 지지벽체이고, 20은 수차발전기실을 운용하는 천장 크레인이고, 24는 지붕이고, 25는 이동대차이고, 27, 35는 스톱로그 이동용 갠트리 크레인이고, 31은 조망용 개방부이고, 32는 토사층을 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 수차구조물의 내부 속채움을 예시한 단면도이고, 도 4는 도 3의 조력발전소용 수차구조물을 절단하여, 내부 속채움과 신축이음을 나타내는 수차구조물의 평면도를 도시한 것이다.
이는 기층부(2)와 발전수로부와 다층구조의 1차 접근도로(33)와 2차 접근도로(34)로 구성되는 수차구조물의 단위 구조물에 대하여 2개의 단위 구조물을 하나의 일체화 된 블록으로 형성하되, 도 4와 같이 상기 2개의 단위 구조물 양측 블록(E1)(E2)을 신축이음(80)으로 하여 중간벽체(E)를 연결 형성하고, 상기 2개의 단위 구조물 사이의 중간벽체(E)는 일정구간 내부에 해수를 채우는 내부 속채움(70)으로 형성한다. 상기 신축이음(80)에 의한 연결수단으로써 코르크 또는 발포폴리스티렌이 사용된다.
이에 따라 수차구조물이 중간벽체(E)를 매개로 연결되고 신축이음(80)으로 하여 연속적으로 설치되는 것이다.
도 5는 도 1의 조력발전소용 수문구조물을 일부분을 절단하여 나타낸 단면도이고, 도 6은 도 5의 조력발전소용 수문구조물을 절단하여, 내부 속채움과 신축이음을 나타내는 수문구조물의 평면도를 도시한 것이다.
도시된 바와 같이 해저에 위치되어 기초바닥을 형성하기 위해 해수(W) 측 및 호수(L) 측의 양 끝단으로 전단 키(1a)를 갖고 형성되는 기층부(1)와, 상기 기층부(1)의 상측에 필요 시 해수(W) 측 스톱로그(13)와 호수(L) 측 스톱로그(14)가 서로 대칭되는 형태로 전, 후면에 설치될 수 있도록 지지벽체를 구성하고 해수(W) 측으로 수문(38)이 설치되는 통형 중공구조의 도수로(29)와, 상기 도수로(29)의 상측으로 해수(W) 측으로는 스톱로그 승하강 지지벽체(19)와 수문 권양기 지지벽체(23)가 설치되며, 그 각각의 상부에는 스톱로그(13)의 승하강 견인을 위한 해수 측 스톱로그용 크레인(27)과, 수문(38)의 승하강 견인을 위한 수문용 권양장치(37)가 설치되며, 호수(L) 측으로는 호수 측 스톱로그(14)의 승하강 견인을 위한 갠트리 크레인(39)을 설치하고, 도수로(29)의 상측으로는 다층구조의 1차 접근도로(45)와 2차 접근도로(47)가 설치되어 구성된다. 도면 중 설명부호 49는 토사층이고, R은 도수로(29) 폭의 급격한 감소로 인한 와류 및 저항을 최소화시키는 반구형 곡면부를 나타낸 것이다.
상기와 같이 기층부(1)와 도수로(29)와 다층구조의 1차 접근도로(45)와 2차 접근도로(47)로 구성되는 수문구조물의 단위 구조물에 대하여 2개의 단위 구조물을 하나의 일체화 된 블록으로 형성하되, 도 7과 같이 상기 2개의 단위 구조물 양측 블록(J1)(J2)을 신축이음(82)으로 하여 중간벽체(J)를 연결 형성하고, 상기 2개의 단위 구조물 사이의 중간벽체(J)는 일정구간 내부에 해수를 채우는 내부 속채움(72)으로 형성하여 구성한다. 상기 신축이음(82)에 의한 연결수단으로써 코르크 또는 발포폴리스티렌이 사용된다.
이에 따라 수문구조물이 중간벽체(J)를 매개로 연결되고 신축이음(82)으로 하여 연속적으로 설치되는 것이다.
도 8과 같이 수차구조물(500)과 수문구조물(600)의 단위 구조물에 대하여 2개의 단위 구조물이 중간벽체(E)(J)를 매개로 연결되되, 상기 중간벽체(E)(J)가 내부에 해수를 속채움(70)(72)과 신축이음(80)(82)으로 번갈아 연결함으로써 공기단축 및 콘크리트 타설량을 줄여 건설비용을 절감하고, 콘크리트의 수화열 발생 억제 및 균열방지에 유리하고, 구조물 및 시설의 유지관리를 위해 1개의 발전수로부 또는 도수로만을 배수할 경우 발생되는 부력에 대하여 구조적 안정성 확보에 유리하다.
상기에서 신축이음재로는 주로 코르크 또는 발포폴리스티렌이 사용되며, 본 발명의 실시 예에서는 발포폴리스티렌이 사용되었으며, 상기 중간벽체(E)(J)의 내부 속채움(70)(72)은 해수를 사용하였고, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 내부 속채움(70)(72) 해수의 수위관리를 위해 상기 내부 속채움(70)(72) 상부에 수위관측용 파이프 계측기(71)를 설치하였다.
또한, 상기 수차구조물 및 수문구조물에는 콘크리트 수화열에 의한 팽창을 막기 위하여 신축이음의 유간을 단위 블록의 팽창방향의 길이방향에 따른 온도변화에 대한 신장량을 계산한 뒤 여유를 감안하여 신축이음을 설치하였다.
예를 들어, 신축장 길이가 38.75m인 경우 온도변화에 의한 신장량은 다음과 같이 구해진다.
△Lt = △T × α × L
여기서, △T : 온도변화 (우리나라 남한 서해안의 경우, -15°C～+35°C : 35°C)
α : 선팽창계수 (0.00001)
L : 신축길이 (2Units 1Block : 38.57m)
△Lt = 50 × 0.00001 × 38.57 = (±) 0.0193m = (±)19.3mm
가 되며, 설계 적용시에는 이 값에 약 1.5배의 여유를 두어 선정한다.
한편, 수차구조물 및 수문구조물의 콘크리트 블록 간의 부등변위는 수평 및 수직방향으로 발생하며, 이러한 변위를 제어하기 위하여 기층부(2)(1)에 전단키(Shear Key)(2a)(1a)를 설치하였다.
상기에서 부등변위 발생에 따른 문제점은 다음과 같다.
-갠트리 크레인의 운용이 불리하고, 안전사고 발생 우려
-영구도로 및 유지관리 도로에 균열이 발생하여 사용성 및 유지관리 불리
-신축이음부 파손으로 유지관리비 증가
-구조적 안정성 확보에 불리
-연결부 파손에 따른 누수현상 발생
① 수직방향
경암 상단에 기초가 위치하므로 수직방향으로 부등변위는 발생하지 않을 것으로 판단되어, 수직방향에 대한 전단 키(또는 조인트 블록;Joint Block) 설치를 고려하지 않았다.
② 수평방향
수평방향의 활동에 대한 안정성은 확보하였으나, 추가적으로 기초 바닥판 전ㆍ후에 1.0m 깊이의 전단 키를 경암상에 정착시켜 부등변위를 방지토록 계획하였으므로, 구조물간 전단 키의 설치는 불필요할 것으로 판단된다.
한편, 도 8과 같이 다수의 단위 수차구조물 및 수문구조물들이 연속적으로 설치되는바, 수차구조물과 수문구조물은 조력발전소 설계용량 및 시설물이 설치될 현장의 규모에 따라 1개 이상 수십 개를 병설할 수 있으며, 수차구조물과 수문구조물의 최적설치 수는 요구 발전용량에 따라 여러 가지 요인들을 고려하여 산정된다.
한편, 본 발명에서 해저 암반부에 설치되는 수차구조물의 기층부(2)는 수차발전기(10)의 런너(18) 회전에 의한 회전자의 회전시 발생하는 진동 등을 흡수하면서 여러 가지 충격에 대한 내구성을 확보하도록 하측으로 볼록한 구조로 구성되며, 해수배출구의 하측은 이동하는 해수의 유도배출을 돕도록 평탄구조로 구성하여, 수차구조물의 하중을 분산하여 지지하도록 하였다.
이상 본 발명은 우리나라 서해안 연안에 간척지나 매립지 등의 개발에 의해 형성되는 인공호수의 경우, 즉 시화호, 새만금, 가로림만, 천수만 등에서 적용 가능한 조력발전소의 수차구조물 및 수문구조물을 제공하는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 조력발전소용 수차구조물과 수문구조물을 구성함에 있어서, 접근이 용이하도록 관리도로와 제반 관리시설들을 일체로 구성하였으며, 수차구조물에는 수차발전기실과 기계실 및 공조시스템실 등이 일체로 구성되고 수문구조물에는 수문권양기가 설치되며, 동시에 접근도로와 일체화하여 주변 해양관광자원의 이용도 가능하면서 조력발전소 시스템의 관리를 용이하도록 하였다.
또한, 본 발명은 수차구조물과 수문구조물을 하나의 단위 형태로 블록화하여 조력발전소의 현장 규모 및 발전용량에 따라 발전소 구조물의 증감이 가능하여 설치현장의 상황에 따라 능동적인 대처가 가능하며, 또한 접근도로가 일체로 구성되어 조력발전소의 양단에는 해양관광자원의 개발을 가능하게 하였다.

Claims (7)

  1. 호수와 해수와의 사이에 수차구조물이 수문구조물과 함께 연결구조물을 매개로 연결되고 상기 수차구조물이 적어도 1기 이상 배치되는 수차구조물에 있어서, 상기 수차구조물의 단위 구조물에 대하여 2개의 단위 구조물을 하나의 일체화 된 블록으로 형성하되, 상기 2개의 단위 구조물 양측 블록을 신축이음으로 하여 중간벽체를 연결 형성하고, 상기 2개의 단위 구조물 사이의 중간벽체는 일정구간 내부에 해수를 채우는 내부 속채움으로 형성한 것을 특징으로 하는 신축이음 및 내부 속 채움을 갖는 조력발전소용 수차구조물.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 신축이음재로는 코르크 또는 발포폴리스티렌 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 신축이음 및 내부 속 채움을 갖는 조력발전소용 수차구조물.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 중간벽체의 내부 속채움 해수의 수위관리를 위해 상기 내부 속채움 상부에 수위관측용 파이프 계측기가 설치된 것을 특징으로 하는 신축이음 및 내부 속 채움을 갖는 조력발전소용 수차구조물.
  5. 호수와 해수와의 사이에 수문구조물이 수차구조물과 함께 연결구조물을 매개로 연결되고 상기 수문구조물이 적어도 1기 이상 배치되는 수문구조물에 있어서, 상기 수문구조물의 단위 구조물에 대하여 2개의 단위 구조물을 하나의 일체화 된 블록으로 형성하되, 상기 2개의 단위 구조물 양측 블록을 신축이음으로 하여 중간벽체를 연결 형성하고, 상기 2개의 단위 구조물 사이의 중간벽체는 일정구간 내부에 해수를 채우는 내부 속채움으로 형성한 것을 특징으로 하는 신축이음 및 내부 속 채움을 갖는 조력발전소용 수문구조물.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 신축이음재로는 코르크 또는 발포폴리스티렌 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 신축이음 및 내부 속 채움을 갖는 조력발전소용 수문구조물.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 중간벽체의 내부 속채움 해수의 수위관리를 위해 상기 내부 속채움 상부에 수위관측용 파이프 계측기가 설치된 것을 특징으로 하는 신축이음 및 내부 속 채움을 갖는 조력발전소용 수문구조물.
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