사이펀 취수시설 시공 및 설계 사례

사이펀 취수시설 시공 및 설계 사례

년월 발주처 공사명 제원요약
(관경,련수/총길이)
진행 상태
1 2016/08 농어촌연구원 농업용저수지 취수시설 대체공법 1차 시험시공 (송산지) Φ200,1련/L=70m 시공완료
2 2017/08 농어촌연구원 농업용저수지 취수시설 대체공법 2차 시험시공 (신후평지) Φ200,1련/L=25m 시공완료
3 2018/02 한국건설기술연구원 부유식 사이펀 취수장치 제작,설치 (발연지) Φ250,1련/L=36m 시공완료
4 2019/10 한국농어촌공사 백동지구 수리시설개보수사업 추동지 사이펀취수시설 Φ250,1련/L=100m 시공완료
5 2019/02 한국농어촌공사 문천지구 재해대비 수리시설개보수사업 사이펀취수시설 Φ300,1련/L=36m 시공중
6 2019/11 한국농어촌공사 황청하도지구 수리시설개보수사업 사이펀취수시설 Φ450,1련/L=73m, Φ350,2련/L=122m 계약완료
7 2019/12 한국농어촌공사 도수로지구 수리시설개보수사업 사이펀취수시설 Φ450,2련/L=82m 시공중
8 2019/12 경기도 양평군 사호저수지 보수보강공사 사이펀취수시설 Φ300,2련/L=73m 시공완료(동영상)
9 2020/02 경남 의령군 월현지구 재해위험저수지 정비사업 실시설계 사이펀취수시설 Φ300,2련/L=114m 실시설계완료
10 2020/02 경남 의령군 성비지구 재해위험저수지 정비사업 실시설계 사이펀취수시설 Φ450,1련/L=36m 실시설계완료
11 2020/02 한국농어촌공사 석남지구 수리시설개보수사업 사이펀취수시설 Φ300,2련/L=62m 설계중
12 2020/02 한국농어촌공사 성동지구 수리시설개보수사업 기본계획 사이펀취수시설 Φ200,2련/L=73m 계획중
13 2020/10 한국농어촌공사 충북 제천시 용하저수지
사이펀 비상방류시설 긴급설치
Φ300,2련/L=60m 시공완료(동영상)
14 2020/10 한국농어촌공사 전북 장수군 개정저수지
사이펀 비상방류시설 긴급설치
Φ300,1련/L=120m 시공완료(동영상)
15 2021/03 충주시청 삼당저수지 사이펀 취수시설 설치 Φ200,1련/L=64m 시공완료(동영상)

사이펀을 활용한 소규모 저수지 취수시설 대체공법 – 사이펀 취수시설 관련 논문

2017년 한국농공학회 학술대회를 맞아 한국 농어촌공사 농어촌연구원 소속 이태호, 양영진, 장은철, 허 준 연구원이 “사이펀을 활용한 소규모 저수지 취수시설 대체공법“이라는 제목으로 사이펀 취수시설 관련 논문을 발표했습니다.
논문 내용은 아래와 같으며 이 곳에서 보실 수 있습니다.

연구목적

본 연구의 목적은 이러한 복통의 취약점을 개선하기 위한 대책으로 사이펀을 활용한 소규모 저수지 취수시설 대체공법을 제시하고, 현장시험시공과 수리모형실험을 통하여 활용방안을 제시하는 것이다.

연구결과

제체내부에 복통이 설치된 소규모 농업용저수지에서 시설이 노후화 되었을 경우, 토공과 구조물의 접속부를 통한 파이핑 우려가 크고 이를 극복하기 위해 본 연구에서 제시된 사이펀공법을 각각의 항목에 대해서 비해 본 결과,
시설운영시 복통의 기능(사전방류 및 취수)을 대신할 수 있으며, 제체의 내측이 아닌 바깥부분에 설치되어 제체안정에 유리하고, 유지관리 및 개보수가 용이하였다.
또한, 최초 작동시 펌프를 통한 기동이 필요하지만 그 이후로는 복통과 마찬가지로 밸브조작에 의해서 작동이 가능하여 큰 차이가 없었다.
규모가 큰 여수로 사이폰 시설에 작동하는 진동 및 소음에 대해서는 현장시험시공에서는 발생하지 않았으며, 하류유출부 세굴에 대해서는 유출부 밸브로 유량조절이 가능하였다.

재해대비 농업용저수지 취수시설로서 사이폰의 현장적용성에 관한 실험적 연구 – 사이펀 취수시설 관련 논문

2018년 한국농공학회 논문집에 “재해대비 농업용저수지 취수시설로서 사이폰의 현장적용성에 관한 실험적 연구“라는 제목으로 한국 농어촌공사 농어촌연구원 소속 양영진, 이태호, 오수훈 연구원이 개재한 논문이 실렸습니다.
논문 내용은 아래와 같으며 이 곳에서 논문 원본을 보실 수 있습니다.

연구목적

기존의 복통 개보수 공법들은 이질재료간 접속부 다짐불량 등 근본적인 결함으로 인해 정밀시공이 어려워 개보수 이후에도 저수지를 운용함에 따라 파이핑 등의 문제가 재발할 가능성이 높다.
복통의 취약점을 개선하기 위한 대체공법으로 본 연구에서는 제체 안전성에 유리한 사이폰을 제시하고자 하며, 실내 수리모형실험 및 현장 시공실험을 통해 사이폰의 재해대비 농업용저수지 취수시설로서의 현장 적용가능성을 평가하였다.

연구결과

수리모형실험과 현장시공실험을 통해 재해대비 농업용저수지 취수시설로서 사이폰 대체공법의 적용성에 대해 검토하였다. 본 연구로부터 얻은 결론과 사이폰 적용시 문제점에 대한 대책방안은 다음과 같다.

(1) 유량확보와 조절 : 모형실험과 시공실험 결과 저수지와 토출부의 수두차에 따라 취수목적의 충분한 유량확보가 가능하였으며, 제수밸브의 개폐를 통해 유량조절이 가능하였다.

(2) 진동과 공동현상 : 모형실험시 포화증기압 이하의 부압이 발생하였고 공동현상은 발생하지 않았으며, 시공실험을 통한 측정결과에서도 사이폰 작동시 진동, 소음, 충격은 발생하지 않았다.

(3) 유입부 막힘 : 모형실험을 통한 최대 수두차에서의 사이폰 유입분포 실험에서도 나타났듯이 유입구를 기준으로 0.8 m정도만 이격하더라도 흡입유속이 현저하게 감소하여 부유물에 의한 막힘현상은 나타나지 않을 것으로 판단되며, 시공실험시 펌프가동을 통한 역방향 공기배출을 통하여 막힘현상의 해결이 가능하였다.

(4) 유출부 세굴 : 모형실험결과 최대 유속은 1.11 m/s로 용수로의 허용유속 이하로 발생하였으며, 유출부의 수류는 집수정에서 잠류로 바뀌었기 때문에 세굴의 문제는 없을 것으로 판단된다.

(5) 초기 작동 : 모형실험과 시공실험 결과 사이폰 최초 작동시 1회만 펌프를 작동시켜 사이폰의 만관상태를 유지하면 이후 밸브개폐만으로 지속적인 작동이 가능하였다.

(6) 사전방류 : 모형실험결과 사수위 이하까지 저수량의 사전방류가 가능하였으며, 사전방류량이 클 경우 초기 설계에 반영하여 적용이 가능할 것이다.

향후 사이폰 대체공법의 설계비, 시공비, 유지관리비 등 경제성에 대한 정량적인 추가 검토가 필요하며, 그 결과와 본 연구내용을 확장하여 농업기반시설 사이폰 취수시설 설계지침과 시방서에 대한 안을 제시하여 활용할 예정이다.

사이펀여수로 사전방류효과

한국농어촌공사 상주지사 지평저수지 비상여수로(사이펀) 설치사례 (2012년도)


첨두방류량 93.7 /s 감소 , 최대홍수위 0.43m 감소

3차원 CAD 형상 모델검증

3차원 CAD 형상 제작을 통한 사전 모델검증

사이펀 제작시 3차원 형상 기반으로 최적화하여 설계를 할 경우 사이펀을 도입하는 이해관계자와 설치 업무를 수행하는 작업자에게 그 형상에 대한 이해에 큰 도움을 주게 됩니다.

2D 설계도면의 경우 실제형상을 유추하기 위해선 설계전문가 이거나 도면에 대해 오랜 경험이 있어야 합니다. 3D CAD 형상은 누구나 형상을직관적으로 이해할 수 있습니다.
이와 같은 장점에도 불구하고 싶게 산업현장에 적용하지 못하는 이유는, 3D 데이터를 제작하기 위해서는 3D CAD 전문가가 필요하며,  많은 제작비용과 공수가 소요되고, 이를 제작하기 위한 3D CAD 소프트웨어도 매우 고가입니다.

당사에서는 이와 같은 어려움에도 불구하고, 3D 설계를 통해 초기 설계 단계에서부터 3D CAD 모델을 통해 매우 정확한 도면을 제작하고 설계 오류를 크게 줄이고 있습니다. 사이펀 제작과정에서 회사 내/외부, 관계사 그리고 고객과의 커뮤니케이션을 위해 3D CAD 데이터를 이용한 형상정보를 적극 활용하고 있으며, 이를 통해 매우 높은 품질을 확보하고 있습니다.

수치해석 검증

수치해석의 배경

여수로와 같은 3차원적인 수리구조물을 설계하고, 형상 및 안정성을 확보하기 위해서는 수리모형실험과 수치모형실험에 의한 비교․검토가 필요하다.

계획단계에서 적용하였던 수리계산 결과의 적정성과 흐름의 수리학적 거동을 현실적으로 재현하기 위해서는 수리모형실험으로는 다양한 경우의 실험이 현실적으로 불가능하므로, 3차원 수치모형실험을 통하여 적정한 초기결과를 도출하기 위하여 3차원 수치모형실험이 필요하며, 이를 통하여 경제적이고 수리학적으로 안전한 구조물의 설계를 위한 기초자료를 제공하는데 목적이 있다.

특히, 사이폰 여수로의 경우 시공 사례가 많지 않고 수리현상과 더불어 구조적 안정성에 대한 검증을 거쳐야 하므로 수치해석을 통하여 수리모형 실험 이전에 주요한 문제점 및 현상을 예측하고 대책을 수립하여 최적의 여수로 구조물을 설계한다.

3차원 모델링

해석에 사용된 사이폰 여수로의 형상

– 복관식 9련으로 구성
– 특징:일반 사이폰 여수로와는 달리 V-notch이후의 형상이 꺽여 방류수의 흐름방향을 바꾼 것
(일반 월류식 여수로의 경우 방류수의 방향 전환시 여러 가지 문제점이 발생하나 사이폰 여수로의 경우 이와 같은 문제점이 없이 방류수의 방향을 전환할 수 있다)

 

사이폰 여수로 도면 형 3차원 형상


유동해석용 3차원 형상

 

유동해석

1련 유동해석
– 목적 : 사이폰의 내부 압력분포 및 토출량을 확인
– 사이폰의 형상이 거의 동일하므로 1련에 대한 해석 실시
– 경계조건 :
실제 상황과 동일하게 유입부와 유출부의 수위를 지정
공기측의 압력은 대기압으로 부여
싸이폰 유입부측 저수지 수위와 유출부측의 수위가 일정하게 유지되도록 조건 부여

해석의 경계조건 (1련)

보조관 개방 20초 전후 사이폰이 작동되는 과정의 유동양상
-보조관의 물이 방류 ➡ 사이폰 내부의 압력저하가 발생 ➡ 저수지 측의 물이 유입 ➡ 하류측의 사이폰 내부 수위도 상승
-초기에는 V-notch를 채우기 위하여 시간이 소요되지만, 약 10초 이후부터는 사이폰 내부 수위가 빠르게 상승
-해석 결과 :
사이폰이 정상적으로 작동하는 것을 확인
사이폰의 작동시 특별한 압력의 변동이나 유량의 급격한 변화가 없다는 것을 확인

t=5.0sec

t=10.0sec

t=15.0sec

t=20.0sec

t=25.0sec

해석의 경계조건 (1련)

사이폰 작동 사이폰 내부의 압력 변화

-결과 : 보조관 개방 약 20초 후 ➡ 사이폰 내부의 압력이 50000Pa(0.5기압) 정도로 감소 ➡ 시간의 흐름에  따라 내부 압력은 점차 더 감소 ➡ 정상상태에 도달

사이폰 여수로 작동시 내부 압력 (t=20sec)

사이폰이 정상상태에 도달한 시점의 유속분포 및 사이폰 내부 압력
-정상 가동시: 싸이폰 내부의 평균 유속은 약 8m/s 정도
싸이폰 내부의 압력은 15000Pa(0.15기압) 정도 감소


t=40.0sec(유속)


=t=40.0sec(압력)


압력분포
사이폰 여수로 정상상태 (t=40sec)

유입부 유동해석

-목적 : 사이폰 작동시 유입부의 유동양상을 해석하여 접근수로부의 문제점 발생 여부를 검토
-경계조건 :
저수지의 수위를 일정하게 고정
모든 사이폰에서 동일한 양이 방출된다고 가정


평면 (X-Y)


종단(Y-Z)


3차원 형상

유입부 해석의 경계조건

해석영역의 평면 유속분포
-결과 : 접근수로부의 유속은 1.5m/s이하로 나타나므로 댐 설계기준 대비 충분한 여유가 있는 것으로 판단. 하지만, 사이폰 설치를 위한 절개부의 모서리가 직각으로 구축되어 있으므로 모서리 후면의 유동양상이 다소 불안정.

평면 (EL : 135m)

평면 (EL : 140m)

평면 (EL : 145m)

종단

전체 유속분포

접근수로부의 평면 유속분포와 종단 유속분포

-결과 : 중앙에 위치한 5개의 사이폰으로 유입되는 유황은 안정적이나,
양측 4개의 사이폰으로 유입되는 유황은 불안정(표면에서는 작은 소용돌이도 예상)
-원인 : 사이폰 설치부를 직각으로 절개했기 때문
-해결방안 : 절개부에 곡면형상의 날개벽을 설치하는 것이 필요 (유속이 2m/s이하로 빠르지 않기 때문에 방류량 확보에는 영향이 없으나, 방류시 소음과 진동을 최소화하고 구조적인 안정성을 확보하고 흐름을 안정적으로 유도하기 위함)

평면 (EL : 135m)

평면 (EL : 140m)

평면 (EL : 145m)

종단(#9)

종단(#5)

종단(#1)

접근수로부 유속분포 (종단)

유출부 유동해석

-목적 : 하동댐 여수로의 방류시 급류수로의 흐름이 균일한 가를 판단하기 위하여 방류부와 급류수로부에 대한 해석 실시
-하동댐 여수로는 방류부와 유입부가 같은 방향이 아니고 약 44도의 각도를 가짐.
일반적인 월류식 여수로에서는 이와 같이 큰 각도로 흐름 방향이 전환되면 측벽 월류 및 급류수로에서의 웨이브 발생 등으로 인하여 여수로 설치가 불가능.
하지만, 사이폰 여수로의 경우 사이폰 작동시 만관이 되어 흐르므로 충분한 거리만 확보된다면 흐름 방향의 전환이 월류식 여수로에 비하여 용이함 .
-영역과 경계조건 :
모든 사이폰에서 동일한 양이 방출된다고 가정
하류의 수위를 일정하게 고정

 해석 영역

방류부의 유황 및 급류수로의 흐름
-각 사이폰에서 방류되는 흐름은 편향되지 않고 균일하게 방류됨

횡단(V-notch부)

유출부 유속분포

방류시 사이폰 유속분포

구조해석


응력해석 모델

응력해석
-목적 : 구조물에 작용하는 힘에 대해 구조물의 변형 및 파괴 가능성을 평가
힘의 크기에 따라서 구조물은 변형, 파괴될 가능성이 있으며 이는 구조물의 재질 및 두께, 형상에 의해서 좌우된다. 응력해석은 구조물의 정보 및 형상을 가진 해석모델을 구성하고 이 모델에 작용하는 하중을 부가하여 구조물의 형태에 따른 하중의 집중 및 그에 대한 구조물에 작용하는 응력을 계산함으로서 파괴 가능성을 진단할 수 있다.

응력해석에 사용한 해석 모델
-약 14,000개의 격자로 구성
-실제 모델과 같이 슈(Shoe),싸이폰 관의 두께등 모든부분을 실제 모델과 같게 함


싸이폰의 왼쪽부분


싸이폰의 오른쪽 부분

-결과 : 사이폰 하단부 부분에 높은 응력이 발생하고 오히려 상단부 부압이 걸리는 부분은 발생하는 응력 값이 크지 않음.
-상단부에 응력이 작은 이유 :
부압에 의해 발생하는 압력의 크기가 유동해석에서 본 것과 같이 그리 크지 않고
구조적인 형상도 부드럽게 꺽여지게 되어 있고
평평한 부분 중앙에 판으로 각 부분이 보강되어 있으며
입출구 부분 또한 관을 둘러 보강되어 있기 때문으로 판단됨.

하단부의 경우:
수두 높이차에 의한 압력(양압)이 크게 작용하기 때문에 하중이 크게 걸리고,
구조적인 제약으로 보강되지 못한 부분이며,
사이폰 끝단이 유동에 의해 아래쪽으로 작용하는 하중에 의해 힘을 받게 될 때 그 힘을 사이폰 끝단의 지지부와 나누어 가지게 되는 부분이므로 힘의 집중이 발생하는 것으로 생각할 수 있다. 따라서 이부분에 응력이 크게 발생하는 것으로 판단된다.
-하지만 이 경우에 발생하는 응력의 최대 값은 215 MPa로 사이폰 재질의 허용응력인 245 MPa 보다 낮은 것으로 나타나 안전한 것으로 판단할 수 있으며 만약 추가적인 보강책을 마련하여 적용한다면 구조적으로 보다 안전하리라 판단됨

수리모형 실험

사이펀 여수로 수리모형 실험

본 수리모형 실험은 농어촌공사 농어촌연구원의 하동댐 수리모형 실험내용을 발췌 수록한 내용입니다.

사이펀 배치에 따른 방류수 방향전환 –> 수리학적 안정성확보 확인

수리모형 실험 사진

사이펀 취수시설 작동원리

사이펀 취수시설 작동원리

사이펀 취수시설은 관내 물이 가득차 있는 상태로 흐르는 관수로 유동으로 평상시 방류밸브가 닫힌 상태로 유지됩니다.  취수시 방류밸브를 열면 수위차에 의해 저수지의 물이 방류되고, 방류밸브를 닫으면 취수가 중단됩니다.
겨울철에는 동파 방지를 위해 사이펀 취수시설에서 물을 빼내고, 겨울이 지나 동파 위험이 사라지면 다시 물을 가득 채워 사이펀 취수시설을 운영합니다. 또한 사이펀 취수시설의 유지보수나 관리작업을 위해서도 물을 비우고 작업이 끝나면 다시 물을 가득 채웁니다.

사이펀 취수시설 개념도

사이펀 취수시설 물채우기

사이펀취수시설 물채우기

1 단계 : 양수기 이용, 방류관 물채움

사이펀 취수시설의 물을 채우는 1단계로서 에어벤트와 제체 상단 밸브는 열고 하류의 방류밸브는 닫습니다. 그후 양수기를 이용하여 저수지의 물로 사이펀 취수시설을 채웁니다. 방류부 관로에 물이 차면서 관내 공기는 에어벤트를 통해 빠져나갑니다. 방류부 관로가 가득차면 양수기를 정지시키고 에어벤트를 닫습니다.

작동원리 1단계 방류관로채움

2 단계 : 방류밸브 개방, 관내 음압 생성

2단계로서 에어벤트를 닫아 외부 공기와 단절시킨 후 방류밸브를 엽니다.
방류밸브가 열리며 방류관로에 있던 물은 방류밸브를 통과하여 빠져나가고 그에 따라 관내의 압력은 음압이 됩니다. 관내 압력이 음압으로 변하게 되면 유입관로쪽의 물은 음압에 의해 빨려 올려져 수위가 상승하게 됩니다.

방류밸브 개방, 음압생성

3 단계 : 수위상승, 목부 월류 발생

방류관로의 물이 계속 빠져나가며 관내의 압력은 더 큰 음압이 되고 유입관로의 수위는 점점 높아지게 됩니다. 유입관로에서 올라온 물이 목부를 넘어 방류관로로 흘러가는 목부 월류가 나타납니다.

수위상승, 목부 월류 발생

4 단계 : 사이폰 흐름(압력관수로) 형성

유입관로에서 목부를 넘어간 흐름은 방류관로로 흐르면서 방류관로의 공기와 함께 방류밸브를 통과하여 빠져나가고 물이 가득찬 압력관수로 흐름인 사이펀 흐름이 형성됩니다.
관내 물이 가득차게 되면 저수지 수위와 방류부의 높이차로 흐름이 계속 유지됩니다. 방류밸브를 잠그면 관내 압력은 음압, 물이 가득찬 상태로 정지하게 됩니다.

사이펀흐름 형성

필요시 방류밸브를 열면 수위차에 의해 다시 사이펀 흐름이 발생하며, 방류밸브를 잠그면 흐름이 멈춥니다.

사이펀 취수시설 물빼기

사이펀 취수시설의 물을 비울때는 방류밸브를 열기 전에 에어벤트를 엽니다. 에어벤트를 열면 음압인 사이펀 취수시설로 공기가 들어가  관내 압력을 대기압으로 만듭니다. 이때 방류부 관로는 방류밸브가 닫혀있으므로 빠져나가지 못하고 유입부 관로는 열려있으므로 제체 마루에서 저수지로 물이 빠져나가 유입부 관로는 물이 없게 됩니다. 그 후 방류밸브를 열어 방류부 관로의 물을 제거합니다. 유입관로와 방류관로 전영역에 물을 비워 겨울철 동파에 대비하거나 유지보수, 관리작업을 수행합니다.

사이펀 취수시설에 적용되는 관련 특허는 다음과 같습니다.
 사통·복통 대체용 다수의 취수구를 이용한 취수시스템(제10-1683462호)
 사통·복통 대체용 부력장치를 이용한 경동식 취수시스템(제10-1683464호)
 공기유입방지 및 고양정 흡입이 가능한 월류형 취배수 장치(제10-2008204호)
 싸이펀 작동 유발부를 가지는 싸이펀 장치(제10-1566915호)

사이펀취수시설 개요

소규모 농업용 저수지의 취수시설은 대부분 사통과 복통을 연결하는 구조로 되어 있습니다.
복통은 저수지 사수위보다 낮은 위치에, 저수지 중앙부를 관통하여 설치되어 큰 토압을 받는 상태이므로 내부 균열이 생긴다면 토사유출의 위험이 있고, 제체의 토사와는 이질적인 콘크리트 구조물이므로, 접촉면을 따라 유로가 형성될 수 있는 취약점이 있습니다.
또한 소규모 저수지에 설치된 복통은 내경 800mm미만으로 작아서, 정밀안전진단을 통한 노후도 파악과 보수・보강 등의 선제적 재해대비도 어렵습니다.

기존 취수시설(사통,복통)의 문제점

 

사이펀취수시설_개념도
<그림 I2> 사이펀 취수시설 개념도

기존 취수시설인 사통, 복통과 달리 제체를 관통하지 않고 사이펀 현상을 이용하여 제체 위를 월류하여 흐르기 때문에 노후화에 따른 제체 누수나 토사유출 등의 문제점을 근원적으로 없앤 취수시설입니다.
또한 밸브외의 동작하는 부분이 없어 고장이 적고 육상관리가 가능하므로 유지관리 비용도 적습니다. 복통 설치시보다 순공사비의 39%를 절감할 수 있고 유지관리비를 고려하여도 27%가 더 경제적이라고 평가되었습니다.(출처 : 농어촌공사 2017-05 지식나눔, 조절식 사이펀 여수로 개발)

사이펀취수시설_설명