1.1. 지하이동통로가 구비된 다기능어도의 연구배경

국내의 어도 연구는 시설분야 보다는 주로 물고기들의 종 의 개체수에 의한 분포도에 관한 내용들이 활발하게 진행되 어 왔다. 어도 건설 후 물고기들의 모니터링 분야는 어도의 구조가 어떤 어류의 이동 조건에 적절한지를 조사 하였으나 (^{Kim et al., 1994}; ¹⁹⁹⁶; Park, 2001a) 어도의 시설분야에 대한 연구는 대단히 미흡한 실정이다 (^{Park et al., 2008}; ^{Lee, 2011}). 물고기들의 이동시기가 계절적으로 갈수기인 산 란기에 적정한 규모의 지하이동통로의 안정성을 검증하였다 (^{Lee, 2013}).

하천 어도의 경우 국내의 하천특성 및 생태계의 특성을 반 영하지 못하였다 (^{Park, 2001}). 국내·외의 어도설치 사례 조사와 향후 우리나라 대형 댐에서의 어도설치에 관한 타당 성 여부를 연구하였다 (^{Ju, 2005}). 옵셋배플형 암거식 어도를 설치전과 비교에서 유속 1.2m/s 경우에는 높이 5cm의 옵셋 배플 설치 후 유속의 저감으로 피라미의 소상 성공률이 20% 개선됨을 확인하였다 (^{Park et al., 2008}). 한국형 다기능어도 시설물의 안정성 검토를 위하여 유속완화날개의 각도를 구 조해석 프로그램으로 규명하였다 (^{Kim, 2013}).

2012년 11월에 농수산식품부에서 주최한 1차 국가어도세 미나에 특별 초청된 일본의 전문가는 어도는 단순 블록이 아 닌 지하이동통로 등 시스템으로 구성되어야 함을 주장하였 다 (^{Watanabe Sigeru, 2012}).

기존에 건설된 어도의 가장 큰 문제는 국내 하천의 특징인 홍수 시 많은 수량으로 단 며칠만 어도 기능이 회복되고 산 란기가 계절적으로 갈수기로 물이 없기 때문에 물고기의 이 동이 불가능한 것이다. 이러한 문제점을 해결할 수 있는 유 일한 대체 어도는 다기능 어도이다 (^{Cho, 2013}). 다기능어도 는 홍수 때 유입되는 자갈, 모래, 토립자 등이 어도 내에 퇴 적되는 것을 막아주는 유입물 차단시설과 갈수기에도 물고 기의 이동이 가능한 지하이동통로, 상부 슬래브 어도, 집어 시설, 수문 등으로 구성된 어도 시스템이다 (^{Cho, 2013}). 어 도는 물고기들이 산란을 위해 바다에서 하천으로 또는 그 반 대 방향과 같은 하천의 상류나 하류로 이동이 가능하게 유영 력을 확보할 수 있는 최소한의 수심 확보가 필수적인 요건이 다. 다기능어도는 지하이동통로 구비로 적은 수량으로 4계절 어도 기능이 가동되는 것이 특징이다 (^{Kim, 2013}).

암거식 어도의 배플은 어류가 수로를 이동하는 동안 휴식 공간과 지속적인 저유속 조건을 유지하기 위해 설치된다 (^{McKinly and Webb, 1956}). 배플은 하천으로 흘러가는 나 뭇가지나 검불, 토사 등을 차단하여 수로 입구나 배플 사이 에 퇴적을 유발한다 (^{Baker and Votapka, 1990}). 뉴질랜드 의 어도 지침서는 물고기들의 유영특성을 다양하게 실험적 연구결과를 제시하였다 (^{Boubee et al., 1999}). 미국은 홍수 시에는 홍수 소통 기능, 평상시에는 어도기능이 발휘될 수 있도록 설계하고 있다 (^{Bates et al., 2003}).

국내는 어도의 시설분야에 관한 연구가 아직 미미한 수준 에 머물러 있으며 기존 건설된 대부분의 어도 문제점이 개선 된 다기능 어도에 대한 활발한 연구가 필요하다.

따라서 본 논문에서는 최근 건설된 다기능 어도의 해석된 자료의 검증을 위해 유속별, 지하이동통로 규격 및 재질별로 분류하여 상부슬래브, 측벽, 지하이동통로 출구부로 구분하 여 구조해석을 수행함으로써 건천에서 물고기의 이동이 용 이한 다기능 어도 관련 설계 지침 및 관리기준의 정립 자료 가 필요한 실정이다.

1.2. 연구의 내용 및 방법

본 논문에서는 다기능 어도의 안정성 검토를 위해 2010년 에 완공된 경북 구미시 봉곡천 (이하 봉곡천 어도라 칭함) (^{Gumi-Si, 2010})과 경북 울진군 기성면 척산천의 다기능 어 도 (^{Gyeongbuk Province, 2013}) 중에서 대표적으로 봉곡천 어도의 설계 규격을 검증의 비교 자료로 선정했다.

해석변수는 다기능어도의 상부슬래브 (지하이동통로의 천 정부에서 상부의 슬래브까지 높이)와 지하이동통로 출구부 (지하이동통로 상류 측 입구), 측벽 (하상 기초에서 보 까지 높이)등 3가지 부재의 안정성을 검토한다.

해석 변수는 봉곡천 어도의 실제 지하이동통로 규격인 가 로 × 세로 (1m × 0.4m) 와 상부 슬래브는 철근콘크리트+스 틸 슬래브 (Reinforced Concrete + Steel Concrete Slab, R/C+S/C Slab, 슬래브 두께 : 0.1m, steel 두께: 0.004m)이 다. 지하어도 재료는 철근콘크리트 슬래브 (Reinforced Concrete Slab, R/C Slab, 슬래브 두께 : 0.1m)와 R/C+S/C Slab,유속 은 피라미의 평균 유영력 1.2m/s를 기준하였으며 유속 변수 로 0.8m/s, 1.2m/s, 1.6m/s으로 지하이동통로 규격은 가로× 세로를 각각 1m × 0.2m, 1m × 0.4m, 1m × 0.6m로 결정하 여 구조해석을 통해 설계식과 비교하여 구조 안정성을 확인 한다.

2.1. 해석 개요

본 논문에서는 어도 콘크리트 슬래브 구조의 유속저항성 능에 영향을 미칠 수 있는 설계인자들의 영향을 검토하기 위 해 봉곡천 어도에 적용된 다기능 어도의 설계식과 3차원 구 조해석을 수행하였다.

Figs. 1, 2와 3은 구미시 봉곡천에 시공된 다기능 어도의 도 면이다. 상부슬래브의 R/C Slab, R/C+S/C Slab 중 R/C+S/C Slab에 적용된 강재는 STS 316으로서 두께는 0.004m이며, 상부슬래브의 구성 재료인 R/C나 R/C+S/C Slab에 시공된 콘크리트 두께가 0.33m일 때의 단면 형상과 다기능 어도 측 면 도면을 나타내었다. 여기서 B는 지하이동통로 규격의 가 로이고 H는 세로이다.

Fig 1.

R/C Slab

Fig 2.

R/C + S/C Slab

Fig 3.

Side View of Multi-functional Fishway

2.2. 초기하중 및 경계조건

본 논문의 목적은 실제 설계 수압에 대한 구조물설계이고 홍수 시 유속 0.8m/sec, 1.2m/sec, 1.6m/sec를 식 (1)과 같이 수압으로 변환하여 계산하여 적용했다.

여기서, P는 동압력, ρ는 밀도, υ는 유속이며, 경계조건으 로는 고정조건을 적용하였고, 수압을 받는 면을 지하이동통 로에 규격에 따라 Mesh를 분할하는 접촉조건을 부여했다. 어도 구조해석 변수는 Table 1과 같다.

2.3. 해석 모델링

실구조물을 가장 근사적으로 묘사할 수 있는 3차원 모델을 사용하였으며 범용 유한요소해석 프로그램인 SAP2000을 적 용하여 Shell요소를 사용하여 구조해석을 수행하였다. 대상 구조물의 재료 특성치로 철근과 콘크리트의 탄성계수는 Es = 2.0×10⁵MPa, Ec = 2.7×10⁴MPa, 포아송비는 0.3을 적용하였 다. 그리고 Shell 요소의 Mesh는 자동 분할된 체계를 사용하 였다.

다기능 어도의 모델링 형상은 Fig. 4와 같고 봉곡천 다기 능 어도의 설계식 규격은 Table 2와 같고 3차원 구조해석 조 건은 Table 3과 같다. Fig. 4(a)는 다기능 어도의 핵심기능인 산란을 위해 하천과 바다를 오고 가는 습성을 가진 회귀성 물고기들이 이동하는 시기가 계절적으로 갈수기이므로 이때 는 물의 양이 부족하므로 지하이동통로의 구비는 필수적이 다. 이때의 지하이동통로 출입구의 구조 검토를 위해 모델링 한 그림이다. Fig. 4(b)는 다기능 어도가 홍수 때는 상부 슬 래브가 유속 변화에 따른 영향을 분석하기 위해 모델링한 그 림이다.

Fig 4.

FEM modeling

3.1. 어도 안정성 해석 결과 및 분석

본 논문에서는 어도의 안정성 검토를 위해 지하이동통로 규격별, 유속별로 Full-Modeling 하여 R/C Slab와 R/C+S/C Slab 형태의 상부 슬래브 (지하이동통로의 천정부가 하부인 어도 상부에 있는 슬래브), 측벽 (어도시설물 상부슬래브의 좌측과 우측의 주벽 (폭 30cm)을 의미), 지하이동통로 출구 부 (어도를 기준으로 하천 상류에서 상부슬래브와 하부의 지 하이동통로가 시작하는 부분을 의미)의 최대 응력과 휨모멘 트를 검토하였다. 해석 결과는 응력과 휨모멘트의 최대값을 대표적으로 Table 4와 5에 나타내었다.

Table 4.

The Maximum Stress of Exit Part

R/C + S/C Slab (1m 0.6m, 1.6m/s)
Maximum Stress	1.564MPa
Allowed Stress	9.6MPa

Table 5.

The Bending moment of Exit Part

R/C + S/C Slab (1m × 0.6m, 1.6m/s)
Bending moment	6.580N·mm

3.2. R/C Slab형태와 R/C + S/C Slab형태의 응력 분석

Fig. 5는 해석변수 상부 슬래브에 대한 유속과 지하이동통 로 규격과 재료별 각각의 최대 응력값을 나타낸 것이다. 지 하이동통로 규격별로 비슷한 경향을 보였으며 유속이 1.6m/s 일 때 지하이동통로 규격이 1m×0.4m 보다 1m×0.6m일 경우 R/C Slab의 최대응력이 64%, 지하이동통로 규격이 1m×0.6m 일 경우 R/C+S/C Slab의 최대응력이 55% 적게 나타났다. 분석 결과 R/C Slab, R/C+S/C Slab 1m×0.2m, 1m×0.6m일 때가 봉곡천 어도의 지하이동통로 규격인 1m×0.4m 보다 최 대 응력이 유리하므로 봉곡천 어도의 상부 슬래브에 보완이 요구되는 것으로 판단된다.

Fig 5.

Comparison of Maximum Stress Analysis between R/C Slab and R/C+S/C Slab by Velocity

Fig. 6은 해석변수 측벽에 대한 유속과 지하이동통로 규격 과 재료별 각각의 최대 응력값을 나타낸 것이다. R/C Slab와 R/C+S/C Slab는 유속별로 비슷한 경향을 보였으며 유속이 1.6m/s일 때 지하이동통로 규격이 1m×0.4m 보다 1m×0.6m 일 경우 R/C Slab의 최대응력이 65%, 지하이동통로 규격이 1m×0.6m일 경우 R/C+S/C Slab의 최대응력이 49% 적게 나 타났다. 측벽 분석 결과 R/C Slab, R/C+S/C Slab 1m×0.2m, 1m×0.6m일 때가 봉곡천 어도의 지하이동통로 규격인 1m×0.4m 보다 최대 응력이 유리하므로 봉곡천 어도의 측벽에 보완이 요구되는 것으로 판단된다.

Fig 6.

Comparison of Maximum Stress Analysis between R/C Sidewall and R/C+S/C Sidewall by Velocity

지하이동통로 출구의 규격이 가로가 1m이고 세로 0.2m, 0.4m, 0.6m인데 이는 일반 교량과 같은 내하력이 큰 현장구 조물보다는 현저하게 형상이 작은 조건이므로 구조해석의 특성상 이상화 해석에 의한 요인 범주이므로 응력차이가 미 미한 것으로 추측될 수 있다. 그러나 국가 하천이나 댐 같은 경우에 어도 설계 시에는 보다 적극적인 현장 조건대로의 각 종 수리 모형시험과 병행해서 수리 및 구조전용 S/W에 의한 검토가 반드시 필요한 것으로 판단된다.

Fig. 7은 해석변수 지하이동통로 출구부에 대한 유속과 지 하이동통로 규격과 재료별 각각의 최대 응력값을 나타낸 것 이다. 유속이 1.6m/s일 때 지하이동통로 규격이 1m×0.4m 보다 1m×0.6m일 경우 R/C Slab의 최대응력이 2.5배, 지하 이동통로 규격이 1m×0.6m일 경우 R/C+S/C Slab의 최대응 력이 1.1배 크게 나타났다. 분석결과 지하이동통로 규격 1m×0.6m 보다 봉곡천 어도의 지하이동통로 규격인 1m×0.4m 가 최대 응력이 유리하므로 봉곡천 어도의 지하이동통로 출 구부 안정성이 유리한 것으로 판단된다.

Fig 7.

Comparison of Maximum Stress Analysis between R/C Exit Part and R/C+S/C Exit Part by Velocity

Fig. 8은 해석변수 상부 슬래브에 대한 유속과 지하이동통 로 규격과 재료별 각각의 휨모멘트 값을 나타낸 것이다. 지 하이동통로 규격별로 비슷한 경향을 보였으며 유속이 1.6m/s 일 때 지하이동통로 규격이 1m×0.4m 보다 1m×0.2m일 경 우 R/C Slab의 휨모멘트가 37%, 지하이동통로 규격이 1m×0.2m 일 경우 R/C+S/C Slab의 휨모멘트가 20% 적게 나타났다. 분석 결과 R/C Slab, R/C+S/C Slab 1m×0.2m, 1m×0.6m일 때가 봉곡천 어도의 지하이동통로 규격인 1m×0.4m 보다 휨 모멘트가 유리하므로 봉곡천 어도의 상부 슬래브에 보완이 요구되는 것으로 판단된다.

Fig 8.

Comparison of Bending moment Analysis between R/C Slab and R/C+S/C Slab by Velocity

Fig. 9는 해석변수 측벽에 대한 유속과 지하이동통로 규격 과 재료별 각각의 휨모멘트 값을 나타낸 것이다. 유속이 1.6m/s일 때 지하이동통로 규격이 1m×0.4m 보다 1m×0.2m 일 경우 R/C Slab의 휨모멘트가 7% 크게, 지하이동통로 규격 이 1m×0.6m일 경우 R/C+S/C Slab의 휨모멘트가 53% 적게 나타났다. 측벽 분석 결과 R/C Slab, R/C+S/C Slab 1m×0.6m 일 때 봉곡천 어도의 지하이동통로 규격인 1m×0.4m 보다 휨모멘트가 크므로 봉곡천 어도의 측벽에 보완이 요구되는 것으로 판단된다.

Fig 9.

Comparison of Bending moment Analysis between R/C Sidewall and R/C+S/C Sidewall by Velocity

Fig. 10은 해석변수 지하이동통로 출구부에 대한 유속과 지하이동통로 규격과 재료별 각각의 휨모멘트 값을 나타낸 것 이다. 지하이동통로 규격별로 비슷한 경향을 보였으며 유속이 1.6m/s일 때 지하이동통로 규격이 1m×0.4m 보다 1m×0.6m 일 경우 R/C Slab의 휨모멘트가 4배, 지하이동통로 규격이 1m×0.2m, 1m×0.4m일 경우 R/C+S/C Slab의 휨모멘트가 1.5배 크게 나타났다. 분석결과 지하이동통로 규격 1m×0.6m 보다 봉곡천 어도의 지하이동통로 규격인 1m×0.4m의 휨모 멘트가 유리하므로 봉곡천 어도의 지하이동통로 출구부 안 정성이 유리한 것으로 판단된다.

Fig 10.

Comparison of Bending moment Analysis between R/C Exit Part and R/C+S/C Exit Part by Velocity

봉곡천 어도를 구조 해석한 결과 지하이동통로 규격 1m×0.4m, R/C+S/C Slab를 기준으로 상부 슬래브의 최대응력과 휨모 멘트는 각각 55%, 20%, 측벽은 49%, 53% 적게, 지하이동 통로 출구부는 1.1배, 1.5배 크게 나타났기 때문에 봉곡천 어 도의 보완이 요구되는 것으로 판단된다.

3.3. 해석 결과와 설계식과의 비교

3.4. 유지관리 방안

기존 건설된 어도들의 대부분 형식은 조립형 블록 어도로 홍수 때 수반되는 모래, 자갈, 나무토막, 비닐 등의 유입물을 차단하는 시설이 없어 어도 기능을 마비시키는 심각한 문제 점은 아예 유지관리 자체가 태생적으로 불가능한 형태이다. 이와 같은 문제점은 국가적인 차원에서 시급히 개선되어야 할 과제이다.

위와 같은 유지관리 방안을 근본적으로 해결하기 위한 대 안은 Fig. 11처럼 다기능 어도는 시스템으로 구성되어 있다. Fig. 11은 다기능어도의 평면도로서 상류 어도 출구가 유입 물로 봉쇄되는 문제를 방지하는 3단계 유입물 차단시설로 문제점 해결이 가능하다. Fig. 11의 1은 유입물 차단시설로 태풍, 홍수 때 증가된 물의 양과 동시에 유입되는 모래, 자 갈, 큰 돌, 나무토막 등 큰 유입물들을 차단시키는 기능이다. 여기에서 모래나 자갈들은 침전시켜 어도 입구의 퇴적을 방 지시키는 중요한 역할을 한다. 2는 철재로 구성되어 스크린 형상으로 비닐, 큰 풀 종류, 나뭇가지, 섬유질 쓰레기 등과 물위에 뜨는 조각 등을 거르는 기능을 수행한다. 3은 지하이 동통로의 유입물 차단시설이다. 작은 토립자들이 1과 2를 통 과했을 경우 어도 입구의 마지막 단계에서 거르는 스크린 형 태의 차단 시설이다. 이와 같은 시스템은 유지관리가 필요 없으므로 효율성이 높은 특징을 갖고 있다.

Fig 11.

3 Step Sediment blocking device

또한 이와 같은 유입물 차단시설도 설계 단계에서 3차원 구조해석을 통한 안정성 확보가 시급한 것으로 판단되며 국 가적인 차원에서 제도화가 요구되는 것이다.