콘크리트 댐

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배경

콘크리트 댐은 네 가지 기본 형태로 건설됩니다. 콘크리트 중력 댐은 강도로 무게를 가지고 있습니다. 이 댐의 단면은 삼각형 모양이며, 넓은 바닥은 댐 높이의 약 3/4입니다. 댐 상류의 저수지에 있는 물은 수평으로 댐을 밀고 중력 댐의 무게는 아래쪽으로 밀어 수압을 상쇄합니다. 콘크리트 버트레스 댐은 또한 물의 힘에 저항하기 위해 무게를 사용합니다. 그러나 폭이 좁고 하류측 댐의 기단부 또는 토우부에 부벽이 있다. 이 버트레스는 대성당 벽을 지지하는 "플라잉 버트레스(flying buttress)"와 같이 댐 표면에서 확장된 좁은 벽일 수 있거나 댐의 발가락 너비를 따라 지어질 수 있는 짧은 댐과 같은 단일 버트레스일 수 있습니다.

아치 댐은 가장 우아한 토목 공학 구조물 중 하나입니다. 단면적으로는 댐의 폭이 좁지만 위에서 보면 아치가 물을 향하고 곡선의 사발이 하류로 보이도록 곡선을 이루고 있다. 이 디자인은 콘크리트의 특성을 강도로 사용합니다. 콘크리트는 인장(당기거나 늘어날 때)에는 강하지 않지만 압축(밀거나 내리거나 할 때)에는 매우 강합니다. 아치 댐은 뒤에 있는 물의 무게를 사용하여 콘크리트를 밀고 모든 조인트를 닫습니다. 물의 힘은 댐 설계의 일부입니다. 아치형 중력 댐은 이름에서 알 수 있듯이 아치형과 중력형의 조합입니다. 더 넓은 아치 모양입니다. 다중 아치 댐은 아치 및 버트레스 설계 기술과 버트레스가 지원하는 다수의 단일 아치를 결합합니다.

콘크리트 댐은 수문(수문이라고도 함)이나 다른 종류의 출구 구조가 콘크리트에 내장되어 제어된 방식으로 저수지에서 물을 방출할 수 있기 때문에 수력 발전을 위해 채우기 댐보다 더 자주 사용됩니다. 전력용수, 식수 또는 관개용수가 하류에 필요할 때 지정된 시간 동안 필요한 양을 방출하기 위해 수문을 열 수 있습니다. 강 하류로 물이 계속 흐르도록 하여 물고기와 다른 야생 동물이 생존할 수 있습니다. 콘크리트 댐과 성토 댐 모두 비상 여수로가 있어야 물이 댐의 상단이나 능선 위로 흘러 잠재적으로 침식되기 전에 홍수가 안전하게 하류로 방출될 수 있습니다. 배수로는 댐과 기초가 침식되지 않도록 댐의 바닥이나 발가락 아래로 물을 하류로 흐르게 합니다.

20세기에 건설된 대부분의 댐과 현재 설계 중인 댐은 여러 가지 목적을 가지고 있습니다. 45피트(15m) 이상이고 대형 댐으로 분류되는 40,000개 이상의 댐이 존재하며 이 중 절반 이상이 1960년 이후 건설되었습니다. 이 댐 중 16%가 미국에 있고 52%가 중국에 있습니다. 83%는 주로 물 저장을 위해 사용되는 채우기 댐이고 나머지 17%는 다목적용 콘크리트 또는 석조 댐입니다. 수력발전을 생산하는 댐은 전 세계 전력의 20%를 생산합니다.

연혁

채우기 댐은 콘크리트 또는 석조 댐보다 훨씬 오래된 건설 기술일 수 있지만 가장 오래 살아남은 댐은 이집트 카이로에서 남쪽으로 약 32km 떨어진 Sadd el Kafara입니다. 이 댐은 실제로 자갈로 채워진 공간이 있는 두 개의 석조 벽으로 구성된 합성물입니다. 기원전 2,950년에서 2,750년 사이에 <작은> 건설되었습니다.

고대 로마인들은 석조 건축을 위한 우수한 기술을 개발했지만 이상하게도 댐 건설에 석조 기술을 자주 사용하지 않았습니다. 예외는 스페인 메리다에 있는 프로세르피나 댐으로 오늘날에도 여전히 서 있습니다. 다른 사람들은 로마인들의 발전을 간과하지 않았습니다. 약 550년 서기 , 로마 제국의 동쪽 변두리에 있는 비잔틴 사람들은 로마 석조 아치의 모양을 사용하여 역사가 세계 최초의 아치 중력 댐이라고 믿는 것을 건설했습니다. 댐 건설은 정복자들과 함께 미국에 들어왔습니다. 멕시코에서 그들은 관개가 필요한 마른 땅을 보고 로마인, 이슬람교도, 스페인 기독교인이 고국에 건설한 댐을 모방했습니다. 가톨릭 교회는 건축 자금을 지원했으며 많은 선교사들은 숙련된 기술자였습니다.

댐 건설은 산업 혁명 이전까지 유럽에서 드물었습니다. 북부 기후는 강우량이 많아 자연적으로 수력이 발생하고 물 공급이 풍부했습니다. 그러나 18세기에 산업의 부상으로 더 큰 힘으로 공급되는 지속적이고 안정적인 수력 공급이 필요했기 때문에 석조 및 콘크리트 댐 건설이 유럽에서 인기를 얻었습니다. 산업 혁명은 또한 과학 및 공학의 발전을 촉진했으며 삶의 질을 향상시키기 위해 구조물을 설계하고 건축하는 것을 포함하는 토목 공학 전문 분야가 1850년대에 등장했습니다. 초기 토목 기사들은 아이작 뉴턴 경의 물리학 및 기타 과학 이론을 연구하고 댐을 포함한 실제 구조에 적용하기 시작했습니다.

1911년 9월 30일 붕괴된 펜실베니아 주 오스틴 댐의 잔해

1911년 9월 30일, 펜실베니아 중북부의 산악 지대에 있는 오스틴 타운(인구 3,200명)은 좁고 울퉁불퉁한 성벽으로 흘러들어가는 계곡을 통해 요란하게 흐르는 급류에 의해 황폐화되었습니다. 강제로 거리 아래에서 가스 본관을 찢었습니다. 그리고 물의 벽이 통과하자마자 잘못된 화염이 가스에 불이 붙었고 30년 된 Austin 마을의 유적 전체에 걸쳐 가스 파이프에서 가스 파이프로 그리고 집에서 건물로 불이 번졌습니다. 초기 보고서에 따르면 1,000명이 사망했다고 주장했지만 나중에 정보에 따르면 사망자 수는 50명에서 149명 사이였습니다. 이 슬픔의 근원은 오스틴의 생계 수단이기도 했습니다. Bayless Pulp and Paper Mill은 1909년에 건설한 콘크리트 댐을 소유하여 물 집약적인 펄프 및 제지 사업을 위한 물 저장 저장소를 제공했습니다. 1910년 1월에 이 재해의 전조가 있었는데, 심한 겨울 비와 눈이 녹은 후 댐에서 균열이 관찰되었을 때였습니다. 균열은 수리되었지만 구조물의 기초, 설계 및 시공과 관련된 문제의 징후로 인식되지 않았습니다.

1909-10년의 겨울이 다가옴에 따라 댐은 여전히 ​​건설 중이었습니다. 일부 콘크리트 타설 당시 기온이 영하로 떨어졌고, 공사의 막바지 공사가 서둘러 마무리됐다. 댐은 1909년 12월 1일경에 완공되었으며 공사가 완료되었을 때 댐의 능선에서 지면까지 수직으로 갈라진 틈이 보였다. 이달 말에 두 번째 균열이 나타났습니다. 두 균열 모두 콘크리트의 수축으로 인한 것으로 보입니다. 1910년 1월 17일, 따뜻한 폭풍우로 인해 폭우가 쏟아지고 눈이 급격히 녹았고 4일 후 배수로 위로 홍수가 쏟아졌습니다.

Austin Dam의 모든 기술적 측면은 열악했습니다. 건설 실패는 명백했고 얼어붙은 날씨에 부적절하게 양생된 콘크리트에 박힌 약한 대형 골재의 사용을 포함했습니다. 1910년 1월 붕괴사고가 났을 때 댐 구조와 기반암이 붕괴된 것으로 나타났다. 소유자/운영자가 엔지니어의 권장 수리를 무시하는 것은 치명적인 결과였습니다.

원료

콘크리트 댐의 주요 원료는 콘크리트 자체와 철근입니다. 전문 계약자가 만든 많은 다른 재료 및 구성 요소가 댐 건설에 사용될 수 있으며 여기에는 강철 게이트 및 터널 라이너, 고무 방수, 물의 이동을 방지하는 플라스틱 조인트 충전 화합물, 전기 제어 및 배선, 사이펀, 밸브, 발전기가 포함됩니다. , 다양한 기기, 그리고 난류 및 캐비테이션(물 소용돌이로 인한 손상)을 방지하기 위해 물 배출구 구조에 테프론 시트까지 적용했습니다.

콘크리트 자체는 시멘트, 물, 그리고 모래나 자갈로 구성된 집합체라고 하는 재료로 만들어집니다. 시멘트는 시멘트의 선택, 댐의 설계, 시공시기 등을 고려할 때 반드시 고려해야 하는 고유한 특성을 가지고 있습니다. 시멘트와 물의 혼합은 콘크리트를 단단하게 만들지만 열을 방출하는 화학 반응을 일으킵니다. 이로 인해 콘크리트 덩어리 내부의 온도가 뚜렷하게 상승하고, 콘크리트가 냉각되기 시작하면 수축 및 균열이 발생하여 누수가 발생할 수 있습니다. 이러한 효과를 제한하기 위해 공기 온도가 낮을 ​​때 콘크리트를 타설할 수 있고, 저열 시멘트를 사용할 수 있으며, 콘크리트의 파이프를 통해 물을 순환시킬 수 있습니다. 또한 콘크리트는 얕은 리프트(즉, 한 번에 몇 피트 또는 미터만 추가됨)와 좁은 블록에 배치해야 합니다. 그런 다음 지정된 최소 시간 동안 경화되어 열이 발산되도록 해야 합니다. 댐의 설계에 따라 엔지니어는 콘크리트 혼합물(시멘트 및 골재 유형 포함)을 매우 신중하게 선택합니다. 얇은 아치형 댐은 거대한 중력 댐과 다른 콘크리트 혼합물로 설계되었습니다.

디자인

콘크리트 댐의 설계는 댐의 목적과 건설될 부지의 구성에 따라 다릅니다. 댐에는 두 가지 일반적인 유형이 있습니다. 오버플로 댐은 하천의 흐름을 차단하고 전력을 생성하거나 항해를 개선하고 관개용수를 제공하기 위해 물을 이용합니다. 범람 댐의 구성 요소는 물이 방출될 수 있도록 설계되었으며 저수지의 수위는 일련의 수문, 배수로 또는 출구 터널에 의해 조절됩니다. 넘침 방지 댐은 식수 공급, 관개 또는 전력 공급을 위해 물을 저장합니다. 그들은 또한 방수로를 가지고 있지만 홍수 동안 수위를 빠르게 낮추기 위해 비상시에는 사용이 제한됩니다. 저장된 물을 방출하는 방법은 오버플로 댐보다 훨씬 제한적이며 댐 자체에는 유출 구조가 없을 수 있습니다. 대신, 예를 들어 저수지의 일부에서 관개를 위해 물을 펌핑할 수 있습니다.

일부 사이트는 특정 유형의 댐에 가장 적합합니다. 아치 댐은 구조적 형태의 아치가 강도를 제공하는 높고 좁은 협곡 건설에 가장 적합합니다. 그러나 아치는 댐 바닥의 마찰과 같은 다른 효과가 움직임에 대한 강도와 저항을 추가하는 더 넓은 협곡을 가로질러 건설할 수도 있습니다. 유사하게, 중력 댐은 얕고 넓은 협곡에 대한 전형적인 선택이지만, 만약 그것이 약간의 곡률로 건설된다면, 아치형 동작은 또한 더 좁고 높은 협곡에서 중력 댐을 강화할 것입니다. 강바닥이 예외적으로 넓은 경우 댐은 기초 재료의 변화에 ​​따라 각기 다른 공학적 특성을 갖는 여러 경간을 갖도록 설계될 수 있습니다. 별도의 스팬은 일반적으로 버트레스 또는 다중 아치의 확장된 곡선에 의해 하류(공기) 측에서 지지됩니다. 때때로 다중 스팬 댐의 스팬은 교각에 지지되는 콘크리트 슬래브 또는 강판으로 구성됩니다.

채우기 댐과 마찬가지로 콘크리트 댐은 부지를 선택 및 탐색하고 보유된 물의 양과 그 가치(전원 또는 공급원으로서) 대 프로젝트 비용을 평가하기 위해 광범위한 예비 설계 및 타당성 조사를 거칩니다. 예상 운영 년수, 환경 변화와 같은 다양한 기타 영향을 고려하고 최적의 크기와 구성의 댐을 선택합니다. 수백 가지 요인이 이러한 연구에 포함되며 프로세스는 일반적으로 반복적입니다. 설계는 하나 이상의 요인을 충족하지 못할 때까지 이러한 모든 요인에 대해 선택되고 테스트되며, 실패하거나 통과할 때까지 설계의 다음 변형이 선택되고 연구됩니다.

콘크리트 댐의 설계 프로세스에는 일반적으로 성토 댐 설계보다 더 광범위한 분야의 전문가가 포함됩니다. 콘크리트 댐 설계에 전문 지식을 제공하는 기술 전문가에는 지질학자, 지진학자, 환경 과학자, 지반 공학(토양) 엔지니어, 토목 엔지니어, 구조 엔지니어, 컴퓨터 분석가(댐의 강도와 안전성을 검사하는 소프트웨어 응용 프로그램 전문가), 댐이 발전에 사용되는 경우 수문학자 및 수력 엔지니어, 기계 엔지니어 및 전기 엔지니어. 더 많은 전문가들이 콘크리트 및 철골 구조물의 부식과 같은 측면을 연구할 수 있습니다. 댐 설계 및 건설에 필요한 팀워크는 이러한 프로젝트의 막대한 비용뿐만 아니라 안전이 중요하기 때문에 중요합니다. 전형적인 콘크리트 아치 중력 댐 계획의 예. 사람과 재산의 다운스트림은 완벽을 요구합니다.

건설 과정

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댐에서 공사를 시작하기 전에 하천 바닥의 물을 우회하거나 현장을 흐르는 것을 막아야 합니다. 채우기 댐의 경우와 마찬가지로 코퍼 댐(물을 저장하기 위한 임시 구조)을 건설하거나 물을 댐 부지에서 하류로 다른 수로 또는 지역으로 우회해야 합니다. 대규모 프로젝트의 경우 이 건설은 댐 건설이 시작되기 몇 시즌 전에 완료될 수 있습니다. 물의 흐름은 마지막 순간에 차단됩니다.

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콘크리트 댐의 기초 영역은 댐의 첫 번째 콘크리트가 타설되기 전에 흠이 없어야 합니다. 성토댐의 경우 이는 기초 "발자국" 전체와 양쪽 교대(댐의 끝을 형성하는 협곡의 측면) 전체에 걸쳐 암석을 굴착, 청소 및 수리하는 상세한 과정입니다. 발전소, 정수장 또는 기타 구조물을 위한 댐 바로 하류의 부지도 준비해야 합니다.

일부 사이트에서는 광범위한 작업이 필요할 수 있습니다. 기초 또는 교대의 암석이 댐 및 저수지에 의해 부과되는 하중, 지진 활동 또는 암석의 특성으로 인해 부서지기 쉬운 경우, 다음과 같은 광범위한 암석 볼트 또는 앵커 볼트 시스템을 설치해야 할 수 있습니다. 잠재적인 균열 영역을 통해 암석에 그라우트. 댐 위의 교대에서 큰 암석 파편이 댐으로 떨어지는 것을 방지하기 위해 암석 볼트와 그물 시스템이 필요할 수 있습니다. 기초 준비 초기부터 댐 완공까지 지하수위, 절리 이동, 잠재적 침투, 사면 이동 및 지진 활동을 모니터링하는 장비가 설치됩니다.

차단 벽은 암석 깊숙이 파내거나 기초에 구멍을 뚫어 철근이라고 하는 강화 강철을 설치할 수 있습니다. 이 구멍은 댐까지 확장되고 댐의 첫 번째 리프트 내부의 강철에 묶입니다. 아이디어는 그릇처럼 주변이 균일한 저수지를 만드는 것입니다. 물은 댐에서 가장 깊고 무거우므로(저수지가 거의 용량에 가까울 때) 댐과 그 기초는 그 주변에서 약점이 될 수 없습니다.

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댐의 각 부분의 가장자리를 따라 나무 또는 강철로 만든 거푸집이 건설됩니다. 보강 철근은 거푸집 내부에 배치되고 이전에 설치된 인접 보강 철근에 연결됩니다. 그런 다음 콘크리트를 붓거나 펌핑합니다. 각 콘크리트 리프트의 높이는 일반적으로 5-10피트(1.5-3m)이고 한 단위로 부어야 하는 각 댐 섹션의 길이와 너비는 약 50피트( 15m). 댐을 섹션별로 올리고 리프트로 들어올리는 방식으로 건설이 계속됩니다. 일부 주요 댐은 구조용 강철 연결뿐만 아니라 인접한 블록을 연결하는 키 또는 인터록이 있는 블록이라고 하는 섹션에 건설됩니다.

이 과정은 댐의 내부 공간이 훨씬 적다는 점을 제외하면 건물을 짓는 것과 비슷합니다. 그러나 놀랍게도 주요 콘크리트 댐에는 다양한 수준의 관측실이 있어 댐 내부의 상태를 누출 및 이동을 관찰할 수 있습니다. 입구 및 출구 터널 또는 기타 구조물도 콘크리트 댐을 통과하므로 댐의 질량을 관통하는 구조물이 가능한 적은 수의 성토댐과 매우 다릅니다.

댐의 상당 부분이 건설되는 즉시 저수지를 채우는 과정이 시작될 수 있습니다. 이것은 댐의 응력을 평가하고 초기 성능을 관찰하기 위해 고도로 통제된 방식으로 수행됩니다. 댐 건설에 두 번 이상의 건설 기간이 소요되는 경우 임시 비상 여수로가 건설됩니다. 긴 건설은 일반적으로 단계라고 하는 단계로 이루어지지만 각 단계는 그 자체로 완전히 완성되어 운영되는 댐입니다. 상류 코퍼 댐은 임시 예방 조치로 제자리에 남아있을 수 있지만 일반적으로 최소 하천 흐름과 강우량 이상을 유지하도록 설계되지 않았으며 가능한 한 빨리 해체됩니다. 설계에 따라 일부 댐은 건설이 본질적으로 완료될 때까지 채워지지 않습니다.

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댐을 작동시키는 다른 구조물은 댐이 상승하면서 해당 위치의 고도에 도달하는 즉시 추가됩니다. 최종 구성 요소는 댐의 상류(물) 쪽(때로는 출구 구조의 기초에서 하류)의 침식 방지, 댐의 마루(상단)를 따라 있는 도구 및 도로, 인도, 가로등 및 옹벽입니다. 벽. 후버 댐과 같은 주요 댐은 정상을 따라 본격적인 도로가 있습니다. 작은 댐에는 차량의 단일 파일 액세스만 허용하는 유지 관리 도로가 있습니다.

전형적인 콘크리트 아치 중력 댐의 단면. 높이는 85m(280피트)입니다. 두께는 상단의 16피트(4.9m)에서 하단의 184피트(56m)로 증가합니다.

댐 자체를 떠나 발전소, 계기 건물, 댐의 상주 운영자를 위한 주택도 완성됩니다. 댐의 모든 시설에 대한 초기 테스트가 수행됩니다.

댐이 가동되면서 건설의 최종 세부 사항이 마무리됩니다. 댐의 작동 수명 시작도 신중하게 설계 항목으로 계획되어, 예를 들어 공급 시스템이 펌프를 사용하여 하류로 파이프할 준비가 되는 즉시 저수지에 물을 사용할 수 있도록 했습니다. 운영 프로그램, 일상적인 유지 관리, 복구, 안전 점검, 기기 모니터링 및 상세한 관찰 프로그램은 계속될 것이며 댐이 존재하는 한 법적 의무 사항입니다.

품질 관리

철저한 품질 관리 없이는 댐 건설도 없습니다. 혼자 건설하는 과정은 중장비와 건설 노동자와 대중에게 위험한 조건을 수반합니다. 댐 하류에 사는 인구는 구조물 자체에서 보호되어야 합니다. 이 프로젝트를 설계하고 건설하는 전문가들은 안전에 절대적으로 전념하며 댐 안전국, 미국 공병대 및 매립부와 같은 지역, 주 및 연방 기관에서 모니터링합니다.

부산물/폐기물

댐 설계나 건설에는 부산물이 없지만 프로젝트를 작동시키기 위해서는 많은 다른 관련 시설이나 지원 시설이 필요할 수 있습니다. 폐기물을 허용하기에는 재료가 너무 비싸기 때문에 폐기물도 최소화됩니다. 또한 위치가 멀리 떨어져 있는 경우가 많으며 사이트에서 폐기물을 운반하고 처리하는 프로세스가 엄두도 못 냅니다. 기초 지역, 하류 부지, 교대 또는 저수지의 일부에서 굴착될 수 있는 토양 및 암석은 일반적으로 프로젝트 부지의 다른 곳에서 사용됩니다. 잘라내거나 채우기로 배치된 재료의 양은 균형을 맞추기 위해 신중하게 계산됩니다.

미래

콘크리트 댐의 미래는 많은 논쟁의 대상입니다. 매년 100,000명 이상의 인명 피해가 발생하고 있으며, 홍수 조절은 댐을 건설하는 주요 이유일 뿐만 아니라 범람으로부터 하구를 보호하고 항해를 개선합니다. 댐은 관개 밭과 식수에 물을 공급하고 수력 발전은 무공해 전력 공급원이기 때문에 댐으로 인해 생명도 수혜를 입습니다. 저수지는 레크리에이션, 관광 및 어업을 즐기기도 합니다.

그러나 댐은 환경에도 해를 끼칩니다. 생태계를 변화시키고, 숲과 야생동물(멸종위기종 포함)을 익사시키고, 수질 및 침전 패턴을 변화시키고, 농경지와 비옥한 토양의 손실을 일으키고, 강의 흐름을 조절하고, 질병을 퍼뜨릴 수 있습니다(질병을 옮기는 곤충의 서식지인 대규모 저수지를 생성함으로써). ), 그리고 아마도 기후에 영향을 미칠 수도 있습니다. 또한 인구가 이주하고 만족스럽게 재정착하지 못하기 때문에 부정적인 사회적 영향도 있습니다.

1994년 중국 삼협댐 건설이 시작되기 몇 년 전부터 전 세계 환경 운동가들은 이 거대한 프로젝트를 중단하기 위해 시위를 조직했습니다. 그들은 성공하지 못했지만 이 프로젝트에 대한 논쟁은 제안된 모든 댐이 미래에 직면하게 될 주장을 대표합니다. 물, 전력, 홍수 조절에 대한 인간의 요구를 충족시키는 것과 인간의 박멸이나 침해로부터 환경을 보호하는 것 사이의 균형은 신중하게 저울질되어야 합니다.