63. 압력터널(pressure tunnel)

 수력발전소의 사명은 기본 전원으로서 화력,원자력에 대한 최대 부하부분을 담당하는 것이므로 부하의 변동에 즉시 대처하는 것이 필요하다. 이 때문에 어느 정도 용량의 조정지가 필요하고 조정지와 발전소를 연결하는 도수로는 압력수로가 아니면 안되며, 이 압력도수로 중에서 압력조절수조, 수압철관을 제외한 부분이 압력터널이다. 압력터널은 취수구에서 취수한 물을 작은 손실수두로 안전하게 도수하는 것을 목적으로 하는 구조물의 한 형체이며, 여기서 압력터널의 위치는 표 63-1의 고딕 문자에 해당한다.

표 63-1 압력터널 위치

자유공간을 가지는 보통 터널과 비교하여 주변장에 수압이 작용하고 있기 때문에 철도, 도로터널 등과 근본적으로 차이가 있다. 자유수면을 가진 수로터널도 수심 해당분의 수압을 받지만 이것은 압력터널이라고는 하지 않는다.

예를 들면 미국에서는 취수구 수조 사이를 도수로 (headrace), 수차 방수구 사이를 방수로(tailrace)라 하고, head, tail 이라는 개념을 명확히 하고 있지만, 일본에서는 일반적으로 전자와 같이 자유수면이 없는 도수로를 압력터널, 후자를 방수로라 하고 있다. 그러나, 방수로에서도 자유수면이 없는 터널이면 압력터널이라 한다.

양수발전소의 경우에는 물의 흐름이 상하 조정지 사이에서 순류,역류하기 때문에 head, tail의 개념은 바꾸어진다. 현재에서는 이같은 정의는 애매모호하여 명확하지는 않다(그림 63-1 참조)

내면엣 수압하중을 받기 때문에 통수단면형은 원형이 좋지만, 일번적으로 굴착단면을 효과적인 통수단면으로 이용하기 위하여 마제형 단면으로 하는 경우가 많다. 그러나 마제형 단면은 측벽과 인버트와의 변곡점 부근에 응력이 집중되기 때문에 이 부분에 작은 원호를 두어 연속곡선으로 하는 경우가 있는데 이것은 외압에 대해서도 효과적이다.(그림 63-2 참조)

터널을 도수로에 사용하면 일반 터널과 같이 산지를 직선으로 관통하여 총연장을 단축하므로 손실수두의 측면에서는 유리하다. 도수로 터널은 구조상의 안전과 물과의 접촉면에서의 마찰손실을 감소하기 위해서 콘크리트로 파이닝을 하면 무라이닝 터널 보다는 마찰손실이 작다. 따라서 콘크리트는 강도 외에 마무리면을 미끄럽게 하는 것이 필요하다.

최근에는 콘크리트 타설기술이 진보하고 특히 강제거푸집을 사용하여 적절히 시공된 경우는 Kutter의 조도계수 n을 0.012 정도로 한다.

내외압을 고려하여 철근콘크리트 구조로 하는 것이 일반적이지만, 특히 내압이 크고 피복이 얇은 곳에서는 누수가 염려가 있기 때문에 콘크리트 또는 무라이닝 터널 속에 철관을 삽입(실제로는 터널속에 철관을 설치하고 그 주위를 콘크리트로 충진하여 일체화한다)하는 경우가 있다. 이 경우에는 철관은 외수압을 받는 얇은 원통으로 되기 때문에 외면을 보강재로 보강하는 것이 많다.

내압에 대한 라이닝 콘크리트의 응력계산법으로서 Otto Frey-Baer의 법이 있다. 이 방법은 콘크리트를 두꺼운 원통으로 고려하고 암체는 등방성 탄성체로서 그 속에 구멍이 뚫려있는 것으로 하며, 경계조건으로 콘트리트와 암반의 접축명에는 마찰력이 작용하지 않는다는 가정하에 이 면에서의 콘크리트와 암체의 반경 방향 변위 및 방향력이 각각 같은 것으로 계산한다. 이 식에 한정되 압력터널의 응력계산에서는 암체의 탄성계수와 콘크리트 두께/내경 비가 큰 요소로 되어 있다. 후자는 문제가 없지만, 전자의 추정은 부분적으로 실측을 했다 하여도 전길이에 걸친 판단은 곤란하다. 어느 경우에도 지반의 탄성계수가 대단히 크던지, 콘크리트 두께/내경 비가 크던지, 또는 그 양자가 조합되지 아니하면 콘크리트를 보통 내인장강도 범위 내에 들어갈 수 없기 때문에 철근보강이 필요하다. 그러나 상기의 가정 및 암체의 탄성계수가 어느 정도 실체에 적응하고 있는지 문제가 있고, 또 상당의 수압을 받고 있는 무근 콘크리트의 압력터널이 엤날부터 현재까지 파괴되지 않고 존재하고 있는 사실 등을 고려하면 터널 및 주변 암체의 거동은 대단히 복잡하여 수식만으로 결정하기 어려우므로 경험적, 역학적으로 종합판단하여 결정해야 한다. 또, 압력터널에 물이 없을 때에는 압력수로의 잔류수압, 천연의 지하수위 등에 외압에 의해 발생하는 응력, 변형도 무시할 수 없기 때문에 수로점검 등을 위해 수로에서 물을 빼는 경우에는 서서히 시간을 걸려서 하고, 급격한 하중조건의 변화를 피할 필요가 있다.

어느 경우에도 단면에 역학적 불균형이 생기지 않도록 하기 위하여 콘크리트의 아치부와 지보공류의 존재 때문에 피할 수 없는 터널 콘트리트와 암반 사이의 틈을 모르터 등으로 충진단다. 또, 굴착시 폭파에 의해 이완된 영역, 재래 암반의 균열은 장기적으로 편압의 발생, 누수의 원인이 되므로 시멘트 풀 등을 고압력으로 주입하여 주변의 암체의 균질 등방화를 꾀한다. 이것이 그라우팅이며, 전자를 충진 그라우팅, 후자를 콘솔리데이션 그라우팅이라 한다.

앞으로 고수압 대구경의 압력터널 개발은 점점 필요하다고 생각하지만 그 효율적인 수단으로써 터널 보링장비의 유효이용에 의해 주변암체의 이완을 극히 작게 하는 굴착방법, 주변압체의 고압그라우팅 또는 팽창성 시멘트의 사용에 의한 암체 및 콘크리트의 프리스트레싱(압력)등은 구조역학적으로도 수리학적으로도 효과적인 수단이므로 더욱 연구되어야 한다.