유사조절지 월류 시 발생 저주파 소음·진동 영향 분석

1. 서 론

영주댐 유사조절지는 저수지로 유입되는 유사를 포집·처리하여 저수지 퇴사량 저감을 통한 안정적인 저수 용량 확보를 위해 건설된 인공구조물이다. 유사조절지는 본댐인 영주댐에서 상류 13 km 지점에 위치하며, 높이 10.0 m(월류(overflow)부) ~ 18.3 m(비월류부), 길이 287.5 m(월류부: 173 m, 비월류부: 114.5 m)의 콘크리트댐식 고정보이고 유사조절지 내부에 갤러리 형식의 통로를 두어 일정기간동안 관람할 수 있도록 한 것이 특징이다. 하지만 장마철에 강수량이 많아지면 유사조절지에 월류량이 늘어나고, 월류하여 낙수하는 물줄기가 커튼월 역할을 하여 유사조절지 내부 통로를 감싸 공동을(cavity) 형성한다^(1,2). 또한 이렇게 좁아진 공동에 수류흐름으로 인한 공기의 압력변화와 낙수음이 중첩되면서 주기성 있는 소음을 방사시키고^(3,4), 형성된 공동 내에서 음이 서로 간섭하면서^(1,2) 유사조절지 주변 약 700 m 이상 이격해 있는 가옥에까지 문이나 창호를 진동시켜⁽⁵⁾ 피해를 주고 있다.

관련 연구로는 댐이나 제방과 같은 수리구조물에서 월류나 방류 시 발생하는 저주파 소음·진동에 관한 연구들이 보고되어 왔다. 특히 댐에서 수문 방류 시 공기 변동(air pulsation)에 의해 생성되는 저주파 소음·진동에 관한 메커니즘과 예측 모델 추정에 관한 연구들이 있었으며, 이때 발생하는 저주파 소음·진동은 대체로 0 Hz ~ 10 Hz 대역에 집중되는 것으로 나타났다^(6~9). 발생 메커니즘은 댐 월류 또는 방류 시 고속의 물줄기와 공기가 혼합되는 과정에서 수류 속에 공기주머니(air cavity)가 형성되고, 이 공기주머니가 주기적으로 압축과 팽창을 반복하여 압력 변동(pulsation)을 만들어내는 것으로 설명된다. 이 주기적 운동은 구조물과 상호작용하여 구조물의 고유진동수와 일치하거나 근접하면 공진(resonance)이 발생하여 저주파 소음·진동이 증폭되며^(8,10,11), 방류량(discharge rate), 수문 개방 높이(gate opening height), 저수지 수위(water level) 등이 공기 혼입 정도와 공기주머니의 주기를 결정하는 요소임이 밝혀졌다⁽⁶⁾. 또한 일본에서는 수리구조물에서 월류시 형성되는 수막의 진동 현상의 구체적 발생 조건 및 증폭 메커니즘을 분석하고 증폭 과정에서 낙하 유동과 공기 공동의 상호작용이 결정적 역할을 함을 체계적으로 규명하였다^(1~5). 이 때 발생하는 저주파 피크의 발생 조건의 공통분모는 자유낙하 수막과 수막 뒤 공동 형성이 1차 기반이고 이를 억제하기 위해 공동의 환기 여부가 매우 중요하며 이에 착안한 대책으로 스포일러를 수막 상부에 설치하여 수막의 연속성을 끊는 방법을 수리 모델과 현장계측 결과를 비교하여 검증하였다^(3,4).

하지만 수리구조물의 월류 시 발생한 소음·진동이 주변 환경(건물의 내진성, 피로 균열, 인체 영향, 거주 환경)에 미치는 구체적인 영향에 대한 분석, 특히 공명 주파수의 소리에너지 전달로 인한 주변 환경에 영향을 주는 실증 연구는 드물었다⁽⁵⁾.

Fig. 1은 유사조절지의 전경을 보여준다. Fig. 1(a)는 평소 맑을 때의 월류가 없을 때의 전경이고, Fig. 1(b)는 상류 수위가 높아져 월류가 있으나 월류량이 많지 않아 월류되는 물 사이에 빈틈이 많고 공기의 흐름이 원활하다. Fig. 1(c)는 장마철이나 태풍이 오는 시기에 단시간에 강수량이 많아지면서 월류량이 많아지고 월류되는 물이 사진과 같이 벽을 형성하여 일종의 관처럼 공동이 생긴다. Fig. 2는 유사조절지 내부로 들어가는 입구와 유사조절지의 좌·우안 입구를 통할 수 있는 통로를 보여준다. Fig. 2(a)에서 보이는 입구를 통해 내려가면 Fig. 2(b)와 같은 173 m 길이의 갤러리 형식의 통로가 나오며 상류 수위가 높아져 물이 유사조절지를 월류하면 통로에서도 떨어지는 물을 관찰할 수 있다.

Fig. 1

View of the sediment control dam

Fig. 2

Interior view of the sediment control dam

따라서 이 논문에서는 유사조절지 내·외부 및 주변 피해가옥에서 소음 및 진동을 측정하여 영향 정도를 파악하고 가옥의 문이나 창문의 진동 현상의 원인을 규명하여 저감방안으로서 제안된 유사조절지 상부의 스포일러(수류 유도 구조물)의 효과를 평가하였다.

2. 연구 방법

2.1 소음·진동 측정 방법

먼저 배경소음·진동의 측정은 비월류시(2022년 6월 20일)와 참조 비교용의 소음·진동 측정은 일반 월류시(2022년 7월 8일)에 측정하였다. 호우 월류시 대상소음 · 진동 측정은 첫 번째로 2022년 8월 11일에 측정하였으며 측정은 단기간에 호우가 내리고 유사조절지에서 이격된 민가의 문이나 창호의 떨림 현상이 발생되었을 때 동시에 측정되었다. 해당 현상이 발생하기 위해서는 다음과 같은 두 가지의 조건을 만족해야 한다. 먼저 단기간에 호우가 집중되어 그냥 월류만 하는 것이 아니라 월류량이 많아 월류되는 물이 벽처럼 되어 공동을 형성해야 한다. 또한 하류부의 수위는 유사조절지 통로를 채울만큼 상승하면 안된다. 따라서 호우가 집중되는 장마철이나 태풍이 한반도에 영향을 줄 때 현상이 발생하며 연중 한 번도 현상이 없을 수도 있고 길어야 10일 정도 발생하여 측정을 위한 타이밍이 잘 맞아야 한다. 두 번째 대상소음·진동의 측정은 2024년 7월 9일에 측정하였으며, 해당 현상의 저감방안인 유사조절지 상부의 스포일러가 설치된 후 2024년 9월 21일에 세 번째 대상소음·진동 측정을 실시하였다. 또한 스포일러 설치 전·후 공기 흐름의 변화를 보기 위하여 각 소음·진동 측정과 동시에 유사조절지 내부 입구와 통로 사이에서 풍향, 풍속을 측정하였다. 각 측정일시와 평균온도, 상대습도, 평균풍속의 기상조건, 측정 당시의 유사조절지 상류 수위에 대한 상세 정보는 Table 1에서 확인할 수 있다.

Table 1

Weather conditions for noise and vibration measurement

Fig. 3은 유사조절지와 인근 가옥들의 위치를 보여주는 위성사진이며 이 연구에서 수행한 각 소음·진동의 측정 위치를 자세히 보여준다. 공통적으로 유사조절지 앞(N1, V1), 좌안에서 291.8 m 이격해 있는 민가 1(N2, V2), 좌안에서 715.4 m 이격해 있는 내매교회(N3, V3)에서 측정을 수행하였으며, 상황에 따라 유사조절지 내부(N5 ~ N7, V5 ~ V7), 민가 2(N4, V4), 민가 3(N2′, V2′), 민가 4(N3′, V3′)에서 측정하였다. 같은 이벤트에서의 소음·진동 측정은 모두 동시측정으로 이루어졌으며, 소음도는 10분 등가소음도이고 진동도는 $$ L_{10}$$ 값이다.

Fig. 3

Aerial view of the surroundings of the sediment control dam and noise and vibration measurement points in 2022, 2024

소음·진동 측정 기기는 저주파 대역이 측정 가능하고 소음·진동 공정시험기준의 규제기준 중 생활소음 측정방법에 따라 측정하기 위한 정밀형 소음계(RION NL-62)와 소음·진동 공정시험기준의 규제기준 중 생활진동 측정방법에 따라 측정하기 위해 환경진동계(RION VM-55)를 이용하였으며, 풍향·풍속은 휴대용풍속계(KESTREL-5500)로 측정하였다.

2.2 스포일러(수류 유도 구조물) 설치

2022년 수행된 연구로부터 몇 가지 인근 민가의 문과 창문 떨림 현상의 저감방안을 제안하였으며, 그 중 현재의 유사조절지 모습을 유지하며 현상의 근본 원인을 제거하는 방안인 스포일러가 적용되었다. Fig. 4는 유사조절지 월류부 상단에 설치된 스포일러에 의해 월류되는 물이 갈라지는 것을 보여준다. 설치된 스포일러는 월류로 형성되어 일체화하여 거동하는 수벽을 분리시키고 공기의 원활한 혼입으로 수벽의 배면 부압을 저감시키는 원리이다. 홍수 시 최고월류수심을 고려하여 1.5 m 높이로 4개소에 설치하여 173 m 길이의 월류수벽을 5개의 월류수벽으로 분리시키며 시공여건과 지지력 등을 고려하여 설치 위치 및 형상을 결정하여 설치되었다.

Fig. 4

View of the spoiler installed on the sediment control dam during overflow condition (bottom right: close-up view)

3. 연구 결과

Table 2는 2022년과 2024년에 측정한 소음·진동의 결과를 보여준다. 먼저 2022년에 측정한 배경소음·진동도의 결과를 보면 비월류시 유사조절지 앞 N1 포함, 인근 민가 N2, N3 모두 45 dB(A), 20 dB(V) 내외로 정온하다. 일반 월류시에 측정한 참조 소음·진동도의 결과 역시 유사조절지 앞 N1에서만 월류시에 발생하는 낙수음과 같은 물소리의 증가로 68 dB(A)로 증가하였을 뿐 나머지는 배경소음·진동도와 마찬가지로 정온하다. 하지만 대상소음 측정결과를 보면 호우 월류시에 민가의 문이나 창문 떨림 현상이 일어나는 조건이 되면 1 Hz ~ 20 Hz 초저주파대역의 에너지가 증가하여 유사조절지 내부(N5) 음압레벨은 132.1 dB에 육박하고, 유사조절지 입구(N6)와 유사조절지 위(N7)에서도 100 dB내외로 증가한다. 물이 흘러 월류하는 소리와 낙수음이 커져 가청주파수 대역의 소음도도 N5에서는 91.7 dB(A), N6와 N7에서도 74.2 dB(A)와 80.1 dB(A)로 측정되었다. 유사조절지 앞(N1)에서 배경소음과 비교해보면 초저주파대역을 포함한 음압레벨은 비월류시보다 13.7 dB, 일반 월류시보다 13.3 dB 상승하였으며, 가청주파수 대역의 소음도는 비월류시보다 33.4 dB(A), 일반 월류시보다 6.1 dB(A) 상승하여 초저주파대역의 에너지 상승 비중이 큼을 알 수 있다. 인근 민가(N2, N3)에서는 가청주파수 대역의 소음도가 배경소음도와 거의 유사하게 유사조절지 좌안에서 약 300 m 떨어져 있는 N2는 45.8 dB(A) ~ 49.4 dB(A), 약 700 m 떨어져 있는 N3는 42.3 dB(A) ~ 43.2 dB(A)로 측정되어 때와 상관없이 정온함을 보여주었으며, 우안에서 약 120 m 이격해 있는 가장 가까운 민가(N4)는 호우 월류시 59.2 dB(A)로 물소리가 전달되어 들리는 것을 확인할 수 있다. 반면에 민가 지역에서의 초저주파대역을 포함한 그대로의 음압레벨은 80.8 dB ~ 94.9 dB로 초저주파대역의 물리적인 에너지가 전달되어 존재하는 것을 추정할 수 있다. 저감방안인 스포일러 설치 전 호우 월류시에 측정한 2024년 1차 측정 결과는 2022년 측정결과와 유사하게 가청주파수 대역의 소음도는 유사조절지 앞 N1에서 69.4 dB(A), 민가(N2 ~ N4) 지역에서 42.2 dB(A) ~ 51.6 dB(A)로 측정되었으며, 초저주파대역을 포함한 음압레벨은 N1에서 96.2 dB, N2 ~ N4에서 81.3 dB ~ 97.3 dB로 여전히 초저주파대역의 에너지를 확인할 수 있었다. Fig. 5는 2024년 1차 측정 시 N1에서 dB(Z)와 dB(A)의 1/3 옥타브밴드 중심주파수에서 음압레벨의 차이를 보여준다. 스포일러 설치 후 호우 월류시에 측정한 2024년 2차 측정 결과에서는 가청주파수 대역의 소음도가 N1에서 67.6 dB(A), N2 ~ N4에서 51.9 dB(A) ~ 55.7 dB(A)로 측정되었고, 음압레벨은 N1에서 97.1 dB, N2 ~ N4에서 85.4 dB ~ 94.5 dB로 음압레벨과 소음도에서는 설치 전·후 유의미한 변화가 없었다. 다만 유사조절지 입구에서 측정한 평균 풍속이 1차 측정시 10.4 m/s에서 2차 측정시 1.1 m/s로 크게 감소하여 공기 흐름의 큰 변화를 확인할 수 있었다. 2022년, 2024년 1차, 2차 호우 월류시 측정한 진동도는 장소 상관없이 30 dB(V) 이하로 측정되어 유의미한 진동 발생이나 진동으로 인한 전달 현상은 확인되지 않았다.

Table 2

Summary of noise and vibration measurement results

Fig. 5

1/3 octave band sound pressure levels in dB(Z) and dB(A) at site N1 during 1st measurement, 2024

발생 소음의 특성을 정밀히 파악하기 위하여 FFT (fast Fourier transform) 분석을 실시하였다. Fig. 6은 FFT 분석 결과를 보여준다. Fig. 6(a)는 2022년에 호우 월류시 동시 측정한 모든 지점(N1 ~ N7)의 주파수별(1 Hz ~ 100 Hz) 음압레벨이다. N6를 제외하고(N6도 3 Hz의 음압레벨이 가장 높은 9 Hz와 상대적으로 차이 없음) 전 지점에서 3 Hz가 탁월주파수(resonant frequency)로 분석되었다. 또한 원천주파수(fundamental frequency) 3 Hz 배수 주파수 성분에서 고조파(harmonic)가 관찰된다. Fig. 6(b)는 2024년 호우 월류시 스포일러 설치 전 동시 측정한 모든 지점(N1 ~ N4)의 주파수별 음압레벨이다. 전 지점 2.5 Hz가 탁월주파수로 분석되었으며, 2.5 Hz 배수 성분에서 고조파가 관찰되었다. Fig. 6(c)는 2024년 호우 월류시 스포일러 설치 후 주파수별 음압레벨이다. 전 지점 5.8 Hz가 탁월주파수로 분석되었으며, 스포일러 설치를 함으로써 탁월주파수 성분이 2.5 Hz ~ 3 Hz에서 5.8 Hz로 높아진 것을 확인할 수 있다. 하지만 높아진 탁월주파수에서의 에너지는 큰 감소가 없었다.

Fig. 6

FFT analysis of noise measurement results during overflow on a sediment control dam

4. 결 론

이 연구는 호우 시 영주댐 유사조절지 인근 민가에서 소리나 진동이 느껴지지는 않으나 문이나 창문의 주기적 떨림 현상이 발생하는 원인을 규명하고, 대책방안으로 제안한 유사조절지 월류부 상부 스포일러 설치 효과를 평가하기 위해 수행하였다. 2022년에 측정된 소음·진동 결과를 종합하면 호우 시 영주댐 유사조절지에 월류량이 커지고 이로 인해 3 Hz 주파수에서 소음의 공명(resonance) 현상이 발생되는 것으로 관측되었다. 또한 보 내부에서 주기를 갖고 발생하는 부압으로 인하여 유입되는 바람과 월류량이 많아지면서 형성되는 수벽으로 인해 공동(cavity)의 형성으로 발생되는 공명 현상이 이 공동에서 증폭이 되는 것으로 추정할 수 있다. 이는 향후 연구에서 월류시 유사조절지 공동의 고유주파수(natural frequency) 계산식을 도출하여 검증할 계획이다. 영주댐 유사조절지의 구조, 물성, 월류량, 월류방식의 차이 등으로 고유주파수의 차이가 있겠지만 기존에 발표된 댐이나 보, 수문의 구조안전성 검토 및 다양한 수리구조물의 연구로부터 댐이나 그에 연결(구속)되어 있는 수문의 고유진동수 뿐만 아니라 월류되는 물로 인한 수막 진동의 공명주파수는 10 Hz 미만의 주파수대역에서 관측되었다^(6~8,10). 이 연구에서 도출된 3 Hz의 소음도는 가청주파수 미만의 초저주파수 대역으로 사람에게는 들리지 않으나 물리적으로 에너지를 갖고 먼 거리까지 전달되어 문이나 창문의 떨림(덜컹거림) 영향을 주었다. 하지만 이 연구 수행 당시 연구 환경과 장비 조건 등의 제약으로 인하여 민가 지역의 창과 문에 가속도계를 부착하여 진동데이터와 일치 여부를 비교 검증하지 못했다는 점이 한계점으로 남는다. 2024년에 재측정된 호우 월류시 측정 소음 FFT 분석 결과 소음 측정 전 지점에서 2.5 Hz가 탁월주파수로 분석되었고, 유사조절지 상부 스포일러 설치 후 2차 측정 소음 FFT 분석 결과 5.8 Hz가 탁월주파수로 분석되어 탁월주파수가 높아진 것을 확인하였다. 또한 동시에 측정된 입구부 유입 풍속의 경우 평균 풍속 10.4 m/s에서 스포일러 설치 후 1.1 m/s로 크게 감소하였다. 따라서 이 측정으로 스포일러 설치 후 탁월주파수는 높아지고 유입 풍속의 감소 변화로 설치 효과를 검증하였으나 변화된 탁월주파수에서의 에너지로 인하여 인근 민가에서의 문과 창문 등의 떨림 현상은 아직 남아 있는 것을 확인하였다.

현재 스포일러는 1.5 m 높이로 설치하여(4개소) 173 m 길이의 월류수벽을 5개의 월류수벽으로 분리하였다. 분리된 5개의 월류수벽 사이에 스포일러를 추가 설치할 경우 탁월주파수 성분이 높아져 일반적인 건축물 또는 그에 구속되어 있는 건축물 재료의 고유주파수 영역에서 벗어날 것으로 예상되며 이는 추가 검증을 준비하고 있다⁽¹²⁾. 따라서 최대한 다수의 스포일러를 추가 설치(갈라진 월류수벽 넓이를 최대한 축소)와 스포일러 폭 확장(공기흐름 원활)으로 공명음의 탁월주파수를 민가와 민가 건축물 재료의 고유주파수 영역에서 벗어나게 함과 동시에 전달 에너지를 감쇠시키면 현상은 사라질 것으로 예상한다.

Acknowledgments

이 연구는 한국수자원공사에서 지원한 ‘유사조절지 소음·진동에 따른 원인분석 및 대책방안 검토, 2022’ 및 ‘유사조절지 소음진동 측정 및 분석, 2024’ 결과의 일부임.

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