갑문

인천항 갑문

파나마 운하의 갑문(수위 변경 전)에서 통과를 기다리고 있는 선박. (출처: 게티이미지)

런던 그랜드유니언 운하의 갑문

갑문(閘門)은 조석 고저(간만)의 차이가 심한 항만이나 하천, 운하 등의 수로를 가로지르는 댐, 또는 둑이나 독(dock) 등에서 선박을 통과시키기 위하여 수위의 고저를 조절하는 수문이다.

개요

하천 ·수로 ·운하를 가로질러 보를 쌓은 경우, 보의 상하류 사이에는 수위차가 생겨 선박을 통과시키기 위해서는 수위를 조정하는 장치가 필요하게 되는데, 이를 위한 구조물을 갑문이라 한다.

갑문은 2종류로 나눌 수 있는데, 그 하나는 두 수역을 연결하는 수로의 한 곳에 수문을 설치한 것으로, 부두용 독의 입구에 설치하는 것이 그 예이다. 이 갑문은 만조(滿潮) 때는 록게이트를 열어 선박을 독에 출입시키고, 간조(干潮) 때는 록게이트를 닫고 선하(船荷)의 하역 등을 한다. 한국 인천을 비롯 런던 ·함부르크 등 유럽 서북부 하항(河港)에 많다.

다른 하나는 2개 록게이트와 그 사이에 선박을 수용하는 갑실(閘室:lock chamber)을 가지는 형식으로서 갑문식 운하에서 볼 수 있다. 이 기구는 배가 지나갈 때마다 갑실 내의 수위를 조절해야 하므로, 운하에서는 급배수장치가 필요한데, 보통 갑문지하에 설치한 암거(暗渠)의 밸브를 개폐하여 수위를 조절한다.

록게이트로는 2개의 문짝이 양쪽으로 열려 통과하는, 선박의 높이에 제한 없는 마이터게이트가 흔히 사용된다. 그러나 갑정(閘程:A와 B의 수위차)이 큰 관문에서는 낮은 쪽 수역에 접하는 록게이트 높이가 커지기 때문에 예전부터 여러 가지 고안이 이루어졌다. 예를 들면, 권양탑(捲揚塔)을 설치하여 록게이트를 끌어올리는 롤러게이트를 설치하여 록게이트의 높이는 증가하지 않고 갑정을 크게 하는 것이 연구되었는데, 이것은 건설비가 많이 들고 통과하는 선박의 높이에도 제한이 있으므로 실제로 사용된 예는 없다.

해양선박이 통과하는 갑정이 큰 운하에서는 계단식을 채택하고 있는데, 이것은 갑실을 몇 개 연결한 것이다. 예를 들면, 파나마 운하의 가툰 갑문과 같이 갑정 8.84m의 갑문(갑실은 길이 300m, 너비 33m, 수면이 낮을 때 수심 13.7m)이 3단계로 연결되어 총갑정 약 26m를 오르내리게 되어 있다. 그러나 하선용(河船用) 운하에서는 인클라인 또는 운하용 리프트(엘리베이터)가 사용된다. 최근 건설된 것은 리프트를 사용하는 경향이 있는데, 이것은 갑실에 선박을 넣고 수압 ·동력으로 승강시킨다.

갑문의 위치 설정

갑문은 설치 위치에 따라 항만 기능에 제한을 주거나 통과 선박에 위험을 수반하게 한다. 설치 위치의 자연조건은 공사비에도 크게 영향을 미친다. 따라서 갑문의 위치 선정은 여러 가지를 고려하여 결정해야 한다. 연약지반 위에 갑문을 설치하는 것은 피해야 하며 부득이 설치하는 경우에는 부등침하(不等沈下)에 대비하여 충분한 대책을 세워놓아야 한다. 지반침하가 있는 지역에서는 갑문의 침하에 의해 그 기능이 저하되는 경우가 있다.

바람·파랑·조류·표사 등에 의해 선박의 출입이 어려운 경우가 있으므로 갑문의 설치 위치는 정온한 장소를 선택해야 한다. 정온하지 않은 경우에는 방파제를 축조하거나 도류제(導流堤) 또는 유도제(誘導堤)를 길게 연장하여 갑문 부근의 수역을 정온하게 한다. 통과 대상 선박의 크기, 척수 등도 설치 위치의 선정 조건이 된다. 기타 배후지의 이용 상황이나 육상교통 조건도 충분히 고려하여 설치 위치를 결정한다. 시설의 노후화나 기능 저하로 장래 개량공사가 필요해질 때 시공이 충분히 가능한 곳으로 설치 위치를 선정하는 것이 바람직하다.

갑문의 규모 및 형상

갑문은 설치 위치의 자연 상황 및 통항선박의 주요 치수와 척수에 따라서 선박이 출입할 때 안전하고 원활하게 조선할 수 있도록 적절한 형상으로 한다. 갑실의 규모는 한국의 '항만 및 어항 설계기준'에서 다음과 같은 표준치수의 산정식을 제시하고 있다.

• 유효 길이 = 통항선박의 흘수 + 여유 수심
• 유효 폭 = 통항선박의 폭 + 여유 폭
• 유효 길이 = 통항선박의 길이 + 1대열(隊列)의 척수 + 여유 장

갑문 설계의 예. (출처-한국해양학회)

배치 조합에 의한 갑문의 분류

• 단비실(單扉室) 갑문: 바다 또는 하구항에 있는 갑문으로 안쪽 수면적이 좁고, 내부가 항구로 된 경우에 쓰인다. 비실(扉室)이 한 개이기 때문에 내부와 바깥쪽의 수위 차가 있으면 선박의 출입이 제한된다.

복비실(複扉室) 갑문: 보통의 하천, 운하 등에 쓰이며, 비실은 두 개로 각 실에는 한 방향으로만 열리는 문 또는 리프트 게이트가 있다.

• 복식(複式) 갑문: 수위의 고저가 한 방향에 한하지 않고 역 방향으로도 가능한 경우에는 두 쌍의 비실과 각 비실에 두 개의 문이 필요하다. 따라서 마이터 게이트로는 두 쌍이 되고, 인상문은 양면에 강판을 붙인다.
• 계단식 갑문: 수위 차가 커지면 두 개 이상의 갑문을 종방향으로 연이어 설치한다.
• 병렬 갑문: 두 개의 갑문이 병렬로 된 것으로, 하천 또는 운하에서 주운(舟運)이 많아 정리가 곤란한 경우에 쓰인다. 병렬 갑문에서는 치수를 바꾸어 배의 크기에 따라 맞추어 쓰는 경우와 같은 치수로 상하의 교통을 분리하는 경우도 있다.

개폐방식에 따른 문의 분류

• 마이터 게이트(miter gate): 스킨 플레이트, 보강보 및 주형을 갖는 두 장의 평판모양 문으로 구성되어 있다. 양쪽의 힌지를 중심으로 하여 문이 선회함으로써 문을 합장상(合掌狀)으로 비스듬히 접합시켜 물의 흐름을 차단한다.
• 섹터 게이트(sector gate): 축의 주위를 회전하는 표면이 원호상(圓弧狀)인 두 개의 문으로 되어 있다.
• 리프트 게이트(lift gate): 문을 상하로 움직여 개폐하는 방식으로 그 구조상 비실을 짧게 할 수 있다. 물 위로 전부 끌어올릴 수 있으므로 검사 및 수리가 용이하다.

설계 시 주의사항

• 갑문의 비실 및 갑실은 구조의 특성에 따라 지반반력, 측벽 및 상판의 자중, 문의 중량, 선박의 충격력 등에 대하여 안전한 구조가 되도록 설계한다.
• 갑실은 지반의 특성, 갑실 내외의 수위차, 통항선박의 제원 및 척수, 주수량, 배수량 등에 따라 적절한 구조가 되도록 한다.
• 갑실의 수위를 조정하는 취배수 장치는 갑실 내의 선박에 유해한 동요를 최소화하고, 신속하게 취수와 배수를 한다.
• 갑문 전후의 수역을 정온하게 하고 선박이 안전하게 출입할 수 있도록 갑문 전후에 유도제를 설치해야하며, 필요한 설비를 갖추는 것이 바람직하다.
• 수로의 전후에는 지반의 세굴을 방지하기 위해 두께 30~50 cm 정도의 물받침 콘크리트를 시공하고, 그 전면의 세굴을 방지하기 위해 높이 1m, 두께 30~50 cm 정도의 지수벽(止水壁)을 설치한다.
• 배수문의 통수단면은 배수량, 제내지의 허용 수위, 조위곡선 및 이상고조위, 바닥 높이, 공법, 공사비 등을 고려해서 결정한다.

배수량 산정

배수량은 Duvuat 공식을 사용한다.

여기서, Q는 유량(㎥/s), μ는 배수문의 조도(粗度)에 따른 유출계수, D는 통수단면의 폭(m), t는 저면 위의 외수위 높이(m), g는 중력가속도 (m/s²), h는 접근유속 수두(m), δ 는 내외 수위차(m)이다.

인천항 갑문

인천항 갑문은 해발 102m의 풍광이 수려한 월미산과 소월미도 사이에 위치하고 있으며, 갑문주변의 2만여평에 달하는 조경지역에는 넓은 잔디밭과 해송, 은행나무, 벗나무를 비롯한 수십종의 수목이 주변을 수려하게 장식하고 있다. 특히 봄철에는 연산홍, 벚꽃, 철쭉, 목련 등이 아름다운 경관을 연출한다. 갑문개방행사 기간중에 가족과 함께 인천항 갑문을 방문하면 바다 전경은 물론, 갑문식 도크를 통하여 대형화물선 및 여객선 등이 입출항하는 모습을 가까이서 지켜볼 수 있으며, 갑문조경지역내에서 휴식과 갑문관리소 상황실에서 인천항을 소개하는 멀티비젼을 볼 수 있어 교육적 효과를 누릴 수 있다. 축조된 갑문은 2기로서 1기는 폭 36m, 길이 363m이며, 다른 1기는 폭 22.5m, 길이 202m이다. 전자는 5만 DWT급, 후자는 1만 DWT급 선박의 통행이 가능하며,갑문의 1일 최대처리능력은 입항 20척, 출항 20척이다.

세계의 갑문-파나마운하

파나마 운하는 태평양과 대서양을 연결해 아메리카 대륙과 유럽 대륙의 거리를 단축한 길이 77km의 운하이다. 파나마 운하는 갑문을 통해 배를 산 정상까지 올린 후, 다시 갑문을 통해 바다로 내려보내는 원리이다. 이러한 파나마 운하 덕분에 8000Km를 가야 하는 거리가 100km로 줄었다고 한다.

파나마 운하 단면도

위 사진은 파나마 운하의 단면도이다. 사진을 보시면, 하나의 갑문을 통과할 때마다 갑문의 수위만큼 산을 오르고 내리며 산을 통과하게 된다. 하지만 파나마 운하의 갑문을 통과할 때는 선박의 자체 동력으로 통과할 수 없어, 앞에서 끌어주는 예인선의 도움이 있어야 한다. 이 때문에 통과하는 데에는 8~10시간이 걸리지만 통과절차까지 포함하면 15~20시간이 걸린다고 한다.

참고자료

• 〈갑문〉, 《두산백과》
• 〈갑문〉, 《해양학백과》
• 〈갑문〉, 《위키백과》
• 〈인천항 갑문〉, 《대한민국 구석구석》

같이 보기

• 갑실
• 비실
• 배수문
• 수문

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