급격한 기상변화로 인한 극한 강우와 집중폭우의 발생빈도 증가로 기존 수방시설의 한계 용량을 초과해 도심지 침수피해가 빈번하게 발생하고 있다. 최근 도시화 추세가 급격하게 빨라지면서 수방시설 등 사회기반시설에 대한 지하공간 개발의 필요성이 증가하고 있으며, 지하공간을 활용한 지하방수로와 지하저류지 기술이 급부상하고 있다. 본 연구에서는 지하유입시설의 대표적 형상인 접선식 유입구와 나선식 유입구에 대한 공기 배출 효과를 분석하기 위해 유입유량 변화에 따른 수직갱 내부 공기공동(air-core)의 형상 크기를 계측했다. 나선식 유입구의 경우, 저유량 유입조건에서 와류 유도 효과를 개선하기 위해 유입부 바닥면에 계단형 다단식 구조를 도입했다. 수직갱 내부 공기공동의 전체적인 평균 단면적의 경우, 다단식 나선 유입구가 접선식 유입구보다 10% 정도 크게 나타나 고유량 유입조건에서 높은 공기 배출 효과와 유입효율을 나타냈다. 접선식 유입구의 경우, 유입구가 가지는 고유 성능을 유지할 수 있는 최대 유량 조건을 초과하면서 공기 배출 효과가 감소하기 시작했다. 또한, 실험에서 사용된 접선식 유입구와 다단식 나선 유입구 모형에 활용 가능한 기초자료를 제공하기 위해 수직갱 내부 위치에 따른 공기공동 단면적에 대한 실험식(empirical formula)을 제시했다.

급격한 도시화와 산업화로 도심 재난 취약성이 증가하고, 전 세계적인 기후변화로 인한 극한 강우사상의 발생빈도가 증가하고 있다. 기존 방재시설의 용량한계를 넘어선 극한 강우사상의 발생으로 도심 지역의 침수피해 또한 증가하고 있다. 도심 침수피해를 예방하기 위해 지하공간을 활용한 지하저류 시설과 지하배수터널 활용이 급부상하고 있으며, 강우가 유입되는 지하유입구에 대한 수리학적 검토를 통한 성능 분석이 중요하다. 본 연구에서는 지하 유입구로 활용되고 있는 접선식(tangential) 유입구와 나선식(spiral) 유입구에 대해 유입유량 변화에 따른 유입부 수위를 계측하고 흐름 특성 변화를 분석했다. 나선식 유입구의 경우, 저유량 조건에서의 와류 유도 효과를 개선하기 위해 유입부 바닥면에 계단형 다단식 구조를 도입했다. 접선식 유입구 에서는 고유량 유입조건 아래 도수(hydraulic jump)가 발생하며 유량 배제 효과가 급격하게 감소했다. 다단식 나선(multi-stage) 유입구의 경우, 접선 식 유입구보다 유입유량 증가에 따른 수위 상승률은 높지만 저유량 및 고유량 유입조건에 대해 안정적인 유량 배제 효과를 유지했다. 또한, 실험에서 사 용된 유입구 모형이 활용될 수 있도록 접선식 유입구와 다단식 나선 유입구 모형에 대한 수위-유량 관계 실험식(empirical formula)을 제시했다.

홍수조절지는 하천 제내지 측에 제방을 축조하고 제방 일부 구간에 횡월류위어를 설치해 일정규모 이상의 홍수사상 발생 시 홍수량 일부를 월류시켜 저류하는 홍수저감시설이다. 다양한 하천시설물이 존재하는 하천 내에서 홍수조절지의 운영 최적화를 위해서는 기존 시설과의 연계 운영을 함께 검토해야 할 필요가 있다. 본 연구에서는 하도 내 수문 시설의 영향을 고려해 홍수조절지 횡월류위어의 위치 변화에 따른 수로 내 수위 저감 및 유량 분담 효과를 분석하였다. 수문 시설의 영향을 고려하기 위해 수로 내 2문의 방사형 수문을 설치하였으며, 수문으로부터 상류 방향으로 횡월류위어의 위치를 이동시키며 수로 내 수위 변화와 횡월류위어의 월류량을 측정하였다. 실험 결과 횡월류위어의 위치가 수문에 가까울수록 수위 저감 효과가 크게 나타났으며, 유량 분담 효과는 큰 변화가 없는 것으로 확인되었다. 2개소 이상의 횡월류위어 운영 시에는 충분한 저류공간이 확보되어 횡월류 위어의 위치에 따른 수위 저감 효과의 변화가 크지 않은 것으로 확인되었다. 또한, 수문 운영 시 1개소 횡월류위어의 위치 변화에 따른 수위 저감율 을 경험식으로 산정해 향후 홍수조절지 계획 시 활용 가능한 기초자료를 제공하고자 한다.

수문운영에 따라 상하류 수위차로 발생하는 압력변화는 수문 하단부 흐름에 변화를 주어 진동현상을 야기한다. 이러한 진동 현상이 발생할 경우, 구조적 위험성이 증가하여 치수의 기능을 상실할 수 있기에 진동에 대한 수문 안정성 및 위험성 검토에 대한 관심이 높아지고 있다. 본 연구에서는 상하류 수위차에 의한 진동으로 Radial Sluice Gate에 작용하는 구조적 영향을 피로해석 기법으로 분석하였다. 피로해석 모형으로 ANSYS 구조물 해석 모형에 포함된 Fatigue analysis tool을 사용하였으며 피로해석을 위한 입력값은 ANSYS CFX의 유체-구조 연성해석(Fluid-Structure Interaction, FSI)을 이용하여 시간대별 작용 하중을 산출하였다. 시간대별 작용 하중 결과의 최소 단위 기간을 한달로 설정하여 대표값으로 가정한 후, Radial Sluice Gate의 내구도 연한을 50년으로 산정하여 수문 개방고에 따라 진동 경향이 다른 4가지 조건에 대해 응력변화와 피로해석을 수행하여 비교하였다. 진동 크기가 증가함에 따라 응력변화가 커지는 것을 확인하였으며, 피로해석을 통해 구조물의 잠재 위험성을 확인하였다. 현재 수문진동 검토가 선택 과업으로 적용되고 있는 국내에서 본 연구 결과를 기초 자료로 활용하여 진동에 의한 구조적 영향 검토가 충분히 수행될 경우, 수문 설계와 진동 검토에 있어 현장의 특수한 여건을 반영한 안전성 및 위험성 예측 방법으로 유용하게 사용될 수 있을 것이다.

하도육역화는 상류로부터 내려온 유사가 고수부지 또는 하도에 쌓여 하상이 상승하여 수역이 육역으로 변화하는 것을 말한다. 육역화는 통수단면의 감소로 인해 홍수위 상승이라는 문제를 야기한다. 홍수위가 상승하면 홍수위험도 함께 증가하기 때문에 하도육역화에 대한 관리가 필요하다. 이러한 하도육역화 방지 기술을 시험구간에 적용하여 실제 효과를 직접 검증하는 모니터링 연구가 진행중이며 본 연구에서는 수치모의를 통해서 모니터링으로 확인하기 힘든 유속의 분포와 유사의 이동경로 등을 확인하고자 한다. 유량조건은 평수기와 홍수기의 하천 모니터링 결과를 이용하였으며 동수역학적 특성은 유속분포와 난류강도 와도 등을 분석하였으며 유사이송적 특성은 FLOW-3D 상에서 입자(Particle)를 유하시켜 퇴적이 되는지 그대로 배제되는지를 분석하였다. 이 때 입자의 직경은 실제 하천에서의 중앙입경(d_50)으로 선정하였다. 본 연구에서는 하도육역화 방지기술의 설치 전후에 대한 비교를 통해 하도육역화 방지기술의 수리학적 성능을 검토하였다. 그 결과 현장적용된 하도육역화 방지기술은 고수부지 내 퇴적을 저감시키는 효과를 나타냈으며 유사의 연속성증진에 효과가 있는 것으로 나타났다. 추후 현장 모니터링 결과와 비교검증을 실시하면 보다 명확한 하도육역화 방지기술에 대한 수리학적 성능 검증뿐만아니라 수생태 건강성 증진에 대한 효과까지 검증이 될 수 있을 것이다.

하천정비 사업과 치수, 이수 목적의 하천시설물이 증가함에 따라 시설물의 구조적 문제로 인한 사회적 피해예방을 위해 유지관리에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 하천시설물 중 수문의 경우 개폐시 시간적, 공간적 흐름 변화가 크기 때문에 진동이 유발될 수 있다. 진동 발생 시 균열, 휨, 누수 등 안정성 문제가 발생하며 발생된 진동수가 구조물의 고유진동수와 일치하게 될 경우에는 공명현상으로 인해 붕괴될 수 있다. 이러한 피해 발생 후에는 많은 복구비와 노력이 필요하기 때문에 사전예방에 더 중점을 두어 설계해야한다. 종래의 진동해석 방법은 유체와 구조물의 해석을 각각 수행한 후, 시간 순서에 따라 유체의 해석결과를 구조물 해석의 초기 및 경계 조건으로 사용하였다. 따라서 수문의 부분 개방에 따른 유체흐름 변화에 의한 동수역학적 하중과 구조 변형에 의한 유체 흐름의 변화와 같은 지속적이고 상호적인 과정이 고려되지 않아 부정확성을 내포하였다. 반면에 FSI(Fluid-Structure Interaction) 분석은 유체와 구조물간의 상호작용을 시간과 공간에 있어 동시에 분석할 수 있어 이러한 부정확성을 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서는 기존에 수리모형 실험 결과가 있는 Radial Sluice gate를 선정하였으며 수리모형실험과의 비교를 통해 FSI 분석의 적용성을 검토하였다. 수치모형으로는 FSI 해석이 가능한 CFX를 이용하였으며 수문의 개방비율에 따른 구조물의 변위를 분석하여 진동수를 산정하였다. 그 결과 진동해석에 FSI를 적용하는 것이 적합함을 확인하였고 수리모형 실험 결과와 전체적인 경향이 유사하다고 판단하였다. 추후 수문의 개방비율 뿐만 아니라 개폐중에 발생하는 진동수 변화에 대해서도 해석한다면 수문 운영에 따른 진동안정성을 검토하는데 중요한 자료로 활용될 수 있을 것이다.

급격한 기후변화와 무분별한 하천개발로 인한 하천특성의 변화는 치수 및 하천생태계 관리에 어려움을 주고 있으며 나아가 홍수 및 제방 붕괴로 인한 2차 피해를 유발시킬 수 있다. 하천특성은 흐름과 하상형태로 대표 될 수 있으며 하천특성과 관련된 각 인자들에 의한 하상형태 변화를 알 수 있다면 하천 및 생태계 관리에 중요한 단서를 제공 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 하천특성에 따른 하상변동을 정량화 할 목적으로 고정된 직선 개수로(폭 0.8 m, 길이 16 m, 높이 0.75 m)에서 실험을 진행한다. 하천특성과 관련된 각 인자들을 유량, 유속, 수위, Froude수, 하상재료로 결정하였고 하상재료로는 안트라사이트(D50 = 0.8 mm, S = 1.4)를 선택하고 하상경사는 일정하게 두었다. 실험은 크게 두 가지로 분류하여 첫 번째는 Froude수를 고정하고 유량 및 수위의 변화에 따른 하상변동을 관찰하는 방법이다. 두 번째는 유량을 고정하고 수위를 변화시켜 Froude수 변화에 따른 하상변동을 관찰하는 방법이다. 하상변동의 측정은 3D스캐너를 이용하며 획득 가능한 데이터로는 하상지형도와 하상고, 파장, 파고, 파상수가 있다. Froude수 및 유량 변화에 따른 흐름과 하상변동 특성의 결과를 정량화 할 주요인자로는 3D스캐너의 데이터 값을 대표 할 수 있는 파상수를 선택하였으며 하상지형도 및 파상수를 분석하여 각 실험조건별 정량화 가능여부를 판단 할 것이다. 이번 연구의 결과로 하천흐름 조건에 따른 하상변동을 예측할 수 있다면 치수 및 하천생태계와의 연관성도 고려하여 실 하천에서의 적용 및 관리와 하상 및 하천생태계의 변동도 예측할 수 있을 것이다.