사회간접시설의 위험도 증가는 대규모 인적/물적 피해로 귀결될 수 있으며 특히 방조제와 같은 해안구조물의 경우 기후변화로 인한 태풍강도 증가 및 해수면 상승으로 인해 과거보다 다양한 위험도에 노출되고 있다. 그러나 국내외적으로 이러한 외부 환경변화 요인을 포함하여 구조물의 지반공학적, 해안수리학적 위험요인을 종합적으로 고려하여, 정량적으로 위험도를 평가하는 연구는 매우 미진한 실정이다. 우리나라의 경우 방조제 안정성 평가방법은 설계기준에 근거하여 현재의 상태를 평가하는 수준으로 미래에 발생 가능한 위험도에 대한 인지 및 대처에는 상대적으로 불리한 면이 존재한다. 최근 미국 및 유럽을 중심으로 기후변동성의 증가로 인한 방조제 안정성 확보가 주요 이슈로 부각되고 있으며 위험도 해석기반의 확률론적 평가방법과 대응기술에 관심이 모아지고 있다. 이러한 점에서 본 연구에서는 새만금 방조제에 대한 위험도 평가를 수행하기에 앞서 위험도 평가를 위한 체계 확립과 더불어 다양한 위험도 평가 시나리오를 개발하고자 한다. 이를 위해서 국내외 방조제의 주요 위험요소 및 파괴모드별 위험도 평가방안을 종합적으로 검토하였으며, 위험도 해석 결과의 신뢰성을 개선하기 위해서 Network Theory 기반의 새만금 방조제 위험도 평가 모형의 적용 가능성을 평가하였다.

최근 번번히 발생하는 이상기후로 인해 산지의 비율이 높은 우리나라에서 발생빈도가 높아지고 있다. 이러한 토사재해 방재를 위해 다양한 방법으로 연구가 진행되고 있다. 일반적으로 토사재해를 해석하는 프로그램으로 FLO-2D, RAMMS, DEBRIS-2D 등 다양한 프로그램이 개발되어 있다. 본 연구에서는 미연방재난관리청(FEMA)에서 토석류 해석에 권장하고 있는 프로그램인 FLO-2D를 이용하여 토석류 거동에 대한 연구를 수행하였다. FLO-2D는 정상류, 정수압 분포의 가정을 통해 유한차분법을 통해 토석류를 모의하는 2차원 해석 프로그램이다. 연구방법은 먼저 토석류 거동에 영향을 미치는 다양한 인자에 대한 토석류 흐름 특성을 분석하고 그 결과에 의한 통계적 추론 분석을 활용하여 주요 인자간의 민감도 분석을 수행하였다. 토석류 거동 영향인자로 흐름지형, 물성치, 전파면의 형상 등을 선정하였다. 흐름 지형은 실제 토석류 흐름 지형과 유사하게 나타낼 수 있도록 계곡형 형태로 구성하여 입력하여 모의하였고 물성치는 점성과 항복응력 값을 변화시켜 토석류의 물성에 따른 모의를 수행하고 전파면의 형상은 전파면의 경사를 변화시켜 도심지의 경사에 따른 흐름 분석을 수행하였다. FLO-2D를 이용하여 선정한 주요 인자에 대해 민감도 분석을 위한 수치모의를 수행한 결과, 토석류 흐름에 영향을 미치는 주요 인자의 변화에 따른 거동 특성을 파악할 수 있었다. 본 연구를 통해 선정된 토사재해 거동의 유효 인자에 대해 심도있는 연구를 수행한다면, 토사재해 관련 방재활용 및 계획수립에 활용할 수 있을 것이다. 또한 토사재해 발생 예상 지역의 지형, 토질분석 자료를 통해 토석류 거동 특성을 좀 더 정확히 분석할 수 있게 하여 토사재해로 인한 피해 저감에 도움을 줄 수 있을 것이다.

최근 이상기후로 인한 집중호우에 의해 발생하는 도심지에서의 내수침수에 대한 구조적 대책으로 지하방수로가 고려되고 있다. 따라서 국외에 기설치된 지하방수로 사례에서 발생되는 문제인 맨홀 분출사고를 예측하여 적절한 설계를 유도하기 위해서는 관 내부에 갇힌 공기의 압력을 고려한 관 흐름 해석 모형이 필요하다. 지하방수로 내에 급격한 빗물 유입에 따른 유속 증가와 수위변동에 의한 단파 현상이 나타남과 동시에 공기의 부피가 수축되어 관내에 큰 압력이 발생한다. 본 연구에서 급격하게 변화하는 관수로 내의 단파 현상을 재현하기 위해 수치모형을 구축하였다. 기존 연구의 실험결과와의 비교를 통하여 보정 및 검증하고자 하는 것이 본 연구의 목적이다. FVM(Finite Volume Method)을 사용하여 1차원 Saint-Venant 방정식을 이산화하여 대수 방정식으로 변환하고, 이를 Roe Approximate Riemann 수치 기법의 알고리즘을 사용하여 방수로의 동수역학적 거동을 해석하였다. 단파의 발생을 모의하기 위해 불연속점을 다루는 수치기법인 제한자(Limiter)를 활용하였고, 공기의 압력흐름과 개수로의 혼합흐름 해석이 가능한 Preissmann slot model을 적용하였다. 기존의 운동량 방정식에 기체의 압력항을 추가하여 유체와 기체의 흐름을 고려한 수치모의를 수행하여 분출(gushing)현상을 모의하였다. 관수로 내의 단파거동 해석에 적합한 1차원 모형을 개발하였고, 추후에는 지하방수로의 위험 시나리오 관리 시스템을 개발하여 설계 및 시공에 기여하고자 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.

보는 하천의 대표적 횡단구조물로써 보 상·하류의 낙폭으로 인해 발생하는 유속을 적절히 감세하지 못할 경우 하류하상에 피해를 야기할 수 있다. 이에 보의 설치위치 및 규모에 따른 적절한 감세시설의 설치가 필수적이다. 본 연구에서는 다기능 보 하류의 세굴현상에 대한 해결책으로 ‘Hydraulic Design of Navigation Dams’(USACE, 1987)에서 감세시설로 권장하는 2차 감세지(Secondary Stilling Basin)를 보에 적용하여 하류의 감세효과를 검토하였다. 3차원 수치모의를 통해 2차 감세지의 효과를 판단하기 위해 하도, 다기능 보, 2차 감세지를 반영하여 지형을 구축하였다. 수치모의는 상·하류의 수위차가 최대로 발생하는 관리수위 조건에서 수행하였으며, 보 하류의 수위, 유속분포, 바닥전단응력, Froude 수 등의 수리특성 검토를 수행하였다. 모의결과를 바탕으로 보로부터의 거리에 따른 최대유속 등을 산출하고, 2차 감세지의 감세효과를 확인하였다. 또한 2차 감세지의 형상(상·하류 경사 및 폭)을 변화시키며 바닥보호공 끝단에서 작용하는 전단응력과 하상의 소류력을 비교하여 하상이 평형 상태에 도달할 수 있는 적정모델을 제시하였다. 2차 감세지를 활용한 감세효과의 검증을 통해 홍수기에 보 하류에 발생하는 세굴 피해의 저감이 가능하며, 2차 감세지의 현장적용 시 기존 세굴된 지형을 활용할 수 있어 보수 및 보강 비용의 절감이 기대된다.

최근 몇 년간 신재생에너지에 관심이 증가하고 있는 가운데 초기 투자비용이 높고 부정적 여론으로 인해 소수력발전소 개발이 부진한 실정이다. 그러나 소수력발전은 다른 신재생에너지에 비해 에너지 변환효율 및 밀도가 높고 이산화탄소를 배출하지 않아 대체에너지로써 개발 및 확대가 필요하다. 본 연구의 목적은 GIS를 기반으로 한 소수력 발전 가능 지역을 나타내는지도 애플리케이션 개발이다. 애플리케이션을 통해 소수력발전소 건설 예상 지점을 선택하고 사용수량과 발전용량을 산출한 후 경제성 평가를 수행하여 지점의 타당성을 검토할 수 있다. 강수량 등 관련자료가 풍부한 강원도 영월군을 대상지역으로 하여, 국가 수자원관리 종합정보에서 제공되는 수위관측소의 수위 자료와 강우관측소의 강우자료를 통해 산출한 유출량자료를 비교·분석하여 사용유량을 산출하였다. 이를 토대로 소수력 발전소 예상 설치 지점의 예상발전용량과 연간전기생산량을 산정하였으며, 비용편익비를 통한 경제성 분석을 실시하였다. 본 연구 결과의 활용 측면에서 유효낙차 별로 예상발전량, 연간전기생산량, 경제성분석 등을 단시간에 평가할 수 있고, 전국을 대상으로 잠재되어 있는 소수력 발전 가능지역을 선별하는데 활용될 것으로 기대된다. 또한 장소의 제약 없이 현장에서도 간편하게 소수력 발전 가능지역을 선별할 수 있는 장점이 있다.

최근 세계 곳곳에서 강우량증가에 의한 홍수피해가 속출하고 있다. 돌발적으로 집중되는 강우에 의해 하천이 범람하고 제방이 붕괴되는 피해가 증가하는 추세이다. 하도 내 홍수위가 증가하여 제방이 월류하면 제방은 그 기능을 상실하여 점진적인 붕괴가 진행된다. 제방의 점진적인 붕괴는 많은 연구가 진행중이나 복잡한 붕괴 메커니즘과 다양한 영향인자들로 인해 이론적으로 명확게 규명되지 않았다. 또한 대부분의 기존연구들이 제방의 붕괴를 댐붕괴와 동일하게 가정하거나 급격한 붕괴 또는 하도의 흐름에 횡방향으로 분류가되는 횡월류 위어와 동일하게 가정하여 실제 제방붕괴 양상과는 상이측면이 있다. 따라서 본 연구에서는 비점착성 재질로 제방을 축조하고 하도의 흐름이 존재할 때, 하도의 횡방향으로 제방이 월류하는 수리실험을 수행하여 하도의 Froude 수와 제방의 붕괴폭 및 붕괴유량과의 관계를 분석하였다. 그 결과 제방의 붕괴유량은 횡월류 위어와는 다르게 하도의 흐름과 제방 단면의 충돌에 의한 2차적인 영향이 발생하였고 이로 인해 붕괴유량의 차이가 발생하였다. 또한 붕괴유량이 수평한 제내지를 전파하는 실험을 수행하여 하도조건에 따른 붕괴홍수파 전파각의 시간적인 변화를 분석하였다. 붕괴홍수파 전파각은 붕괴의 발달 정도에 따라 상류 또는 하류전파각이 변화하는 것을 확인하였다. 본 연구 결과는 댐붕괴나 횡월류 위어와는 구분되는 제방의 붕괴특성을 규명하였으며 이러한 특성이 제방붕괴에 대한 비상대처계획 수립 시에 적용한다면 최종 침수면적이나 침수심을 고려한 공간적인 계획뿐만 아니라 붕괴양상에 따른 시간적인 인자를 함께 고려한 계획이 수립될 수 있을 것으로 기대된다.

우리나라는 국토의 70 %가 산지로 구성되어 있고 토심이 얕은 지형이 많아 토사재해 발생 위험지역이 많이 분포되어 있다. 이에 급격한 강우가 발생하게 되면 토사재해 발생 확률은 급격하게 증가하게 된다. 특히, 인구 밀집도가 높은 도심지에 토사재해 발생을 대처하지 못해 인명피해와 재산피해가 증가하지만 토사재해를 관리하는 연구는 아직 미흡한 실정이다. 기존 토사재해 거동을 해석하는 수치모의 시뮬레이터는 주로 외국기술에 의존하여 국내지형에 적용하기에는 적합하지 못한 부분이 있다. 본 연구는 도심지 대상 토사재해 해석을 수행하기 위해 천수방정식을 활용한 동수역학 기반 방정식을 유도하여 흐름 해석을 수행하였다. 실제 토석류 흐름을 잘 반영하는 흐름조건을 찾기 위해 9개의 흐름저항관계식을 적용하여 모의를 수행하였다. 모의를 검증하기 위해 Ritter solution으로 해석한 정확해와 비교하여 이상유체 거동과 비슷한 경향을 보이는 것을 확인하였다. USGS에서 Iverson(1994-2012)이 수행한 토석류 수리모형 실험 결과 값과도 비교·검증하여 실제 토석류 흐름과 비슷하게 모의를 하는지 확인하였다. 또한 상용 프로그램과 개발된 시뮬레이션을 비교하기 위하여 토석류 해석을 하는데 가장 많이 이용되고 있는 FLO-2D 수치모의 프로그램과 USGS 토석류 실험과 비교·검증을 수행하였다. 차후 정수압 가정, Non-Newtonian 유변학 모형, 추가 유입 토사 등을 고려하여 개선할 예정에 있으며, 최종적으로 토석류의 이송, 퇴적 과정을 정확히 모의하여 도심지 내 토석류로 인한 토사재해의 거동과 규모를 예측하려고 한다.

댐붕괴에 의해 발생하는 홍수파는 초기수심의 깊이에 따라서 하류부로 전달되는 수리학적 특성이 다르게 나타나며, 수치모의 시 흐름저항응력은 충격파의 전파 속도, 도달 거리 및 접근 수심 등에 영향을 미친다. 본 연구에서는 천수방정식을 SU/PG 기법으로 이산화한 모형을 개발하고 해석해를 이용하여 모형을 검증한 후, 초기수심 및 흐름저항응력에 따른 댐붕괴류의 전파특성을 분석하였다. 바닥마찰력을 적용한 경우 수심은 상대적으로 컸으나 충격파의 도달거리는 짧게 나타났다. Coulomb 응력을 적용한 경우 댐붕괴 후면에서의 유속이 상대적으로 작게 나타났으나, 충격파가 도달하는 영역에서는 바닥마찰력을 적용한 값과 흐름저항응력을 고려하지 않은 값 사이의 유속을 보였다. 또한 초기수심에 관계없이 흐름 저항응력을 고려하지 않은 경우의 불연속면에서의 Fr 수가 1.0에 가장 근사하였다. 초기수심이 얕은 경우 Coulomb 응력에 의한 모의결과가 난류응력을 적용한 경우에 비해 우수한 모의결과를 도출하였으나, 초기수심이 깊어지는 경우 흐름저항항의 영향력이 소멸되므로 반대의 양상이 나타났다.

보로 인한 상류부분 유속의 감소로 인해 보의 직상류 부분에 토사물이 퇴적되며 홍수시 수위가 증가하는 원인이 되어 치수 안정성을 저해하고 토사물의 퇴적과 함께 오염 물질도 같이 퇴적되어 수질 악화를 야기할 수 있다. 이러한 보의 단점을 개선하기 위해 본 연구에서 경사형, 슬롯형, 역쐐기 천공형 유사배제 래버린스 보를 제안하였다. 각각의 제안된 보의 수리학적 설계인자 도출을 위해 FLOW-3D를 이용하여 수치실험을 수행하였다. 역쐐기 천공형 래버린스 보의 경우 천공의 영향인자인 단면적, 천공갯수, 직경, 천공높이를 변화시키면서 동일 유량조건에서 수치실험을 수행하였다. 천공의 단면적은 월류고가 기존의 일반형 래버린스 보의 월류 수심보다 보다 10 % 이하로 감소하는 경우에는 수심유지효과가 확보되는 것으로 판단하여 천공의 지름을 결정하였다. 이 결과를 이용하여 슬롯형 유사배제 래버린스 보의 설계인자도 도출하였으며 수심이 10 %이상 감소하도록 설계하여 홍수시 치수안전성을 증가시킬 수 있도록 하였다. 또한, 유사배제효율을 확인하기 위해 보의 상류부분에 particle 형태의 유사를 유입하여 배제효과를 확인하였으며 유입유사 조건은 수리실험에서 주로 사용하는 주문진 표준사조건(d_50 =0.56 mm, σ_g = 1.48)을 적용하였다. 바닥부에서의 난류로 인한 유사배제율 변화를 확인하기 위해 천공의 간격과 높이를 변경하면서 수치실험을 수행하여 유사배제율이 최대가 되는간격과 높이를 도출하였다. 경사형 유사배제 래버린스 보의 경우에도 동일한 흐름 및 유사조건으로 수치모의를 수행하였으며 바닥의 경사를 변화시키면서 경사에 의한 유사배제율 변화를 분석하여 유사배제율이 최대가 되는 경사를 제시하였다. 본 연구에서 도출된 영향인자를 고려하여 유사배제 래버린스 보를 적용하면 기존 보의 단점인 보의 직상류 부분의 유사 퇴적 문제를 일정부분 해소하고 유사연속성을 증가시켜 생태건강성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단되며 유사배제 래버린스 보의 활용성을 높일 수 있을 것이라 기대된다.

기존의 파랑에 의한 부유체 해석은 유체에 의한 압력을 스프링 하중으로 가정하여 해석을 하거나 구조물의 변위가 커서 격자의 겹칩현상에 의한 제약으로 인해 파고가 비교적 작을 때에만 해석이 용이했었다. 본 연구에서는 국내적용이 가능하도록 저수지수면이나 연안과 같은 공유수면위에 띄어 발전을 하는 부유식 태양광 발전시스템의 안전성 검토를 위해 유체-구조 연성해석을 실시하였다. 기존 부유체 구조물 해석에서 파랑에의해 발생하는 구조체에서의 압력해석과 구조물의 응력해석을 따로 실시하였지만 본 연구에서는 동시에 해석이 가능하도록 하였다. 또한, 유체와 연동되는 부분을 부유체로 제한하여 격자의 겹침현상을 방지하였다. 이를 위해 구조해석 모듈과 유체해석 모듈이 함께 포함되어 있는 ANSYS 프로그램을 사용하였다. 파랑에 의해 부유체가 상하로 이동할 때 발생하는 응력을 검토하였으며 단위구조물 2개가 힌지로 연결되어 있는 경우에 대해서 구조체 프레임과 연결부의 안전성도 검토하였다. 풍속이 30 m/s 일 때와 45 m/s일 때로 풍파를 산정하여 파랑의 경계조건으로 사용하였다. 구조물 해석시 태양광 발전모듈에는 응력이 작용하지 않는다고 판단하여 본 해석에서는 제외하였다. 수치모의 결과 파고가 높은 경우가 응력의 최대값이 7.9~9.5 % 더 크게 산정되었으며 부유구조체의 지지점이 3개 일 때가 6개 일 때 보다 최대응력이 약 6배정도 크게 산정되었다.

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.

기존 수행되는 제방붕괴관련 연구는 댐붕괴 형태로 가정하여 해석하기 때문에 하도 내의 흐름을 반영하지 못하였다. 이러한 단점을 보완하기 위해 하도 내의 흐름을 반영할 수 있는 수리모형실험이 진행되었다. 하지만 붕괴부 내의 흐름을 파악하기에는 붕괴부가 발달함에 따라 측점이 이동하기 때문에 계측장비를 이용한 측정이 어려웠기 때문에 수리모형실험에서는 붕괴부의 유량이나 폭에 대한 연구가 대부분이였다. 따라서 본 연구에서는 하도흐름과 붕괴부 형상을 수치모의를 통해 재현한 후 붕괴부의 흐름특성을 분석하고자 하였다. 수치모의는 기존에 수행된 수리모형실험과 동일한 조건으로 수행하였으며 제방의 제원은 제방고 0.3 m 제방경사 1:2(H:L) 마루폭 0.3 m이다. 수리모형실험 결과를 이용하여 시간에 따른 붕괴형상을 FLOW-3D의 GMO(General Moving Object)의 기능을 이용하여 구현하였다. 수치모의와 수리모형실험에 대해서 붕괴유량과 하도수위를 비교하여 수치모의가 수리모형실험을 유사하게 재현함을 확인하였고 수치모의를 통해 도출된 유속분포를 이용하여 제체에 가해지는 외력을 분석함으로써 제방 붕괴의 발달 매커니즘을 분석할 수 있었다. 본 연구에서 도출된 결과를 이용하여 제방붕괴를 발달시키는 주요변수를 파악하면 제방붕괴에 대한 이론을 확립하는데 중요한 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 추후 붕괴부내 흐름뿐만 아니라 홍수터를 전파하는 흐름까지 재현하여 보다 정확한 침수면적을 예측하여 홍수 피해를 감소시키는 데 주요한 역할을 할 수 있을 것이다.

본 연구는 우리나라 전역에 대하여 제작된 Modified Bartlett-Lewis Rectangular Pulse(MBLRP) 강우생성 모형의 모수지도의 적용성을 홍수 재현의 관점에서 평가하였다. MBLRP 모형을 통해 생성된 가상 강우시계열을 사용하여 산정된 확률강우량은 관측치를 사용하여 산정된 확률강우량 보다 약 5%에서 40% 정도 작았고, 확률강우량의 재현기간이 클수록 과소산정의 정도가 크게 나타났다. 가상의 도시 유역에 MBLRP 모형을 적용하여 산정한 확률홍수량은 관측치를 사용하여 산정한 확률홍수량 보다 약 20%에서 45% 정도 작게 나타났고, 확률홍수량의 재현기간이 클수록, 그리고 유역의 불투수성이 작을수록 과소산정의 정도가 크게 나타났다.

최근 다양한 기후변동성으로 인해 전세계적으로 극한호우사상이 동시다발적으로 일어나고 있다. 우리나라의 극한호우사상은 주로 여름철 태풍으로 인한 호우와 국지성 집중호우에 의해서 발생한다. 극한호우사상에 대한 적절한 확률강우량을 추정하기 위해서, 본 연구에서는 연최대치일강우를 태풍으로 인한 강우와 집중호우로 인한 강우로 구분하여 확률적 거동을 고려하였다. 일반적인 강우빈도해석법은 연최대치강우가 단일 모집단을 이룬다고 가정하여 단일 분포함수를 적용하여 확률강우량을 추정하는 반면, 본 연구에서는 연최대치강우를 구성하는 두 가지 호우의 통계적 특성을 수문빈도해석에서 고려하기 위해, 혼합 분포함수를 적용하였다. 비교적 긴 관측강우자료를 보유한 15개 지점을 선정하여, 일강우량에 대한 확률강우량을 산정하고 비교분석을 실시하였다. 혼합 검벨분포모형에 의한 확률강우량은 단일 검벨분포함수를 적용한 확률강우량과 비교하여 지역에 따라 증감이 나타났으며, 이러한 결과는 홍수방어시스템의 계획 및 설계에서 유용한 정보를 제공할 것이다.

최근 이상기후 및 극한 홍수 발생 빈도의 증가로 수공구조물의 붕괴위험이 증가하고 있다. 그 중 70%가 제방이며 특히 월류에 의한 붕괴가 40%에 달한다. 따라서 좀 더 효과적으로 홍수를 예측하고 피해를 줄이기 위하여 수리모형실험의 필요성이 대두되고 있다. 붕괴 모형을 기존에 모래로 축조하여 수행하는 실험은 시간과 인력의 소모가 심하여 경제적으로 비효율적이라는 단점이 있다. 따라서 좀 더 경제적이고 효율적으로 하기 위하여 수치모형을 통하여 해석을 하였다. 수치모의에 사용된 제방 모형의 형태는 10Cm의 정방형 형태를 한 셀로 하여 구성하였다. 각 셀의 이동은 3D스캐너로 측정한 수리실험 형상의 자료를 Kriging의 방식으로 보간하여 셀별 속도를 산정하여 수치모의 조건으로 적용하였다. 이동상 제방 모형의 길이는 2m로 하고 높이는 0.3m 사면경사는 1：2로 제작하였다. FLOW-3D를 통하여 수치모의를 한 결과 모래로 쌓은 제방을 이용한 수리실험과 유사한 수위와 월류량을 나타내었다. 따라서 좀 더 간편화된 수치모형을 통하여서 홍수의 메커니즘을 이해 할 수 있으며 수위와 월류량을 예측할 수 있을 것이다.

하천에서 각종용수의 취수를 목적으로 일정수위를 유지시키는 수공구조물을 보라 칭한다. 이는 수자원 확보 측면에서 상당한 장점을 가지고 있다. 그러나, 보로 인하여 상류부분 유속의 감소가 일어나며 이로 인해 보부분에 토사물의 퇴적이 발생 하게 된다. 이는 홍수시의 수위가 증가하는 원인이 되며, 토사물의 퇴적으로 안정적인 치수효과를 기대할 수 없다. 갈수기시 기존 직선형 보에서는 물의 흐름이 없이 고이기 때문에 퇴적 토사물의 부패가능성으로 수생태 환경에 악영향을 끼칠 수 있는 문제가 있다. 이와 같은 보의 단점을 개선하기 위해 마루형 래버린스 보, 톱니형 래버린스 보가 제안되어 왔다. 본 연구는 기존의 일반사다리꼴 래버린스 보(그림1.(a) 참조)의 형상에 추가적으로 보의 하단부에 천공을 통하여 역쐐기형 천공 사다리꼴 래버린스 보(그림1.(b) 참조)를 제안하였다. 이는 흐름의 연속성과 유사배제능력의 향상으로 유사흐름의 연속성을 확보할 수 있다. 수치모의를 통하여 확인 할 수 있으며, 수치모의는 3차원 자유수면 해석에 자주 사용되고 있는 FLOW-3D를 활용 하였다. 수치모의의 방법으로는 Particle을 이용하여 유사흐름의 연속성을 확인하였다. 수치모의에서 사용되는 Particle은 주문진 표준사의 평균 입경 0.32 mm로 적용하였으며, 래버린스 보의 높이는 0.1 m로 조건은 동일하게 적용하였다. 수치모의를 통한 변수로써 천공의 크기(내부6mm 외부10mm, 내부10mm 외부15mm) 2 Case 및 천공의 개수(3∼5) 3 Case를 변경함으로써 총 6 Case를 모의하여 보았다. 유사배제 능력과 치수안정성을 확인하기 위해 월류 사이의 관계를 통하여 효율성을 검토 해보았다. 보의 하단부를 천공함으로써 홍수시가 아닌 갈수시의 월류 수위에 도달하지 못하더라도 물의 지속적인 흐름을 통하여 수생태 환경을 보존할 수 있을 것으로 판단된다.

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.

최근 이상기후 및 극한 홍수 발생빈도의 증가로 인해 수공구조물 붕괴위험이 증가하고 있다. 한국에서 발생한 수공구조물의 피해규모를 분석한 결과 제방의 파괴가 전체 수공구조물 중 70 %이며, 그 중 월류에 의한 피해가 40 %로 가장 많은 부분을 차지하고 있다. 그러나 제방 붕괴에 대한 연구는 종방향 월류에 대한 연구가 대부분인 반면 횡방향 월류에 대한 연구는 상대적으로 부족하다. 따라서 본 연구에서는 제방을 월류하여 제내지로 유입되는 유량을 시간에 따라 분석하여 제방붕괴의 메커니즘을 규명하였다. 대상 제방의 규격은 높이 3 m, 정부폭 3 m, 사면경사가 1:2인 제방으로 설정하였으며 이를 1/10 축척으로하여 하도폭 1.5 m인 실험 모형을 제작하였다. 상류 유입부로부터 6 m거리에 4m 길이의 이동상 제방을 제작하였다. 이동상 제방의 제체는 주문진 표준사로 축조하였으며 제방 마루부의 월류유도부를 통해 초기 붕괴를 유도하였다. 하도의 Froude 수 조건은 0.13, 0.27, 0.40 으로 설정하였고, Froude 수 변화에 따른 붕괴 후 제내지 유입량 및 하도 내 수위 변화를 관측하였다. 실험 결과 하도의 Froude 수가 커질수록 제내지 유입량이 증가하는 경향을 나타냈으나 제내지 유입량과 하도 내 유량의 비는 Froude 수가 커질수록 감소하였다. 제방붕괴에 따른 하도 내 수위 변화는 붕괴부 하류보다 상류가 감소율이 컸고 Froude 수가 클수록 상하류 수위차가 크게 나타났다. 이 결과는 추후 축척효과(Scale effect)를 고려하여 현장에서 실제 제방의 붕괴 메카니즘을 규명하는데 중요한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.