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.

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.

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.