본 연구에서는 항 내부에서 부하되는 오염물질이 파랑 및 흐름 조건으로 인하여 항외로 유출되는 과정을 수리실험을 통해 알아보았다. 월성원자력발전소 항내에 오염물질이 부하 되었을 시, 실험인자를 변화시켜가며 추적자를 활용한 흐름거동 조 사를 수행하였다. 각 실험의 결과는 지수 함수에 따른 항내 오염물이 감소하는 경향이 나타나며, 항외 유출에 걸리는 시간의 기울기는 각각 다른 결과를 보여주었다. 관측된 데이터로부터 회귀식을 도출한 결과, 흐름 관측의 경우 유입되는 모터의 회 전 속도 30, 20, 10 rpm에서 좌측 항내의 오염물이 50% 유출률에 도달하는 시간은 각각 2.70, 10.40, 26.39 days를 보였다. 모터의 회전속도가 30 rpm인 실험에서 유출되는 감소 추세가 가장 뚜렷하게 나타났으며, 회전속도 10 rpm인 실험에서 기 울기는 완만하였다. 파랑 관측의 우측 영역의 오염물이 50% 유출률에 도달하는 시간은 4.59 days로 나타났으며, 좌측영역 의 경우 15.35 days의 결과를 보였다.

본 연구에서는 연승 수하식 양식시설의 파랑 중 해조류의 꼬임 현상에 영향을 미치는 연승줄의 간격, 계류 블록의 이동에 따른 양식장 형상변화 등을 수리모형실험을 통해 검토하고자 하였다. 실험결과로부터 해조류의 꼬임현상은 연승간격이 감소함에 따라 낮은 파고에서도 발생하였으며, 연승줄 간격이 클수록 보다 큰 파랑조건에서도 해조류 꼬임현상이 발생하지 않는 안정한 상태를 유지하였다. 이는 해조류의 꼬임 현상은 연승간격에 민감하게 영향을 받음을 나타낸다. 또한 블록 중량 및 주기가 길어짐에 따라 전체적으로 계류블록이 이동하기 시작한 임계파고가 커지는 경향을 나타내었다. 입사파랑 조건과 계류 블록 중량을 달리한 실험결과로부터 전면 블록 중량이 3.0 ton에서 8.0 ton으로 증가함에 따라 안정성이 크게 확보되는 결과를, 반대로 후면에서는 블록의 거동이 거의 발생하지 않았다. 이때 전면 계류삭의 최대 장력은 약 3.0 ton/m을 나타내었다.

한국의 고준위폐기물 기준 처분 시스템의 공학적 방벽에서의 T-H-M(Thermo-Hydro-Mechanical) 거동 실증을 위한 KENTEX(KAERI Engineering-scale T-H-M Experiment for Engineered Barrier System)실험 장치를 대상으로 열-수리-역학 연동현상 해석을 하여 온도, 포화도 및 응력의 변화를 예측하였다. 그리고 이들 변수와 열-수리-역학의 연동현상에 사용된 세물성법칙인 탄성물성법칙, 공극탄성 물성법칙 및 공극탄성-소성 물성법칙과의 관계를 분석하였다. 열-수리-역학 연동현상을 계산하는 데는 상용 유한요소 코드인 ABAQUS를 사용하였다. 열 계산에서 벤토나이트 내 온도는 히터 가열 후 초기에는 급격히 증가하다가 얼마의 시간이 경과한 후에는 거의 일정한 값에 도달하였다. 이 도달시간은 약 37.5일로 반경방향의 모든 지점(H=0.68m 일때)에서 정상상태에 도달한 것을 알 수 있었다. 즉, 히터와 벤토나이트 경계면에서는 , 벤토나이트와 외부 셀 경계면에서는 약 를 유지하였다. 열-수리-역학 연동현상 계산에서 시간에 따른 벤토나이트 포화도는 탄성 물성법칙, 공극탄성 물성법칙 및 공극탄성-소성 물성법칙의 세 경우 모두 거의 차이가 없었다. 열-수리-역학 계산 결과와 수리-역학 계산 결과의 비교에서 온도의 증가는 탄성 물성법칙 및 공극탄성 물성법칙 각각에 대해 시간이 경과함에 따라 포화도가 증가함을 초래해 포화가 빨리 진행됨을 알 수 있었다. 특히 히터에 가까운 쪽에서는물이 침투하고 있는 쪽 보다 포화도 증가가 큰 것으로 나타나 벤토나이트가 물로 포화되기 전의초기상태가 온도의 영향을 많이 받는 것을 알 수 있었다. 또한 응력은 세 물성 법칙 모두 시간의 경과에 따라 증가하는 경향을 보이나 탄성 물성법칙의 경우가 다른 두 경우보다 현저한 변화를 보이는데 이는 변형율이 탄성한계를 넘어서도 계속 작용하여 공극비 변화를 고려한 다른 두 물성법칙과 차이가 있음을 나타내고 있다. 그러나 공극탄성 물성법칙 및 공극탄성-소성 물성법칙의 경우에 열-수리-역학 계산 결과와 수리-역학 계산 결과를 비교하면 시간이 경과함에 따라 응력은 증가하지만 온도의 변화에 따른 서로의 응력의 차이는 작은 것을 알 수 있다. 즉 온도변화의 영향보다는 시간에 따른 포화도 변화의 영향이 더 큰 것으로 생각된다. 따라서 벤토나이트의 열-수리-역학 연동현상 해석에서 벤토나이트는 온도의 증가로 포화가 빨라지고, 포화도 증가는 응력을 증가시키는 결과를 보이므로 공극비, 열팽창 및 팽윤압 등의 영향을 받고 있는 것으로 이해된다. 그래서 벤토나이트의 열-수리-역학 연동현상 해석에서 벤토나이트는 공극비, 열팽창 및 팽윤압 등의 영향을 받으므로 탄성과 소성을 동시에 고려할 수 있는 물성법칙을 선택하는 것이 바람직하다.

지난 수십 년 동안 태평양 연안을 따라 발생했던 지진해일은 막대한 인명 및 재산피해를 초래하였다. 우리나라의 동해안은 갑작스러운 지진해일의 내습으로부터 안전하지 않고, 과거 지진해일에 의해 피해를 입었다. 본 연구의 목적은 우리나라 지진해일의 연구를 과거, 현재, 미래에서의 관점에 서 검토하는 것이다. 아울러, 전파모형과 범람모형으로 구성된 수치모형 및 수리실험에 관하여 서술한다. 또한, 이어지는 논문에서는 지진해일 현장조사, 지진해일 피해를 경감시키기 위한 노력과 지진해일 재해정보도 및 앞으로 더 연구해야할 주제 등에 대해서 소개한다.

최근 수십년간의 산업화로 인해 인간중심의 하천 개발이 이루어진 결과, 하천의 직강화 및 복개화 등 오수 및 하수의 배출구로만 활 용되어 집중호우 등의 수해가 반복되어 발생하고 있어 이에 대해 하천 및 제방의 사면을 각종 공법을 통하여 손상을 방지하고 있으나, 관련 기 준에서는 비탈높이, 최소비탈경사 등 최소한의 기준만 제시하고 있는 실정이다. 또한 홍수해 방지를 위한 가장 중요한 특성인 소류력에 대한 검토는 전무한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 실규모의 인공실험하천에서 다공성콘크리트 호안블록을 설치하고, 유입유량을 조절하여 각 실험조건에 따른 유속 및 수심을 측정하여 소류력을 평가하였다. 다공성콘크리트블록의 압축강도 및 공극률 시험결과 압축강도는 16.6~23.2 MPa의 범위로 측정되었고, 실측공극률은 10.1%로 나타나 국내 기준을 만족하는 것으로 판단되며, 소류력 시험결과 한계소류력은 47.202 N/m2으로, 하천설계실무요령에서 제시된 급류부의 소류력 범위인 67 N/m2은 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 하지만 블록 및 기반층의 유 실이나 손상이 전혀 관찰되지 않았고, 기존 선행연구를 참고하여 볼때 그 이상의 소류력에도 저항력을 가질 수 있을 것을 추정하여 볼 수 있다. 따라서 추후 실험조건 등을 조정하여 실질적인 한계소류력 측정을 위한 실험을 다시 수행할 필요가 있다고 판단된다.

본 연구에서는 하도 내 수제 형 수리구조물을 설치하였을 때, 만곡수로와 수충부에서의 흐름 양상 변화를 3차원 유속 측정을 통해 확인하였다. 연구를 위해 길이 24.4m, 폭 1.5m, 하상경사 2%의 만곡수로에서 실험을 수행하였다. 실험은 단일 수제의 설치 여부에 따라 크게 두 가지 경우로 나누어 수행하였다. 유속의 측정에는 3차원 초음파 유속계(Acoustic Doppler velocimeter, ADV)를 사용하였으며 각 단면 당 약60개의 측점을선정하여 일정한시간 동안측정하였다. 측정된 유속들은시간평균하였으며, 각단면에서의측정결과를연결하여만곡수로의수면유속을파악하였다. 그결과, 수제설치로 인해구조물하류에위치한만곡부외측에서의유속이현저하게감소하였고제방을향했던흐름의방향이내측으로변화하 였음을 확인할 수 있었다.

연안침식은 현재 매우 심각한 연안재해로 인식되고 있어 재해대응을 위해 지속적인 연구가 수행되고 있으나, 그 메커니즘에 대한 정확한 이해도 완전하지 못한 현상 가운데 하나이다. 파랑, 유동 및 지형변화가 상호작용하는 메커니즘의 이해를 위한 정밀 관측이 필수적이지만 국내에서는 실험연구가 부족한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 파랑 및 유동에 따른 표사이송을 관측하기 위한 이동상 수리실험을 수행한다. 입도분포 및 수중 안식각 실험을 통해 가능한 점토가 배제된 최소입경의 사질표사를 사용하여 실험하므로 스케일 이펙트를 가능한 최소화하도록 하였다. 초기경사는 0.04로 일반적인 해안경사를 반영하되 관측에 유리하도록 쇄파대 구간을 구성하였다. 실험결과로 입사파고 0.3미터, 주기 4초인 규칙파 조건으로 수심 0.8미터에서 초기 0.04 경사의 사질토 지형의 표사이동 실험을 수행하여 그 결과를 그림에 제시하였다. 그림은 시간에 따른 샌드바의 형성과정을 명확하게 보여주고 있다. 현재는 실험의 초기단계로 지형변동에 따른 파고, 주기 및 유속의 변화를 계측할 계획이며 특히 언더토우의 역할에 주목하여 실험을 할 계획에 있다. 그 결과들은 연안지형 변동 원인의 자료 및 수치모의 검증자료로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

지진해일은 구조물의 전도, 붕괴, 유실 등 다양한 피해를 발생시킨다. 2011년 발생한 동일본 지진해일 피해사례에 의해 다양한 연구들이 내륙으로 범람한 지진해일과 구조물의 상호작용 관계에 대해 분석하는 방향으로 연구가 집중되고 있고, 정확한 지진해일 하중산정을 통해 구조물의 피해를 최소화하기 위해 노력하고 있다. 본 연구에서는 과거 발생한 1983년 동해 중부 지진해일을 바탕으로 하여 축척 1/100 축소 제작한 임원항 지역에 대하여 실험을 실시하였다. 1983년 발생하였던 지진해일(M7.7)을 적용하려 했으나 현실성이 부족하여 대한민국 소방방재청(National Emergency Management Agency)에서 설정한 발생가능 지진규모(M9.0)을 적용하여 실험을 실시하였다. 실험의 목적으로는 임원항 내 건축물에 작용하는 파압 계측, 임원항 내 범람구역의 유속 측정, 지진해일에 따른 범람구역 및 구조물별 침수심 측정 등이 목적이다. 따라서 본 연구의 실험에서는 지진해일의 특성을 잘 나타내는 고립파를 이용하여 연직구조물에 작용하는 파압, 범람구역 유속, 구조물별 침수심을 3차원 수리실험을 통해 제시한다. 3차원 수리실험 시험장의 시설규모는 가로 50m, 길이 50m, 높이 1.0m로 구성되어 있으며 주요장비로는 유압식 조파 피스톤 6기, 파워팩 3기(20마력), 디지털 파고계, 3차원 유속계, 파압계 등이 있다. 수리실험으로부터 측정된 데이터는 이전에 실시된 수치모의와 비교 검증 자료가 될 뿐만 아니라 향 후 대한민국 동해안에 적합한 지진해일 파력산정계수(α)를 도출 하는데 기초가 될 자료로 활용될 수 있을 것으로 예상된다.

수충부란 하천형상의 영향으로 유수가 제방에 부딪혀 유속이 상대적으로 상승하는 구간을 말한다. 특히 만곡의 수충부에서는 만곡부 외측에 빠른 유속이 발생하여 제방의 침식을 야기하므로 유속의 흐름 방향을 적절히 조절하여 피해를 줄이는 수리구조물의 설계가 필요하며 대표적으로 수제를 들 수 있다. 수제는 유속을 제어하여 제방이나 하안의 침식으로부터 보호하는 기능 외에도 수생 생물들의 서식처를 제공하고 수제역 내의 재순환 영역이 하천생태 개선의 도움을 주는 등 다양한 기능들로 국내 및 국외에서 활발히 연구되고 있다. 국내에서는 직선 수로에서 수제의 방향, 투과율 변화에 따른 흐름 분리 영역, 선단유속과 선단흐름각에 대한 연구가 수행되었다. 하지만 만곡 수로의 경우, 만곡부 내 이차류 거동에 초점을 맞춘 연구가 진행되었을 뿐, 만곡 하천에서의 수제 설치로 인해 생기는 흐름 변화를 파악하고 그 효용성을 판단하기에는 부족한 실정이다. 국외의 경우, 만곡부에서 변형된 수제(vane, barb)을 설치하여 하상 형상의 변화와 3차원 흐름 패턴과 난류 특성에 대하여 정량적인 수치로 제시하였지만 변형된 수제를 설치하였다는 점에서 한계를 지니고 있다. 따라서 본 연구에서는 만곡수로에서 수리구조물의 설치로 인한 유속의 변화와 그에 따른 난류 인자들의 변화 파악하여 수충보를 보호하는 데 그 목적이 있다. 본 연구에서는 수로 길이 24.4m 주수로폭 0.5m 비탈면경사 1:2, 수로경사 2%의 사행수로에서 실험을 수행하였다. 단일수제의 설치 여부에 따라 두 가지 실험으로 나누어 수행하였으며, 하류수위 0.25m, 유량 0.13m3/sec로 흐름조건을 동일하게 하였다. 평균수심을 특성길이로 산정한 Reynolds 수는 1.35×105으로 수로 내 흐름이 난류 특성을 띄기에 충분히 큰 값을 보였다. 유속의 흐름 특성을 파악하기 위해서 Acoustic Doppler velocimeter(ADV)를 사용하였으며 흐름방향의 수직 단면에 대하여 횡방향과 수심방향에 따라 등간격으로 나누어진 65지점에서 3차원 유속을 측정하였다. 측정된 유속은 이차류와 Reynolds 전단강도와 난류운동에너지를 파악하는 데 이용되었다. 실험결과, 수리구조물 설치로 인해 만곡부 외측에서의 유속이 감소하는 것을 확인할 수 있었고, 주수로에서 제방을 향했던 유속 벡터 또한 그 편각이 감소함을 확인할 수 있었다.

해안항만 분야 문제해결을 위하여 여러 가지 방법이 적용되어 왔다. 특히 전통적으로 수행되어온 방법으로는 수리모형실험과 수치해석을 들 수 있다. 특히 수치해석의 경우 컴퓨터의 발전과 더불어 수치기법의 다양화, 3차원 해석, 계산영역의 확대, 다양한 변수의 적용 등 많은 발전이 이루어져 왔다. 수리모형실험에 있어서도 전자장비의 발전과 더불어 조파장치의 발달, 첨단계측장비의 개발 등 많은 개선이 이루어져 왔다. 그렇지만 여전히 수리실험은 원형의 성능을 사전에 파악하고, 또한 지배적인 외력을 대상으로 실험을 실시하여 원형에서의 현상을 미리 예측하고 분석하여 대응방법을 세우는 것이 목적이다. 이러한 수리실험을 수행하기 위해서는 실험목적을 달성하기 위하여 실험장비 적용 및 한계, 실험자의 적절한 경험이 필요하다. Hughes(1993)은 실험자의 경험에 의한 수리모형의 설계가 실험의 단계에 있어 가장 중요하다고 제시하고 있다. 본 발표에서는 기존 연구자료(Hughes, 1993; HydralabⅢ, 2011)에서 제시하고 있는 기본적인 수리실험의 적용한계 및 장비구성 등에 대하여 기술하며, 국내외 대표 실험인프라에 대하여 소개하고자 합니다. 그리고 특히 유럽내 Hydralab의 사례를 바탕으로 국내 해안항만 실험 연구분야 및 실험인프라의 활성화에 대한 제언을 하고자 합니다.

해수의 사용은 해수담수화, 원자력발전소, 해양심층수, 어항의 어시장 등 다양한 분야에서 사용하고 있으며 그 수요가 점차 커지고 있다. 이때 사용되는 해수 취수는 해수를 관으로 직접 취수하는 방식과 대수층에 관정 등을 이용해서 취수하는 간접 취수방식으로 구분할 수 있다. 본 연구에서 수리모형실험에 의해 분석한 매설식 해수취수시설은 다양한 해수취수방법중 항내에서 직접해수를 취수하는 방법이다. 매설식 해수취수시설은 여과사를 이용한 전처리를 통해 부유물질을 저감시킨 후 폐색을 방지하는 이중관에 의해 물을 공급하므로서 수질을 개선하고, 최저 약조위 이하로 항내 매설되어 있어 풍부한 수량을 확보하며, 항내에 설치되어 있어 외해를 기상조건에 영향을 받지 않으므로 유지관리가 용이하고 구조적 안전성이 크다는 장점을 가지고 있다.본 연구에서는 매설식 해수취수시설의 취수관에 대한 성능을 분석하였다. 여과사가 없는 경우에 단일관과 이중관의 성능을 조위를 바꾸어가면서 수리모형실험에 의해서 검증하였으며, 여과사가 있는 경우에 취수관의 연장과 조위를 바꾸어 가면서 수리모형실험을 수행하여 최적의 취수관의 연장을 제시하였다. 수리모형실험 결과 여과사가 없는 경우 스트레이너 형태의 외관을 갖는 이중관의 경우에도 단일관과 거의 동일한 유량공급이 가능한 것으로 나타났다. 또한 하류단의 경계조건인 조위를 변화시켜가며 실험한 결과 조위에 따른 유량변화는 거의 없는 것으로 나타났다. 여과사가 있는 경우 이중관에 대해서만 실험을 수행했으며 실험결과 여과사나 조위에 의한 유량변화는 미미한 것으로 나타났다. 이에 따라 스트레이너 형태의 외관을 갖는 이중관의 경우에 충분한 유량공급이 가능할 것으로 판단되었다. 취수관의 연장이 20m인 경우에 충분한 안전율을 갖고 있는 것으로 나타났다.

제방을 유수에 의한 침식으로부터 보호하기 위해 설치되는 호안의 덮기 재료는 호안블록과 같은 콘크리트가 주를 이루고 있어 하천의 오염과 경관 훼손의 원인으로 지적되고 있다. 이에 따라 최근 이런 콘크리트 재료의 단점을 보완한 다양한 재료들이 호안 덮기 재료로 대두되고 있다. 그 중에서 코코넛섬유 및 황마, 생분해성 합성섬유 등의 친환경 재료를 주로 사용하는 식생매트공법은 식생의 자연적인 활착을 통해 지반의 안정성을 확보하여 제방을 보호하는 공법으로 강한 수류가 발생하는 지점이나 수충부 등의 하천구간에서 사용하기 어려운 단점을 가지고 있지만 그 이외의 구간에서는 친환경적으로 제방을 보호할 수 있기 때문에 최근 각광받고 있는 공법이다. 식생매트공법은 식생이 활착하기 이전까지는 호안블록에 비해 매우 낮은 제방보호기능을 가지기 때문에 무식생 상태에서 식생매트의 제방보호기능의 판단 기준이 되는 식생매트 수리 안정성의 평가는 매우 중요하다. 그러나 아직까지 국내에서는 식생매트의 기본적인 물성치 외에 치수 안정성과 직접적인 관련이 있는 식생매트의 허용유속 등에 대한 수리 안정성 평가는 미흡한 실정이다.이에 본 연구에서는 현재 실재 하천에 사용되는 식생매트 1종을 선별하여 소하천을 재현한 실규모 실험수로에 설치하고, 국내에는 아직 식생매트의 평가기준이 없으므로 미국의 재료시험학회의 시험기준 ‘ASTM D 6040’을 참고하여 실험을 수행한 뒤 수리량에 따른 식생매트의 상태와 하부 기반층의 유실량 등을 측정하여 식생매트의 수리 안정성을 평가하였다.

하천의 흐름을 파악하기 위해서는 일반적으로 수치모형 해석을 이용한다. 흐름특성을 파악하기 위해서는 수리모형 실험을 통하여 결과를 분석하는 것이 이상적이나 비용과 시간이 많이 소요되는 어려움이 있다. 이러한 이유로 원형에 대해 모형 법칙을 적용하여 정확하고 신뢰할 수 있는 결과 값을 도출하기 위해 수리모형 실험을 수행한다. 만곡부 흐름은 원심력의 영향을 받아 외측으로 향하는 2차류가 발생하고, 외측의 수위가 내측의 수위보다 높아져 횡방향으로 수면경사 상승이 발생한다. 이런 현상 때문에 1차원 수치모형을 적용하는 경우 제방의 안정성 문제가 발생하게 된다. 본 논문에서는 경기도 의정부에 있는 백석천 만곡부 경사형 낙차공의 흐름특성을 수리모형 실험 결과 값과 1, 2차원의 수치모형 해석 결과 값을 비교하였다. 100년 빈도 설계홍수량에 대해 비교해 본 결과 수리모형 실험과 수치모형 해석의 결과 값은 지점에 따라서 5~10%의 유속 및 수심이 상이하게 나타났다. 불균등한 유속분포에 의해 세굴과 퇴적현상이 예상되는 경우에는 수치모형 해석의 결과 값을 수정하여 적용할 필요성이 있으며 본 논문에서는 이러한 보정에 필요한 값을 제시하였다. 1, 2차원이 아닌 3차원 수치모형 해석을 추가적으로 비교분석한다면 유효한 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

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.