• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2019년도 학술발표회
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• pp.50-50
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• 2019

최근 국지성 호우 및 하천 제방의 노후화로 인한 제방 붕괴 피해가 빈번히 발생하면서 제방의 안정성 및 표면 보강을 위한 다양한 연구가 시도되고 있다. 본 연구에서는 제방 붕괴에 따른 피해 최소화 및 대책을 수립하기 위한 방법으로 시멘트와 같은 지구온난화를 야기시키는 물질이 아닌 친환경 신소재 바이오폴리머를 흙과 혼합한 재료를 활용하여 제방의 내구성을 강화하기 위한 연구가 수행되고 있다. 이에 안동하천실증연구센터에서는 현장토를 사용하여 높이 1 m, 폭 3 m, 사면경사 1 : 2, 총 길이 5 m 의 중규모 제방모형을 제작하였으며, 공동연구기관인 카이스트에서 개발된 바이오폴리머와 흙을 적정 비율로 혼합한 바이오-소일을 제방 전면에 일정 두께로 피복하여 월류 발생에 따른 제방 안정성 평가 실험을 수행하였다. 1차 실험은 흙 제방 조건이며, 2 3차 실험은 제방 표면에 5 cm 두께로 신소재가 피복된 조건으로 안정된 결과 도출을 위해 반복 실험을 수행하였다. 제방 천단면 및 사면에서의 유속분포를 측정하기 위해 드론 및 비디오카메라를 활용한 LSPIV 기법을 적용하여 실험조건에 따른 표면유속과 월류 흐름이 제방 붕괴에 미치는 영향에 대해 비교분석하였다. 또한 그래픽 소프트웨어를 이용한 픽셀기반 영상분석 기법을 적용하여 시간에 따른 제방사면의 붕괴면적을 산정하여 신소재 피복에 따른 붕괴 지연효과 분석을 통한 신소재 활용 제방의 현장 적용가능성 및 안정성을 평가하였다. 본 연구결과, 흙 제방의 경우 월류 흐름 발생 직후 침식현상이 전개되어 유속분포가 집중되고 있었으며, 이후 발생하는 강한 수직흐름으로 인해 입자추적을 통한 분석이 더 이상 불가능하였다. 신소재 제방의 경우 월류 흐름 발생 직후 침식은 발생하지 않았으며 일정시간동안 유속분포가 유지되었다. 지속적인 월류 흐름으로 인해 제방 끝단에서 침식이 발생하였으며 이때 최대 유속은 3.3 m/s 로 나타났다. 또한 픽셀기반 분석을 통해 30초 단위로 표면손실률을 산정한 결과, 신소재 활용 제방(2, 3차)의 경우 같은 실험조건에도 불구하고 최종 붕괴시간은 약 3배의 차이를 보였으며, 양생 과정에서의 크랙 발생을 최소화한다면 월류 발생 시 상당한 붕괴지연효과가 있는 것으로 판단된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2007년도 학술발표회 논문집
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• pp.899-903
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• 2007

본 연구에서는 제방붕괴에 의한 제내지 홍수파 거동 해석의 일환으로 제방붕괴시 제방의 붕괴깊이에 따른 제내지에서의 홍수파의 거동 양상을 수리실험을 통하여 고찰하였다. 다양한 제방붕괴폭과 초기하도수위 및 제방붕괴고 조건에 대해 범람홍수파의 전파속도와 제내지에서의 최대수심의 변화를 실험을 통하여 관찰하였다. 범람홍수파 선단(wave-front)의 이동속도는 동일한 하도수위조건에서는 붕괴고가 높을수록 감소하는 것으로 나타나 제방붕괴시 월류수심 $H_w$가 범람홍수파 전파속도에 영향을 준다는 것을 알 수 있었다. 모든 실험조건에서 최대수심은 일정한 경향을 띠고 있음을 알 수 있었다. 제방인근 지점에서 최대수심이 가장 크게 나타났고, 붕괴부로부터 일정 지점이 지나면 수위가 급격히 감소하여 거리에 관계없이 일정한 최대수심을 유지하는 것을 알 수 있었다. 동일 수위조건이라면 제방붕괴고가 낮을수록 제내지로 유입되는 유량이 증가하여 초기에 제방붕괴부 주위에서 수심이 높아지는 것으로 분석할 수 있다. 실험결과를 이용하여 범람홍수파의 전파속도와 최대수심을 산정하는 식을 무차원변수를 이용하여 제시하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2023년도 학술발표회
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• pp.481-481
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• 2023

제방은 홍수로부터 주변 주거지와 농경지를 보호하는 가장 전통적이고 기본적인 구조물이다. 개발된 제방보강기술은 파이오폴리머와 골재를 혼합하여 제방표면을 강화하여 월류 등으로 인한 제방붕괴를 대응할 수 있는 친환경 제방보강기술로 제방의 세굴 및 붕괴 등을 억제하는 목적이 있다. 개발 기술은 하천호안 사면 및 제방을 안전하게 보호하기 위한 기술로 치수방재사업과 자연재해 영향을 저감시키는 사업에 활용가능하며 시공성이 수월하여 월류파괴에 대한 대응 기술로 적용이 용이하다. 개발된 기술을 현장에 적용하기 위해서는 기술의 안전성을 확보해야 하므로 현장시범사업 등 실제 적용에 대한 연구가 필요하다. 하지만 월류 파괴는 현장에서 시범사업을 수행할 수 없으므로 본 연구에서는 실규모 실험을 통해 현장 적용성 연구를 수행하였다. 실규모 실험은 안동에 위치한 하천실험센터에서 수행하였으며, 인위적인 월류를 통하여 제방 세굴 및 붕괴 상황을 검토하였다. 실험결과 대조조건으로 식생 제방의 경우 25분경에 붕괴되었고, 개발 기술은 월류 발생 후 2시간 동안 제내지 경사면에서 균열이 발생하지 않았다. 개발기술이 월류파괴에 대해 대응 가능하고 붕괴를 억제할 수 있는 기술로의 실증 결과를 파악 할 수 있었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2020년도 학술발표회
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• pp.54-54
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• 2020

본 연구에서는 제방의 세굴이나 붕괴를 방지하기 위해 바이오폴리머(Biopolymer) 기반 신소재를 활용한 흙 제방의 보강공법을 제시하였다. 바이오폴리머 기반 제방의 보강공법은 흙과 바이오폴리머를 소량만 섞어도 흙의 강도 증진시킴과 동시에 빗물에 대한 내침식성과 식생의 생장을 촉진하는 생태성도 뛰어나기 때문에 제방 사면을 보호할 수 있는 친환경적이고 효율적인 공법이다. 이에 안동하천연구센터는 실증실험을 통한 신소재 제방 보강공법의 안정성 검증을 목표로 2 건의 월류붕괴 실험을 수행하였다. 첫 번째는 흙 제방 조건(Case 1)이며, 두 번째는 바이오폴리머 혼합 토양을 사면에 도포한 후 식생이 활착된 조건(Case 2)이다. 제방 붕괴에 따른 수로 내 수위변화를 측정하기 위해 압력식 수위계를 설치하였으며, 영상분석을 위한 다수의 카메라 및 드론을 활용하여 실험의 전 과정을 실시간 촬영하였다. 또한, 제내지 측 사면을 대상으로 월류에 따른 붕괴 지연효과를 정량적으로 제시하기 위해 이미지 픽셀 변화 측정 기법을 통한 시간에 따른 표면 손실률을 산정하였다. 흙 제방과 신소재 처리 제방의 시간에 따른 표면손실률을 비교한 결과, Case 2의 사면손실률이 Case 1에 비해 약 1.5~2.3 배 지연되는 것을 확인하였다. 하지만 단일 조건만으로 실험군과 비교군의 붕괴지연 결과가 제방 성능을 평가함에 있어서 일반화될 수 없으므로 이러한 정량적 평가는 다소 한계가 있다. 향후 이러한 부족한 부분을 해결하기 위한 노력과 다양한 조건의 추가실험을 통한 계측 데이터 및 붕괴지연시간의 평균값을 도출하여 신소재 제방의 안정성을 평가하기 위한 타당한 결과를 도출할 예정이다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2008년도 학술발표회 논문집
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• pp.1858-1862
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• 2008

최근에 발생하는 이상홍수로 인하여 설계규모를 초과하는 홍수가 발생하여 월류에 의한 제방붕괴 피해가 증가하고 있다. 초과규모의 홍수가 유하하더라도 월류에 의해서 제방이 붕괴되는 것과 붕괴되지 않고 단순히 월류하는 경우의 피해 정도는 매우 다른 양상으로 나타난다. 제방이 붕괴되는 경우, 제내지 유입량 및 유입기간의 증가로 인명 및 재산피해가 가중된다. 따라서 인구가 집중되고 재산이 밀집되어 있는 지역에 대해서는 제방붕괴에 의한 피해를 감소시키기 위한 특별한 대책이 필요하다. 본 연구에서는 기존 제방의 식생이 제방 월류 붕괴에 미치는 영향을 추정하기 위하여 수리실험을 수행하였다. 실험수로에 제작된 제방 뒷비탈에 인조식생을 부착시켜 유량에 따른 수심과 유속을 측정하였으며, 측정결과를 이용하여 조도계수를 산정하였다. 산정된 조도계수를 CIRIA(1987)의 보고서에 조도계수 산정 방법과 비교하고 분석하였다. 분석 결과, CIRIA(1987)에서 제시하고 있는 1V:2H제방의 조도계수 0.02보다 큰 값이 산정되었음을 알 수 있었다. 향후, 실제 식생에 대한 실험을 수행하여 흐름특성별 조도계수에 대한 추가적인 검토가 필요할 것으로 사료된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2018년도 학술발표회
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• pp.480-480
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• 2018

전 세계적으로 자연 친화, 하천생태계 보전, 친수하천 등을 조성하기 위한 대대적인 하천 정비사업이 활발히 진행 중에 있다. 최근 홍수로 인한 제방 붕괴에 대응하기 위한 제방의 안정화 및 개선을 위한 방법으로 기존의 시멘트와 같은 혼합물질을 사용하지 않고 환경 친화적이고 지속 가능한 대안에 대한 수요가 증가되고 있는 추세이며 현재 노후화 된 불안정 제방에 대한 보강대책을 수립해나가는 과정으로써 친환경 신소재를 활용하여 제방을 보호하는 연구가 수행되고 있다. 제방사면에 적용되는 신소재는 바이오폴리머를 활용한 재료로써 공동연구기관 카이스트에서 개발된 환경 친화적인 물질로 미생물에 의해 유도된 고인장 및 인체 무해성 등의 특성을 갖고 있으며 경제적 타당성인 측면에서 시멘트와 비교 분석 되어야 하고 실제 현장에서의 적용 가능성, 신뢰성 및 내구성 검토 등 성능을 보장하기 위한 지속적인 연구가 필요한 상황이다. 이에 본 안동하천실험센터에서는 중규모 제방을 직접 제작하여 수리모형실험을 통한 친환경 신소재 활용 제방의 안정성 및 성능 평가를 실시하였다. 수리실험 조건은 카이스트에서 제시된 레시피를 기반으로 먼저 분말형태의 바이이폴리머를 물과 희석하여 만들어진 바이오폴리머 용액을 흙과 혼합한 뒤 제방표면에 직접 미장작업을 수행하여 실험조건에 따라 일정한 두께(1cm, 3cm, 5cm)로 피복하였다. 이후 월류 붕괴 실험이 가능한 3 - 5일 정도의 양생기간을 거쳐 실험을 진행하였다. 실험결과는 다수의 고프로(GoPro) 및 비디오 카메라 등 다양한 영상장치를 이용하여 픽셀기반의 영상분석기법을 활용한 시간 흐름에 따른 제방 사면에서의 붕괴규모를 산정하여 신소재의 피복 두께에 따른 제체의 붕괴 거동 및 안정성을 평가하였으며, 또한 제방 파괴부에서의 흐름 상황 및 유속이 붕괴 발달에 미치는 영향을 분석하기 위하여 PIV 분석을 실시하였다. 이번 연구의 최종목표는 지속적인 예비실험을 수행하여 월류 및 침투, 파이핑 등 파괴 인자 별 신소재의 성능 개선 및 개발된 새로운 공법에 대한 효과 검토를 통한 최적안을 도출함으로써 향후 실규모 실험실증을 통한 신소재 시공 및 공법에 대한 현장적용 가능성 검증을 거쳐 최종적으로 신소재 제방 공법 설계 기술, 신소재 및 공법 표준안, 제방공법 안정성 평가 가이드라인 등을 제시하고자 하며, 이러한 실험데이터를 축적함으로써 실제 제방 붕괴 시 비상대처계획 수립에 필요한 기초자료로 활용이 가능할 것으로 사료된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2006년도 학술발표회 논문집
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• pp.1281-1285
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• 2006

하천제방 붕괴시 홍수파가 제내지에서 거동하는 양상을 파악하는 것은 홍수피해를 저감하는 데 있어서 매우 중요하다. 실제 제내지에서의 범람형태에 크고, 작은 영향을 미치는 인자들은 제내지 지형 및 구조물과 초기 제내지범람상태, 하도형태, 홍수수문곡선, 제방붕괴시 붕괴면 경사 및 붕괴시간 등 많이 있으나, 본 연구에서는 제방붕괴폭과 붕괴지속시간에 따른 홍수파의 형태, 유속, 수심, 방향 등의 일반적인 법칙성을 찾고자 한다. 본 연구에서 사용된 실험수조의 전체 크기는 가로 30m, 세로 30m이며, 수조 내부에 제내지, 제방, 하도를 제작하였다. 그림 1에서 보는 바와 같이 하도는 폭 5m, 길이 30m이며, 제내지는 폭 28m, 길이 24m이다. 하도와 제내지의 하상은 수평이며, 시멘트 모르타르로 표면을 처리하였다. 제방붕괴 재현장치는 최대붕괴폭 4m, 높이 0.6m가 되도록 하였으며, 하도의 중간지점에 설치하였다. 하도에서의 초기수심은 $h_o$이며, 제내지는 건조상태이다. 제방붕괴장치의 개방속도는 $0{\sim}18cm/sec$범위에서 조정이 가능하다. 실험결과, 제방붕괴폭과 제방붕괴지속시간은 제내지에서의 홍수파 전면(wave-front)의 이동속도와 제내지에서의 시간별 수심변화에 영향을 주는 것으로 나타났으며, 제내지에서의 최대수심은 제방붕괴폭과 제방붕괴 지속시간에 의한 영향이 거의 없는 것으로 나타났다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2010년도 학술발표회
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• pp.1878-1882
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• 2010

이 연구는 제방의 침투 수리모형 실험의 자료를 이용해 안전도 평가 지표 선정을 위한 자료 제공하고 향후 수행할 침투 수치모의에 필요한 보정 및 검증 자료를 확보할 목적으로 수행하였다. 제방 축조 현장에서 구한 제체재료를 사용하여 실험실에 제방축소모형을 $14.5m{\times}0.6m{\times}1.6 m$의 수조 내부에 제작하였다. 제방 사면의 경사는 1:2, 제방 저면의 길이는 4.60 m, 제방 상부의 길이는 2.40 m, 제체의 높이는 0.55 m로 제작하였다. 모형제방은 제방축조 방법과 유사하게 다짐을 하기위해 흙을 쌓으면서 0.20 m 높이 마다 다짐을 실시하였다. 다짐방법은 고무망치를 이용한 층다짐을 하였다. 들밀도실험에 의한 제방모형의 건조단위중량과 다짐도는 각각 1.71g/cm3, 93%로 측정되었다. 홍수위 증가에 따른 비정상 상태의 침투수위 측정을 수행하였다. 수리모형실험은 약 8일 동안 수행하였다. 침윤선의 수두와 위압계별 수두는 상류쪽(제외지 사면)부터 증가하기 시작하며 하류쪽(제내지 사면)로 확장됨을 알 수 있으며, 실험 초기에는 상류쪽의 수두가 급격히 상승하지만, 점차 상승속도가 둔화되는 등의 일반적인 경향이 나타나고 있음을 확인할 수 있다. 실험시작 18시간 경과 후부터 제외지 사면 하단부에서 유출이 발생하였으며, 21시간 경과 후부터는 상류부의 수두가 안정되는 현상이 나타났다. 측정된 침투수위의 변화 양상은 향후 수치모형을 이용한 침투해석의 검보정 자료로 활용할 계획이다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2012년도 학술발표회
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• pp.541-545
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• 2012

이 연구에서는 SEEP2D 모형을 사용하여 하부에 투수지반을 갖는 제방 내부의 침투흐름에 대한 수치모의를 수행하였다. 제방의 재료는 4대강사업 낙동강 제2하구둑 건설 현장에서 채취한 시료를 사용하였으며, 입도분석과 들밀도시험을 통해 구한 제방의 건조단위중량과 다짐도 및 제방의 투수계수는 각각 $1.372g/cm^3$, 93%, 1.35 m/day이다. 투수지반층과 1:3 비탈경사를 가지는 제방모형을 제작하여 연직 이차원 정상류 침투해석 모형을 해석하는 SEEP2D 프로그램을 사용하여 나온 결과 값을 수리모형 실험 결과 값과 비교하였다. 모의조건은 0.45 m, 0.50 m, 0.55 m, 0.60 m의 4가지 수위(각각 Case1~4)조건에 대하여 수리모형실험과 동일한 조건을 수치모형에 적용하였다. 수치모형의 결과는 실험결과와 비교적 일치하였지만 제방의 비탈사면이 시작하는 부분에서는 수치모형의 결과 값보다 실험결과 값이 작은 것으로 확인되었다. 각각의 조건별로 수치해와 실험 결과값을 비교해본 결과 대체적으로 비슷한 양상을 보였지만 제방의 비탈사면이 시작하는 지점부터 수치모형의 결과 값보다 실험결과 값이 작은 것으로 확인되었다. Case3의 경우 4.35 m 지점부터 6.00 m 지점까지 유출이 발생하였으며 수치모형의 결과값과 실험결과 값의 차이가 가장 작게 나타났다. 사면유출 길이는 Case4에서 가장 길게 나타났으며 최대 4.10 cm로 발생하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2012년도 학술발표회
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• pp.148-148
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• 2012

제방의 붕괴는 전체 수공구조물 중 70%를 차지하고 있으며, 그 중 월류에 의한 피해가 40%로 가장 많은 비율을 차지하고 있다. 제방을 월류하여 제내지로 유입되는 붕괴유량은 높은 속도로 제내지로 전파된다. 제방붕괴로 인한 피해를 줄이기 위해서는 이러한 붕괴파의 거동에 대한 연구가 필요하다. 기존의 연구들에서는 제방의 붕괴를 수문의 개방으로 가정하여 제내지 유입을 재현하였다. 본 연구에서는 제방의 규격은 높이 3 m, 정부폭 3 m, 사면경사가 1:2인 제방에 대해서 1/10 축척으로 수리모형실험을 실시하였으며 제방의 붕괴부를 모래를 축조하여 이동상으로 제작하였고 이동상 제방의 길이는 4 m이다. 제방에 월류를 유도하여 붕괴를 유발하였으며 홍수파가 제내지로 유입되는 속도 및 경향을 기록하였다. 제내지는 길이 6 m, 폭 6 m로 수평하게 제작하였다(그림 1 참조). Froude 수 변화에 따라 제내지로 유입되는 범람홍수파의 전파 경향을 분석하였으며 그 결과 Froude 수가 클수록 선단 홍수파의 방향이 하류방향으로 전파되는 경향을 나타냈다.