[논문]지하공간 침수해석을 위한 2차원 흐름모형의 적용성 검토

곽성현; 이경수; 이동섭; 류시완

doi:10.14346/jkosos.2015.30.6.78

Abstract ▼ AI-Helper

In order to increase the utilization of limited space in urban area, it can be a good solution to make use of underground space. For the last few decades, underground space systems, such as underground passages, subway stations, and underground shopping arcades, have been constructed in many cities ...

In order to increase the utilization of limited space in urban area, it can be a good solution to make use of underground space. For the last few decades, underground space systems, such as underground passages, subway stations, and underground shopping arcades, have been constructed in many cities all over the country. Despite of the advantages on the utilization of space in urban area, underground space systems have always been exposed to the risk of inundations resulted from severe rain storms. In this study, it has been examined to apply 2-D flow models (TUFLOW and FLUMEN) to establishing the preventive measures to the risk of flood. For the part with relatively complex configuration, such as a corridor junction, 2-D flow models present the detailed information about the effect of geometry on the inundation events and the temporal and spatial distribution of inundation over the space. From the result, it can be concluded that the 2-D flow model can be the effective implement for establishing the proper measure to the inundation on underground space systems, which generally have relatively long and narrow geometry with complex inner configuration.

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문제 정의

본 연구에서는 기존의 지표중심의 수문학적해석을 바탕으로 하는 지하공간 설계의 한계를 극복할 수 있도록 지하공간에서의 침수해석 및 대책수립에 대한 2차원 흐름 모형을 이용한 수리해석의 적용성을 검토하고자 한다. 지하공간에서의 침수양상 모의를 위해서는 기본적으로 상류(tranquil flow)와 사류(rapid flow) 모의와 마름/젖음에 대한 모의가 가능해야 하며, 본 연구에서는 이러한 조건을 만족하는 모형으로 Windows계열의 TUFLOW와 Linux계열의 FLUMEN을 대상모형으로 선정하였다.
수치해석모형을 대상구간에 적용할 경우 실측값에 의한 검․보정이 필요하나, 침수상황에 대한 실측값이거의 존재하지 않는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 적용된 두 모형 내부의 각종 매개변수들을 동일하게 설정하여 상호 간의 비교를 통해 모형의 적용성을 살펴보았으며, 실제 지하공간에 대한 수리학적 비교^․분석을 실시하여 다음과 같은 결과를 도출하였다.

가설 설정

이러한 가벽 설치는 침수 발생 시 매장면적 만큼 침수면적의 축소효과를 가져와 침수높이의 증대를 야기한다. 따라서 본 연구에서는 상가 출입구에 위치한 배수구의 기능상실 및 모든 매장 입구에 가벽이 설치되어 있다고 가정한, 악조건 발생 시 지하공간에서의 침수심 분석을 수행하였다.
모의 조건은 총 4가지로 14개의 출입구에서 각각 0.02 ㎥/s의 유량이 일정하게 30분 동안 유입한다고 가정하고 1분 간격으로 대상구간에서 침수심을 파악하였으며, 각 모의케이스에 대한 모의조건은 Table 1에 제시된 바와 같다. 또한 침수 발생 시 배출시스템 운영조건에 따른 영향을 판단하기 위해 특정 수위 측정 지점을 두어 침수심 변화를 살펴보았다(Fig.

제안 방법

02 ㎥/s의 유량이 일정하게 30분 동안 유입한다고 가정하고 1분 간격으로 대상구간에서 침수심을 파악하였으며, 각 모의케이스에 대한 모의조건은 Table 1에 제시된 바와 같다. 또한 침수 발생 시 배출시스템 운영조건에 따른 영향을 판단하기 위해 특정 수위 측정 지점을 두어 침수심 변화를 살펴보았다(Fig. 2).
지하공간 2차원 침수심 해석을 위해 모형별로 격자를 구성하였으며, 구성된 격자는 다음 Fig. 3 및 Table 2에 정리하였다.
본 연구에서는 경상남도 창원시에 위치하는 지하상가(Fig. 1)를 대상으로 Fig. 2에 제시된 바와 같이 모형을 구축하고 침수를 대비한 배수구 2개소의 위치 및 운영상황에 따른 침수심 분석을 수치해석을 통해 수행하였다. 침수를 대비한 배수구는 각각 O1, O2로 표시하였다(Fig.

대상 데이터

1. Study site (Hapseong underground arcade, Changwon).

이론/모형

본 연구에서는 기존의 지표중심의 수문학적해석을 바탕으로 하는 지하공간 설계의 한계를 극복할 수 있도록 지하공간에서의 침수해석 및 대책수립에 대한 2차원 흐름 모형을 이용한 수리해석의 적용성을 검토하고자 한다. 지하공간에서의 침수양상 모의를 위해서는 기본적으로 상류(tranquil flow)와 사류(rapid flow) 모의와 마름/젖음에 대한 모의가 가능해야 하며, 본 연구에서는 이러한 조건을 만족하는 모형으로 Windows계열의 TUFLOW와 Linux계열의 FLUMEN을 대상모형으로 선정하였다.

성능/효과

각 케이스 별 측정지점에 대한 분석결과, 배출구에 의한 영향은 전체 4개소의 측정지점에서 유체 유입 30분 이후 침수심이 약 115 mm 정도로 나타났으며, 30분 이후로도 계속 증가하는 추세를 보였다(Fig. 8).
각 케이스 별 측정지점에 대한 분석결과 배출구에 의한 영향은 전체 4개소의 측정지점에서 유체 유입 30분 이후 침수심이 약 113 mm 정도로 나타났으며, 30분 이후로도 계속 증가하는 추세를 보였다(Fig. 13).
② 2차원 수리해석 결과, 배출구의 위치와 개수에 따른 측정지점별 수심은 105~115 mm로 모의되어 침수심 차이는 미미하고 양상 또한 유사하게 모의되는 것을 통해, 적절한 침수심 모의가 이루어졌다고 판단된다(Fig. 14).
① 침수시작 시점은 두 모형 간에 1~2분 가량 미미한 차이를 보이고 있으며, 케이스 별 차이는 없는 것으로 나타났다. 침수시점의 차이는 두 모형 간 격자의 차이 및 마름/젖음 인식에 따른 차이에 기인한 것으로 판단된다.
③ 두 모형 모두에서 배수구의 위치 및 운영에 따른 침수저감 효과는 미미한 것으로 나타났다(Fig. 8과 Fig. 13). 이는 배수용량 및 위치와 같은 배수 시스템과 관련한 변수들이 매우 제한적으로 설정됨에 따른 결과로 판단된다.
2차원흐름모형을 이용한 지하공간에 대한 침수양상을 모의한 결과, 일반적으로 폭에 비해 좁고 긴 형상을가지며 복잡한 내부공간 배치 및 구획 특성을 가지는 지하공간 내부에서의 침수양상과 시^․공간적 침수 전파양상을 파악할 수 있었다. 이를 통해 지표수 유입에의한 복잡한 지하공간에서의 침수양상을 파악하고, 그에 따른 적절한 지하공간 배치 및 구획 설계와 대피 및 방재계획 수립을 위해서 2차원흐름모형이 적용될 수있음을 확인할 수 있었다.
공간적 침수 전파양상을 파악할 수 있었다. 이를 통해 지표수 유입에의한 복잡한 지하공간에서의 침수양상을 파악하고, 그에 따른 적절한 지하공간 배치 및 구획 설계와 대피 및 방재계획 수립을 위해서 2차원흐름모형이 적용될 수있음을 확인할 수 있었다. 한편, 본 연구 결과를 통해 기존 및 향후 건설될 지하공간에 대한 수치모형 적용을 위해서는 다음과 같은 사항에 대한 고려가 필요한 것으로 사료된다.
14). 또한, 이러한 결과를 바탕으로 사용자의 편의에 따라 두 모형 중 어떤 것을 사용하여도 무방할 것으로 판단된다.

후속연구

한편, 본 연구에서는 2차원모형의 지하공간 침수양상 모의에 대한 적용성을 검토하면서 배수시스템의 성능과 규모를 극히 제한적인 상황으로 가정하고 모의를 수행하였으므로, 향후 실제 지하공간 및 해당공간의 배수시스템 현황에 기반한 수문학적 분석을 포함한 유입시나리오를 적용함으로써 보다 현실적이고 구체적인 연구가 가능할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TUFLOW는 무엇인가?	TUFLOW는 유한차분법을 이용한 2차원 모형으로 독립모형이 아닌 XP-SWMM모형의 내부 2차원모형으로 구성되며 사류, 웨어, 교량, 암거 등을 모두 고려할수 있어 유역침수해석에 널리 활용되고 있다.
	지표수의 빠른 배출을 위해서는 어떤 방안을 도입할 수 있는가?	지하공간에서의 침수피해는 다양한 경로로 발생하며, 그 중 지표수의 포화 및 범람으로 인한 발생이 대표적이며 그 피해규모도 가장 크게 나타난다. 이러한 침수피해를 줄이기 위해서는 지표수의 빠른 배출이 필요하며, 이를 위해서는 ① 하천준설을 통한 하천용량증대, ② 지하저류조 설치, ③ 도쿄대심도 터널과 같은도시저류시설 설치 등의 방안을 도입할 수 있다. 도쿄대심도 터널의 경우 지름 13.
	시간경과에 따른 침수심 변화 모의결과에서 적용모형의 종류에 관계없이 P1과 P2에서는 특정 시각에서 침수심증가율의 변화가 나타나는 것을 관찰할 수 있는데, 이는 무엇에 기인하는 것인가?	13에 도시된 시간경과에 따른 침수심 변화 모의결과에서 적용모형의 종류에 관계없이 P1과 P2에서는 특정 시각에서 침수심증가율의 변화(변곡점)가 나타나는 것을 관찰할 수 있다. 이는 지하상가내부의 복잡한 공간 구성 및 구획특성에 따른 유입수의 침수전파 특성에 기인하는 것으로 판단된다. P1의경우, Gate1~2, Gate11~12에서 유입된 유체가 SA① 구역 침수에 영향을 미치게 되며 Gate13~14로 유입된 유체는 상대적으로 넓은 주차장(PA구역)을 먼저 침수시킨 후 SA① 구역으로 유입되게 된다.

참고문헌 (10)

J. H. Lee, Tokyo Experience - Virtuous and Vicious Circle of Urban Area, Ecoview, 2011.
J. S. Choi, "A Study on Guideline for Safetydesign of Underground Multicomplex -Focused on the Egress Induction-", Dept. of Public Design The Graduate School of Design, Konkuk University, 2011.
J. W. Cho and W. J. Choi, "Cause and Countermeasure of Inundation Damage in Underground Space", Conference of Korea Water Resources Association, pp. 420, 2011.
C. H. Lee and K. Y. Han, "Integration Model for Urban Flood Inundation Linked with Underground Space Flood Analysis Model", Journal of Korea Water Resources Association, Vol. 40, No. 4, pp.313-324, 2007.

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S. J. Ahn, B. H. Seo, G. W. Choi and K. H. Park, "The Research on Scheme to Prevent Inundation at the Underground Space", Conference of Korea Water Resources Association, pp.883-887, 2004.
National Emergency Management Agency, Guideline of Flooding Prevention on Underground Space, National Emergency Management Agency Notification No. 2012-147, 2012.
D. S. Shin, J. B. Park , T. S. Shin and D. J. Jo, "Preventive Measures Assessment to Prevent Flooding Complex Underground Space through Hydraulic Model Experiment", Korean Society of Hazard Mitigation Paper, p.59-65, 2012.
P. L. Roe, "Approximate Riemann Solver, Parameter, Vectors and Difference Schemes", Journal of Computational Physics, Vol.43, pp.357-372, 1981.

상세보기
P. Glaister, "An Approximate Linearised Riemann Solver for the Euler Equations of Gas Dynamics", Journal of Computational Physics, Vol.74, pp.382-408, 1988.

상세보기
L. B. Van, J. L. Thomas and P. L. Roe, "A Comparison of Numerical Flux Formulas for the Euler and Navier-Stokes Equations," AIAA 8th Computational Fluid Dynamics Conference, Honolulu, Hawaii, Paper AIAA-87-1104-CP, 1987.

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