세계 각국은 기후 및 홍수사상의 변화와 이에 따른 각종 수재해 시나리오에 대응하기 위하여 하천제방 유지관리기술을 고도화하고 있는 추세이다. 이러한 세계적 동향에 따라 본 연구에서는 하천제방을 효율적으로 유지관리할 수 있도록 하천제방 안전도맵 평가체계를 제안하고자 한다. 하천제방 안전도맵의 개념은 현행 하천제방의 활동, 파이핑, 육안점검 등의 안전도 지표를 GIS맵 상에 지도형태로 표출함으로써 하천관리자의 유지관리효율을 극대화하는 것이다. 이러한 평가체계를 구축하기 위해서 관련 문헌 및 자료 조사를 통해 활동, 파이핑, 육안점검 등 주요 안전도 지표를 선정하였으며, 각각의 안전도 지표를 A, B, C 등 3등급으로 평가할 수 있는 합리적인 기준을 제시하였다. 제시된 기준을 바탕으로 수치해석을 활용하여 시범구간(남강)에 대한 홍수위지속시간 변화에 따른 활동 및 파이핑 안전도 특성을 평가하였다. 시범평가 결과, 활동의 경우 제내외지 구분 없이 모두 A등급을 만족하였으며, 파이핑의 경우 R2에서 홍수위지속시간이 증가함에 따라 파이핑 등급 C등급으로 감소하는 경향을 확인하였다. 본 연구는 하천제방 안전도맵 평가체계를 제안하는 기획연구로서 하천제방 안전도맵 평가체계를 구축하기 위해서는 추후 개선된 추가 연구, 하천제방 자료의 표준화, 제도 및 관련 법 개선 등이 필요할 것으로 판단된다.
세계 각국은 기후 및 홍수사상의 변화와 이에 따른 각종 수재해 시나리오에 대응하기 위하여 하천제방 유지관리기술을 고도화하고 있는 추세이다. 이러한 세계적 동향에 따라 본 연구에서는 하천제방을 효율적으로 유지관리할 수 있도록 하천제방 안전도맵 평가체계를 제안하고자 한다. 하천제방 안전도맵의 개념은 현행 하천제방의 활동, 파이핑, 육안점검 등의 안전도 지표를 GIS맵 상에 지도형태로 표출함으로써 하천관리자의 유지관리효율을 극대화하는 것이다. 이러한 평가체계를 구축하기 위해서 관련 문헌 및 자료 조사를 통해 활동, 파이핑, 육안점검 등 주요 안전도 지표를 선정하였으며, 각각의 안전도 지표를 A, B, C 등 3등급으로 평가할 수 있는 합리적인 기준을 제시하였다. 제시된 기준을 바탕으로 수치해석을 활용하여 시범구간(남강)에 대한 홍수위지속시간 변화에 따른 활동 및 파이핑 안전도 특성을 평가하였다. 시범평가 결과, 활동의 경우 제내외지 구분 없이 모두 A등급을 만족하였으며, 파이핑의 경우 R2에서 홍수위지속시간이 증가함에 따라 파이핑 등급 C등급으로 감소하는 경향을 확인하였다. 본 연구는 하천제방 안전도맵 평가체계를 제안하는 기획연구로서 하천제방 안전도맵 평가체계를 구축하기 위해서는 추후 개선된 추가 연구, 하천제방 자료의 표준화, 제도 및 관련 법 개선 등이 필요할 것으로 판단된다.
The efforts to improve river levee maintenance technologies have accelerated globally in a bid to deal with the flood damage resulting from the changes to the climate and flood events. This paper, in line with such tendency, proposes an evaluation system of a river levee safety map to maintain the r...
The efforts to improve river levee maintenance technologies have accelerated globally in a bid to deal with the flood damage resulting from the changes to the climate and flood events. This paper, in line with such tendency, proposes an evaluation system of a river levee safety map to maintain the river levee in an efficient manner. The concept of a river levee safety map is aimed at maximizing the maintenance efficiency for a manager to indicate the safety index, including the current river levee sliding, piping, and visual inspection on a GIS map. To develop such an evaluation system, a safety index covering the sliding, piping, and visual inspection are designated through the data and document examination and the rational guideline to classify each index into three grades, A, B, and C, is proposed. Based on the guideline proposed, the sliding and piping characteristics in terms of safety depending on the change to the flood water level duration time at the test section (Nam river) were evaluated by numerical analysis. As a result, both the protected landside and riverside satisfied the requirements for Grade A in terms of sliding, and when it comes to piping, the grade declined to C because the flood water level duration time increased at R2. As a planning study to propose a river levee safety map evaluation system, a further advanced study, standardization of the river levee data, and improvement of the existing system and laws are required.
The efforts to improve river levee maintenance technologies have accelerated globally in a bid to deal with the flood damage resulting from the changes to the climate and flood events. This paper, in line with such tendency, proposes an evaluation system of a river levee safety map to maintain the river levee in an efficient manner. The concept of a river levee safety map is aimed at maximizing the maintenance efficiency for a manager to indicate the safety index, including the current river levee sliding, piping, and visual inspection on a GIS map. To develop such an evaluation system, a safety index covering the sliding, piping, and visual inspection are designated through the data and document examination and the rational guideline to classify each index into three grades, A, B, and C, is proposed. Based on the guideline proposed, the sliding and piping characteristics in terms of safety depending on the change to the flood water level duration time at the test section (Nam river) were evaluated by numerical analysis. As a result, both the protected landside and riverside satisfied the requirements for Grade A in terms of sliding, and when it comes to piping, the grade declined to C because the flood water level duration time increased at R2. As a planning study to propose a river levee safety map evaluation system, a further advanced study, standardization of the river levee data, and improvement of the existing system and laws are required.
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문제 정의
1과 같이 현행 하천제방의 활동, 파이핑, 육안점검 등 안전도 지표를 GIS맵 상에 지도형태로 표출함으로써 하천관리자의 하천 유지관리효율을 극대화시키는 개념이다. 따라서 본 절에서는 활동, 파이핑, 육안점검 등에 대한 안전도 평가를 기초로 하는 하천제방 안전도맵 평가체계를 구축하기 위하여 관련 자료를 조사 및 정리하였다.
3 및 Table 7에서 보듯이 L1, L2, L3, L4, L5(이상 좌안 5개소), R1, R2, R3, R4(이상 우안 4개소) 등 9개소 제방이다. 본 논문에서는 제방고가상대적으로 높은 우안에 해당하는 4개소 제방(R1, R2, R3, R4)에 대해서 우선적으로 시범평가를 수행하였다.
본 연구는 하천제방 안전도맵 평가체계 구축을 위한 기획연구로서 국내외 문헌 및 자료 조사, 관련 안전도 지표의 정량화된 평가지수 제시, 시범구간에 대한 평가 등을 수행하였다. 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 수재해 해저드맵(hazard map)과 유사한 개념인 하천제방 안전도맵 평가체계를 제안하고자 한다. 따라서 하천제방 안전도맵 평가체계 구축을 위하여1)관련 문헌 및 자료 조사, 2)관련 안전도 지표의 정량화 된 평가지수 제시, 3)시범구간 평가 등을 수행하였으며, 마지막으로 하천제방 안전도맵 평가체계 구축 방향을 제시하였다.
본 연구에서는 앞서 언급한 국내 하천제방 안전도맵평가체계 구축을 위한1)홍수량곡선/계획홍수위, 2)GISLayer 및 관련 사진, 3)하천제방단면도, 4)시추 및 토질 시험데이터, 5)활동 및 파이핑 안정해석 자료 등을 활용하여 하천제방 활동/파이핑/육안점검 등 안전도맵 평가 방법을 체계적으로 제시하고자 한다. 그러기 위해서 먼저 기관별로 분산된 하천제방 설계자료를 통합 정리하는 체계 개선이 필요하다고 판단된다.
제안 방법
(2) 본 연구에서는 활동, 파이핑, 육안점검 등 하천제방 안전도맵 평가체계를 제안하였으며, 국내외문헌연구를 통해 각각의 안전도지표 기준(A, B, C 등 3등급 기준) 및 합리적인 경계값을 제시하였다.
(3) 4개 대표단면에 대한 하천제방 안전도맵 평가체계 시범평가를 수행하였다. 활동의 경우 제외지에서 홍수위지속시간이 증가할수록 활동 안전율이 감소하는 경향을, 파이핑의 경우 R2에서 홍수위 지속시간이 증가할수록 파이핑 안전율이 급격히 감소하는 경향을 확인하였다.
감수부 경사, 홍수위지속시간, 합성홍수파 면적 등을 고려하여 제시된 곡선 결정방법에 따라 평수위지속 20시간, 수위상승 128.38시간, 수위급강하 119.4시간, 평수위지속 10시간 등으로 산정하였다. 또한 홍수위지속시간에 따른 활동 및 파이핑에 대한 안전성 변화를 판단하기 위해 홍수위지속시간(12, 24, 36, 48, 120시간-각각 case 1~5)을 변수로 하였다.
본 연구에서는 수재해 해저드맵(hazard map)과 유사한 개념인 하천제방 안전도맵 평가체계를 제안하고자 한다. 따라서 하천제방 안전도맵 평가체계 구축을 위하여1)관련 문헌 및 자료 조사, 2)관련 안전도 지표의 정량화 된 평가지수 제시, 3)시범구간 평가 등을 수행하였으며, 마지막으로 하천제방 안전도맵 평가체계 구축 방향을 제시하였다.
하천제방 안전도맵 시범평가를 위한 시범구간은 하천제방 관련 설계자료 및 도면 확보여부, 활동 및 파이핑안정해석에 필요한 수위파형 제시를 위한 수위관측소 존재 유무, 댐과 같이 홍수 중 방류유량 조절 등의 유량 정보 등이 필요하다. 따라서1)국토관리지방청 보유 설계자료 유무, 2)최소 5~10개소 연속 제방 유무, 3)수치해석시 필요한 홍수유량의 정확성, 4)수위파형 산정을 위한 수위관측소 부근, 5)제방고 3단계 구분(3~4m, 5~9m, 9m 이상), 6)3개 이상 지층(SP, GP/SM, GM/CL/ML) 등과 같이 시범구간 선정기준을 정하였다.
4시간, 평수위지속 10시간 등으로 산정하였다. 또한 홍수위지속시간에 따른 활동 및 파이핑에 대한 안전성 변화를 판단하기 위해 홍수위지속시간(12, 24, 36, 48, 120시간-각각 case 1~5)을 변수로 하였다. Fig.
본 절에서는 제안된 하천제방 안전도맵 평가체계 도출 및 적합성을 평가하고자 수치해석을 활용하여 홍수위 지속시간 변화(12, 24, 36, 48, 120시간)에 따른 시범구간의 제방별(제방고 3~8m) 활동 및 파이핑 안전도 특성을 평가하였다. 하천제방의 안전도 평가는 설정된 제방 모델 및 설계 외력을 고려한 침투해석을 토대로 활동 및 파이핑에 대한 수치를 산출하는 방식으로 수행하였다.
본 절에서는 활동 및 파이핑 안전도 지표의 경우 국내외 활동 및 파이핑 안전율 기준을 비교하여 A, B, C 등급의 합리적 경계 값을, 육안점검 안전도 지표의 경우 하천유지･보수매뉴얼(2012)[8]을 참고하여 A, B, C등급을 제시하였다.
수치해석은 유한 요소법을 이용한 침투 해석용(Finite Element Seepage Analysis)으로 가장 널리 사용되고 있는 캐나다 GEO-SLOPE(2007) 사에서 개발한 SEEP/W 및 SLOPE/W 프로그램을 사용하였다. 본 프로그램은 정상류 상태와 비정상류 상태의 해석뿐만 아니라 포화토 및 불포화토의 침투해석, 2차원 및 축대칭 문제, 피압대수층에서의 흐름, 그리고 비등방성 투수층에 대한 침투해석이 가능한 특징이 있다.
침투해석을 위한 시범구간의 9개소 제방제원 및 지반의 물성은1)하천시설관리대장, 2)하천정비기본계획, 3) 제방별 실시설계보고서의 설계자료, 4)현장시료조사에 의한 채취시료의 공학적 특성, 5)수위파형특성 등을 참고하여 적용하였다.
하천제방 안전도맵 평가방법은 앞서 언급한 하천제방안전도 연구 사례를 고려하여 홍수위지속시간에 따른 활동 및 파이핑 평가방법과 하천유지･보수매뉴얼(2012)[8] 등에 기재된 육안점검 결과를 포함하는 안전도맵 평가방법을 제안한다.
본 절에서는 제안된 하천제방 안전도맵 평가체계 도출 및 적합성을 평가하고자 수치해석을 활용하여 홍수위 지속시간 변화(12, 24, 36, 48, 120시간)에 따른 시범구간의 제방별(제방고 3~8m) 활동 및 파이핑 안전도 특성을 평가하였다. 하천제방의 안전도 평가는 설정된 제방 모델 및 설계 외력을 고려한 침투해석을 토대로 활동 및 파이핑에 대한 수치를 산출하는 방식으로 수행하였다. 활동의 경우 Bishop 방법에 의한1)최대침윤특성을 고려한 제내지 활동, 2)수위급강하에 의한 제외지 활동 등을, 파이핑의 경우 한계동수경사법 및 한계유속법에 의한 파이핑 안전율을 평가하였다.
대상 데이터
5는 시범구간 우안에 해당하는 4개소 제방의 제방단면(해석모델)이다. 이때 제방단면은 하천시설관리대장과 실측량 자료를 이용하였다.
하천제방 안전도맵 시범평가를 위한 시범구간을 선정하기 위해 ○○국토관리청과 협의하였으며, 설계자료가 잘 정리 및 보관되어 있는 남강, 황강, 감천 등 3개 하천을 추천받았다.
하천제방 안전도맵 시범평가를 위해 선정된 시범구간의 대상 제방은 Fig. 3 및 Table 7에서 보듯이 L1, L2, L3, L4, L5(이상 좌안 5개소), R1, R2, R3, R4(이상 우안 4개소) 등 9개소 제방이다. 본 논문에서는 제방고가상대적으로 높은 우안에 해당하는 4개소 제방(R1, R2, R3, R4)에 대해서 우선적으로 시범평가를 수행하였다.
이론/모형
하천설계기준(2009)은 1990년대에 개정된 1980년, 1991년, 1993년에 걸쳐 개정된 하천시설기준(1993)을 2009년에 개정 및 보완하여 완성된 기준으로서, 하천설계를 위한 조사, 계획 및 설계에 관한 사항들이 종합적으로 포함되어 있다. 따라서 하천제방의 안전도와 관련된 활동, 파이핑, 제체재료특성 등에 대한 정보는 하천설계기준(2009) 제23장 제방편을 통해 확인할 수 있으며, 본 절에서는 관련 내용을 정리 및 분석하였다[4].
본 연구에서는 설계수위파형 작성 시 일본의 하천제방설계지침(Ministry of Construction, 2000)[11]에서 제시하고 있는 방법을 보완하여 국내 여건에 맞는 설계 수위파형을 제시한 Seo&Yoon(2012)[12]의 산정개념을 이용하였다.
수치해석은 유한 요소법을 이용한 침투 해석용(Finite Element Seepage Analysis)으로 가장 널리 사용되고 있는 캐나다 GEO-SLOPE(2007) 사에서 개발한 SEEP/W 및 SLOPE/W 프로그램을 사용하였다. 본 프로그램은 정상류 상태와 비정상류 상태의 해석뿐만 아니라 포화토 및 불포화토의 침투해석, 2차원 및 축대칭 문제, 피압대수층에서의 흐름, 그리고 비등방성 투수층에 대한 침투해석이 가능한 특징이 있다.
이때 함수특성곡선(SWRC, Soil Water Retention Curve)의 경우 Van Genuchten(1980)[9]의 방법을 사용하였으며, 각 제방의 함수특성곡선에 적용되는 Van Genuchten(1980)[9] 모델의 곡선맞춤계수들은 하천관리대장과 지반조사 자료에 명시된 흙의 종류에 따라 Carsel&Parrich(1988)[10]의 침투해석 시 불포화토 특성을 참고하여 결정하였다.
하천제방 육안점검은 하천시설이 본래의 기능과 상태를 유지할 수 있도록 하기 위하여 수행하는 순찰 및 점검 등이 포함된다. 하천제방 안전도맵 평가체계에서 육안점검 안전도 지표의 등급 기준은 하천점검자가 수행해야할 점검 요령을 서술하고 있는 하천유지･보수매뉴얼(2012)[8] 상의 안전점검등급(A등급 양호, B등급 보통, C등급 미흡)을 기준으로 하였다. 자세한 등급 기준은 하천유지･보수매뉴얼(2012)[8]을 참고하기 바란다.
하천제방은 설계 시 하천설계기준‧해설[4], 하천공사 설계실무요령[5], 구조물기초설계기준 해설[6] 등 관련 기준을 참조하며, 활동 및 파이핑 등의 안정해석 시 활동의 경우 Bishop의 원호활동법에 의한 제내지(수위급강하) 및 제외지(최대침윤) 활동 등으로, 파이핑의 경우 한계동수경사법, 한계유속법 등을 적용하여 각각 수행한다.
하천제방의 안전도 평가는 설정된 제방 모델 및 설계 외력을 고려한 침투해석을 토대로 활동 및 파이핑에 대한 수치를 산출하는 방식으로 수행하였다. 활동의 경우 Bishop 방법에 의한1)최대침윤특성을 고려한 제내지 활동, 2)수위급강하에 의한 제외지 활동 등을, 파이핑의 경우 한계동수경사법 및 한계유속법에 의한 파이핑 안전율을 평가하였다.
성능/효과
R1, R3, R4 등은 각 case에서 파이핑 안전율이 A등급 기준안전율 보다 현격히 크게 산정되어 홍수위지속시간에 관계없이 A등급을 만족하는 것으로 나타났다. 그러나 R2의 경우 홍수위지속시간이 증가할수록 파이핑 안전율 및 등급이 감소하는 경향을 보이며, case5에서 파이핑 등급이 C등급으로 산정되었다.
각 제방의 제체재료특성 및 제내외지 비탈면 경사 등에 의해 활동 안전율은 다르게 산정되었으나, 모든 제방이 제내외지 구분 없이 활동 안전율 A등급을 만족하는 것으로 나타났다. 또한 제외지의 경우 홍수위지속시간이 증가할수록 활동 안전율이 감소하는 것으로 나타났다.
0 등을 적용하고 있다. 따라서 3단계 파이핑등급 기준은 하천설계기준 파이핑 안전율 2.0 기준의 만족여부에 따라 B-C등급으로 나누고, 미국의 최대 파이핑 안전율 3.0 기준을 적용하여 A-B등급으로 나누는 것이 바람직한 것으로 판단된다.
5 등을 적용하고 있다. 따라서 하천제방 안전도맵 구축을 위한 3단계 활동 등급 기준은 하천설계기준 사면안전율 1.3 기준의 만족여부에 따라 B-C등급으로 나누고, 일본 및 영국의 최대 활동안전율 1.5 기준을 적용하여 A-B등급으로 나누는 것이 바람직한 것으로 판단된다.
각 제방의 제체재료특성 및 제내외지 비탈면 경사 등에 의해 활동 안전율은 다르게 산정되었으나, 모든 제방이 제내외지 구분 없이 활동 안전율 A등급을 만족하는 것으로 나타났다. 또한 제외지의 경우 홍수위지속시간이 증가할수록 활동 안전율이 감소하는 것으로 나타났다. 한편, R3의 경우 제외지에서 활동 안전율이 증가하는 부분(case1)을 보이는데 이는 제체의 불포화 특성으로 인해 생긴 것으로 판단된다.
본 연구의 활동 및 파이핑 해석 결과는 홍수위지속시간이 하천제방의 안정성 평가에 영향을 미치는 인자임을 발표한 KICT(2015)[3], Kwon(2007)[13] 등의 연구 결과에 부합하는 것으로 나타났다.
이 중 남강은1)안정해석을 위한 설계자료 유무, 2)5개 이상 연속된 제방 존재, 3)남강댐에 의한 홍수유량의 정확성 확보, 4)정암 수위관측소에 의한 정확한 수위파형 확보 등에서 황강 및 감천에 비해 상대적으로 우수하여 시범구간으로 최종 선정하였다.
(3) 4개 대표단면에 대한 하천제방 안전도맵 평가체계 시범평가를 수행하였다. 활동의 경우 제외지에서 홍수위지속시간이 증가할수록 활동 안전율이 감소하는 경향을, 파이핑의 경우 R2에서 홍수위 지속시간이 증가할수록 파이핑 안전율이 급격히 감소하는 경향을 확인하였다.
후속연구
(4) 하천제방 안전도맵 평가체계의 수재해 대응성과 유지관리효율을 극대화하기 위해서 추후 세굴, 제체재료 등 안전도 지표의 추가, 취약구간 파악에 따른 보수‧보강공법 도출, 수재해 방지 장비 구축방안 정립 등의 개선된 추가 연구를 수행할 필요성이 있다.
본 연구에서는 앞서 언급한 국내 하천제방 안전도맵평가체계 구축을 위한1)홍수량곡선/계획홍수위, 2)GISLayer 및 관련 사진, 3)하천제방단면도, 4)시추 및 토질 시험데이터, 5)활동 및 파이핑 안정해석 자료 등을 활용하여 하천제방 활동/파이핑/육안점검 등 안전도맵 평가 방법을 체계적으로 제시하고자 한다. 그러기 위해서 먼저 기관별로 분산된 하천제방 설계자료를 통합 정리하는 체계 개선이 필요하다고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
우리나라가 아열대 기후구로 바뀜으로 홍수유발 잠재력이 증가한다. 이런 우라나의 기후 및 홍수사상 변화는 어떠한 영향을 주는가?
5)에 따라 우리나라는 아열대 기후구로 바뀔 것으로 전망하고 있기 때문에 홍수유발 잠재력이 증가할 것으로 판단된다[1, 2]. 머지않은 미래에 우리나라의 기후 및 홍수사상 변화는 하천제방 붕괴 및 하천 범람으로 인한 하천유역의 인명 및 재산피해를 증가시킬 가능성이 크기 때문에 이를 막기 위한 적절한 하천제방의 취약도 평가체계 및 관련 구축 시스템이 필요하다고 판단된다.
RVAT가 도입된 이유는 무엇인가?
DAM 시스템은 기후 시나리오 및 관련 입력정보(토질, 단면, 재료 등)를 입력할 경우 자동화된 모듈형 소프트웨어에 의해 하천제방의 취약도를 계산할 수 있도록 되어 있다. 미국은 위험에 노출된 인명, 재산, 시설물 등재해 위해성과 취약성을 평가하기 위해 RVAT(Risk and Vulnerability Assessment Tool) 시스템을 개발하였다. RVAT 시스템은 재해유형별 위험예측 및 가중치에 따른 위험분석을 실시함으로서 유역별 지역특성을 고려한 수재해 대응 기술 구축이 가능하다.
RVAT 시스템의 특징은 무엇인가?
미국은 위험에 노출된 인명, 재산, 시설물 등재해 위해성과 취약성을 평가하기 위해 RVAT(Risk and Vulnerability Assessment Tool) 시스템을 개발하였다. RVAT 시스템은 재해유형별 위험예측 및 가중치에 따른 위험분석을 실시함으로서 유역별 지역특성을 고려한 수재해 대응 기술 구축이 가능하다. 한편, 일본의 경우에는유하능력, 파이핑, 세굴 등과 관련하여 취약구간 1,200km 도출 및 2020년 까지 정비사업 추진 등 실제적인 하천정책을 수립하고 있다[3].
참고문헌 (13)
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Ministry of Construction, "Design Guidlines for River Levees", Ministry of Construction, 2000.
L. Seo, and K. S. Yoon, "Estimation of Design Flood-Hydrograph for Unsteady Seepage Analysis Through River Levees", Journal of Korean Society of Hazard Mitigation, vol. 12, no. 6, pp. 275-286, 2012. DOI: https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2012.12.6.275
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