[논문]영상분석을 통한 바이오폴리머로 보강된 제방사면 안정성 해석

고동우; 강준구

doi:10.17820/eri.2019.6.4.258

영상분석을 통한 바이오폴리머로 보강된 제방사면 안정성 해석
Assessment of Levee Slope Reinforced with Bio-polymer by Image Analysis 원문보기

Ecology and resilient infrastructure, v.6 no.4, 2019년, pp.258 - 266

고동우 (경북대학교 건설방재공학부) , 강준구 (한국건설기술연구원 하천연구센터)

초록
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이 연구는 자연에 기반을 둔 하천기술을 제방에 적용하여 그 효과를 평가하기 위해 수행되었다. 친환경 신소재 바이오폴리머를 제체 표면에 적용하여 내구성과 친환경성을 증진시킴과 동시에 월류에 대응하기 위한 제방의 보강 대책을 수립하고자 하였다. 안동하천연구센터에 현장토를 사용하여 높이 1 m, 마루 폭 3 m, 사면경사 1:2, 총 길이 5 m의 중규모 제방모형을 제작하였으며, 바이오폴리머와 흙을 적정 비율로 혼합한 바이오-소일 (bio-soil)을 제방 전면에 5 cm 두께로 도포하여 월류 발생에 대한 제방의 안정성 평가 실험을 수행하였다. 영상분석 프로그램을 이용한 픽셀기반 분석 기법을 적용하여 시간에 따른 제방사면의 붕괴면적을 산정하였으며 그 결과, 신소재 적용 제방의 경우 완전붕괴가 발생하는 시간은 일반 흙 제방에 비해 12배 이상 증가해서 붕괴지연효과가 상당히 높은 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was conducted to apply natural river technologies to levees and examine the results. The new eco-friendly bio-polymer was applied, a combination of eco-friendly biopolymers and soil, to levee slope to enhance durability and eco-friendliness and to establish reinforcement measures against unstable levees due to overtopping. A semi-prototype levee of 1 m in height, 3 m in width, with a 1:2 slope and 5 m length, was constructed at the Andong River Experiment Center. The bio-soil mixed with the biopolymer and the soil at an appropriate ratio was treated with a 5 cm thickness on the surface of levee to perform the stability evaluation according to overtopping. Using the pixel-based analysis technique using the image analysis program, the breached area of levee slope was calculated over time. As a result, the time for complete decay occurs more than 12 times than that of ordinary soil levee. Therefore, when the new substance is applied to the surface of levee, the decay delay effect appears to be high.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. View of River Experiment Center (REC).
그림 Fig. 2. Cross-section of levee and experimental conditions.
그림 Fig. 3. Grain size distribution curve.
그림 Fig. 4. Construction of levee model.
그림 Fig. 5. Mixing and covering the new substance on levee.
표 Table 1. Estimation of loss rate of levee surface over time (Case 1)
표 Table 2. Estimation of loss rate of levee surface over time (Case 2)
그림 Fig. 6. Analysis of breaching rate (Case 1).
그림 Fig. 7. Analysis of breaching rate (Case 2).
그림 Fig. 8. Comparison of loss rate according to experimental conditions.

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구는 기존에 수행했던 실험 (Ko and Kang 2018)에서 부족했던 부분을 보완하여 바이오폴리머 5 cm 두께 도포에 따른 제방의 안정성을 평가하기 위해 추가적으로 진행한 실험연구이다. 단, 단일 케이스만으로 실험군과 비교군의 12배 시간 지연 결과가 제방성능을 평가함에 있어서 일반화될 수 없으므로 이러한 정량적 평가는 다소 한계가 있다.
이 연구에서는 제방표면에 친환경 신소재 바이오폴리머를 도포하는 기술을 적용하여 친환경성을 높임과 동시에 월류에 따른 제방사면의 안정성을 확보하는 기술을 평가하고자 한다. 바이오폴리머는 고분자 화합물로써 이미 건설재료로 활용하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다(Chang and Cho 2012, Larson and Newman 2013, Chang et al.
2018). 이에 안동하천연구센터 (River Experiment Center, REC)에서는 공동연구기관인 카이스트 (Korea Advanced Institute of Science and Technology, KAIST) 연구진이 개발한 바이오폴리머 소재 (KAIST 2011 and 2015) 를 제방사면에 적용하여 영상분석 기법을 통한 시간에 따른 표면손실률을 산정하였으며, 향후 실규모 실험실증 연구에 반영하여 신소재 처리 제방의 안정성을 평가할 수 있는 방법을 확립하고자 한다.

가설 설정

약 3일의 양생기간을 거친 뒤 월류 흐름을 재현하여 신소재가 적용된 제방과 무보강 제체 (흙 제방)와의 붕괴지연효과를 비교･분석하였다. 실험의 시작은 월류 발생 시점으로 가정하였고, 월류 흐름에 의한 제체의 완전붕괴가 이뤄졌을 때 실험을 종료하였다.

제안 방법

카이스트 (KAIST)로부터 제공받은 바이오폴리머와 흙 배합비 (바이오폴리머 1 g: 물 10 g: 흙 50 g)를 기반으로 제방표면 전 구간에 5 cm 두께로 신소재를 피복하였다. 약 3일의 양생기간을 거친 뒤 월류 흐름을 재현하여 신소재가 적용된 제방과 무보강 제체 (흙 제방)와의 붕괴지연효과를 비교･분석하였다. 실험의 시작은 월류 발생 시점으로 가정하였고, 월류 흐름에 의한 제체의 완전붕괴가 이뤄졌을 때 실험을 종료하였다.
이 연구에서는 영상분석 기법을 제방붕괴실험에 적용하여 흙 제방과 바이오폴리머 처리 제방의 월류 발생에 따른 붕괴지연효과를 정성･정량적으로 평가하였다. 결론적으로 제방표면에 바이오폴리머를 적용할 경우 완전붕괴가 발생하는 시간은 무보강 제체에 비해 12배이상 증가해서 붕괴지연효과가 상당히 높은 것으로 나타났다 (Fig.
일반 흙 제방과 신소재를 적용한 제방의 붕괴양상을 비교하기 위해 A3수로 하류 구간에 총 길이 5 m, 높이 1 m, 마루 폭 3 m, 사면경사 1:2의 제방 모형을 제작하였다. 제체의 붕괴형상을 관찰하기 위해 카메라 (Sony FDR-AX700) 및 드론 (DJI MAVIC PRO)을 통해 실시간 촬영되었으며, 제내지측 사면붕괴부 정면에 카메라를 설치하여 영상분석을 통한 월류에 따른 바이오폴리머 처리 제방의 붕괴지연 효과를 분석하였다 (Fig. 2).
촬영된 실험영상을 분석하여 시간 흐름에 따른 붕괴 규모를 측정하였다. 제체 붕괴가 발생함에 따른 토사유 출량을 산정하기에는 어려운 측면이 있어서 정량적인 분석이 가능한 제내지 측 제방사면을 분석 대상으로 선정하였다.

대상 데이터

실험 제체에 사용된 재료는 제체누수의 저항성이 가장 취약한 사질토 (SW)로 선정하였으며, Fig. 3은 사용된 모래 시료의 입도분포곡선을 보여준다.
1). 일반 흙 제방과 신소재를 적용한 제방의 붕괴양상을 비교하기 위해 A3수로 하류 구간에 총 길이 5 m, 높이 1 m, 마루 폭 3 m, 사면경사 1:2의 제방 모형을 제작하였다. 제체의 붕괴형상을 관찰하기 위해 카메라 (Sony FDR-AX700) 및 드론 (DJI MAVIC PRO)을 통해 실시간 촬영되었으며, 제내지측 사면붕괴부 정면에 카메라를 설치하여 영상분석을 통한 월류에 따른 바이오폴리머 처리 제방의 붕괴지연 효과를 분석하였다 (Fig.
촬영된 실험영상을 분석하여 시간 흐름에 따른 붕괴 규모를 측정하였다. 제체 붕괴가 발생함에 따른 토사유 출량을 산정하기에는 어려운 측면이 있어서 정량적인 분석이 가능한 제내지 측 제방사면을 분석 대상으로 선정하였다. 분석방법은 먼저 모션 그래픽 소프트웨어 (Adobe After Effects)를 사용하여 영상을 30초 단위로 캡쳐하여 보정한 뒤, 포토샵으로 자료를 업로드 하여 붕괴범위 지정을 위한 디지타이징 작업 (Digitizing method)을 수행하였다.
카이스트 (KAIST)로부터 제공받은 바이오폴리머와 흙 배합비 (바이오폴리머 1 g: 물 10 g: 흙 50 g)를 기반으로 제방표면 전 구간에 5 cm 두께로 신소재를 피복하였다. 약 3일의 양생기간을 거친 뒤 월류 흐름을 재현하여 신소재가 적용된 제방과 무보강 제체 (흙 제방)와의 붕괴지연효과를 비교･분석하였다.

이론/모형

제체 붕괴가 발생함에 따른 토사유 출량을 산정하기에는 어려운 측면이 있어서 정량적인 분석이 가능한 제내지 측 제방사면을 분석 대상으로 선정하였다. 분석방법은 먼저 모션 그래픽 소프트웨어 (Adobe After Effects)를 사용하여 영상을 30초 단위로 캡쳐하여 보정한 뒤, 포토샵으로 자료를 업로드 하여 붕괴범위 지정을 위한 디지타이징 작업 (Digitizing method)을 수행하였다. 이 후 30초 단위로 붕괴규모를 산정하여 전체 대비 픽셀 개수 변화를 산정하여 표면손 실률을 산정하였다 (Tables 1 and 2).

성능/효과

이 연구에서는 영상분석 기법을 제방붕괴실험에 적용하여 흙 제방과 바이오폴리머 처리 제방의 월류 발생에 따른 붕괴지연효과를 정성･정량적으로 평가하였다. 결론적으로 제방표면에 바이오폴리머를 적용할 경우 완전붕괴가 발생하는 시간은 무보강 제체에 비해 12배이상 증가해서 붕괴지연효과가 상당히 높은 것으로 나타났다 (Fig. 8).

후속연구

단, 단일 케이스만으로 실험군과 비교군의 12배 시간 지연 결과가 제방성능을 평가함에 있어서 일반화될 수 없으므로 이러한 정량적 평가는 다소 한계가 있다. 향후 추가실험을 통한 붕괴지연시간의 평균값을 도출하여 타당한 결과를 도출할 예정이며, 또한 실제 현장과 유사한 가상홍수 재현 및 축척효과 (scale effect)를 최소화하기 위한 실규모 실험실증 연구영역으로 확대하여 하천제방의 노후화 및 세굴 발생 등과 같은 문제점을 보완하는 대책을 제시 하기 위해 지속적인 실험검증 연구를 수행할 것이다.
8). 흙 제방의 표면에 신소재를 적용할 시무보강 조건에 비해 상당한 붕괴지연효과가 있는 것으로 판단되며, 또한 신소재 처리 이후 양생 과정에서 균열 발생을 최소화할 수 있다면 월류 흐름 및 유속에 대한 대응이 좀 더 우수할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제방은 어떠한 구조로 설계되는가?	제방은 유수의 원활한 소통을 유지시키고 홍수로부터 제내지를 보호하기 위하여 하천을 따라 주로 흙으로 축조된 구조물이다. 제방은 각 지역의 계획홍수위를 기준으로 통상적인 유수작용에 안전하도록 침투 혹은 세굴에 견딜 수 있는 구조로 설계되지만, 최근 이상기후에 따른 잦은 홍수와 제방의 노후로 인해 발생하는 제방 붕괴로 막대한 인명 및 재산피해가 발생하고 있다. 일반적으로 홍수 발생 시 제방붕괴 원인은 크게 월류, 침식, 제체불안정 및 하천구조물에 의한 붕괴 등 4가지로 구분할 수 있다.
	제방은 무엇인가?	제방은 유수의 원활한 소통을 유지시키고 홍수로부터 제내지를 보호하기 위하여 하천을 따라 주로 흙으로 축조된 구조물이다. 제방은 각 지역의 계획홍수위를 기준으로 통상적인 유수작용에 안전하도록 침투 혹은 세굴에 견딜 수 있는 구조로 설계되지만, 최근 이상기후에 따른 잦은 홍수와 제방의 노후로 인해 발생하는 제방 붕괴로 막대한 인명 및 재산피해가 발생하고 있다.
	이상기후에 따른 제방붕괴의 원인으로는 무엇이 있는가?	제방은 각 지역의 계획홍수위를 기준으로 통상적인 유수작용에 안전하도록 침투 혹은 세굴에 견딜 수 있는 구조로 설계되지만, 최근 이상기후에 따른 잦은 홍수와 제방의 노후로 인해 발생하는 제방 붕괴로 막대한 인명 및 재산피해가 발생하고 있다. 일반적으로 홍수 발생 시 제방붕괴 원인은 크게 월류, 침식, 제체불안정 및 하천구조물에 의한 붕괴 등 4가지로 구분할 수 있다. 월류는 하도의 통수능 (conveyance)을초과하는 홍수 유출이나 토사나 유목 등에 의해 통수능이 저하될 때 발생하며, 침식은 하천의 급경사 및 급격한 만곡부분에서 과대한 유속과 소류력 (tractive force) 이 작용하여 제방 비탈면이나 하단부가 세굴됨으로써 발생한다.

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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