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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.9 No.1 pp.34-43
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2018.9.1.034

Development of compound risk assessment method for a weir structure using hydrologic and hydraulic uncertainty; a case study of the Gangjeong-Goryeong weir

Myeong Jun Nam1, Jae Young Lee2, Woo Young Jung3, Dong Hoon Shin4
1Assistant Manager, Fusion Research Institute, Sinwoo Engineering CO.,LTD, Seoul
2Research Director, Fusion Research Institute, Sinwoo Engineering CO.,LTD, Seoul
3Professor, Department of Civil Engineering, Gangneung-Wonju Univercity, Gangneung
4Research Director, Infrastructure Research Center, K-water, Daejeon
Corresponding author: Lee, Jae Young Fusion Research Institute, Sinwoo Engineering CO.,LTD, 18, Samseong-ro 86-gil, Gangnam-gu, Seoul (06184), Korea. +82-2-6959-3038, +82-2-3453-8853, vennard386@gmail.com
March 5, 2018 March 13, 2018 March 14, 2018

Abstract


A small dam is of hydraulic structures, which is always exposed to risk by flood, and it’s very important to ensure structural safety. A probabilistic analysis, quantifying variable as a risk factor to ensure safety of small dam, identifying its coefficient of variation, which has become increasingly important. In this study, the risk of seepage failure of foundation within a small dam was estimated based on flood scenarios by rainfall quantile. The final compound risk was evaluated combining probabilities, related to seepage failure and flood level. The seepage failure probability was estimated by performing seepage analysis depending on the water level difference between upstream and downstream in small dam. The probable flood level was estimated by considering hydraulic uncertainty associated with channel geometry, and movable gate operation during the flooding season, applied a probable flood considering hydrologic uncertainty evaluated by Bayesian approach. The safety evaluation of small dam with probabilistic-based compound risk expect to use the index for hydraulic structure design in the future.



수재해 불확실성을 고려한 보 구조물의 복합위험도 산정기법 개발; 강정고령보를 중심으로

남 명준1, 이 재영2, 정 우영3, 신 동훈4
1(주)신우엔지니어링 융합기술연구소 대리
2(주)신우엔지니어링 융합기술연구소장
3강릉원주대학교 토목공학과 교수
4K-water 융합연구원 인프라안전연구소장

초록


    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    17SCIP-B065989-05

    1. 서 론

    최근 이상기후로 인한 잦은 홍수발생으로 홍수재해예 측 시스템 구축과 이에 따른 수변구조물의 안정성 확 보에 대한 필요성이 대두되고 있다. 보(weir)는 수공 구조물의 하나로 홍수에 대해 직접적인 큰 영향을 받 는 구조물이다. 현재 4대강 본류에 설치되어 있는 16 개의 보 구조물의 경우 홍수방어시설의 한 종류 (small dam)로 손상 발생시 상⋅하류에 심각한 경제 적/사회적 위험을 초래할 만큼 중요하다.

    이러한 수공구조물의 안정성을 평가하기 위해서는 복합적인 위험발생요인들을 결정하고, 그에 따른 위험 확률을 산정하는 것이 중요하다. 보 구조물 파괴의 복합적인 발생요인은 크게 홍수와 지진으로 나눌 수 있으며, 본 연구에서는 홍수발생에 따른 파괴에 대 해 다양한 조건들을 불확실도 해석을 통해 결정하고, 불확실성을 고려한 확률론적 복합위험도 산정을 통해 안정성평가를 수행하고자 한다.

    보의 홍수에 의한 파괴확률 해석에서 가장 큰 영 향을 미치는 요인은 상⋅하류의 급격한 수위차 발생 으로 인한 기초부의 침투라고 할 수 있다. 이러한 수 위차는 불확실도를 반영한 수문/수리해석을 통해 산 정해야 한다. 불확실성을 고려한 수문해석을 위하여 Bayesian 기법을 활용한 빈도해석 연구가 다수 진행 된 바 있다(Reis and Stedinger., 2005; Scott and Lall., 2015). 수리학적 매개변수의 불확실성은 Manning 식에서 계산되는 유량의 불확실성과 기타 종합적인 수리학적 매개변수들의 불확실성을 종합하 여 추정한 바 있다 (Mays and Tung., 1992; Johnson, 1996). 취약도 평가 방법에 대해서는 기본적 인 취약도 평가에 대한 개념과 평가 방법을 제시하여 수위의 변화에 따른 콘크리트 중력식 댐의 취약도 분 석에 관한 연구를 수행하였다(Ellingwood and Tekie., 2001). 또한 수위에 따른 파괴 확률을 분석하 였고, 안전계수와 파괴 확률 사이의 관계에 대한 중 요성을 강조하였다(Altarejos-García L., et al., 2012). 확률론적 해석기법에 대한 연구로는 홍수위험지수 산 정을 위해 여러 불확실성의 원인을 고려한 확률론적 방법론이 요구된다고 분석하였다(Ranzi et al., 2012). 국내에서는 강우빈도해석과 확률분포의 매개변수 추 정 및 매개변수의 불확실성을 포함한 강우유출해석을 수행하였다(Kwon et al., 2013). 수리해석 기법으로 댐 및 하천제방에 대한 월류위험도 해석기법은 MCS (Monte Carlo Simulation)를 통해 수행하였다(Han et al., 1997). 침투해석과 관련하여 지반정수의 신뢰 성 높은 확률분포형을 결정하기 위해 분석자료에 대 한 이상치 및 무작위성을 검정하고, 적용한 확률분포 형의 매개변수 추정과 그에 대한 검정을 함으로써 확 률론적 설계방법뿐만 아니라 결정론적 설계에 사용될 수 있는 지반정수의 합리적인 결정에 사용될 수 있는 자료를 제시하였다(Kim et al., 2009). 또한 중력식 댐 의 파괴모드별로 한계상태방정식을 유도하여 파괴확 률산정하고 평가하는 방법을 제시하였다(Cho et al., 2016). 이처럼 수공구조물의 위험도 해석에서 각각의 불확실성을 반영한 안전도 평가에 대한 연구는 활발 하게 이루어져 왔으나, 개별 불확실성간의 연관성을 고려하여 이를 정량적으로 통합한 복합위험도 산정에 대한 연구는 매우 드문 실정이다.

    따라서 본 연구에서는 4대강 중 낙동강에 위치한 강정고령보를 대상으로 위험도 분석을 위한 파괴모드 를 설정하고, 불확실성을 포함한 파괴모드의 발생 확 률을 산정하였다. 수문/수리학적 불확실성을 포함한 확률론적 해석을 통해 홍수시 보의 상⋅하류의 수위 차를 산정하였으며, 지반변수 등의 불확실성을 반영한 침투해석을 수행하였다. 또한 각각의 발생확률들을 통 합한 복합위험확률을 산정함으로써 수공구조물의 복 합위험도를 정량적으로 추정하였다.

    2. 해석방법

    2.1 Bayesian 기법을 적용한 수문학적 불확실도 해석

    수문학적 불확실도 해석을 위해 극치강우빈도 해석 시 국내 대부분의 강우관측소에 대해 검증된 바 있는 Gumbel 분포를 확률분포형으로 사용하였다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2011). 이러 한 Gumbel 분포의 확률밀도함수와 누적분포함수를 불확실성이 고려된 수문해석을 위하여 사전분포(prior distribution)와 사후분포(posterior distribution)의 개 념을 도입한 Bayesian 기법을 적용하여 매개변수의 불확실성을 정량화한 강우빈도해석을 수행하였다(Lee et al ., 2016).

    수문학적 유출해석을 위해 이용되는 강우-유출 모 형(HEC-1)을 적용하는데 있어 매개변수의 불확실성 을 정량화하기 위해 전술한 Bayesian 기법을 적용한 유출모형을 활용함으로써 보다 신뢰성이 확보된 확률 홍수량을 산정하였다(Lee et al ., 2016). 여기서 국내 에서 유출 해석 시 일반적으로 이용되는 CN(runoff curve number)값과 도달시간(Tc) 및 저류상수(R)와 같은 매개변수에 대한 불확실성 평가를 수행하였으며 강우-유출 모형의 매개변수를 소유역별로 추정하기 위해 MCMC(Markov Chain Monte Carlo) 기법을 활용하여 결합확률(joint probability) 형태로 수문학 적 불확실성을 추정한 선행연구 결과를 이용하였다 (Lee et al., 2016).

    2.2 수리학적 불확실성을 고려한 홍수위 계산

    수리학적 불확실도 해석을 위해서 1차원 부정류 해석 기법을 적용한 수리학적 모형을 이용하였다. 수리학적 모형은 하천구간내의 비선형 효과가 반영된 하도단면 과 하상경사, 그리고 조도계수 등에 대한 변동성을 반 영하여 MCS를 이용한 확률론적 해석기법으로 하천 홍수위의 불확실도를 산정할 수 있다. 즉, 대상구간내 지점별 홍수위의 평균 및 표준편차를 양호하게 예측 하는데 충분한 MCS 모의횟수를 설정한 후 매개변수 의 확률분포형을 반영하여 수렴된 값을 얻는다. MCS 에서 위험도 Pf는 다음 식과 같이 추정될 수 있다.

    Eq1.gif
    (1)

    여기서 N은 모의횟수를 나타내고 u ^ j 는 표준 정 규 분포형을 가진 추계학적 벡터 Uj번 샘플을 나 타낸다. 지시함수(indicator function)인 I [ g (u)]는 아 래와 같이 정의될 수 있다.

    Eq2.gif
    (2)

    위험도 Pf의 표준오차는 다음 식으로 추정할 수 있다.

    Eq3.gif
    (3)

    시스템 파괴확률 추정을 위한 신뢰구간(Confidence interval)은 위험도 PfN →∞일 때 정규분포형을 형성함으로써 결정될 수 있다. 일반적으로 MCS를 이 용한 불확실도 해석과정은 아래와 같이 요약할 수 있 으며 Fig. 1과 같은 모식도로 정의할 수 있다.

    • Step 1: 모형의 실행함수를 다음 식과 같이 설정한다.

      Eq4.gif
      (4)

    • Step 2: random 입력변수 xi1, xi2, ⋯, xip 생성한다.

    • Step 3: 모형을 모의하고 예측치 yi를 저장한다.

    • Step 4: i = 1에서 n까지 Step 2와 Step 3을 반복 한다.

    • Step 5: 예측된 결과값(F = [y1, y2, ⋯, yp])을 분석 한다.

    2.3 홍수에 의한 보(Weir) 구조물의 침투해석

    보 구조물에서 기초의 붕괴 메커니즘은 갈수기 시 보 구조물의 상류에서 하류로 기초를 통한 침투현상에 의하여 발생한다. 침투현상은 상류부의 수심변화에 따 른 영향이 크며, 수재해로 인하여 보 상류부의 수심 이 높아져 상⋅하류 수위차가 크게 발생할 때 침투현 상은 심화된다. 이러한 침투현상은 지반 내에 위치한 토질에서 파괴가 일어나 층류 내 토질입자의 부식과 이동을 유발한다. 점진적인 부식이 보 하류의 기초 파괴로 이어지고 이후 침투발생 시점에서의 수중침식 으로 토질입자를 느슨하게 한다. 이 과정이 심화되면 기초 전반을 통해 대상구조물 상류 부분까지 이어지 는 지반침하가 발생한다.

    침투는 일련의 유선을 따라 발생하며 균질하고 비 등방성을 가진 토질의 2차원 정상상태 침투는 Laplacian 방정식에 의해 식(5)처럼 나타낼 수 있다.

    Eq5.gif
    (5)

    Kx와 Ky는 각각 X와 Y축 방향의 투수계수이고 Φ는 수두이다.

    침투류의 x축과 y축은 Darcy’s law를 통해 식(6), (7)과 같이 계산된다.

    Eq6.gif
    (6)
    Eq7.gif
    (7)

    이 유동량은 x축 혹은 y축에서 유도되며, 기초지 반 특정한 지점의 총 흐름은 그 지점의 qxqyf의 침 투류 벡터로 Fig. 2와 같이 유도된다.

    기초의 파열은 최대출구경사도가 임계출구경사도 를 초과했을 때 나타난다. 출구경사도는 길이 단위당 손실수두이며, 침투가 다공성 물질을 빠져나가는 면적 에서 계산된다. 여기서 말하는 이 주요한 면적은 하 류 피압류를 위한 콘크리트 방어 구조 가장자리를 따 라 위치한다. 출구경사도는 하류 측을 따라 계산할 수 있으며, 최대 경사도는 주로 강 끝 쪽에서 나타난 다. 또한 2차원 모델에서의 출구경사도는 경사도의 방향에 의존한다. 한계동수경사도(icr)는 기초의 흙의 성질에 기반을 둔다. 이때 n은 흙 입자의 공극률이고, Gs는 흙 입자의 비중이다.

    Eq8.gif
    (8)

    한계동수경사가 최소가 되도록, 비중의 최솟값과 공극률의 최댓값이 흙 비중과 공극률의 다양한 범위 에서 선택되면 최악의 시나리오의 파열이 일어난다.

    파괴의 성능함수는 식(9)과 같이 나타낼 수 있다. 또한 파괴 확률은 식(10)과 같이 나타낼 수 있다.

    Eq9.gif
    (9)
    Eq10.gif
    (10)

    성능 함수의 불확실성은 확률변수의 시뮬레이션과 반복된 해석에 의해 확률을 산정하는 MCS 기반으로 수행되었다.

    2.4 복합위험도 산정기법

    수공구조물의 파괴 메커니즘은 동시에 여러 사건이 발생할 확률로써 결합확률(joint probability)로 산정 할 수 있다. 보의 침투에 의한 파괴메커니즘을 큰 시 스템으로 설정하면, 홍수위는 수문⋅수리학적 확률로 산정되고, 이는 보의 파괴확률을 산정하는 하부 시스 템이 된다. 이러한 하부시스템의 결합확률 계산을 통 해 총 시스템의 위험확률을 산정할 수 있으며 이는 보의 파괴메커니즘에 대한 복합위험도(compound risk)로 나타낼 수 있다.

    각각의 하부시스템의 발생확률의 독립성 여부에 따라 결합확률의 계산은 달라지며, 파괴 메커니즘의 복합위험도는 서로의 확률에 영향을 미치는 조건부확 률로 계산되며 식(11)에 나타내었다.

    Eq11.gif
    (11)

    이 때, Pr 은 시스템 전체의 신뢰도, Prn은 시스 템 각각의 신뢰도, Pfn은 시스템 각각의 위험도이다. Fig. 3은 복합위험도 산정에 관한 전체 모식도이다.

    3. 복합위험도 산정

    3.1 대상유역 및 시설

    복합위험도 산정을 위한 수공구조물은 대구광역시 달 서구에 위치한 강정고령보를 대상으로 하였다. 강정고 령보의 유역면적은 11,667 km2이며, 확률론적 홍수위 계산을 위한 대상유역은 낙동강 중류부 왜관수위표 지점부터 고령수위표 지점까지의 39.9 km 구간으로 설정하였다. 가동보와 고정보가 복합된 다기능보로써 홍수발생 시 급격한 수위상승을 제한하고 일정수위를 유지하기 위한 이수적 기능을 충족시키는데 그 목적 이 있다. Table 1은 강정고령보의 현황 및 제원을 나 타낸다.

    3.2 수문⋅수리학적 불확실성을 고려한 홍수위 예측

    이 중 구조물의 안정성 해석에 있어 수위변동폭이 크게 발생하는 신뢰구간의 시나리오가 중요하므로 상 대적으로 수위변동폭이 작은 신뢰구간 2.5%를 제외한 신뢰구간 50%와 97.5%를 채택하였고, 이를 홍수위 해석을 통해 각각의 수위발생 시나리오로 생성하였다 (Table 2). 첨두유량의 발생시간은 각 시나리오별로 다르게 나타났으며, 시나리오Ⅰ에서 25시간, 시나리오 Ⅱ에서 21시간, 시나리오Ⅲ에서 24시간, 시나리오Ⅳ에 서 20시간으로, 빈도에 따라서 4시간, 신뢰구간에 따 라 1시간의 간격차를 보였으며, 고빈도-상한치 시나 리오의 첨두유량 발생시간이 더 빠른 것을 확인하였 다. 각각의 시간대별 유출량들은 Log-Normal 분포형 태를 보이며 각각 가장 높은 위험률이 발생할 수 있 는 21시간대와 25시간대의 앙상블 데이터를 표본으로 설정하고 이를 정규분포형태로 변환하여 발생확률을 계산하였다(Fig. 4).

    3.2.1 불확실성을 고려한 유출량계산

    강정고령보 유역의 강수지점에 극치 강수량을 정량화 하는 비정상성 빈도해석과 Bayesian MCMC를 통해 매개변수의 불확실성을 고려한 설계강수량을 추정하 였고, HEC-1 모형의 매개변수에 대한 불확실성을 정 량화 하여 확률론적 홍수유출량을 도출하였다. 일련의 과정을 통해 불확실성이 반영된 다수의 홍수수문곡선 을 생성하였고, 100년/200년 빈도의 확률홍수량을 추 출하였으며 각 빈도별 확률홍수량의 매개변수의 불확 실성에 따른 신뢰구간을 2.5%, 50%, 97.5%로 산정하 였다(Lee et al ., 2016).

    3.2.2 불확실성을 고려한 하천 홍수위 해석

    불확실성을 고려한 확률홍수량에 따른 유출량은 1차 원 부정류해석의 경계조건으로 입력된다. 이러한 과정 에서 수문학적 불확실성을 고려한 홍수위계산이 진행 되며, 또한 수리학적 불확실성에 의한 수위변동범위를 반영하고자 하천수리해석에도 MCS를 적용하였다. 홍 수위의 불확실도 해석에 있어 가장 큰 요인인 하도단 면과 조도계수의 확률분포형태와 변동계수를 고려해 야 하며, 또한 본 모의구간의 내부경계조건인 강정고 령보는 가동보가 포함된 다기능 보이므로 시나리오별 가동보의 수문운영방식에 따른 방류량의 불확실성을 포함하였다. MCS의 실행을 위한 수리해석 변수들의 확률분포형태와 변동계수를 Table 3에 나타내었다.

    불확실성이 포함된 홍수위 계산결과는 Fig. 5에 나타내었다. 시나리오의 첨두유량 발생시기에 따른 첨 두수위에 발생시간이 각각 다르게 나타났다. 또한 강 정고령보의 상⋅하류 수위차에 의한 침투해석을 위해 상류단과 하류단 각각의 수위를 비교 분석하였다.

    먼저 불확실성에 의한 수위변화의 변동성은 홍수위가 급격히 상승해서 첨두수위 발생 후 수위가 하강하는 시기까지는 상류단은 5 cm ∼ 10 cm범위 이하로 작게 나타났으며, 상대적으로 수문운영률에 더 큰 영향을 받는 하류단은 수위변동성이 5 cm ∼ 24 cm까지 나타 나 하류단의 수위변동폭이 더 큰 것으로 나타났다.

    수위변동성을 반영한 각 시나리오별 상⋅하류 수 위차는 첨두유량 발생시간대를 기준으로 하였으며, 각 시나리오별 수위차는 Table. 6에 나타내었다.

    3.3 불확실성을 고려한 보 구조물 침투해석

    홍수에 의한 보 구조물에 안정성 진단을 위해선 여러 방면에서 파괴 원인 및 유형을 파악하는 것이 필요하 다. 선행연구들에 의하면 주로 댐의 안전성평가에서는 전도, 활동, 댐 기초 지반 지지력 등의 변동성에 의한 파괴모드에 집중하였다. 댐과 달리 보는 비교적 월류 에 의한 파괴에 대해 안정적인 설계가 되어있다. 이 로 인해 수위증가에 따른 전도, 활동에 대한 파괴확 률을 산정하기에는 어려움이 있다. 따라서 본 연구에 서는 보 구조물의 하부 지반에 침투로 인한 지반 지 지력 지지력약화를 파괴모드로 설정하였다. 지반변수 의 불확실성을 고려하여 Table 4, 5 같이 정규분포 및 대수정규분포를 따르는 지반변수들을 분석하여 적 용하였다. 각각의 지반변수들을 분석하여 시나리오별 상⋅하류 수위를 경계조건으로 MCS를 실시하였다. 침투해석 모델링을 위한 모식도와 보 구조물의 지반 에 대한 형상과 치수(m)는 Fig. 6, 7에 나타내었다. 지반의 총 폭(B)로 80m이고 깊이(D)는 50m이다. B1 과 B2는 각각 보 구조물의 상류와 하류측에 대한 지 반의 폭이다.

    지반 모델링 시 모든 형상에 대하여 3절점 유한요 소모델을 사용하였고 생성된 유한요소는 총 10,687개 이고 연결 절점은 총 5,510개이다. 지반의 요소를 생 성하기 위하여 적합 요소망 재생성기법을 사용하였다.

    요소망 이산화 오차를 측정하여 요소망에 따른 정 밀도를 결정하고, 정밀하지 않을 경우 상용유한요소해 석프로그램인 ABAQUS를 통하여 자동으로 요소망을 개선하여 오차를 감소시킨다.

    이때 측정된 오차가 사용자 정의값 이하로 낮아질 때 까지 솔루션을 반복하여 수행하였다. 지반해석 시 고 려된 영향인자로는 상류측 수심의 증가에 따라 보 하 단부로 침투되는 Seepage 해석을 수행하였으며 이때 고려된 상⋅하류의 수심은 수리시나리오 결과를 반영 하여 0.5m 간격으로 수위를 상승하면서 해석을 수행 하였다. 지반요소 모델링 시 적용된 변수로는 투수계 수, 공극률, 비중의 분포를 각각 사용하여 지반상태를 정의하고, 최종적으로 250번의 MCS를 수행하였다.

    ABAQUS를 이용한 하부지반의 침투해석 결과는 Fig. 8에 나타내었다. 상⋅하류 수위차에 따라 침투에 의한 파괴확률이 각각 다르게 나타나는 것을 확인하 였으며, Scenario Ⅳ의 수위에서 가장 위험도가 크게 나타나는 것으로 나타났다.

    Fig. 9는 보 구조물의 하부지반에 침투해석에 의한 파괴확률 곡선(Fragility Curve)을 나타낸 것이다. 상⋅ 하류에 발생가능 한 수위차의 범위를 0∼20m까지 다 소 높게 산정하고 해석하였으나 파괴확률은 극히 낮 은 값을 나타내는 것으로 예측되었다.

    3.4 복합위험도 산정

    앞선 보 구조물의 상⋅하류수위차의 침투해석에 있어 고려된 불확실성들을 종합한 복합위험도를 산정하였 다. 불확실성을 포함한 확률홍수량(100/200년빈도)에 의한 홍수위 결과는 보 구조물의 안전성 해석을 위한 경계조건이 되므로 직접적인 영향을 미친다.

    복합위험도는 각 하부시스템의 발생확률들의 곱으로 이루어진다. 시나리오별 상⋅하류 수위차에 의한 침투 해석결과는 불확실성을 포함한 홍수위 결과를 경계조 건으로 사용하므로 확률해석이 결합된 결과이고, 이 결과는 수문사상의 발생확률에 속하게 되므로 각각의 위험확률들의 곱으로 확률을 산정하였다. 복합위험도 의 계산결과는 Table 6에 나타내었다.

    복합위험도의 계산은 병렬시스템의 형태로 하여 각 시나리오별 최고수위차 발생시간에 ± 5시간의 결 과들을 산정하였다. 복합위험도의 계산결과 Scenario Ⅰ에서는 구조물 침투해석의 위험도가 나타나지 않아 복합위험도가 가장 낮은 것으로 예측되었고, Scenario Ⅲ에서 강정고령보의 침투파괴확률이 가장 높게 나타 나는 것으로 예측되었다. 이는 가장 큰 수위차가 발 생되는 ScenarioⅣ에서 침투해석의 파괴확률은 가장 크게 나타나지만 이러한 수위차의 발생가능성의 원인 인 수문사상의 확률이 극치사상이므로 평균치인 ScenarioⅢ의 수문발생확률에 비해 낮기 때문으로 판 단된다. 이러한 영향으로 보아 보 구조물의 확률론적 침투해석에 있어 가장 큰 영향은 수문사상으로 나타 났다. 또한 작은 수위변동성에는 보의 파괴확률에 대 한 영향이 아주 낮은 것으로 나타나, 수리학적 불확 실성이 복합위험도 산정에 있어 영향력이 가장 낮은 것으로 나타났다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 강정고령보의 확률론적 안정성 평가를 위해, 비정상성 빈도해석과 매개변수의 불확실성을 고 려한 설계강우량을 추정하고, 유출량 산정에서 발생되 는 불확실성들을 포함한 다수의 확률론적 빈도별 홍 수수문곡선(100년/200년)들을 생성하였으며 이들 중 신뢰구간 평균치인 50%와 상한치인 97.5%를 1차원 하도의 부정류해석의 경계조건으로 이용하였다. 불확 실성을 반영한 홍수위 해석을 위해 하천수리해석에 있어 하천의 조도계수, 통수단면적과 홍수위해석에 내 부경계조건인 강정고령보의 수문운영률을 반영하여 MCS해석을 통한 불확실도 해석을 수행하였다. 이러 한 수문/수리학적 불확실성을 반영한 홍수위의 계산 결과는 강정고령보의 침투해석의 경계조건이 된다. 보 구조물 침투해석에 있어 불확실성을 포함한 지반변수 들을 고려하였고, ABAQUS를 이용하여 모델링하고 그 해석결과와 MCS를 연동하여 파괴확률곡선을 산 정하였다.

    이러한 각각의 확률론적 해석결과를 통합한 복합 위험도를 산정하였다. 상⋅하류 수위차는 수문학적 확 률홍수량에 의한 유출량 결과에 가장 큰 영향을 받고, 불확실성을 포함한 수위변동성은 보를 기준으로 상류 보다 하류에서 크게 나타났으며, 이는 수문운영률의 영향이 하류에 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단되었 다. 그러나 홍수 시에 보의 기능성이 현저히 떨어지 므로, 침투해석결과의 영향은 거의 미치지 않는 것으 로 나타났다.

    수변구조물의 설계에 있어, 시설물이 위치한 공간 과 환경을 반영하지 못한 일률적인 안전율을 적용하 여 설계되는 확정론적인 방법보다 여러가지 변동요인 을 고려하여 불확실성에 대한 확률론적 설계방법은 안전율을 구체적이고 명확하게 산정하고, 구조물 시공 및 설계, 구조물의 재료의 선택에 다양한 제시가 가 능하므로 경제적이고 효율적이며 안정적이다. 본 연구 에서 제시한 복합위험도 평가기법은 향후 수리구조물 설계를 위한 지표로 사용될 수 있을 것이며 통합홍수 관리에 크게 기여할 것으로 기대된다.

    ACKNOWLEDGEMENT

    본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원 건설 기술연구사업의 연구비지원(17SCIP-B065989-05)에 의 해 수행되었습니다. 연구지원에 감사드립니다.

    Figure

    KOSACS-9-34_F1.gif
    Schematic representation of MCS with uncertain input parameters.
    KOSACS-9-34_F2.gif
    Two-way fluid flow
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    Schematic process of the compound risk estimation of a weir system (small dam)
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    Normalization of log-normal function of design floods to calculate the probability of occurrence
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    Probable flood level scenarios with MCS
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    Modeling of seepage analysis
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    Modeling of bottom ground geometry of small dam
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    Analysis results of underseepage by scenario
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    Fragility curve of seepage

    Table

    Gangjeong-goryeong weir
    Probable flood scenarios for compound risk analysis
    Input variance data for 1D stream analysis - MCS
    Characteristics of soil type
    Coefficient of variation for each variable
    Probabilistic compound risks of small dam

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