KR101547069B1 - 지반의 침식과 연행 작용을 고려한 토석류 거동 해석 방법 및 장치 - Google Patents

지반의 침식과 연행 작용을 고려한 토석류 거동 해석 방법 및 장치 Download PDF

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이광우
김용민
김정환
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Abstract

본 발명의 실시예들에 따른 컴퓨터를 이용하여 수행되는 토석류 거동 해석 방법은, 컴퓨터가, 기반암(Bed Rock) 및 지반(Soil Layer)을 포함하는 지형 모델 및 지반 물성 정보들을 기초로 기반암 위 또는 지반 위를 흐르는 토석류의 유동학적 모델을 해석하여 토석류의 유동학적 변수들을 획득하는 단계, 변형율의 변동에 따라 전단 강도를 결정하는 변형율 연화 모델에 기초하여 지반의 침식을 해석하는 단계, 침식된 지반에 포함된 토사를 고려하여 토석류의 유동학적 모델 내의 유동학적 변수들을 갱신하는 단계 및 침식 후의 지반을 고려하여 지형 모델을 갱신하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

지반의 침식과 연행 작용을 고려한 토석류 거동 해석 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR ANALYSING BEHAVIOR OF DEBRIS FLOW CONSIDERING ENTRAINMENT AND EROSION OF BED SEDIMENT}
본 발명은 지반 해석 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 토석류 거동 해석 방법에 관한 것이다.
토석류(Debris Flow)는 지질 재해의 한 종류로, 지진, 강우, 해빙 등에 의해 일어난 지반의 붕괴로 인해 대량의 토사나 계곡부 바닥에 퇴적된 흙과 암석이 물과 함께 빠른 속도로 흘러 내려가는 현상을 통칭한다. 산사태와 유사하지만 발생 지역 부근에서만 피해가 발생하는 산사태와 달리, 토석류가 발생하면 대량의 토사, 돌과 바위, 유목이 대량의 물과 함께 대단히 큰 유동성을 가지고 하류로 운반되므로 낮은 지대까지 큰 피해가 일어날 수 있다.
토석류는 주로 계곡형 토석류와 사면형 토석류로 분류되고, 일반적으로 시작부, 이동부 및 퇴적부로 나뉘어 분석된다. 계곡형 토석류는 계곡 내에 퇴적된 토석이 포화된 상태를 초과하면서 토석류의 원인이 되는 경우이다. 사면형 토석류의 시작부는 사면의 붕괴에 관련되는데, 원호형 사면붕괴 형태나 퇴행성 사면붕괴 거동을 동시에 보이는 경우가 많다. 시작부의 규모가 작더라도, 계상 침식을 통해 퇴적 토사의 체적은 급격히 증대된다.
현재까지 토석류에 관한 연구는 토석류에 의한 피해를 줄일 수 있도록 어디서, 언제, 어떤 조건에서 토석류가 발생하는지 아는 것이 중요하기 때문에, 유동화(Fluidization), 즉 지반이 파괴되는 현상과 파괴 후 단계에 의해 토석류가 발생하는 단계에 관하여 주로 수행되고 있다.
일단 발생한 토석류는 유체의 흐름과 유사하므로 유동학적(Rheology)으로 해석되고 있고, 토석류의 유동학적 모델은 토석류에 포함될 입자의 크기와 광물학적 조성에 따라 결정된다. 이러한 유동학적 모델에 따라 유동학적 특성, 즉 항복응력(yield stress)과 소성점도(plastic viscosity)가 결정되고, 항복 응력과 소성점도에 따라 이동 거리와 이동 속도를 산출할 수 있다.
이러한 기존의 토석류 해석들은 FDM(Finite Difference Method, 유한차분법)을 이용하는 수치 해석에 기반하여 이루어지고 토석류의 방향, 속도와 거리를 잘 설명할 수 있으며, 최종적으로 추정된 발생 부피로부터 역해석하여 초기의 규모를 산출하는 데에 적합하다.
또한, 조건에 따라, 토석류는 시작부에서 초기 규모가 작더라도 이동부에서 강우와 함께 포화된 풍화토 표토층이 토석류와 함께 침식되면서 침식된 표토가 토석류에 합류하고, 토석류의 체적과 중량이 급증하면서 퇴적부로 갈수록 토석류의 규모가 커질 수 있는데, 기존의 토석류 해석 기법은 대부분 천수방정식(Shallow Water Equation)을 지배방정식(Governing Equation)으로 이용하기 때문에 침식이 거의 없는 지반에서 규모가 거의 변화하지 않고 흘러가는 토석류의 유동을 해석하기에는 적합하지만, 토석류의 규모가 점점 커지는 경우에는 오차가 크다. 그뿐 아니라, 이러한 기존의 해석 기법을 통해서 퇴적부에서 추정된 발생 부피로부터 역해석하여 산출되는 토석류의 초기 규모는 실제의 초기 규모보다 훨씬 크게 산출될 가능성이 있다. 산출된 초기 규모에 따라 위험 지역에 설치될 사방 구조물이 설계될 것이기 때문에, 기존의 해석 기법을 이용하여 설계되는 사방 구조물은 필요보다 과대 설계될 수 있고, 자원과 예산이 낭비될 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 지반의 침식과 연행 작용을 고려한 토석류 거동 해석 방법 및 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 지반의 침식과 연행 작용을 고려하여 초기 시작부의 산사태 발생량을 정확히 해석할 수 있는 토석류 거동 해석 방법 및 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 토석류가 하류로 이동하는 동안 지반의 침식과 연행 작용에 의해 그 규모가 증가하는 경우에 적합한 토석류 거동 해석 방법 및 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 지반의 침식과 연행 작용에 의해 증가한 규모를 좀더 정확히 파악하여 피해 범위를 예측할 수 있는 토석류 거동 해석 방법 및 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 컴퓨터를 이용하여 수행되는 토석류 거동 해석 방법은
상기 컴퓨터가,
기반암(Bed Rock) 및 지반(Soil Layer)을 포함하는 지형 모델 및 지반 물성 정보들을 기초로, 기반암 위 또는 지반 위를 흐르는 토석류의 유동학적 모델을 해석하여 토석류의 유동학적 변수들을 획득하는 단계;
변형율의 변동에 따라 전단 강도를 결정하는 변형율 연화 모델에 기초하여, 지반의 침식을 해석하는 단계;
침식된 지반에 포함된 토사를 고려하여 토석류의 유동학적 모델 내의 유동학적 변수들을 갱신하는 단계; 및
침식 후의 지반을 고려하여 지형 모델을 갱신하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 토석류의 유동학적 모델은, 기반암에 관하여는 라그랑지언(Lagrangian) 방법을 적용하고, 토석류 및 지반에 관하여는 오일러리언(Eulerian) 방법을 적용하는 CEL(Coupled Eulerian Lagrangian) 기법을 통해 수치해석될 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 변형율 연화 모델은 토석류의 전단 응력에 의해 지반에 발생하는 변형율의 변동에 따라 전단 저항의 최대치인 전단 강도가 줄어드는 관계에 기초한 모델일 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 변형율 연화 모델은, 변형율이 제1 값 이하인 범위에서는 전단 강도가 소정의 피크값과 같고, 변형율이 제1 값 초과이고 제2 값 이하인 범위에서는 전단 강도가 소정의 피크값에서 소정의 잔여값까지 작아지도록 음의 기울기를 가지는 1차 함수로 정의되며, 변형율이 제2 값 초과인 범위에서는 전단 강도가 소정의 잔여값과 같도록 주어지는 모델일 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 변형율 연화 모델은 변형율에 대한 전단 강도의 변화 곡선이 유니모달 곡선으로 주어지는 모델일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 토석류 거동 해석 장치는,
기반암 및 지반을 포함하는 지형 모델 및 지반 물성 정보들을 토석류 수치 해석부 및 지반 침식 해석부에 제공하며, 만약 상기 지반 침식 해석부로부터 침식된 지반에 관한 정보가 피드백되면, 직전의 지형 모델을 갱신하는 지형 모델링부;
상기 지형 모델링부로부터 제공되는 기반암 및 지반을 포함하는 지형 모델 및 지반 물성 정보들을 기초로, 기반암 위 또는 지반 위를 흐르는 토석류의 유동학적 모델을 해석하여 토석류의 유동학적 변수들을 획득하고, 만약 상기 지반 침식 해석부로부터 침식된 지반에 관한 정보가 피드백되면, 침식된 지반에 포함된 토사를 고려하여 토석류의 유동학적 모델 내의 유동학적 변수들을 갱신하는 토석류 수치 해석부;
상기 토석류 수치 해석부에서 해석되어 제공되는 토석류의 전단 응력 및 변형율 연화 모델에 기초하여, 지반의 침식을 해석하는 지반 침식 해석부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 토석류의 유동학적 모델은, 기반암에 관하여는 라그랑지언 방법을 적용하고, 토석류 및 지반에 관하여는 오일러리언 방법을 적용하는 CEL 기법을 통해 수치해석될 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 변형율 연화 모델은 토석류의 전단 응력에 의해 지반에 발생하는 변형율의 변동에 따라 전단 저항의 최대치인 전단 강도가 줄어드는 관계에 기초한 모델일 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 변형율 연화 모델은, 변형율이 제1 값 이하인 범위에서는 전단 강도가 소정의 피크값과 같고, 변형율이 제1 값 초과이고 제2 값 이하인 범위에서는 전단 강도가 소정의 피크값에서 소정의 잔여값까지 작아지도록 음의 기울기를 가지는 1차 함수로 정의되며, 변형율이 제2 값 초과인 범위에서는 전단 강도가 소정의 잔여값과 같도록 주어지는 모델일 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 변형율 연화 모델은 변형율에 대한 전단 강도의 변화 곡선이 유니모달 곡선으로 주어지는 모델일 수 있다.
본 발명의 토석류 거동 해석 방법 및 장치에 따르면, 지반의 침식과 연행 작용을 고려하여 초기 시작부의 산사태 발생량을 정확히 해석할 수 있다.
본 발명의 토석류 거동 해석 방법 및 장치에 따르면, 토석류가 하류로 이동하는 동안 지반의 침식과 연행 작용에 의해 그 규모가 증가하는 경우에 적합한 해석 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 토석류 거동 해석 방법 및 장치에 따르면, 지반의 침식과 연행 작용에 의해 증가한 규모를 좀더 정확히 파악하여 피해 범위를 예측할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 토석류 거동 해석 방법을 예시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 토석류 거동 해석 방법에서, 토석류가 지반 위를 흐를 때에 토석류에 의해 지반에 일어나는 변형을 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 토석류 거동 해석 방법에서, 토석류가 지반 위를 흐를 때에 토석류에 의해 지반에 가해지는 변형의 크기에 의해 지반의 전단강도가 변화하는 곡선을 예시한 그래프이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 토석류 거동 해석 방법에 따라 획득한 시뮬레이션 결과를 기존의 기법에 따른 시뮬레이션 결과에 대비한 도면들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 토석류 거동 해석 장치를 예시한 블록도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 토석류 거동 해석 방법을 예시한 순서도이다.
본 발명의 토석류 거동 해석 방법은 컴퓨터를 이용하여 수리학적 모델을 수치 해석하는 작업을 의미한다. 본 발명의 토석류 거동 해석 방법은 최초의 시작부에서 사면 붕괴에 따른 사면형 토석류(open slope debris flow) 또는 포화 상태가 된 계곡이 범람하여 생기는 계곡형 토석류(channelized debris flow)가 발생한 이후에, 토석류가 지나가는 지점의 지반에서 지반의 침식과 연행을 시간의 흐름에 따라 점진적으로 고려하는 토석류 거동 해석 방법이다.
컴퓨터를 이용하여 수행되는 토석류 거동 해석 방법은 점성을 가진 비뉴턴 유체로서 토석류를 모사하는 유동학적 모델을 수치 해석을 수행하고, 동시적으로, 토석류가 지나가는 지반에서도 대변형(Large Deformation)이 일어나는 것을 고려하는 대변형 해석 기법을 이용한다.
토석류의 유동학적 모델은 바람직하게는 Bingham 모델 또는 Herschel-Bulkley 모델 중 하나가 이용될 수 있고, 실시예에 따라 이중 선형 모델, Papanastasiou 모델, 멱수 법칙(Power Law) 모델 등이 이용될 수 있다.
토석류의 유동학적 모델의 해석에 필요한 매개 변수들은 단위 중량(Unit Weight), 두께(Thickness), 사면 경사각(Slope Angle), 응집력(Cohesion), 마찰각(Friction Angle), 항복 응력(Yield Stress), 전단 응력(Shear Stress), 소성 점도(Plastic Viscosity), 전단 변형률 속도(Shear Strain Rate), 액성 지수(Liquidity Index) 등이다.
한편, 토석류가 기반암 위를 흐를 때에는 토석류는 기반암에 변형을 일으키지 않고 토석류의 체적 증가가 없으므로 점성을 가진 비뉴턴 유체 거동으로서 종래의 유동학적 모델을 그대로 이용하여 해석될 수 있다.
반면에 토석류가 약한 지반 위를 흐를 때에는, 토석류와 지반의 지표 사이의 경계면에서 토석류의 흐름을 방해하는 마찰력과 토석류의 하중은 경사진 지반의 지표에서 지반을 변형시키는 외력으로 작용한다. 이러한 외력으로 인하여 변형이 발생하면서 지반의 지표에 전단 응력이 증가하고, 지반의 지표 바로 밑의 층은 전단 응력과 반대 방향으로 변형에 저항하는 전단 저항을 일으킨다.
이때, 만약 지반의 전단 저항이 토석류에 의한 전단 응력보다 크면 지반 표면 부위에 파괴면이 없다는 뜻이므로 토석류가 지반 위를 그냥 지나치는 것을 의미하고, 지반은 토석류에 침식 내지 연행되지 않는다.
반대로 지반의 전단 저항이 토석류에 의한 전단 응력보다 작아지면 지반 표면 부위에, 즉 표면과 표면 바로 아래 면 사이에 파괴면이 있다는 뜻이고 지반 표면의 일부가 토석류와 동일한 움직임을 보인다는 의미이므로, 결국 지반은 지반의 일부가 토석류와 함께 흘러가면서 침식 및 연행된다. 침식된 표토가 토석류에 합류하면 토석류의 체적이 증가하고, 토석류가 흘러가는 지반 자체에 대규모의 변형이 일어난다.
이러한 현상을 설명하기 위해 도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 토석류 거동 해석 방법에서 토석류가 지반 위를 흐를 때에 토석류에 의해 지반에 일어나는 변형을 설명하기 위한 모식도이다.
도 2에서, 기반암 위에 약한 풍화토 또는 퇴적토 지반이 있는데, 지반 위에서 토석류가 흘러가면서 지반에 변형을 가한다.
지반의 표면에서 토석류의 흐름에 저항하는 전단 저항의 최대 크기인 전단 강도 τr는 토석류에 의한 전단 응력 τ보다 큰 동안에는, 토석류는 지반에 변형을 일으키기는 하지만 지반은 파괴되지 않는다. 반면에, 전단 강도 τr가 토석류에 의한 전단 응력 τ보다 작아지면, 토석류에 의한 변형에 따라 지반의 일부와 나머지 지반 사이에 파괴면이 형성되면서 지반의 일부가 원래의 지반에서 떨어져 나가고 토석류에 합류된다.
이때, 전단 강도는 흙의 고유한 속성이 아니며, 토석류에 접한 지층에서 조건의 변동에 따라 가변할 수 있다.
본 발명에서 전단 강도는 변형율(strain)이 증가함에 따라 감소하는, 예를 들어 도 3과 같은 변형율 연화 모델을 채택한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 토석류 거동 해석 방법에서, 토석류가 지반 위를 흐를 때에 토석류에 의해 지반에 가해지는 변형의 크기에 의해 지반의 전단강도가 변화하는 곡선을 예시한 그래프이다.
도 3에서, 구체적으로, 변형율 εD이 εDp 이하인 범위에서는 전단 강도는 소정의 피크값과 같다. 변형율 εD이 εDp 초과이고 εDr 이하인 범위에서는 전단 강도는 소정의 피크값에서 소정의 잔여값까지 작아지도록 음의 기울기를 가지는 1차 함수로 정의될 수 있다. 변형율 εD이 εDr 초과인 범위에서는 전단 강도는 소정의 잔여값과 같다.
실시예에 따라, 전단 강도의 변화 곡선은 변형율 εD이 εDp 이하인 범위에서 최대값을 가지는 유니모달(unimodal) 곡선일 수 있다.
이렇듯, 본 발명은, 토석류가 지반 위를 흐르면서 지반에 전단 응력을 가할 때에, 이러한 전단 응력이 외력으로 작용하여 지반에 침식과 연행 작용이 일어남에 따라, 이러한 현상을 해석할 수 있는 대변형 해석(Large Deformation) 기법을 제안한다.
다시 도 1로 돌아가서, 컴퓨터를 이용하여 수행되는 토석류 거동 해석 방법은, 단계(S11)에서, 기반암(Bed Rock) 및 지반(Soil Layer)을 포함하는 지형 모델 및 지반 물성 정보들을 기초로, 기반암 위 또는 지반 위를 흐르는 토석류의 유동학적 모델을 해석하여 토석류의 유동학적 변수들을 획득하는 단계부터 시작한다.
단계(S11)에서, 실시예에 따라, 토석류의 유동학적 모델은 기반암에 관하여는 라그랑지언(Lagrangian) 방법을 적용하고, 토석류 및 지반에 관하여는 오일러리언(Eulerian) 방법을 적용하는 CEL(Coupled Eulerian Lagrangian) 기법을 통해 수치해석될 수 있다. 기존에 오일러리안 방법을 이용한 토석류 해석은 유체의 운동, 즉 유동을 잘 기술할 수 있는 반면에, 유체와 상호작용하는 지반 및 기반암의 전단강도, 전단응력과 같이 유체에 가해지는 힘의 관계를 잘 기술할 수 없었다. 반면에 본 발명은 기반암을 기술하는 데에는 라그랑지언 방법을 적용하고 토석류와 지반을 기술하는 데에는 오일러리언 방법을 적용함으로써 성공적으로 CEL 기법을 적용하였고, 그에 따라 지반에 가해지는 힘의 관계도 함께 잘 기술할 수 있다.
단계(S12)에서, 변형율과 전단 강도의 관계에 관한 변형율 연화 모델에 기초하여, 지반의 침식을 해석한다.
변형율 연화 모델은 토석류의 전단 응력에 의해 지반에 발생하는 변형율의 변동에 따라 전단 저항의 최대치인 전단 강도가 줄어드는 관계에 기초한 모델이다.
실시예에 따라, 변형율 연화 모델은, 변형율 εD이 εDp 이하인 범위에서는 전단 강도가 소정의 피크값과 같고, 변형율 εD이 εDp 초과이고 εDr 이하인 범위에서는 전단 강도가 소정의 피크값에서 소정의 잔여값까지 작아지도록 음의 기울기를 가지는 1차 함수로 정의되며, 변형율 εD이 εDr 초과인 범위에서는 전단 강도가 소정의 잔여값과 같도록 주어지는 모델일 수 있다.
실시예에 따라, 변형율 연화 모델은 전단 강도의 변화 곡선이 변형율 εD이 εDp 이하인 범위에서 최대값을 가지는 유니모달 곡선으로 주어지는 모델일 수 있다.
단계(S13)에서, 침식된 지반에 포함된 토사를 고려하여 토석류의 유동학적 모델 내의 유동학적 변수들을 갱신한다.
단계(S14)에서, 침식 후의 지반을 고려하여 지형 모델을 갱신한다.
단계(S15)에서, 소정 시간의 경과 또는 토석류의 유동학적 변수들이 정착(settling)되었는지 여부와 같이, 소정의 시뮬레이션 완료 조건을 만족하면 토석류 거동 해석을 종료하고, 그렇지 않으면 단계(S11)로 되돌아가서, 토석류의 유동학적 모델의 갱신된 유동학적 변수들 및 갱신된 지형 모델에 기초하여 다시 토석류의 유동학적 해석을 수행한다.
이에 따라, 약한 지반이 토석류에 의한 침식과 연행에 의해 토석류에 합류하고 또한 지반의 형태가 변하는 양상에 따라 토석류가 기존의 해석 기법에 따른 예측보다 더 빨리 발달하고 결과적으로 더 큰 파괴력을 가지게 되는 현상을 설명할 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 토석류 거동 해석 방법에 따라 획득한 시뮬레이션 결과를 기존의 기법에 따른 시뮬레이션 결과에 대비한 도면들이다.
도 4를 참조하면, 중간의 (4-b)는 토석류 실험을 하기 위해 실제로 구축한 실험 장치로서, 상부의 게이트를 열면 주어진 초기 체적을 가진 물이 경사로를 따라 흘러내리면서 토사류를 재현할 수 있다. 이 실험 장치에 의해 수행된 실험에 따르면, 소정의 초기 체적의 물에 의해 1.65m/sec의 속도로 방출된 토사류가 2.3미터까지 도달하였다.
이러한 (4-b)의 실험 장치에 관하여, 좌측의 (4-a)는 지형 모델이고, 우측의 (4-c)는 본 발명의 토석류 거동 해석 방법에 따라 얻은 시뮬레이션 결과를 예시한다. 우측의 (4-c)에 따르면, 이러한 지형 모델과 지반 특성에서 토사류는 1.75m/s의 방출 속도로 약 2.5미터까지 도달하며, 실제 실험 장치에서 얻은 결과와 상당히 유사함을 알 수 있다.
한편, 전단 강도가 변형율에 따라 줄어드는 효과를 가지는 변형율 연화 모델의 영향을 설명하기 위해 도 5를 참조하면, 좌측의 (5-a)과 (5-b)는 변형율 연화 모델을 적용하지 않고 일정한 전단 강도에 따른 침식을 해석한 결과이다. 토석류의 이동부에서 적지 않은 침식 현상이 해석되었지만, 침식된 토사가 적기 때문에 토사류의 체적이 많이 늘지 않았고 멀리까지 도달하지 못하여 퇴적부가 가깝다.
반면에, 우측의 (5-c)와 (5-d)는 변형율 연화 모델을 적용하여 전단 강도에 따른 침식을 해석한 결과이다. 토석류의 시작부부터 상당히 큰 침식 현상이 해석되었고, 침식된 토사가 많기 때문에 토사류의 체적이 많이 늘면서 토사류가 멀리까지 도달하였고 피해 면적이 대단히 넓다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 토석류 거동 해석 장치를 예시한 블록도이다.
도 6을 참조하면 토석류 거동 해석 장치(60)는 지형 모델링부(61), 토석류 수치 해석부(62) 및 지반 침식 해석부(63)를 포함할 수 있다.
지형 모델링부(61)는 기반암 및 지반을 포함하는 지형 모델 및 지반 물성 정보들을 토석류 수치 해석부(62) 및 지반 침식 해석부(63)에 제공할 수 있다. 만약 지반 침식 해석부(63)로부터 침식된 지반에 관한 정보가 피드백되면, 지형 모델링부(61)는 기존의 지형 모델을 갱신하고, 갱신된 지형 모델 및 지반 물성 정보들을 토석류 수치 해석부(62) 및 지반 침식 해석부(63)에 다시 제공할 수 있다.
토석류 수치 해석부(62)는 지형 모델링부(61)로부터 제공되는 기반암 및 지반을 포함하는 지형 모델 및 지반 물성 정보들을 기초로, 기반암 위 또는 지반 위를 흐르는 토석류의 유동학적 모델을 해석하여 토석류의 유동학적 변수들을 획득할 수 있다.
실시예에 따라, 토석류의 유동학적 모델은 토석류가 기반암 위를 흐를 때에는 라그랑지언 방법을 통해 해석되고, 토석류가 발생할 때 및 토석류가 지반 위를 흐를 때에는 오일러리언 방법을 통해 해석되는 CEL 기법을 통해 수치해석될 수 있다.
지반 침식 해석부(63)는 토석류 수치 해석부(62)에서 해석되어 제공되는 토석류의 전단 응력 및 변형율 연화 모델에 기초하여, 지반의 침식을 해석한다.
변형율 연화 모델은 토석류의 전단 응력에 의해 지반에 발생하는 변형율의 변동에 따라 전단 저항의 최대치인 전단 강도가 줄어드는 관계에 기초한 모델이다.
실시예에 따라, 변형율 연화 모델은, 변형율 εD이 εDp 이하인 범위에서는 전단 강도가 소정의 피크값과 같고, 변형율 εD이 εDp 초과이고 εDr 이하인 범위에서는 전단 강도가 소정의 피크값에서 소정의 잔여값까지 작아지도록 음의 기울기를 가지는 1차 함수로 정의되며, 변형율 εD이 εDr 초과인 범위에서는 전단 강도가 소정의 잔여값과 같도록 주어지는 모델일 수 있다.
실시예에 따라, 변형율 연화 모델은 전단 강도의 변화 곡선이 변형율 εD이 εDp 이하인 범위에서 최대값을 가지는 유니모달 곡선으로 주어지는 모델일 수 있다.
지반의 침식이 해석됨에 따라, 토석류 수치 해석부(62)는 침식된 지반에 포함된 토사를 고려하여 토석류의 유동학적 모델 내의 유동학적 변수들을 갱신한다.
또한 지형 모델링부(61)도 침식 후의 지반을 고려하여 지형 모델을 갱신한다.
지형 모델링부(61), 토석류 수치 해석부(62) 및 지반 침식 해석부(63)는 소정 시간의 경과 또는 토석류의 유동학적 변수들이 정착되는 조건을 만족할 때까지 토석류의 유동학적 모델의 수치 해석, 변형율 연화 모델에 따른 지반 침식과 유동학적 변수들 및 지형 모델의 갱신을 반복하면서 토석류 거동 해석을 수행할 수 있다.
본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽힐 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 기록매체의 예로는 ROM, RAM, 광학 디스크, 자기 테이프, 플로피 디스크, 하드 디스크, 비휘발성 메모리 등을 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
60 토석류 거동 해석 장치
61 지형 모델링부
62 토석류 수치 해석부
63 지반 침식 해석부

Claims (11)

  1. 컴퓨터를 이용하여 수행되는 토석류 거동 해석 방법으로서,
    상기 컴퓨터가,
    기반암(Bed Rock) 및 지반(Soil Layer)을 포함하는 지형 모델 및 지반 물성 정보들을 기초로, 기반암 위 또는 지반 위를 흐르는 토석류의 유동학적 모델을 해석하여 토석류의 유동학적 변수들을 획득하는 단계;
    변형율의 변동에 따라 전단 강도를 결정하는 변형율 연화 모델에 기초하여, 지반의 침식을 해석하는 단계;
    침식된 지반에 포함된 토사를 고려하여 토석류의 유동학적 모델 내의 유동학적 변수들을 갱신하는 단계; 및
    침식 후의 지반을 고려하여 지형 모델을 갱신하는 단계를 포함하는 토석류 거동 해석 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 토석류의 유동학적 모델은, 기반암에 관하여는 라그랑지언(Lagrangian) 방법을 적용하고, 토석류 및 지반에 관하여는 오일러리언(Eulerian) 방법을 적용하는 CEL(Coupled Eulerian Lagrangian) 기법을 통해 수치해석되는 것을 특징으로 하는 토석류 거동 해석 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 변형율 연화 모델은 토석류의 전단 응력에 의해 지반에 발생하는 변형율의 변동에 따라 전단 저항의 최대치인 전단 강도가 줄어드는 관계에 기초한 모델인 것을 특징으로 하는 토석류 거동 해석 방법.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 변형율 연화 모델은, 변형율이 제1 값 이하인 범위에서는 전단 강도가 소정의 피크값과 같고, 변형율이 제1 값 초과이고 제2 값 이하인 범위에서는 전단 강도가 소정의 피크값에서 소정의 잔여값까지 작아지도록 음의 기울기를 가지는 1차 함수로 정의되며, 변형율이 제2 값 초과인 범위에서는 전단 강도가 소정의 잔여값과 같도록 주어지는 모델인 것을 특징으로 하는 토석류 거동 해석 방법.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 변형율 연화 모델은 변형율에 대한 전단 강도의 변화 곡선이 유니모달 곡선으로 주어지는 모델인 것을 특징으로 하는 토석류 거동 해석 방법.
  6. 컴퓨터에서 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 청구항에 따른 토석류 거동 해석 방법을 수행하도록 작성되어 컴퓨터에서 독출 가능한 기록 매체에 기록된 컴퓨터용 프로그램.
  7. 기반암 및 지반을 포함하는 지형 모델 및 지반 물성 정보들을 토석류 수치 해석부 및 지반 침식 해석부에 제공하며, 만약 상기 지반 침식 해석부로부터 침식된 지반에 관한 정보가 피드백되면, 직전의 지형 모델을 갱신하는 지형 모델링부;
    상기 지형 모델링부로부터 제공되는 기반암 및 지반을 포함하는 지형 모델 및 지반 물성 정보들을 기초로, 기반암 위 또는 지반 위를 흐르는 토석류의 유동학적 모델을 해석하여 토석류의 유동학적 변수들을 획득하고, 만약 상기 지반 침식 해석부로부터 침식된 지반에 관한 정보가 피드백되면, 침식된 지반에 포함된 토사를 고려하여 토석류의 유동학적 모델 내의 유동학적 변수들을 갱신하는 토석류 수치 해석부;
    상기 토석류 수치 해석부에서 해석되어 제공되는 토석류의 전단 응력 및 변형율 연화 모델에 기초하여, 지반의 침식을 해석하는 지반 침식 해석부를 포함하는 토석류 거동 해석 장치.
  8. 청구항 7에 있어서, 토석류의 유동학적 모델은, 기반암에 관하여는 라그랑지언 방법을 적용하고, 토석류 및 지반에 관하여는 오일러리언 방법을 적용하는 CEL 기법을 통해 수치해석되는 것을 특징으로 하는 토석류 거동 해석 장치.
  9. 청구항 7에 있어서, 상기 변형율 연화 모델은 토석류의 전단 응력에 의해 지반에 발생하는 변형율의 변동에 따라 전단 저항의 최대치인 전단 강도가 줄어드는 관계에 기초한 모델인 것을 특징으로 하는 토석류 거동 해석 장치.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 변형율 연화 모델은, 변형율이 제1 값 이하인 범위에서는 전단 강도가 소정의 피크값과 같고, 변형율이 제1 값 초과이고 제2 값 이하인 범위에서는 전단 강도가 소정의 피크값에서 소정의 잔여값까지 작아지도록 음의 기울기를 가지는 1차 함수로 정의되며, 변형율이 제2 값 초과인 범위에서는 전단 강도가 소정의 잔여값과 같도록 주어지는 모델인 것을 특징으로 하는 토석류 거동 해석 장치.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 변형율 연화 모델은 변형율에 대한 전단 강도의 변화 곡선이 유니모달 곡선으로 주어지는 모델인 것을 특징으로 하는 토석류 거동 해석 장치.
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