Dam

FLOW-3D를 이용한 댐 붕괴 과정의 수치 시뮬레이션

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 댐 붕괴(Dam Failure)는 하류 지역의 인명 및 재산 안전에 심각한 위협을 가할 수 있다.
    • 댐 붕괴 시 발생하는 홍수는 예측이 어렵고 복잡한 수리학적 현상을 동반하며, 긴급 구조 및 대응 계획 마련이 필수적이다.
    • 특히 Tangjiashan 산사태 댐(Tangjiashan Landslide Dam)과 같은 장애호수(Barrier Lake)의 붕괴는 갑작스러운 월류 및 사면 불안정(Slope Instability)을 초래할 수 있다.
  • 연구 목적:
    • FLOW-3D 소프트웨어를 활용하여 Tangjiashan 산사태 댐의 붕괴 과정을 3차원 수치 모델링을 통해 시뮬레이션.
    • 초기 붕괴 수위(Initial Breach Water Level)의 민감도 분석을 통해 붕괴 유량 및 최종 붕괴 폭(Breach Width)에 미치는 영향 평가.
    • 비상 계획 수립 및 재난 대응을 위한 기술적 참조 자료 제공.

연구 방법

  1. 댐 모델링 및 시뮬레이션 설정
    • 모델 구축:
      • Autodesk Civil3D 소프트웨어를 사용하여 위성 원격 감지 데이터를 바탕으로 Tangjiashan 댐의 3D 모델 생성.
      • 댐의 실제 지형 데이터를 1:1 비율로 반영하여 복잡한 월류 및 붕괴 과정을 시뮬레이션.
    • FLOW-3D를 이용한 시뮬레이션:
      • 3차원 수치 모델을 통해 월류(Ovetopping) 및 붕괴 과정 재현.
      • 계산 효율성을 높이기 위해:
        • 모델 크기: 1100m × 700m × 150m.
        • 붕괴 영역(Breach Area)에는 세밀한 격자(2.5m × 2.5m × 2.5m) 사용.
        • 총 유효 격자 수: 약 390만 개.
    • 경계 조건(Boundary Condition) 설정:
      • 상류(Upstream): 압력 경계(Pressure Boundary).
      • 하류(Downstream): 자유 유출(Outflow) 경계.
      • 측면(Sides): 대칭 경계(Symmetrical Boundary).
      • 바닥(Bottom): 벽(Wall) 경계.
      • 상단(Top): 대기압과 동일한 압력 경계(Atmospheric Pressure).
  2. 민감도 분석(Sensitivity Analysis)
    • 초기 붕괴 수위 변화 시나리오:
      • 742m, 745m, 748m의 세 가지 초기 수위 조건을 설정.
      • 각각의 초기 수위에 따른 최대 붕괴 유량(Peak Breach Flow) 및 붕괴 폭 변화 분석.
    • 침식 및 퇴적 모델링:
      • 댐 재료의 물리적 특성(예: 건조 벌크 밀도 2200 kg/m³, 임계 Froude 수 0.05)을 반영.
      • 모델 입력 파라미터는 기존 연구 및 현장 측정 데이터를 활용.

주요 결과

  1. 시뮬레이션 결과 분석
    • 최대 붕괴 유량(Peak Breach Flow):
      • 742m 초기 수위에서 6937 m³/s 도달.
      • 745m 초기 수위에서는 7597 m³/s, 9.5% 증가.
      • 748m 초기 수위에서는 8542 m³/s, 23.1% 증가.
    • 최종 붕괴 폭(Breach Width):
      • 초기 수위 증가에 따라 150m → 220.8m로 47.2% 증가.
    • 유량 도달 시간(Time to Peak Flow):
      • 초기 수위 증가 시 도달 시간이 단축:
        • 742m 수위에서는 5.83시간, 748m에서는 3.55시간(39.1% 감소).
    • 모델 검증(Validation):
      • 시뮬레이션 결과와 현장 측정 데이터 비교:
        • 최대 붕괴 유량의 상대 오차 7.05%.
        • 최종 붕괴 폭의 상대 오차 4.16%.
        • 유량 도달 시간은 실제보다 약 40분 빠름.
  2. 민감도 분석 결과
    • 초기 붕괴 수위는 붕괴 과정에 매우 민감:
      • 수위가 높아질수록 붕괴 유량 및 하류 방출 유량이 급격히 증가.
      • 정확한 초기 수위 측정의 중요성 강조.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • FLOW-3D 소프트웨어를 통한 Tangjiashan 댐 붕괴 시뮬레이션이 실제 현상과 높은 일치도를 보임.
    • 초기 붕괴 수위는 붕괴 유량, 최종 붕괴 폭 및 붕괴 과정 전반에 큰 영향을 미침.
    • 긴급 구조 및 대응 계획 수립 시 초기 수위 데이터를 정확히 반영할 필요.
    • 본 연구 결과는 향후 장애호수 붕괴 대응 및 재난 관리 정책 수립에 중요한 기술적 참조 자료 제공.
  • 향후 연구 방향:
    • 수치 시뮬레이션의 정확도 향상을 위해 물의 밀도 변화(퇴적물 침식에 따른 영향) 고려.
    • 다양한 초기 조건(예: 강우 패턴, 하천 유량 변화)에 따른 시나리오 분석.
    • AI 및 머신러닝을 활용한 실시간 댐 붕괴 예측 모델 개발.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 Tangjiashan 산사태 댐의 붕괴 과정을 정량적으로 평가하고, 재난 대응 및 비상 계획 수립을 위한 실질적인 데이터와 설계 기준을 제공하며, 장애호수 붕괴 시 인명 및 재산 피해를 최소화하는 데 기여할 수 있다​.

Reference

  1. Zuwen Yan , Yingqi Wei, Hong Cai. Formation mechanism and stability analysis of barrier dam [J].Chinese Journal of geological hazards and prevention, 2009,20(04) : 55-59.
  2. Costa J E,Schuster R L. The formation and failure of natural dams [J]. Geological Society of AmericaBulletin,1988,100 (7):1054 – 1068.
  3. Schuster R L, Costa J E,Rl S. A perspective on landslide Dams. Lands1ide Dams: processes, risk andmitigation [J]. Geotechnical Special Publication,1986,(3):1 – 20.
  4. Jianguo Zhang,Cheng Wang,Xuejun Xu . Numerical simulation of Tangjiashan Lake Flow [J] . People’sYangtze River, 2009,40(22) : 60-62.
  5. Yonghui Zhu, Beilin Fan, Jinyou Lu, Xibing Zhang, Wenjun Yang, Geng Qu. Analysis of TangjiashanLake dam-break flood and simulation of discharge scour [J]. People’s Yangtze River, 2008,39(22):79-82.DOI: 10.16232/J. CNKI. 1001-4179.2008.22.023.
  6. Tianlong Zhao, Shengshui Chen, Junjie Wang, qiming zhong,Changjing Fu. Centrifuge model test onovertopping failure of barrier dam [J] . Geotechnical engineering, 2016,38(11) : 1965-1972.
  7. Liu N,Chen Z Y,Zhang J X,et al. Draining the Tangjiashan barrier lake [J]. Journal of HydraulicEngineering,2010,136 (11 ):914-923.
  8. Shufei Li, Weizhong Hu. Possible Tangjiashan Lake of water level [J] . People’s Yangtze River,2008,39(22) : 73-75.
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