1. 서 론

1.1 연구 배경 및 필요성

최근 기후변화로 인한 국지성 호우와 태풍의 빈발로 하천의 홍수량이 증가하고 있으며, 이에 따라 제방 및 호안의 안정성 확보가 하천 관리의 핵심 과제로 대두되고 있다. 과거 치수 위주의 획일적인 콘크리트 호안에서 벗어나, 생태적 기능을 회복하고 친수 공간을 제공하는 자연형 하천 조성에 대한 요구가 높아지면서 다양한 식생 호안 공법이 도입되고 있다. 그중 ‘벌집셀(Honey-comb-Cell) 호안’은 3차원 벌집 구조 내에 토사를 채우고 식생을 활착시켜 지반의 전단 강도를 높이고 유수에 대한 저항력을 극대화하는 공법으로 주목받고 있다.

하지만 새로운 공법을 실제 현장에 적용하기 위해서는 해당 공법이 가지는 고유의 수리적 특성과 극한 조건에서의 안정성에 대한 명확한 분석이 선행되어야 한다. 단순히 재료 자체의 물성을 넘어, 실제 하천의 복잡한 흐름 조건에서 발생할 수 있는 유속과 소류력을 구조물이 견딜 수 있는지 정량적으로 평가해야 한다. 특히 만곡부나 합류부와 같이 흐름이 불안정한 구간에서는 1차원 모형의 한계가 뚜렷하므로, Horritt and Bates (2002)가 제시한 바와 같이 복잡한 흐름의 물리적 거동을 정확히 모의할 수 있는 2차원 해석이 필수적으로 요구된다. 따라서 본 연구의 목적은 크게 두 가지로 구분된다. 첫째, 수치 모델링을 통해 벌집셀 호안의 수리적 성능을 검증하는 것이다. 둘째, 검증된 모델을 실제 하천 유역(장안천)의 80년 및 100년 빈도 홍수 시나리오에 적용하여, 벌집셀 호안의 공학적 설계 기준과 현장 적용을 위한 과학적 근거를 제시하고자 한다. 이를 위해 수리실험 데이터를 활용하여 수치 모형의 신뢰성을 확보하고, 구축된 모형을 장안천 유역에 적용하여 빈도별 홍수 시 발생하는 최대 수리 외력을 산정하여 호안의 안정성을 평가한다.

1.2 기존 연구 동향

하천 정비의 패러다임이 과거의 이수(利水) 및 치수(治水) 중심에서 생태 보전과 친수(親水) 환경을 중시하는 ‘자연형 하천’으로 변화함에 따라, 호안 공법 역시 콘크리트와 같은 불투수성 재료에서 벗어나 식생을 활용한 공법이 적극적으로 도입되고 있다(Han et al. 2011). 이러한 배경에서 지오셀 또는 벌집셀과 같은 토목섬유는 구조적 안정성과 식생 기반을 동시에 제공하는 핵심 재료로 주목받아 왔다.

지오셀에 관한 초기 연구는 주로 재료의 지반공학적 성능에 집중되었다. 다수의 연구가 지오셀의 3차원적 구속 효과가 연약 지반의 지지력을 향상시키고, 도로 및 제방의 영구 변형(침하)을 억제하는 능력에 대해 다루었다(Koerner 2012, Pokharel et al. 2018, Fierro and Pizarro 2024). 반면, 이를 하천 호안에 적용하기 위한 수리학적 성능에 대한 연구는 상대적으로 부족했다. 특히 2000년대 초반까지는 자연형 식생 공법에 대한 수리실험 자체가 매우 미비하여, 현장 적용 시 설계의 근거가 되는 허용 유속이나 조도계수 등 핵심 수리 매개변수가 명확히 정립되지 않은 실정이었다.

이러한 공백을 메우기 위해 2010년대 전후로 국내 실험실 규모의 수리모형실험이 활발히 수행되기 시작했다(Han et al. 2011, Park 2006, Jeong 2009). 이 연구들은 고정상 조건에서 축소 모형을 제작하고 Froude 상사법칙 및 왜곡모형 이론을 적용하여, 특정 지오셀 제품이 견딜 수 있는 한계 유속 및 소류력을 산정하는 데 집중했다. 국내 지오셀 관련 연구로 Han et al. (2011)은 지오셀 식생 매트가 일반적인 식생 호안의 허용 유속(2.0~3.0 m/s)을 상회하는 4.0 m/s 이상의 유속에서도 안정성을 확보할 수 있음을 실험적으로 입증하였다. 이와 동시에, 수치해석을 통한 접근 방식도 두 가지 방향으로 발전해왔다. 첫째는 HEC-RAS와 같은 1D/2D 하천 해석 모형을 활용하여, 특정 하천 유역 전체의 홍수위를 모의하고 구간별 설계 소류력을 산정하는 거시적(macro-scale) 접근법이다. 둘째는 천수방정식(SWE) 기반의 CFD 모형 등을 이용해 호안 구조물 주변의 상세한 흐름을 모의하는 미시적(micro-scale) 접근법이다.

하지만 기존 연구들은 실험실 규모의 제품 성능 검증과 실제 하천 유역의 거시적 해석이 분리되어 수행되는 경향이 있었다. 즉, 수리실험을 통해 검증된 정밀 수치 모형을 바탕으로, 실제 하천 유역의 복잡한 수리 조건(만곡부, 합류부 등)에 적용하여 호안의 안정성을 종합적으로 평가하는 연계 연구는 부족한 실정이다.

따라서 본 연구의 목적은 벌집셀 호안의 수리적 안정성을 검증하고 현장 적용을 위한 공학적 기준을 제시하는 데 있다. 이를 달성하기 위해, 우선 수리실험 데이터를 바탕으로 천수방정식 기반 수치 모형의 검증을 수행하여 모델이 실제 물리 현상을 정확히 모사하는지 확인한다. 다음으로 HEC-RAS 모형을 이용하여 실제 하천 유역(장안천)을 대상으로 2D 수리해석을 수행하고, 홍수 빈도별(80년, 100년)로 발생하는 수리적 외력(유속, 소류력)을 정량적으로 산정한다. 최종적으로 실험 및 수치해석 결과를 연계하여, 벌집셀 호안이 특정 하천 구간에 적용될 때 견뎌야 할 ‘최대 소류력’을 도출하고, 이를 공법의 설계 및 안정성 검토를 위한 기초 자료로 제시한다.

2. 수리 모형의 구축 및 검증

2.1 수리 모형의 이론적 배경

본 연구에서 하천 유역의 2차원 수리해석을 위해 적용한 모형은 미국 육군 공병단(USACE)에서 개발한 HEC-RAS 2D이다. HEC-RAS 모형은 1차원 흐름 해석 뿐만 아니라, 2차원 비정상류 해석 기능을 제공하여 하천 및 범람원에서의 복잡한 흐름을 정밀하게 분석하는 데 널리 활용된다(Brunner 2016).

HEC-RAS 2D의 지배 방정식은 2차원 천수 방정식을 기반으로 하며, Fig. 1과 같이 유체의 흐름을 연직 방향으로 2차원 평균한 방정식으로, 질량 보존과 운동량 보존 법칙을 따른다(Chow 1959). 지배방정식을 구성하는 질량 보존 방정식(연속 방정식)은 다음과 같다:

Fig. 1

Major variables of the two-dimensional shallow water equations.

여기서 H는 수위(h+z), h는 수심, u와 v는 각각 x, y방향의 연직 평균 유속, z는 하상고, q는 소스/싱크 항을 의미한다. 운동량 보존 방정식은 x-방향과 y-방향에 대해 각각 다음과 같이 표현된다:

여기서 g는 중력가속도, ρ는 물의 밀도, τb는 바닥 전단력(Manning 방정식을 통해 계산됨)이다. HEC-RAS 2D는 이 지배 방정식들을 풀기 위해 유한 체적법에 기반한 암시적 수치해석 기법을 사용한다(Brunner 2016). 이 방식은 계산 격자 간의 흐름율을 계산하여 질량과 운동량을 보존하며, 수치적 안정성이 높아 범람원과 같이 마름-젖음(wetting-drying)이 반복되는 지역의 모의에 적합하다(Toro 2001, LeVeque 2002). 특히 암시적 기법은 명시적(Explicit) 기법과 달리 Courant-Friedrichs-Lewy (CFL) 조건의 제약 없이 무조건적 안정을 확보할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 수치적 안정성이 곧 결과의 정확도를 담보하는 것은 아니므로, 본 연구에서는 복잡한 만곡부 흐름과 구조물 주변의 급변류를 정밀하게 모의하기 위해 Courant 수에 따라 연산 시간 간격(∆t)을 자동으로 조절하는 가변 시간 간격(Variable Time Step) 기법을 적용하였다. 이를 통해 흐름이 빠른 구간에서는 시간 간격을 조밀하게 하여 수치적 감쇠를 방지하고, 계산 결과의 시공간적 정확도를 효율적으로 확보하였다. HEC-RAS는 또한 완전한 천수 방정식(Full SWE) 외에 관성항을 일부 생략하여 계산 속도를 높인 확산파(Diffusion Wave) 방정식 옵션도 제공하지만, 본 연구와 같이 만곡부나 구조물 주변의 상세한 흐름을 해석하기 위해서는 완전한 천수 방정식의 적용이 필수적이다.

2.2 수치 모형 검증

본 연구에서 적용할 수치 모형의 신뢰성을 확보하기 위해 River Environment Technology Research Institute, University of Suwon (2011)에서 수행된 지오셀 유속 및 소류력 시험 결과를 바탕으로 검증을 수행하였다. 대상 실험의 수로 구성 정보는 Fig. 2에 나타나 있다. Fig. 2의 개략도에서 보듯이, 실험 수로는 폭 0.6 m의 하도 영역과 1:3 경사를 가지는 0.3 m 길이의 호안 영역으로 구성되며, 전체 하상 경사는 1/100로 설정되었다. 수치 모의 영역은 Fig. 2에 표시된 4개의 계측 측선(No.1 ~ No.4)을 기준으로 설정하였으며, 각 측선별 3개의 지점에서 물리량을 측정하여 기록하였다.

Fig. 2

Schematic diagram of the flume for geocell flow velocity and tractive force test.

수리 모형 실험의 물 순환 구조는 고수조, 저수조, 정수조, 실험 수로 및 침사지로 구성되어 있으며, 유량 공급의 신뢰성을 보장하기 위하여 위어 방식을 사용하여 유량을 측정한다. Fig. 3 (a)는 유량 공급을 위한 삼각 위어를, Fig. 3 (b)와 (c)는 실제 수로 내 흐름 및 벌집셀 설치 전경을 보여준다.

Fig. 3

Components and overall view of the geocell flow velocity and tractive force test flume.

모의 대상 영역은 유입부와 유출부의 흐름 교란을 제외한 중앙부 안정화 구간 4 m로 한정하여 2차원 지형 격자를 구축하였다. 이는 수치 모의의 정확성을 확보하고 경계 조건의 영향을 최소화하기 위함이다. 격자망은 총 8,640개의 비정규 삼각 셀(cell)과 4,453개의 노드로 구성하여 실험 수로의 지형을 정밀하게 구현하였다. 특히 본 검증의 핵심인 조도계수 설정은 실제 실험 조건을 그대로 반영하였다(Fig. 4 참조). 기초 수리모형실험 결과, 일반 하도 영역의 조도계수(n)는 평균 0.013, 벌집셀과 식생 매트가 설치된 호안 영역은 0.022로 산정되었다. 실험 수로의 하상 및 측벽은 매끄러운 재질(Mortar)로 제작되었으므로, Chow (1959)가 제시한 매끄러운 인공 수로의 조도계수 범위(0.011 ~ 0.015)를 고려할 때 하도 영역의 조도계수 0.013은 타당한 값으로 판단된다. 이와 같은 조도계수의 적용은 벌집셀 구조물과 매트의 표면 거칠기가 하도에 비해 흐름 저항을 더 크게 유발함을 의미한다. 따라서 수치 모형에도 하도와 호안의 조도계수를 각각 적용하여, 유속 차이를 정확히 재현할 수 있도록 설정하였다. 경계조건은 실험 결과를 반영하여, 유입부(No.1 측선)에 유량 0.108 m³/s를, 유출부(No.4 측선)에 수위 0.17 m를 적용하였다(Table 1 참조). 검증은 중간 지점인 No.2 측선과 No.3 측선의 실측 데이터를 사용하였다.

Fig. 4

Computational mesh for the geocell tractive force and velocity test flume: (a) three-dimensional grid view, (b) zoning of the main channel and revetment areas for applying different Manning’s roughness coefficients, (c) applied boundary conditions and locations of measurement verticals.

수치 모의가 안정화된 후의 전반적인 흐름 양상은 유입부에서 유출부로 진행함에 따라 점진적인 변화를 보였다. Fig. 5를 통해 확인할 수 있듯이 수심 분포는 수로 바닥 경사에 의해 유입부에서 상대적으로 얕게 나타나며, 하류 경계조건의 영향을 받아 유출부로 갈수록 점차 깊어지는 양상이 관찰되었다. 이는 하상 경사와 하류단 수위 고정 조건이 복합적으로 작용한 결과로, 안정적인 부등류가 형성되었음을 의미한다. 반대로 유속은 유입부에서 가장 높게 나타났으며, 하류로 가면서 수심이 깊어짐에 따라 점차 감소하는 경향을 보였다. 이러한 수심 증가와 유속 감소의 관계는 개수로 흐름의 기본적인 물리 현상에 부합하는 안정된 모의 결과이다.

Fig. 5

Contour plots of stabilized steady-state flow patterns: (a) water depth, (b) flow velocity.

검증 측선(No.2, No.3)에서의 수심을 비교한 결과, 모델링에 의해 예측된 수심과 실제 측정된 수심이 전반적으로 유사한 경향을 보였다(Fig. 6 참조). 중앙부 하도 영역에서는 모의 수심과 실측 수심이 거의 일치하였으나, 호안부(말단)에서는 일부 차이가 발생하였다. 이는 실제 실험에서 하류단 배수문의 월류 효과를 수치 모형의 경계 조건으로 정밀하게 재현하기 어려웠기 때문인 것으로 판단된다. Fig. 7과 같이 유속 비교 결과는 매우 높은 일치도를 보였다. No.2와 No.3 측선 모두에서 중앙부 하도 영역의 유속(약 1.0 m/s)과 호안 영역의 유속 감소 경향이 실측값과 거의 일치하게 모사되었다. 이는 조도계수 차이(하도 0.013, 호안 0.022)에 따른 유속 분포 변화를 수치 모형이 정확하게 재현하고 있음을 의미한다. 검증 결과의 정량적 신뢰성을 확보하기 위해 실측값과 모의값에 대한 오차 분석을 수행하였다. 수심(Fig. 6)의 경우 평균제곱근오차(RMSE)는 0.029 m, 결정계수(R2)는 0.864로 나타났으며, 유속(Fig. 7)의 경우 RMSE는 0.052 m/s, 는 0.751로 분석되었다. 이러한 통계적 지표는 본 수치 모형이 정성적 경향에서 언급한 물리적 현상과 적용 한계를 정량적 결과로도 나타내고 있음을 보여준다.

Fig. 6

Comparison of water depth at validation verticals (No. 2 and No. 3).

Fig. 7

Comparison of water velocity at validation verticals (No. 2 and No. 3).

이상의 검증 결과를 통해, 본 연구에서 적용한 수치 모형은 서로 다른 조도 특성을 가진 하도 및 호안에서의 수리 현상을 높은 신뢰도로 재현함을 확인하였다. 이는 벌집셀 호안이 설치된 실제 하천 유역의 복잡한 흐름을 해석하는 데 본 모형을 적용할 수 있는 충분한 타당성을 제공한다.

3. 하천 적용성 평가

3.1 대상 유역 및 지형 격자 구축

본 연구에서는 2차원 천수모형을 적용하여 현장에 설치된 벌집셀 호안의 성능을 평가하고, 호안블록의 허용 유속 및 단위 소류력을 검토하기 위해 경상남도 진주시 이반성면에 위치한 장안천 유역을 대상지로 선정하였다. 장안천은 낙동강 권역의 지방하천으로 2022년 하천기본계획이 재수립된 바 있다(Gyeongsangnam-do 2022). 분석 구간은 장안천의 총 연장 6.8 km 중, 서부골천, 하곡천, 용암천 등 주요 지류가 합류하고 하천 만곡도가 복잡하게 나타나는 약 3.4 km 구간(서부골천 유입부 No.34+42 ~ 반성천 합류점 No.0+50)으로 설정하였다(Fig. 8 참조).

Fig. 8

Map of the study area and computational domain showing the arrangement of cross-sections in Jangan-cheon.

정밀한 2차원 수리해석을 위해 상세한 지형자료 구축이 필수적이다. 일반적인 DEM 자료는 하천 내부의 상세한 단면 정보를 포함하지 못하는 한계가 있으며, 많은 연구에서 기초적인 DEM 자료를 활용한 흐름해석모델 결과의 한계에 대하여 언급하고 있다(Casas et al. 2006, Cook and Merwade 2009, Jarihani et al. 2015). 따라서 본 연구에서도 이러한 한계를 극복하기 위해, 하천기본계획의 1차원 하천 단면 데이터를 추출하여 글로벌 좌표계(EPSG 5187)로 변환하고, QGIS를 활용하여 하천 중심선과 결합하였다. 이 하상 데이터를 기존 DEM 자료와 병합하여, 하도 단면 정보가 상세히 반영된 DEM을 생성하였다(Fig. 9 참조). 또한, 측면 지류의 유입부와 교량과 같은 하천 내 주요 구조물이 흐름에 미치는 영향을 정확히 모의하기 위해 DEM 상에서 해당 구조물의 형상을 Fig. 10과 같이 DEM을 편집하여 반영하였다. 최종적으로 구축된 DEM을 기반으로 HEC-RAS 2D의 계산 격자(Mesh)를 생성하였다. 격자는 총 22,723개의 비정규 삼각망(TIN) 셀로 구성되었으며, 구조물과 유입 경계 주변은 조밀하게 구성하여 수리적 안정성과 정확성을 확보하고자 하였다. 조도계수 선정에 있어 하도 영역은 실제 자연 하천의 하상 재료(자갈, 모래 등) 특성을 반영하여 하천기본계획상의 값인 0.030을 적용하였다. 반면, 제방 단면의 벌집셀 호안 적용 영역은 본 연구의 핵심인 공법의 특성을 반영하기 위해 앞선 실험 결과에서 도출된 0.020~0.022 범위의 값을 적용하였다. 즉, 하도는 현장 조건을, 호안부는 실험적으로 검증된 공법의 조도 특성을 각각 반영하여 모의를 수행하였다.

Fig. 9

Procedure for constructing high-resolution terrain data by merging 1D cross-section data with DEM.

Fig. 10

Computational mesh generation for HEC-RAS 2D and grid refinement around hydraulic structures.

3.2 수리해석 결과 및 안정성 평가

현장 적용성 평가는 2022년 장안천 하천기본계획에 제시된 80년 빈도 및 100년 빈도 홍수량을 시나리오로 설정하여 수행하였다. 시뮬레이션에 적용된 구체적인 경계조건은 Table 2와 같다. 상류단 유입 경계는 서부골천 유입부(No.34)를 포함한 주요 지류 유입 지점에 대해 80년 빈도 시 267 ~ 409 m³/s, 100년 빈도 시 274 ~ 421 m³/s의 홍수량을 차등 적용하였다. 하류단 유출 경계(No.0)에는 해당 빈도의 계획홍수위인 EL. 32.83 m (80년 빈도)와 EL. 32.95 m (100년 빈도)를 각각 지정하였다. 분석 결과는 전체 유역의 2차원 흐름 분포(Figs. 11, 12)와 주요 측선(No.0 ~ No.30)을 따른 수리량의 종단 분포(Figs. 13, 14)로 도출하였다. 자세한 수리해석 결과는 수리해석에 대한 결과 부록을 통해 확인할 수 있다.

Fig. 11

Spatial distribution of simulated flow results for the 80-year return period: (a) water depth, (b) flow velocity.

Fig. 12

Spatial distribution of simulated flow results for the 100-year return period: (a) water depth, (b) flow velocity.

Fig. 13

Longitudinal profiles of maximum flow velocity and unit tractive force for the 80-year return period.

3.2.1 80년 빈도 홍수량 적용 결과

80년 빈도 홍수 시나리오에 대한 2차원 수리해석 결과는 Fig. 11과 같다. 장안천 유역은 하천의 만곡도가 높아 구간별로 유속과 수심이 다양하게 분포하는 특성을 보였다. 전 구간의 평균 유속은 보나 교각 등 수공구조물의 영향을 제외하고 약 0.85 ~ 3.78 m/s의 범위를 유지하였으나, 국부적인 지형 특성에 따라 큰 편차를 나타냈다. 특히 Fig. 13에 제시된 유속 및 소류력의 종단 분포를 살펴보면, 하도의 지형적 특성에 따라 수리적 외력이 특정 구간에서 급격히 상승하는 경향을 확인할 수 있다. 그래프상의 실선이 보여주듯이 하도가 좁아지는 측선 No.12, No.15, No.30 지점에서 국부적인 피크(Peak)가 형성되었으며, 만곡부 외측에 해당하는 측선 No.30 구간에서는 유속이 최대 4.32 m/s까지 상승하였다. 이에 따라 호안 안정성의 척도인 단위 소류력 또한 해당 구간에서 최대 13.69 kgf/m²까지 증가하는 것으로 분석되었다. 이는 평균적인 흐름 조건보다 하천 형상에 기인한 국부적 유속 집중이 호안 안정성에 더 큰 영향을 미침을 시사한다.

3.2.2 100년 빈도 홍수량 적용 결과

100년 빈도 홍수 시나리오에서는 유입 유량 증가에 따라 전반적인 수리 외력이 상승하는 경향을 보였다. Fig. 12는 100년 빈도 홍수 시나리오에 대한 2차원 수리해석 결과이다. 80년 빈도의 결과와 마찬가지로 지천 합류 및 지형 특성에 따라 일부 구간에서 고유속이 나타났으며, 하류로 갈수록 수심이 깊어지는 양상을 확인할 수 있다. Fig. 14는 100년 빈도 조건에서의 측선별 최대 유속과 단위 소류력의 변화를 보여주는데, 유속의 증감 패턴과 소류력의 변화가 거의 일치하는 현상이 뚜렷하게 나타났다. 전 구간 평균 유속은 0.89 ~ 3.87 m/s로 80년 빈도 대비 소폭 상승하였으나, 국부적인 최대 유속은 측선 No.30 지점에서 4.41 m/s로 분석되었다. 특히 소류력의 경우, 하곡천 유입부와 인접하고 보가 위치하여 수심과 유량의 변화가 큰 측선 No.19 구간에서 최대값이 발생하였다. 해당 지점의 최대 단위 소류력은 14.52 kgf/m²로 산정되었으며, 이는 80년 빈도 시의 최대값(13.69 kgf/m²) 대비 약 6% 증가한 수치이다. Fig. 14의 종단 그래프는 이러한 극치값들이 특정 구간에 집중됨을 보여주며, 이러한 위험 구간에 대한 집중적인 안정성 검토가 필요함을 보여준다.

3.2.3 벌집셀 호안의 안정성 평가

벌집셀 호안의 현장 적용 타당성을 검증하기 위해, 수리해석을 통해 도출된 최악의 조건(100년 빈도 홍수 시 최대 수리량)을 벌집셀 호안의 허용 기준치와 비교하였다. 기존 문헌(River Environment Technology Research Institute, University of Suwon, 2011)에 따르면 벌집셀 호안의 허용 유속은 5.0 ~ 7.0 m/s, 허용 단위 소류력은 30 ~ 60 kgf/m² 범위로 제시되고 있다. 분석 결과, 100년 빈도 시 발생한 최대 유속 4.41 m/s는 벌집셀의 허용 유속 하한치인 5.0 m/s보다 낮아 유속에 대한 안정성이 확보된 것으로 평가된다. 또한, 소류력 안전율 측면에서도 가장 가혹한 조건인 측선 No.19 지점의 최대 소류력 14.52 kgf/m²는 허용 기준(30 kgf/m²)의 약 48% 수준에 불과하다. 이는 Fig. 14상에서 나타난 모든 피크(Peak) 구간의 수리적 외력이 호안의 내력 범위 내에 안전하게 분포하고 있음을 의미한다. 극한 홍수 조건에서 발생한 최대 작용 소류력(14.52 kgf/m²)은 허용 소류력(30 kgf/m²)의 약 0.48배 수준이다. 이에 따른 안전율은 2.1로 기준치인 2.0을 상회하므로, 벌집셀 호안은 충분한 수리적 안정성을 확보한 것으로 판단된다.

Fig. 14

Longitudinal profiles of maximum flow velocity and unit tractive force for the 100-year return period.

4. 결론 및 향후 연구

본 연구는 친환경 하천 공법인 벌집셀 호안의 수리적 타당성을 확립하기 위해, 수리실험 기반의 수치 모형 검증과 실제 하천(장안천) 대상의 극한 홍수 시나리오 평가를 연계하여 수행하였다. 연구를 통해 도출된 핵심 결론은 다음과 같다.

수치 모형의 검증: HEC-RAS 2D의 기반인 2차원 천수 방정식을 이용하여 수치 모형을 구축하고 ‘지오셀 유속 시험’ 데이터와 비교 검증하였다. 모형은 서로 다른 조도계수(하도 0.013, 호안 0.022)를 가진 구간의 유속 분포를 실측값과 매우 유사하게 재현함으로써 높은 신뢰성을 확보하였다. 이는 벌집셀 호안의 수리 해석을 통한 적용 평가 연구에 본 모형의 적용이 타당함을 입증한다.

하천 구간별 수리적 외력의 공간적 분포 및 위험 구간 규명: 장안천 3.4 km 구간에 대한 2차원 수리해석 결과, 유속과 소류력은 하천의 지형적 특성(하도의 통수단면, 합류부, 만곡 등)에 따라 구간별로 뚜렷한 변동성을 보였다. 특히 종단 분포 분석을 통해 유속과 소류력이 국부적으로 급증하는 위험 구간을 식별하였다. 100년 빈도 홍수 시, 만곡부 외측과 지류 합류부 등에서 최대치가 나타났으며, 이는 일괄적인 설계가 아닌 구간별 수리 특성에 따른 맞춤형 설계 검토가 필수적임을 보여준다.

최대 외력 산정 및 안정성 평가: 해석 결과, 100년 빈도 홍수 시 장안천에서 발생하는 최대 외력은 최대 유속 4.41 m/s, 최대 단위 소류력 14.52 kgf/m²로 산정되었다. 이 최대 소류력 값은 기존 연구에서 제시된 벌집셀 호안의 허용 소류력(30~60 kgf/m²)에 크게 미치지 못하는 수준(약 48% 수준)으로, 벌집셀 호안이 장안천 유역의 계획 홍수량에 대해 충분한 수리적 안정성을 확보함을 확인하였다.

본 연구의 결과는 벌집셀 호안의 수리적 안정성을 입증하는 데 중요한 기여를 하였으나, 다음과 같은 부분에서 향후 연구가 필요하다.

식생 활착에 따른 영향 연구: 본 연구 및 검증 실험에서는 벌집셀 내부의 식생이 활착된 이후의 효과를 직접적으로 고려하지 않았다. 실제 현장에서는 식생이 활착됨에 따라 조도계수가 변화하고, 뿌리가 토양의 전단 저항력을 높여 호안의 안정성에 긍정적인 영향을 미친다(Song et al. 2022). 따라서 식생의 성장 단계별 조도계수 변화 및 토양 강도 변화를 정량적으로 측정하여 수치 모형에 반영하는 연구가 필요하다.

이동상 및 장기 안정성 평가: 본 연구는 고정상(Fixed-bed) 조건에서 수리적 안정성(소류력)만을 평가하였다. 하지만 실제 하천에서는 유사의 이송으로 인한 하상 변동(세굴 및 퇴적)이 지속적으로 발생하며, Escarameia (1998)가 지적한 바와 같이 이러한 하상 세굴은 호안 기초부(toe)의 지지력을 약화시켜 구조물 붕괴를 유발하는 주요 원인이 된다. 특히 본 연구 대상지와 같은 만곡부 외측은 2차류에 의한 국부 세굴 위험이 크므로(Maynord 1996), 향후에는 이동상(Movable-bed) 실험 및 장기 모니터링을 통해 하상 변동에 따른 호안의 내구성을 포괄적으로 평가하는 연구가 수행되어야 한다.

종합적으로 본 연구는 실험실 규모의 성능 검증과 실제 하천의 정밀 2차원 해석을 연계함으로써, 벌집셀 호안이 장안천과 같은 복잡한 지형의 하천에서 극한의 홍수 방어 능력과 수리적 안정성을 동시에 확보할 수 있는 효과적인 공법임을 확인하였다. 향후에는 벌집셀 내부의 식생이 활착된 이후의 효과 고려, 유사 이송과 세굴 영향 고려 등을 통해 벌집셀 호안의 설계 적용 범위를 확대할 필요가 있다.