To mitigate the risk of debris-flow hazards through barriers, efficient methods for designing optimal barriers and debris-flow analysis methods that can evaluate barrier performance are essential. The newly-developed SPEC-debris-barrier platform is multi-purpose analysis software capable of analyzing debris-flow propagation, designing optimal barriers, and evaluating closed and open-type barrier performance. The developed platform can model various barriers and utilize CPU multiprocessing to enhance computational speed. Furthermore, the platform generates 2D and 3D web-based interactive plots and animations to visualize the analysis results. The SPEC-debris simulation is a numerical analysis method incorporated into the SPEC-debris-barrier platform. The method is a meshless numerical method that follows the “equivalent fluid” principle. The following equations govern the SPEC-debris model: (a) smoothing particle hydrodynamic interpolation, (b) pathway algorithm adopted from shallow-water equations, (c) energy conservation model, and (d) collision mechanism. The SPEC-debris simulation utilizes coefficient of restitution and conservation of linear momentum to simulate the loss of kinetic energy after collision with a barrier. The optimal barrier design framework incorporated in the SPEC-debris-barrier platform is used to determine optimal barrier locations. The framework compiles the particles from the SPEC-debris method into clusters through cluster analysis, then stores the debris-flow cluster data into a network data structure. The network data structure and stochastic tabu search heuristic optimization algorithm search optimal closed and open-type barrier locations that satisfy multiple optimization criteria. The capability and applicability of the SPEC-debris-barrier platform for assessing debris-flow and designing barriers were tested and verified through back-analyses of flume test and the 2011 debris-flow incident at Mt. Umyeon, Seoul. In addition, the sensitivity analysis demonstrated the application of selecting optimal closed and open-type barrier locations. With continuous back-analyses and accurate prediction of material properties, the SPEC-debris-barrier platform should be the ideal software suite for runout simulation and mitigation design.
사방구조물을 통해 토석류 피해를 저감하기 위해서는 효율적인 최적 사방구조물 설계 방법과 사방구조물 성능평가 수치해석 방법이 필수적이다. 본 연구에서는 새롭게 개발된 SPEC-debris-barrier 플랫폼은 토석류 거동특성 분석, 최적 사방구조물 설계와 폐쇄형 및 열린형 사방구조물 성능평가 해석을 실행할 수 있는 다목적 해석 소프트웨어이다. 개발된 플랫폼은 다양한 폐쇄형 및 열린형 사방구조물을 모델링할 수 있으며 CPU 멀티프로세싱을 활용해 연산 속도를 높이는 기능이 있다. 또한, 플랫폼은 2D 및 3D 웹 기반 대화형 표와 애니메이션을 생성하여 해석 결과를 시각화 한다. SPEC-debris 시뮬레이션은 SPEC-debris-barrier 플랫폼에 내장된 토석류 수치해석 방법이다. 이 방법은 "등가 유체" 원리를 따르는 메시리스 수치해석 방법으로. (a) smoothed particle hydrodynamic 기법, (b) 얕은 물 방정식에서 유래된 경로 알고리듬, (c) 에너지 보존 법칙 모델, (d) 충돌 메커니즘 등을 적용한다. SPEC-debris 시뮬레이션은 선형 운동량의 보전 법칙 및 반발 계수를 활용하여 사방구조물과의 충돌 후 운동 에너지의 손실 해석이 가능하다. SPEC-debris-barrier 플랫폼에 통합된 다른 설계 도구는 최적 사방구조물 설계 프레임워크이다. 이 프레임워크는 클러스터 분석을 통해 SPEC-debris 수치해석 입자들을 클러스터로 분류한 다음, 토석류 클러스터 데이터를 토석류 네트워크로 구조화한다. 네트워크 데이터 구조 및 확률적 타부 탐색 최적화 알고리즘을 활용해 여러 최적화 기준을 충족하는 최적의 폐쇄형 및 열린형 사방구조물위치를 결정한다. 토석류 거동특성 평가 및 장벽 설계를 위한 SPEC-debris-barrier 플랫폼의 성능 평가와 적용 가능성은 소형 플룸 실험과 2011년 서울 우면산 토석류 사례를 역분석하여 검증하였다. 또한, 민감도 분석으로 최적의 폐쇄형 및 열린형 사방구조물 위치 선정의 사용성을 입증했다. 지속적인 후방 분석과 정확한 물성치 예측이 가능한 모델들의 개발을 통해 SPEC-debris-barrier 플랫폼은 토석류 시뮬레이션 및 사방구조물 설계를 위하여 최상의 소프트웨어 제품이 될 것이라 예상된다.
