Corresponding author: Dong-Soo Hur, +82-55-772-9122, 1. 서 론
연안침식 저감 및 해안선을 보호하기 위하여 대상 연안역에 잠제를 연안방재측면의 공법으로 많이 활용하고 있으며, 이러한 잠제는 중력식 방파제와 달리 수면 아래에 마루가 위치하므로 경관이 좋다. 그리고 입사하는 파랑을 잠제 마루에서 쇄파시켜 파랑에너지를 감소시키는 기능을 가진다. 하지만 파랑의 쇄파에 따른 잠제 배후에서 수위가 상승하게 되며, 잠제 사이의 개구부를 통해 외해로 빠져나가는 강한 흐름이 생성된다. 개구부에서 발생하는 이안류는 저면을 구성하는 지반에 세굴을 발생시키며, 최종적으로 잠제의 안정성에 영향을 미칠뿐만 아니라 잠제의 기능을 저하시키는 요인이 된다. 이에 많은 연구자들이 잠제의 파랑제어에 관한 수리모형실험을 수행하였다(Calabrese et al., 2002; d’Angremond et al., 1996; Seabrook and Hall, 1998; van der Meer et al., 2005; Goda and Ahrens, 2008).
최근에는 잠제의 안정성을 향상시키기 위한 다양한 소파 블록의 형상 및 물성치에 따른 수리모형실험이 수행되고 있으며, 소파블록은 안정계수의 값으로부터 안정성을 평가하여 활용하고 있다. 소파블록이 설치되는 해역은 지속적으로 작용하는 파랑에 의해 거동⋅이탈 및 주변 지반의 침하 등의 문제로 설계 및 시공단계의 마루수심을 상실하여 제 기능을 발휘할 수 없게 된다. 이에 세굴방지공 및 안정계수가 큰 소파블록을 활용한 국내의 현장들이 많으며, 소파블록의 이탈 및 개구부의 세굴에 다른 안정성 영향이 적은 일체형의 잠제를 대상으로 배후의 수위상승을 제어할 목적으로 Hur et al.(2021)은 수리모형실험을 통해 파랑제어 부분과 관로가 설치된 실험단면별 배후 수위변화특성을 비교하였다. 이러한 일체형 잠제는 파랑을 제어할 수 있는 마루부분의 슬릿과 수위상승을 제어할 수 있는 위층과 아래층의 관로를 활용하는 케이슨식 잠제(Caisson-Type Submerged Breakwater, CTSB)를 고안하여 수리모형실험을 수행하였다. 고안된 케이슨식 잠제의 단면은 선행 연구를 바탕으로 새로운 형상을 고려하였으며, 이전의 연구(Hur et al., 2017)에서는 잠제 배후의 수위상승을 저감시키기 위해 관로가 설치된 신기능 잠제와 일반 잠제를 비교하여 수리모형실험을 수행하였다.
본 연구에서는 Hur et al.(2021)가 제안한 케이슨식 잠제(CTSB)를 대상으로 슬릿-윗층 관로와 아래층 관로의 유⋅ 무 및 소파제를 활용한 수리모형실험을 수행한다. 그리고 수위 및 파랑변화에 따른 케이슨식 잠제의 수리성능을 비교⋅검토하며, 잠제 배후의 일부 수위상승 실험결과(Hur et al., 2021)와 함께 케이슨식 잠제의 파랑제어 메커니즘을 논의한다.
2. 수리모형실험
2.1 실험수조의 개요 및 잠제모형
본 연구에서 케이슨식 잠제의 파랑제어 기능을 비교⋅검토하기 위한 실험수조는 길이 25m, 폭 1.0m, 높이 1.2m의 단면 2차원 조파수로에서 수행한다. 실험수조의 내해측에는 파랑반사를 최소화시킬 목적으로 일정한 경사의 투수층을 배치하였으며, 기초바닥 위에는 높이 28cm, 마루폭 60cm, 경사가 없는 불투과성 직사각형 잠제를 거치하였다. 그리고 입사파 생성을 위하여 파랑의 조파는 피스톤타입의 조파기를 이용하여 생성하였다. 이상의 실험에 이용한 실험 수조의 상세도 및 대표적인 케이슨식 잠제 형상은 Fig. 1과 같다. 여기서, 실험수조 및 실험단면은 Hur et al.(2021)에서 수행된 수리모형실험과 같으며, 얻어진 실험자료를 바탕으로 케이슨식 잠제의 파랑제어 기능을 비교⋅검토하였다.
Fig. 2의 (a)~(c)는 본 연구에서 이용한 케이슨식 잠제모형과 TTP블록을 이용한 모식도를 나타낸다. 케이슨식 잠제는 배후의 수위상승을 저감 할 목적으로 위층과 아래층 관로를 수평으로 설치하였으며, 잠제 마루상에서 쇄파를 더욱 잘 시키기 위한 슬릿을 설치하였다. 이러한 슬릿과 관로를 설치한 잠제모형에서 케이슨식 잠제의 형상에 따른 반사파를 감소시킬 목적의 TTP블록을 전면에 설치하여 비교하였다.
2.2 실험조건과 측정방법
본 수리모형실험에서는 Table 1과 같이 수심과 입사파랑 조건을 조합하여 실험조건을 설정한다. 실험단면은 경사가 없는 불투과성 일반 잠제를 기준으로 Fig. 2에서 확인할 수 있듯이 슬릿-윗층관로와 아래층관로의 유⋅무와 함께 잠제 전면의 TTP블록 설치에 따른 총 3개를 적용한다.
수심(h)은 잠제 전면 수심을 기준으로 28cm, 30cm, 32cm를 각각 적용하며, 파랑조건은 규칙파를 대상으로 입사파고 (Hi) 3cm, 5cm, 7cm 그리고 입사주기(Ti) 1.2s, 1.5s, 1.8s를 조합하여 9가지를 고려한다. 따라서, 3개의 수심조건에 각각 9개의 파랑조건을 조합하여 총 27가지를 구성한다. 이러한 수심 및 파랑조건의 설정은 관성력과 중력의 비율에 대한 Froude 상사법칙을 기초로 하였다.
시간파형 측정을 위해 4개의 용량식 파고계(Wave Gauge, WG)를 실험수조에 배치하고, 조파기로부터 2m 떨어진 곳에 파고계를 고정하고 3개의 파고계를 움직여 총 11개의 지점에서 수위변동 자료를 수집하였다. 잠제 전면에 1m 떨어진 곳에 간격 0.45m로 WG1과 WG2를 배치하고, 잠제 0.1m 배후에 0.1m 간격으로 WG3~WG11을 각각 배치한다. 모든 파고계로부터 100Hz 간격으로 수위변동 자료를 취득하였다.
2.3 입⋅반사파 분리법(Goda and Suzuki, 1976)
케이슨식 잠제의 수리성능을 분석하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)의 입⋅반사파 분리법에 따라 산정한다. 반사계수(KR)와 전달계수(KT)는 각각 잠제 전면에서 측정한 수위변동 자료(WG1, WG2)와 잠제 배후에서 측정한 수위변동 자료(WG11)로 산정하며, 산정된 반사계수와 전달계수를 이용하여 감쇠계수(KD)를 나타낸다(K D = 1 - K R 2 - K T 2
3. 수리성능
3.1 파동장
Figs. 4~6은 입사파고(Hi)가 각각 3cm, 5cm, 7cm인 경우에서 슬릿-위층 관로와 아래층 관로가 존재하는 케이슨식 잠제 중 Caisson-Type C 주변의 파동장을 t/Ti=1/5 간격으로 나타낸 것이다. 그리고 Fig. 7은 입사파고(Hi)가 7cm인 경우에서 슬릿-위층 관로와 아래층 관로가 존재하는 케이슨식 잠제 전면에 TTP블록을 설치한 실험단면의 파동장을 의미한다. 여기서 Figs. 4~7의 (a), (b), (c)는 수심(h)이 각각 28cm, 30cm, 32cm이며, 마루수심(R)이 0cm, 2cm, 4cm인 경우를 의미한다.
Fig. 4로부터 케이슨식 잠제 배후로 전파하는 파랑의 입사파고(Hi)가 낮은 경우이기에 쇄파는 약하게 발생하는 것을 확인할 수 있으며, 마루수심(R)이 깊어질수록 잠제 배후로 전달되는 파고가 크게 나타난다. Fig. 5와 Fig. 6으로부터 입사파고(Hi)가 커질수록 쇄파는 점진적으로 크게 발생하며, 마루수심(R)이 깊어질수록 잠제 배후로 전달되는 파고의 변화를 확인할 수 있다. 그리고 Fig. 6과 Fig. 7은 슬릿-위층 관로와 아래층 관로가 존재하는 경우에서 잠제 전면 TTP블록의 유⋅무에 따른 반사파의 영향으로 파동장의 미소한 차이가 나타난다. 한편, Fig. 4~6의 마루수심(R)이 없는 경우에서는 파랑의 파봉부분만 잠제 마루 상으로 전달되면서 쇄파하는 것을 확인할 수 있다.
이상에 근거하여 케이슨식 잠제는 마루수심에 따른 강제 쇄파가 유도되고, 마루수심 및 파고변화에 따라 쇄파의 강도가 다르게 나타난다. 그리고 케이슨식 잠제 전면에 소파블록인 TTP의 영향으로 파동장 변화를 확인할 수 있으며, 슬릿-위층 관로와 아래층 관로의 유⋅무 등의 파랑 전달계수(KT), 반사계수(KR), 감쇠계수(KD)와 잠제 배후의 평균수위(η ¯
3.2 수리성능 비교
케이슨식 잠제의 수리성능을 비교하기 위하여 슬릿-위층 관로와 아래층 관로가 설치된 잠제모형(Caisson-Type C)과 슬릿 및 관로가 없는 잠제모형(Caisson-Type Solid)에 따른 전달계수, 반사계수, 감쇠계수와 잠제 배후의 평균수위를 취득한 수위자료로부터 산정하여 비교한다. 여기서, 수리성능을 비교하기 위하여 파랑 및 수심조건에 따른 파형경사(Hi/Li)와 Ursell number(HiLi2/h3)로 제시된 경향선은 수리 모형실험을 통해 얻어지는 수리특성의 경향을 의미한다.
3.2.1 전달계수
Fig. 8에서는 케이슨식 잠제의 슬릿-위층 관로와 아래층 관로 설치에 따른 파랑제어 효과를 비교⋅분석하기 위하여 각각 수심별 파형경사(Hi/Li)로 파랑 전달계수(KT)를 나타 낸다. 파랑 전달계수에서 속이 꽉찬 도형(
)은 케이슨식 잠제의 슬릿-위층 관로와 아래층 관로가 없는 경우를 의미하며, 속이 빈 도형(
)은 슬릿-위층 관로와 아래층 관로가 있는 경우를 의미한다. 그리고 실선과 점선은 파형경사에 따른 각각 슬릿 및 관로의 유⋅무에 따른 경향선을 나타낸다.
)은 케이슨식 잠제의 슬릿-위층 관로와 아래층 관로가 없는 경우를 의미하며, 속이 빈 도형()은 슬릿-위층 관로와 아래층 관로가 있는 경우를 의미한다. 그리고 실선과 점선은 파형경사에 따른 각각 슬릿 및 관로의 유⋅무에 따른 경향선을 나타낸다.
Fig. 8에서는 수심(h)이 낮아질수록(마루수심(R)이 작을수록) 전달계수가 작아지는 경향을 슬릿 및 관로의 유⋅무에 상관없이 뚜렷하게 확인할 수 있다. 그리고 일반적으로 파형경사(Hi/Li)가 커질수록 잠제 마루 상에서 쇄파에 의한 전달계수가 작아지는 수리특성을 가지지만 수심이 가장 낮은 경우(마루수심이 없는 경우)에서는 전달계수는 커진다. 이는 마루수심이 없는 경우에서 파랑의 파봉부분만 잠제 마루 상으로 전파되기 때문에 마루수심이 존재하는 경우와 비교하여 파형경사와 쇄파의 상관관계보다 입사파고(Hi)에 큰 영향을 받는 것으로 판단된다. Fig. 8로부터 케이슨식 잠제의 슬릿 및 관로가 존재할 경우(Caisson-Type C)에서는 전반적으로 전달계수가 증가하며, 전달계수의 차이는 케이슨식 잠제의 쇄파를 유도하는 슬릿부분과 수평으로 설치된 위층과 아래층 관로의 외해측 슬릿으로 유입되는 파랑의 영향으로 판단된다.
3.2.2 반사계수
Fig. 9는 케이슨식 잠제의 슬릿-위층 관로와 아래층 관로 설치에 따른 각각 수심별 Ursell number(HiLi2/h3)로 파랑 반사계수(KR)를 나타낸다. 여기서 표시된 기호들은 Fig. 8의 설명과 같다.
Fig. 9로부터 수심(h)이 낮아질수록(마루수심(R)이 작을수록) 반사계수가 커지는 경향을 보이며, 이는 슬릿 및 관로의 유⋅무에 무관하게 나타나다. 그리고 Ursell number(HiLi2/h3)가 커질수록 전반적으로 슬릿 및 관로가 없는 경우(Caisson-Type Solid)에는 반사계수가 커지는 경향을 보이며, 슬릿 및 관로가 존재할 경우(Caisson-Type C)와 비교하여 반사계수 값의 차이가 커지는 경향이 나타난다. 이는 입사파고(Hi)와 입사주기(Ti)가 커질수록 슬릿 및 관로에 따른 영향에 밀접한 관계가 있음을 알 수 있다. 그리고 수심이 32cm인 경우에서는 비교적 마루수심이 크기 때문에 슬릿 및 관로의 영향으로부터 자유로운 파랑조건에서는 반사계수 값의 차이가 크지 않는 것을 확인할 수 있다.
3.2.3 감쇠계수
Fig. 10은 케이슨식 잠제의 슬릿 및 관로의 유⋅무에 따라 논의한 전달계수(KD)와 반사계수(KR)를 고려하여 파랑에너지 감쇠계수(KD)를 각각 수심별 Ursell number(HiLi2/h3)로 나타낸다. 여기서 표시된 기호들은 Fig. 8의 설명과 같다.
Fig. 10으로부터 수심(h)이 낮아질수록(마루수심(R)이 작을수록) 감쇠계수는 작아지는 경향을 슬릿 및 관로가 없는 경우(Caisson-Type Solid)에서 나타나며, 슬릿 및 관로가 존재할 경우(Caisson-Type C)에서는 감쇠계수의 차이는 거의 없는 것을 확인할 수 있다. 이는 슬릿 및 관로가 존재할 경우(Caisson-Type C) 감쇠계수의 차이는 앞서 설명한 수심이 낮아질수록(마루수심이 작을수록) 작아지는 전달계수와 커지는 반사계수로 유사하게 나타난다. 따라서, 슬릿 및 관로가 존재할 경우 에너지 감쇠계수는 수심이 30cm와 32cm인 슬릿 및 관로가 존재하질 않을 경우의 중간 값을 나타내며, 슬릿 및 관로에 의한 영향으로 전반적으로 Ursell number에 따라 유사한 감쇠계수를 가지는 것으로 판단된다.
3.2.4 배후수위
Fig. 11은 케이슨식 잠제의 슬릿 및 관로의 유⋅무에 따른 잠제 배후의 지점별 평균수위(η ¯
Fig. 11로부터 전반적으로 슬릿 및 관로가 존재할 경우 잠제 배후의 수위를 효과적으로 제어할 수 있는 것을 확인할 수 있으며, 이상의 실험결과 중 고정된 파랑조건에서 수심변화에 따른 잠제 배후의 평균수위변화는 선행연구(Hur et al., 2021)에서 보고되었다. 그리고 다양한 수심 및 파랑조건별 케이슨식 잠제에 슬릿 및 관로가 존재할 경우 평균 약 72%의 배후수위 저감효과를 가지며, 수심 28cm, 30cm, 32cm에 따라 각각 약 89%, 62%, 66%로 배후수위를 저감시키는 것으로 나타난다. 이러한 수심에 따른 배후수위 저감효율은 앞서 설명한 전달계수와 같이 케이슨식 잠제의 마루수심과 입사파고의 상관관계에 따른 쇄파영향으로 판단된다. Fig. 11의 배후수위 값은 대체로 수심 28cm와 30cm인 경우에서 배후수위는 Ursell number(HiLi2/h3)가 커질수록 감소하는 경향을 보이며, 반면 수심 32cm인 경우에서는 증가하게 된다. 이는 파고와 마루수심의 영향으로 쇄파에 따른 잠제 배후수위 상승에 마루수심 4cm으로 주기성분에 의해 배후로 전파되는 파랑이 누적되면서 수위가 상승하게 된다.
이상의 실험결과에 근거하여 본 연구에서 비교⋅분석한 케이슨식 잠제의 배후수위 저감효과로부터 개구부에서 발생하는 이안류의 흐름을 상당부분 제어할 수 있을 것으로 슬릿 및 관로에 따른 파랑제어특성을 지니면서 단점이 보안된 잠제로 판단된다.
3.2.5 TTP설치
Fig. 12는 케이슨식 잠제에서 슬릿 및 관로가 존재할 경우(Caisson-Type C)와 잠제 전면에 TTP(Caisson-Type C with TTP)를 설치한 경우에서 파랑의 반사계수(KR)와 함께 전달계수(KT)와 감쇠계수(KD)를 비교한 결과를 나타내며, 각각 속이 빈 도형()을 의미한다. 여기서, x축과 y축은 Caisson-Type C와 Caisson-Type C with TTP의 계수값을 의미하며, 대각선을 나누는 실선으로부터 우측의 값은 Caisson-Type C가 Caisson-Type C with TTP보다 큰 경우를 좌측은 작은 경우를 의미한다. 정량적인 비교는 수심 및 파랑조건에 따른 총 27조건을 평균하여 후술한다.
)을 의미한다. 여기서, x축과 y축은 Caisson-Type C와 Caisson-Type C with TTP의 계수값을 의미하며, 대각선을 나누는 실선으로부터 우측의 값은 Caisson-Type C가 Caisson-Type C with TTP보다 큰 경우를 좌측은 작은 경우를 의미한다. 정량적인 비교는 수심 및 파랑조건에 따른 총 27조건을 평균하여 후술한다.
Fig. 12로부터 직립으로 구성된 케이슨식 잠제는 위층 관로와 아래층 관로의 외해측 슬릿이 존재하여 반사파를 일부 저감시키고, TTP블록에 따른 반사파 감소로 반사계수(KR)의 차이를 확인할 수 있다. 이러한 잠제 전면에 TTP를 설치할 경우 반사파의 감소는 전반적으로 나타나며, 다만 1개의 파랑조건에서 차이가 거의 없는 것을 확인할 수 있다. 그리고 Fig. 12로부터 슬릿 및 관로가 존재하는 케이슨식 잠제에서 TTP를 설치할 경우 파랑의 전달계수(KT)는 커지고 작아지는 값을 나타내며, 파랑에너지의 감쇠계수(KD)는 일부를 제외한 대부분 증가하는 것을 확인할 수 있다. 계수값의 평균으로 비교하면 파랑의 반사계수 및 전달계수는 약 9.6%와 2.9% 감소하며, 감쇠계수는 약 6.3% 증가한다. 따라서, TTP 블록의 설치가 반사파를 저감시키는데 효율적이나 잠제 배후로 전달되는 파랑의 감소에는 큰 영향이 없는 것으로 나타났다. 반면, 파랑에너지 감쇠에서는 증가하는 경향을 보여준 것은 비교적 반사파를 효과적으로 제어한 영향으로 판단된다.
4. 결 론
케이슨식 잠제는 배후수위를 저감할 목적으로 제안된 잠제(Hur et al., 2021)이며, 본 연구에서는 파랑을 제어할 목적의 슬릿 및 관로에 따른 수리특성을 검토하였다. 그리고 수리모형실험의 영상자료로부터 케이슨식 잠제 주변의 파랑 변화를 논의할 수 있었으며, 취득한 수위자료로부터 입⋅반사파를 분리하여 파랑의 전달계수, 반사계수, 감쇠계수를 각각 산정하여 수리성능을 비교하였다. 또한 잠제 배후의 지점별 수위자료로부터 평균수위를 나타내어 비교⋅분석하였다. 따라서, 본 연구에서 얻어진 주요한 결과들은 아래와 같다.
(1) 케이슨식 잠제의 슬릿 및 관로가 존재할 경우 수심(마루수심)과 파고의 상호작용에 따른 쇄파 발생과정을 확인하였으며, 쇄파는 마루수심과 파고의 영향으로 파랑의 비선형성 증가에 따른 파형경사가 커질수록 크게 발생하는 것으로 나타난다.
(2) 슬릿 및 관로가 존재하는 케이슨식 잠제의 전달계수를 슬릿 및 관로가 없는 잠제와 비교하면, 전반적으로 전달계수는 슬릿 및 관로가 존재할 경우가 크게 나타났다. 그리고 마루수심이 작을수록 전달계수는 모두 작아지는 경향을 가지며, 마루수심의 존재 여부와 파형경사에 따른 상이한 쇄파특성으로 전달계수의 차이를 확인할 수 있었다.
(3) 케이슨식 잠제 전면에 발생하는 반사파에 따른 반사계수는 전반적으로 마루수심이 작을수록 Ursell number가 커질수록 커지는 경향을 나타내며, 반사파의 감소는 위층 및 아래층 관로의 외해측 슬릿에 따른 영향으로 밀접한 관계를 가진다.
(4) 파랑에너지 감쇠계수는 마루수심에 따라 감소하는 경향에서 슬릿 및 관로가 존재할 경우 거의 유사한 값을 가진다. 이는 마루수심이 작아질수록 작아지는 전달계수와 커지는 반사계수로 유사한 파랑제어능력을 가지는 것을 의미한다.
(5) 케이슨형 잠제의 배후수위 저감효과는 슬릿 및 관로의 유⋅무 및 조건 전체를 평균하여 약 72% 감소된다. 슬릿과 위층 및 아래층 관로에 따른 각각의 수심별 효율은 다르나 약 62~89%의 배후수위를 저감시킨다.
(6) 케이슨식 잠제에 TTP를 설치할 경우 파랑의 반사 및 전달계수는 각각 약 9.6%와 2.9% 감소하고, 감쇠계수는 약 6.3% 증가한다.
이상의 실험결과에 근거하여 매우 우수한 성과로 잠제 배후의 수위를 저감시키며, 또한 파랑제어능력을 가진 잠제로서 기능성을 가진다. 하지만 기존의 소파블록으로 구성된 잠제와의 비교⋅분석 등의 검토가 필수적이며, 슬릿 및 관로의 제원에 따른 수리특성 분석 등의 추가적인 연구가 필요하다. 따라서, 향후에는 본 실험결과를 토대로 수치모의를 수행하여 케이슨식 잠제 제원특성에 따른 배후수위 및 파랑제어 기능을 면밀히 분석한 후 투과성 잠제와 비교를 통한 2/3차원적인 검토를 진행한다.
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