[논문]사석 경사식 방파제에서의 파랑의 처오름높이와 월파

이승협; 우종협; 조용식

doi:10.3741/jkwra.2005.38.11.947

문제 정의

따라서, 본 연구에서는 불규칙 파랑을 이용하여 테트라포드를 사용한 사석 경사식 방파제에서의 처오름 높이 및 월파를 수리모형실험과 수치모형실험을 이용하여 연구하였다. 수리모형실험에서는 파형 경사, 쇄파계수 (surf similarity parameter) 등의 수리학적 요소들과 처 오름 높이와의 관계에 대하여 분석하였다.
Van der Meer 공식은 Hudson 공식에 비하여 진보한 공식이기는 하나파형경사 적용 및 테트라포드 단면에 대한 실험식이 없어 다양한 요소가 고려된 새로운 설계식이 필요함을 알 수 있다. 따라서, 이 실험 결과를 통해 다양한 주기 및 파고에 따른 파랑을 분석하여 가장 적절한 파형경사를 가진 보다 안전한 방파제 설계를 통해 우리나라에 적합한 좀 더 나은 설계 방법의 기초자료로 제공되고자 한다.
본 연구에서는 테트라포드를 사용한 방파제의 처오름 높이와 월파량에 관한 실험을 수행하였다. 처오름높 이와 월파량의 중요한 변수인 파형경사, 쇄파계수와 파랑의 주기 영향에 관하여 실험하였다.
본 연구에서는 테트라포드를 사용한 방파제의 처오름 높이와 월파량에 관한 실험을 수행하였다. 처오름높 이와 월파량의 중요한 변수인 파형경사, 쇄파계수와 파랑의 주기 영향에 관하여 실험하였다. 또한, 수치모형실험을 이용하여 실험 결과를 검증하였으며, 수리모형 실험에서 얻을 수 없었던 결과를 예측할 수 있었다.

제안 방법

0 세가지 경사를 갖는다. 구조물은 테트라포드, 피복석과 사석으로 이루어졌으며, 테트라포드는 2층으로 구조, 피복석은 테트라포드와 사 석사이에 1층으로 피복하였다. 구조물에 사용된 테트라포드는 6.
5m의 수로와 전기서보피스톤식 조파기로 구성된 단면조 파장치로서 규칙파와 불규칙파를 조파할 수 있으며, 주기와 파고를 연속적으로 변화시킬 수 있다. 또한, 수로의 전면 27.2m 구간을 유리로 제작하여 실험 장면을 관찰할 수 있도록 하였다. 실험 수로의 끝 부분에 여러 겹의 다 공성 구조로 된 소파장치가 설치되어 있다.
본 연구에서는 수치모형실험결과를 이용하여 수리 모형실험 결과를 검증하였고, 수리모형 실험에서 얻지 못한 장주기에 대한 처오름 높이 결과를 수치 모형을 이용하여 예측하였다. 수치모형실험은 수리모형 실험과 동일한 조건에서 수행하였으며, 유의 파고와 수심은 각각 0.
따라서, 본 연구에서는 불규칙 파랑을 이용하여 테트라포드를 사용한 사석 경사식 방파제에서의 처오름 높이 및 월파를 수리모형실험과 수치모형실험을 이용하여 연구하였다. 수리모형실험에서는 파형 경사, 쇄파계수 (surf similarity parameter) 등의 수리학적 요소들과 처 오름 높이와의 관계에 대하여 분석하였다. 수치모형실험을이용하여 결과를 검증하였으며, 수리모형실험에서 얻을 수 없었던 결과를 예측할 수 있었다.
본 연구에서는 수치모형실험결과를 이용하여 수리 모형실험 결과를 검증하였고, 수리모형 실험에서 얻지 못한 장주기에 대한 처오름 높이 결과를 수치 모형을 이용하여 예측하였다. 수치모형실험은 수리모형 실험과 동일한 조건에서 수행하였으며, 유의 파고와 수심은 각각 0.04m와 0.5m 로 고정하였다.
실험에서 조파되는 입사 파랑의 재현성을 확인하기 위하여 입사파와 반사파를 분리하였다. 입사파와 반사 파를 분리하기 위해서 설치된 두 개의 파고계로부터 독취된 자료를 바탕으로 Goda and Suzuki(1976)의 방법으로 계산하였다.
월 파량 계측을 위해서 처오름 높이 계측에 사용된 구조물을 변형시켜 수면과 천단고의 차이가 O.Ofcn 간격 의 사석경사식 방파제를 만들어 사용하였다. 정확한 월 파량계측을 위하여 Fig.
계측된 물은 펌프를 이용하여 다시 수로 안으로 넣음으로써 수로안의 수위를 일정하게 유지하였다. 월 파량 측정에 사용된 실험파는 각 파랑의 주기에 따라 파수 400파를 조파한 후 100-400 파랑의 수에 해당하는 자료를 분석하였다.
4와 같은 월파량 측정장치를 사용하였다. 월파량 측정장치를 구조물 뒷면에 설치하고, 천단고를 넘는 물의 양을 계측하였다. 계측된 물은 펌프를 이용하여 다시 수로 안으로 넣음으로써 수로안의 수위를 일정하게 유지하였다.
사용된 입사파의 성분은 처오름 높이와 월파량 측정 두 실험에서도 동일하게 사용하였다. 유의주기는 LOsec 에서 2.4sec까지 0.2sec 간격으로 변화시켰으며, 유의 파고는 0.01m에서 0.08m까지 0.01m 간격으로 실험하였다. 수심은 0.
처오름 높이 측정장치는 KENEK사의 CHT5-100의 파고계를 두 개의 수평 지지봉과 한 개의 수직지지봉을 이용하여 사면경사에 근접시켜 사면에서의 수면 변화 측정의 오차를 최소화하였다. 파고계의 독취율은 20Hz로 설정하여 사 면의 수면변화를 정밀하게 계측하였으며, 실험파는 각 파랑의 주기에 따라 파수 600파를 조파한 후 100-600파 랑의 수에 해당하는 자료를 zero-upcrossing방법으로 분석하였다.

대상 데이터

구조물은 테트라포드, 피복석과 사석으로 이루어졌으며, 테트라포드는 2층으로 구조, 피복석은 테트라포드와 사 석사이에 1층으로 피복하였다. 구조물에 사용된 테트라포드는 6.3ton급 중량의 원형을 1:30으로 축소한 모형을 사용하였다. 피복석은 한 개의 부피가 0.
본 수리모형 실험은 한양대학교 해안공학실험실에 위치한 단면 실험수로에서 수행하였다. 사용한 장비는 Fig.
본 수리모형 실험은 한양대학교 해안공학실험실에 위치한 단면 실험수로에서 수행하였다. 사용한 장비는 Fig. 1과 같이 폭 0.6m, 높이 1.1m, 길이 32.5m의 수로와 전기서보피스톤식 조파기로 구성된 단면조 파장치로서 규칙파와 불규칙파를 조파할 수 있으며, 주기와 파고를 연속적으로 변화시킬 수 있다. 또한, 수로의 전면 27.
3ton급 중량의 원형을 1:30으로 축소한 모형을 사용하였다. 피복석은 한 개의 부피가 0.2m3 정도인 평균 입경이 약 0.04m 인 쇄석을 사용하였으며, 사석은 0.016m인 골재를 표면의 오염물질을 제거한 후 사용하였다.

데이터처리

처오름높 이와 월파량의 중요한 변수인 파형경사, 쇄파계수와 파랑의 주기 영향에 관하여 실험하였다. 또한, 수치모형실험을 이용하여 실험 결과를 검증하였으며, 수리모형 실험에서 얻을 수 없었던 결과를 예측할 수 있었다. 처 오름 높이 분석에서 파형경사의 영향은 복잡한 파랑과 구조 물간의 상호작용으로 인한 영향으로 큰 변화를 찾아볼 수 없었다.
수리모형실험에서는 파형 경사, 쇄파계수 (surf similarity parameter) 등의 수리학적 요소들과 처 오름 높이와의 관계에 대하여 분석하였다. 수치모형실험을이용하여 결과를 검증하였으며, 수리모형실험에서 얻을 수 없었던 결과를 예측할 수 있었다.

이론/모형

수리 모형 실험에서 일방향 불규칙파를 사용하였으며, 사용된 일방향 불규칙 파는 Eq. (1)과 같은 Bretschneider- Mitsuyasu 스펙 트럼(Goda, 2000)을 목표 스펙트럼으로 설정하여 재현하였다.
본 연구에서 사용된 수치 모형에서는 기존의 수심 평균된 방정식 인 천수방정식과 Boussinesq 방정식으로 재현하기 어려운 자유수면 변위의 정확한 형상과 유속장을 표현하기 위해 Reynolds 방정식, k~e 모델 및 VOF 기법을 사용하였다. Fig.
실험에서 조파되는 입사 파랑의 재현성을 확인하기 위하여 입사파와 반사파를 분리하였다. 입사파와 반사 파를 분리하기 위해서 설치된 두 개의 파고계로부터 독취된 자료를 바탕으로 Goda and Suzuki(1976)의 방법으로 계산하였다. Fig.

성능/효과

분석 결과는 처오름 높이를 유의 파고로 나눈 무차원 값을 상위 2%와 상위 33.33%에 대한 상대 처오름높이에 대한 결과를 도시하였다. 상위 2%의 분석은 방파제의 설계 시 최악조건의 설계 기초자료가 되며, 33.
처 오름 높이 분석에서 파형경사의 영향은 복잡한 파랑과 구조 물간의 상호작용으로 인한 영향으로 큰 변화를 찾아볼 수 없었다. 쇄파 계수의 변수값이 일정한 값 이상이 되면 상대처오름높이는 더 이상 증가하지 않고 일정한 값을 유지하는 결과를 보였다. 월 파량 분석의 경우 파형경사와 주기의 변화에 따라 월 파량이 크게 차이가 남을 알 수 있었다.

후속연구

수치모형실험에서는 수리모형실험의 결과와 잘 일치함을 알 수 있으며, 수리모형실험의 기계적 한계로 인하여 실험하지 못한 부분을 수치모형실 험으로 보안하였다. 수리모형실험과 수치모형실험을 상호 보완적 관계로 사용함으로서 좀 더 나은 결과를 얻을 수 있을 것이다.
0sec의 결과는 수치모형실험 결과만을 도시하였다 이는 수리모형실험 장치의 기계적 한계로 인해서 재현하기 어려운 장주기 파랑에 대한 실험 부분 을 수치모형실험을 통하여 예측한 결과이다. 수치 모형 실험에서 계산된 처오름 높이의 결과를 이용하여 수리모 형실험에서 관측하지 못한 다양한 구조물의 수리학적 요소에 대하여 분석할 수 있을 것으로 판단된다.
향후 연구에서는 다양한 테트라포드의 중량과, 다른 형상의 사석 경사식 방파제에서 처오름높이가 어떠한 영향을 미치는지에 대한 연구가 이루어져야 할 것이다.

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