기존 방파제의 대부분은 항내외 흐름을 차단시키는 불투과성 방파제로서 항내의 수질오염을 심화시키고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 최근에 여러 형식의 해수교환방파제가 제안되고 있다. 해수 교환 방파제의 형식에는 흐름을 이용한 조류제, 파랑을 이용한 월류제 등이 있다. 이 중에서 파랑에너지에 의한 해수교환 형식은 항내로 월파되는 월파량의 계산시 적절한 유량계수의 산정을 필요로 한다. 본 연구는 적절한 유량계수의 도입을 통해서 정량적인 월파량을 계산하고, 월류식 해수교환방파제의 해수교환 효과를 검토한 것이다. 파량의 계산은 정상상태의 하천에서 월류제를 넘어가는 월류량을 산정하는데 사용되고 있는 Forchheimer의 식을 시간의존 완경사방정식에 적용하여 가능하도록 하였다. 이 때 가장 중요한 매개변수인 유량계수는 수리모형실험으로 추정하였다. 이와 같은 방법을 제주외항 서방파제의 해수교환 구간에 적용하고 해수교환 성능을 검토해 보았다. 평상 파랑 조건이 파고 3.7 m, 주기 8.5 s, NNW방향일 때, 항내로 공급되는 월파량은 $27.5m^3/s$로 산정 되었다.
기존 방파제의 대부분은 항내외 흐름을 차단시키는 불투과성 방파제로서 항내의 수질오염을 심화시키고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 최근에 여러 형식의 해수교환방파제가 제안되고 있다. 해수 교환 방파제의 형식에는 흐름을 이용한 조류제, 파랑을 이용한 월류제 등이 있다. 이 중에서 파랑에너지에 의한 해수교환 형식은 항내로 월파되는 월파량의 계산시 적절한 유량계수의 산정을 필요로 한다. 본 연구는 적절한 유량계수의 도입을 통해서 정량적인 월파량을 계산하고, 월류식 해수교환방파제의 해수교환 효과를 검토한 것이다. 파량의 계산은 정상상태의 하천에서 월류제를 넘어가는 월류량을 산정하는데 사용되고 있는 Forchheimer의 식을 시간의존 완경사방정식에 적용하여 가능하도록 하였다. 이 때 가장 중요한 매개변수인 유량계수는 수리모형실험으로 추정하였다. 이와 같은 방법을 제주외항 서방파제의 해수교환 구간에 적용하고 해수교환 성능을 검토해 보았다. 평상 파랑 조건이 파고 3.7 m, 주기 8.5 s, NNW방향일 때, 항내로 공급되는 월파량은 $27.5m^3/s$로 산정 되었다.
Most of the conventional breakwaters impermeable breakwaters which block seawater exchange between the outside and inside of the harbors. The blocking of seawater exchange may cause pollution of water in harbors. To solve the water pollution problem, various kinds of seawater exchange breakwaters ha...
Most of the conventional breakwaters impermeable breakwaters which block seawater exchange between the outside and inside of the harbors. The blocking of seawater exchange may cause pollution of water in harbors. To solve the water pollution problem, various kinds of seawater exchange breakwaters have been proposed. Their types can be classified into the current type which uses tidal current, and the overtopping type which uses the wave energy. The overtopping type breakwaters require a discharge coefficient to calculate the rate of overtopping into the harbor. The present study is to compute the rate of overtopping with introduction of a correct discharge coefficient and to evaluate the effect of the overtopping type breakwater on the water qualify inside a harbor. The rate of overtopping was computed by using Forchheimer formula with time dependent mild-slope equation for various wave conditions. The formula has been generally used to calculate the overflow discharge in steady state river flows. The discharge coefficient, which is the key parameter of the calculation, was determined by a series of hydraulic model tests. The present scheme was applied to the seawater exchange section of the western breakwater of Jeju New Harbor's and the efficiency of that section was examined. The calculated results showed that the rate of overtopping into the harbor reached about $27.5m^3/s$ in the wave condition (wave height 3.7 m, wave period 8.5s, and wave direction NNW).
Most of the conventional breakwaters impermeable breakwaters which block seawater exchange between the outside and inside of the harbors. The blocking of seawater exchange may cause pollution of water in harbors. To solve the water pollution problem, various kinds of seawater exchange breakwaters have been proposed. Their types can be classified into the current type which uses tidal current, and the overtopping type which uses the wave energy. The overtopping type breakwaters require a discharge coefficient to calculate the rate of overtopping into the harbor. The present study is to compute the rate of overtopping with introduction of a correct discharge coefficient and to evaluate the effect of the overtopping type breakwater on the water qualify inside a harbor. The rate of overtopping was computed by using Forchheimer formula with time dependent mild-slope equation for various wave conditions. The formula has been generally used to calculate the overflow discharge in steady state river flows. The discharge coefficient, which is the key parameter of the calculation, was determined by a series of hydraulic model tests. The present scheme was applied to the seawater exchange section of the western breakwater of Jeju New Harbor's and the efficiency of that section was examined. The calculated results showed that the rate of overtopping into the harbor reached about $27.5m^3/s$ in the wave condition (wave height 3.7 m, wave period 8.5s, and wave direction NNW).
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문제 정의
생각할 수 있다. 본 논문에서는 수립된 수치모형으로 수리모형 실험에서 얻어진 월파량을 정량적으로 재현할 수 있는지를 검토하는 것이 주목적이므로, 월 파량의 비교를 보다 정확히 하기 위해서 규칙파를 대상으로 검토하였다.
본 연구에서는 Forchheimer의 식을 시간의존 완경사방정식에 적용하여 방파제의 월파량을 정량적으로 산정하는 방법을 제시하였다. 반무한방파제의 예제 계산에서는 월파 경계조건을 적용시킨 본 모형으로 월파 허용시 방파제 배후의 파고분포를 재현할 수 있었으며, 월파량 산정결과는 ACES의 결과와 근접한 결과를 나타내었다.
본 연구에서는 월파량 산정 모형의 검증을 위하여 Fig. 2와 같이 계산예제를 설정하고 본 방법과 미공병단의 ACES 프로그램에 의한 월파량을 비교해 보았다. 검증 예제는 해안선 방향으로 500 m, 외해 방향으로 700 m의 계산 영역을 설정하고, 해안선에서 300m 떨어진 지점에 길이 250m, 폭 10 m의 반무한방파제를 배치하였다.
본 연구에서는 해수교환 방파제의 해수교환 성능 평가에 필요한 항내 유입 유량을 결정하는 데 중요한 요소인 제 체전 면의 월파량을 산정하기 위하여 하천에서 월류량 산정에 쓰이는 Forchheimer의 식을 시간의 존완경사 방정식에 적용하고 파동장에서 월파량을 산정할 수 있는 수치계산법을 제시하였다. 특히 기존의 월파량 산정에 사용된 경험식이나수치계산방법은 단면 2차원에 대한 월파량을 평가하는 반면에 본 방법은 평면 2차원 파랑 해석에 기초한 방법이므로 방파제 설계시에 제체 길이 방향의 격자점에 대한 평면적인 월파량 산정이 가능하다는 장점이 있다.
제안 방법
경사제에 대한 월파량 산정 계산은 실제 항만인 제주 외항 서방파제의 해수교환구간에 대하여 적용하였고 수리모형실험과 비교하여 보았다.
계산 결과는 월파량 산정 결과의 비교에 앞서 투과 경계조건을 적용시킨 월파시의 파랑장 계산 결과와 비월 파시의 파랑 장 계산 결과를 비교하였다. Fig.
식 (5), (6)은 # 에 대해서 비선형인 방정식이지만 2의 값을 일주기 전의 값을 사용함으로써 선형화한 차분기법을 이용하였다. 계산영역 내의 경계조건은 각각 외해측 입사경계조건, 측방 입사 경계조건, 투과경계조건, 장애물에 대해서는 임의 반사율 경계조건을 설정하였으며, 임의 반사율 경계에 필요한 구조물에 대한 입사각은'선 유량 타원과 수면변위의 관계로부터 결정하였다.
여기서는 직립 제로 이루어진 반무한방파제의 모델을 상정하여 월파와 비월파 조건에 대하여 항내측의 파랑장을 비교하여 보았고, 미공병단의 ACES 프로그램을 이용하여 수치계산에서 구한 월 파량과 비교 검증하였다. 그리고 실제 해역인 제주 외항의 해수교환 방파제에 본방법을 적용하여 유수실 전면의 월파량을 산정해보았다. 본 월파량 산정방법은 방파제 형식과 파랑 조건에 따른 유량계수의 추정이 매우 중요하다.
반무한방파제의 예제 계산에서는 월파 경계조건을 적용시킨 본 모형으로 월파 허용시 방파제 배후의 파고분포를 재현할 수 있었으며, 월파량 산정결과는 ACES의 결과와 근접한 결과를 나타내었다. 또한 여기서는 직립 제와 제주 외항 서 방파제의 해수교환방파제 인 경 사제를 대상으로 다양한 파랑조건 하에서 월파량 산정 수리모형실험을 실시하고, 본수치모형에 적용할 유량계수를 추정하였다. 그 결과 직립제에서는 주기 6~8s, 파고 2~6m일 때 0.
4 m, 길이 30 m의 피스톤 타입의 조파수조이다. 모형은 Fig. 9와 같은 직립제와 Fig. 10과 같은 제주 외항 서방파제의 해수 교환방파제인 경 사제를 제작하였다. 모형 설치는 Fig.
본 월파량 산정방법은 방파제 형식과 파랑 조건에 따른 유량계수의 추정이 매우 중요하다. 본 연구에서는 직립제 형식과 제체 전면에 마운드를 갖는 경사식 방파제에 대하여 단면수리 모형 실험을 실시하여 다양한 파랑 조건에 대한 유량계수를 추정하고 수치계산에 적용하였다.
본 연구에서는 평상파 조건인 NNW향, 입사 파고 3.7 m, 주기 8.5s일 때에 제주 외항 서방파제의 해수교환구간에 대한 월파량을 산정하였다. Fig.
유량계수 q의 추정이 매우 중요하다. 여기서는 수리모형 실험으로 유량계수를 추정하였다.
특히 기존의 월파량 산정에 사용된 경험식이나수치계산방법은 단면 2차원에 대한 월파량을 평가하는 반면에 본 방법은 평면 2차원 파랑 해석에 기초한 방법이므로 방파제 설계시에 제체 길이 방향의 격자점에 대한 평면적인 월파량 산정이 가능하다는 장점이 있다. 여기서는 직립 제로 이루어진 반무한방파제의 모델을 상정하여 월파와 비월파 조건에 대하여 항내측의 파랑장을 비교하여 보았고, 미공병단의 ACES 프로그램을 이용하여 수치계산에서 구한 월 파량과 비교 검증하였다. 그리고 실제 해역인 제주 외항의 해수교환 방파제에 본방법을 적용하여 유수실 전면의 월파량을 산정해보았다.
월파량 산정을 위한 파랑 장 해석은 시간의존 완경사방정식 에 월파 경계 조건을 적용한 모형을 사용하였고, 파랑 조건은 NNW방향의 평상파 조건으로서 파고는 2 m, 3 m, 4 m, 5 이이고, 주기는 7.5s, 8.5s, 9.5&로 설정하였다. 그리고 계산시간 간격 Δt는 C.
월파량 측정 장치는 방파제를 넘어 월파된 유량을 담을 수 있게 제작이 되었으며 (Fig. 9), 월파량 측정은 조파를 개시하여 월파되는 시각부터 25.6s 동안 조파를 하고, 측정장치에 담긴 유량을 가로 50 cm X 세로 50 cm의 직사각형 용기에 옮겨 담아 부피를 측정한 후, 측정시간으로 나누어 단위 시간당 유량으로 환산하였다.
유량계수의 추정 방법은 월파량 산정 대상 방파제의 전면 해역에서 관측된 기존의 파랑자료를 이용하여 몇 가지의 평상파 조건을 산정하고 수리모형 실험으로 월파량을 측정을 한다. 그리고 본 수치 모형에서 유량계수를 1.
대상 데이터
2와 같이 계산예제를 설정하고 본 방법과 미공병단의 ACES 프로그램에 의한 월파량을 비교해 보았다. 검증 예제는 해안선 방향으로 500 m, 외해 방향으로 700 m의 계산 영역을 설정하고, 해안선에서 300m 떨어진 지점에 길이 250m, 폭 10 m의 반무한방파제를 배치하였다. 방파제는 높이 10.
검증 예제는 해안선 방향으로 500 m, 외해 방향으로 700 m의 계산 영역을 설정하고, 해안선에서 300m 떨어진 지점에 길이 250m, 폭 10 m의 반무한방파제를 배치하였다. 방파제는 높이 10.5 m 의 직립제이고, 수심은 9.7이의 일정 수심이며, 정수 면에서 방파제 천단까지의 높이는 0.8 m로 하였다. 파랑 조건은 규칙파로서 파고 2.
유량계수 추정 실험에 사용된 단면 수조는 Fig. 8에 나타낸 바와 같이 폭 0.7 m, 높이 1.4 m, 길이 30 m의 피스톤 타입의 조파수조이다. 모형은 Fig.
그리고 Table 3은 축척1/49의 경사제에 대한 실험파로서 제주 외항의 평상시 파랑 조건과 동일하게 선정하였다. 주기는 7.5s, 8.5s, 9.5s의 3종류이고 파고는 각 2 m, 3 m, 4 m, 5 m로 하였다.
데이터처리
그리고 사각형은 실험 결과, 원형은 본방법의 결과, 삼각형은 ACES의 결과를 나타낸다. 본 방법에 의한 수치 계산 결과는 유량계수J를 1.0으로 놓고 계산한 것으로서 수리모형실험의 결고]를 이용하여 유량계수를 주기별로 산정하였다.
이론/모형
본 월파량 산정방법에서는 방파제 전면의 파랑장을 해석하기 위하여 2차원 평면 파랑 장 해석 모형인 시간의존 완경사방정식 모형을 사용하였다. 사용 모형은 西村 등(1983) 의 시간의 존완경사방정식에 쇄파 감쇠항을 추가하여 천수, 굴절, 회절, 반사, 쇄파를 동시에 고려할 수 있는 모형이다.
모형을 사용하였다. 사용 모형은 西村 등(1983) 의 시간의 존완경사방정식에 쇄파 감쇠항을 추가하여 천수, 굴절, 회절, 반사, 쇄파를 동시에 고려할 수 있는 모형이다. 다음의 식(5)와 (6)은 연속 방정식과 운동방정식에 해당하는 모형의 기본 방정식을 나타낸 것이다.
1s, 계산격자 간격은 10 m로 하였고, 반사율은 방파제 전후면 모두 09를 적용하였다. 수치계산에서 사용한 유량 계수는 尹晟鎭(2004)의 실험에서 얻어진 0.4를 사용하였다.
월파 발생 시 방파제 전면의 투과경계 조건은 Forchheimer 의 식을 이용하여 계산된 월파량을 선유량으로 표시하여 투과 경계의 선유량으로 바꾸어준다. 이때, 투과 경계의 선 유량은 월파할 때만 한정하여 투과 경계 조건으로 부여하고, 정상 상태가 될 때까지 계산을 반복한다.
이 모형은 공간상의 계산점에 대해서는 엇물림격자(staggered grid system), 시간에 대해서는 Leap-Frog방법을 이용한 양해 적 유한차분법 (explicit finite difference method)을 써서 수치 모형화 하였다.식 (5), (6)은 # 에 대해서 비선형인 방정식이지만 2의 값을 일주기 전의 값을 사용함으로써 선형화한 차분기법을 이용하였다.
성능/효과
먼저 동일주기에서 각 방법에 의한 월파량 산정 결과를 보면, 파고가 작을 때는 각 방법이 비슷한 월파량을 나타내지만 파고가 커질수록 수치 계산과 ACES 결과는 수리모형실험 결과와 차이가 벌어짐을 알 수 있다. 이것은 수치계산이나 ACES의 경우는 월파량이 월파고에 의존하기 때문으로 생각된다.
제시하였다. 반무한방파제의 예제 계산에서는 월파 경계조건을 적용시킨 본 모형으로 월파 허용시 방파제 배후의 파고분포를 재현할 수 있었으며, 월파량 산정결과는 ACES의 결과와 근접한 결과를 나타내었다. 또한 여기서는 직립 제와 제주 외항 서 방파제의 해수교환방파제 인 경 사제를 대상으로 다양한 파랑조건 하에서 월파량 산정 수리모형실험을 실시하고, 본수치모형에 적용할 유량계수를 추정하였다.
월파량 산정 결과는 동일주기에서는 파고의 증가에 따라선 형적으로 크게 증가함을 알 수 있었고, 동일파고에서는 주기에 따라 조금씩 증가함을 알 수 있었다. 특히 본 방법으로 산정한 제주 외항 해수교환방파제 구간의 월파량은 NNW방향의 평상파 조건인 파고3.
특히 기존의 월파량 산정에 사용된 경험식이나수치계산방법은 단면 2차원에 대한 월파량을 평가하는 반면에 본 방법은 평면 2차원 파랑 해석에 기초한 방법이므로 방파제 설계시에 제체 길이 방향의 격자점에 대한 평면적인 월파량 산정이 가능하다는 장점이 있다. 여기서는 직립 제로 이루어진 반무한방파제의 모델을 상정하여 월파와 비월파 조건에 대하여 항내측의 파랑장을 비교하여 보았고, 미공병단의 ACES 프로그램을 이용하여 수치계산에서 구한 월 파량과 비교 검증하였다.
후속연구
이와 같은 구조형식은 유수지 내장형 월류식 해수 교환방파제라 불리고 있으며, 구조형식이 복잡해서 해수교환의 기능검토는 주로 수리모형 실험에 의존하고 있다.만일 월류식 해수교환방파제의 전면에서 월파되는 유량을 수치계산을 이용하여 간편하게 산정할 수만 있다면 설계단계에서 해수교환 기능 검토에 유용하게 쓰일 수 있을 것이다.
본 월파량 산정방법은 다양한 구조물 형식과 파랑 조건에 대한유량계수가 수리모형 실험으로 정확히 산정 된다면 항만구조물의 월파량 추정에 유용하게 쓰일 수 있을 것이다.
참고문헌 (9)
오병철, 전인식, 정태성, 이달수 (2003). 파랑에너지를 이용한 해수순환 증진에 관한 연구, 한국해안.해양공학회지, 제14권 3호, 209-221
유대성, 강신중, 신문섭 (2002). 월류제를 이용한 항내의 해수교환에 관한 연구, 대한토목학회 학술발표 논문집, 58-61
이달수 오영민, 김창일 (2001). 유수실 내장형 경사식 해수 교환방파제의 개발 및 기본 유입특성, 대한토목학회 학술발표 논문집, 1-4
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