[논문]영일만 항만에서의 부진동 변화에 관한 연구

전민수; 이중우; 정재현; 양상용; 정영환

doi:10.5394/kinpr.2006.30.6.533

초록
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오늘날에 항만부진동의 문제는 대형선박이 입출항하는 항만의 설계에서 가장 현저한 인자로 작용한다. 연안 항만에서 탄성체의 삭으로 계류하고 있는 대형 선박은 장주기파랑과 계류시스템간의 공진으로 인해 종종 이탈되기도 한다. 특히, 장주기 파랑의 증폭비가 현저해지면 화물의 하역에 장애를 가져오며 계류삭이 절단되는 경우도 발생한다 이중 국내에서 부진동의 문제가 가장 현저하게 나타난 항만은 포항신항이며, 이에 따른 문제가 도선사 협회나 지역해양수산청으로부터 보고되고 있다. 그러나 이 항만에서 부진동을 야기하는 장주기 파랑의 내습을 막는 것은 어렵다. 더구나 정부는 이미 포항신항에서 발생하고 있는 이러한 문제점을 해결하지 않고 영일만의 입구에서 신항만 건설을 이미착수해놓고 있다. 본 연구는 영일만 입구의 4.1km에 달하는 방파제 건설과 신항만 계획을 반영하여 이들이 항만 부진동에 어떠한 변화를 가져오는 것인가에 대해 다룬다. 사용한 수치기법은 확장완경사방정식을 사용한 표준형식을 갖춘 것으로 수치실험결과를 이전 연구를 통해 이루어진 관측치와 비교하였으며, 이것이 어느 수준까지의 토론으로 이끌어 낼 것이며 장래 항만개발에 변화를 가져올 것으로 본다.

Abstract ▼ AI-Helper

Today the harbor oscillation problems are the most significant factor to design harbors serving the very large ships. Large vessels moored in the elastic hawsers at the coastal harbors are often displaced due to the resonance between the long period waves and mooring system. The cargo handling may b...

Today the harbor oscillation problems are the most significant factor to design harbors serving the very large ships. Large vessels moored in the elastic hawsers at the coastal harbors are often displaced due to the resonance between the long period waves and mooring system. The cargo handling may be interrupted and the hawsers may be broken, especially when the amplification becomes remarkable. The most significant harbor which is confronted with harbor oscillation problem in Korea is the Pohang New Port. Many cases of problems are being notified by the pilot association and local office of MOMAF. However, it is difficult to prevent the arrival of long waves musing oscillation within this harbor. Moreover, government already started new port plan at the mouth of Yeongil Bay without treating problems occurred in the Pohang New Port. This study deals with the variation of harbor oscillation due to the construction of 4.1km breakwater at the bay mouth and new port plan. Numerical method used are fairly standard form from the extended mild slope equation The obtained numerical results were compared with the field measurement from the previous study and this will bring a certain level of discussion and consideration of variation in the future port development.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 영일만신항의 건설로 변형된 만 형 상에 대해 격자 간격을 보다 세분하고 영일만신항 방파제를 포함한 영일만 전체에 대해 광역 유한요소 망을 구성하여 포항 구항, 포항신항 및 영일만신항에서의 부진동 주기와 증폭 현상 을 분석해보기로 한다.
특히 국내에서는 포항신항에서의 부진 동 문제가 심각하게 거론되고 있다. 본 연구에서는 현재 영일만신 항이 건설되고 있는 시점에서 영일만 입구의 방파제 건설과 영일만 신항의 건설로 인해 포항신항과 포항구항의 공진주기에 어떠한 변화가 발생할 것인지 분석 평가하였다. 포항신항 및 포항구항에서는 대체로 영일만의 제1공진주기와 제2공 진주기 범위 안에서 대표적인 주기가 수치 실험을 통해 발견되었으나 영일만 신항 건설 후에는 포항신항과 포항구항의 공진주기가 변화된 것을 볼 수 있었고, 몇몇 의 구간에서는 건설전에 비해서 높은 증폭률 보이는 구간도 있었다.

제안 방법

1994년 해양연구소에서 관측한 정(1997)의 제 1부두와 제1 부두에서의 공진 주기 관측 결과와 수치실험의 결과를 비교분석하였다. Fig.
1km만이 완공단계에 있고 부두의 경우는 아직 진척이 이루어지지 않고 있다. 영일만항 만에 대한 수치실험은 대상 해역을 영일만신항의 개발 전후로 제한하여 만 내의 3 항만에서 주요 개소에 대한 반응 특성을 분석하는 것으로 하고 현재의 항만 조건과 대비 시켜 분석하였다.
완경사 방정식 파랑 모델의 적용 해역은 계방경계영역을 영 일만신항 방파제의 시작점 상단을 좌측한계, 장기곶 해안선을 우측한계로 한 반원 영역으로 설정하고, 그 이내의 만 해역을 대상으로 하였다. 유한요소 망으로 삼각형 가변요소를 적용하였으며, 각 요소의 간격은 10~ 100m이다. 최대 수심은 1.

대상 데이터

0m에서 5L3m이다. 대상 영역에 적용된 요소수는 영일만신항 개발 전 115, 718개, 신항 개발 후 102, 294개이다. 좌표축은 x축의 양의 방향을 진북에서 120도 방향으로 선택하였다.
9m의 파고가 관측되었다. 설계 파랑을 적용한 시뮬레이션에서는 주기 20분에서 파고 0.8m, 주기 30분에서 0.85m, 주기 80분에서 1.2m의 파고를 나타내었다. 또한 제7부두 지점의 실제 관측치는 주기 0.
완경사 방정식 파랑 모델의 적용 해역은 계방경계영역을 영 일만신항 방파제의 시작점 상단을 좌측한계, 장기곶 해안선을 우측한계로 한 반원 영역으로 설정하고, 그 이내의 만 해역을 대상으로 하였다. 유한요소 망으로 삼각형 가변요소를 적용하였으며, 각 요소의 간격은 10~ 100m이다.

이론/모형

(2M + sinh2fcc!)sinhfcd 이다

이때 X는 일정한 값(0.15) 이고, 「는 경험 상수(0.4)를 사용하고, 次=引2)는 파랑의 진폭이며 "은 마찰계수로서 Madsen (1976)과 Dalrymple (1984)의 식을 적용하였다. 위의 관계식 외에도, 진폭의존 파랑 분산을 고려하여 선형분산관계식 0 2= gktanh{kd} > 선형 산란관계식으로 정리하면 다음과 같다.
본 연구에서는 해저 면의 급한 경사 (steep slope)와 곡률 (curvature) 등을 고려하여 임의의 지형에 대해 급격한 변화 성분을 정의한 확장 완경사방정식 (extended mild-slope equation, Booij, 1983; Massel, 1993 등)을 지배방정식으로 사용하였다. 그 기본 방정식은 식 (1) 과 같다.

성능/효과

1994년 10월에서 1995년 3월까지 10개월간 포항신항 15만 톤 부두와 제1부두 사이의 수심 8m 지점에서 부진동 관측을 통해 분석한 결과에서는 일부 누락된 경우도 있지만 영일만의 저]1공진주기에 해당하는 80분이 80set의 자료에서 공통적으로 나타났고, 영일만의 제2공진주기 또는 포항신항의 제1공진주 기 부근에 해당하는 32분, 29.1 분, 26.7분 및 22.9분 등이 기록되었으며 포항신항의 제2공진주기 이하로 8분, 5분, 2.8분의 순으로 나타났으며, Fig. 6의 그래프로 나타내었다.
2m의 파고를 나타내었다. 또한 제7부두 지점의 실제 관측치는 주기 0.3분에서 가장 높은 파고를 나타내었고 시뮬레이션 결과 0.3분에 0.3m, 주기 30분에서 0.9m의 파고를 나타내었다. 제7부두 지점의 결과를 보면 파고가 전체적으로 상승한 것을 볼 수 있다.
수치실험 데이터를 보면 영일만신항의 건설 전에 비해 전체적인 증폭 비는 감소하였으나 주기 30분 및 80분에서 파고가 대폭 상승하는 것을 볼 수 있으며 이것은 영일만신항의 건설이 포항신항에 문제를 야기할 수 있을 여지가 있는 것으로 사료된다.
본 연구에서는 현재 영일만신 항이 건설되고 있는 시점에서 영일만 입구의 방파제 건설과 영일만 신항의 건설로 인해 포항신항과 포항구항의 공진주기에 어떠한 변화가 발생할 것인지 분석 평가하였다. 포항신항 및 포항구항에서는 대체로 영일만의 제1공진주기와 제2공 진주기 범위 안에서 대표적인 주기가 수치 실험을 통해 발견되었으나 영일만 신항 건설 후에는 포항신항과 포항구항의 공진주기가 변화된 것을 볼 수 있었고, 몇몇 의 구간에서는 건설전에 비해서 높은 증폭률 보이는 구간도 있었다. 이러한 점에서 신항만의 건설이 기존에 있던 2개의 항만과 건설되고 있는 신항만에 부진 동 문제가 더욱 심각해질 수 있는 가능성을 고려하여 지금부터라도 부진동의 저감을 위해 진동주기를 변경시키거나 증폭비를 감쇄시킬 수 있는 방안을 마련해야 할 것이며 불가피할 경우 설계변경을 통해 저감시설의 도입, 안벽의 구조나 평면 배치를 변경하는 등 대규모 건설사업에 걸맞 는 대책을 마련해야 할 것이다.

후속연구

본 연구에서는 영일만 신항의 건설 전과 후를 비교해서 두 가지 방향에서 각각 164희로서 328차례의 case로 수치 실험을 했으나 추후 더욱 주기의 간격을 줄여서 정도가 높은 연구가 필요할 것으로 사료된다.
포항신항 및 포항구항에서는 대체로 영일만의 제1공진주기와 제2공 진주기 범위 안에서 대표적인 주기가 수치 실험을 통해 발견되었으나 영일만 신항 건설 후에는 포항신항과 포항구항의 공진주기가 변화된 것을 볼 수 있었고, 몇몇 의 구간에서는 건설전에 비해서 높은 증폭률 보이는 구간도 있었다. 이러한 점에서 신항만의 건설이 기존에 있던 2개의 항만과 건설되고 있는 신항만에 부진 동 문제가 더욱 심각해질 수 있는 가능성을 고려하여 지금부터라도 부진동의 저감을 위해 진동주기를 변경시키거나 증폭비를 감쇄시킬 수 있는 방안을 마련해야 할 것이며 불가피할 경우 설계변경을 통해 저감시설의 도입, 안벽의 구조나 평면 배치를 변경하는 등 대규모 건설사업에 걸맞 는 대책을 마련해야 할 것이다.

참고문헌 (17)

강석구, 이상룡, 소재귀 (1989), '영일만과 포항신항의 부진동 현상. 해양 연구', 11(2), pp.31-41
건설부 (1987), '포항신항 파랑조사 및 모델실험 용역 보고서', 제2권 파랑조사 및 모델 실험편, p.440
이중우, 허명규 (2001), '공진방파제를 이용한 항만부진동의 저감', 한국항만학회지, 제15권 제2호, pp.152-159
추교승 (1974), '포항항의 해면 부진동 현상, 수로기술연보', pp.3-10
추교승 (1976), '포항항의 해면 부진동 현상', 한국해양학회지 제11권, 제2호, pp.51-56

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한국해양연구소 (1995), '포항신항 항만부진동 현장관측 및 수치실험', BSPE 00469-784-2, p.180
해운항만청 (1994), '영일만신항 개발 외곽시설 실시설계 용역 보고서' 제2권 수치모형실험편, p.551
Booij, N. (1983), 'A note on the accuracy of the mild-slope equation', Coastal Eng., Vol.7, pp.191-203

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Dally, W. R, Dean, R. G., and R. A. Dahymple, R. A. (1985), 'Wave Height Variation across Beaches of Arbitrary Profile', J. Geophys. Research, Vol. 90, pp.1917-1927

상세보기
Demirbilek, Z. (1994), 'Comparison between REFDIFS and CERC Shoal Laboratory Study', Unpublished Report, Waterways Exp. Station, Vicksburg,MS,p.53
Ippen, A. T. and Goda, Y. (1963), 'Wave induced oscillations in harbours; The solution for a rectangular harbor connected to the open sea', Hydro. Lab., MlT
Lee, J. J. and Raichlen, F. (1972), 'Oscillations in harbors with connected basins', Waterways, Harbors and Coastal Engineering Division, ASCE, Vol. 98, pp.311- 332
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Massel, S. R. (1983), 'Extended Refraction- Diffraction Equation for Surface Waves', Coastal Engng. Vol. 19, pp.97-126

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Mei, C. C. (1983), 'The applied dynamics of ocean surface waves', John Wiley, New York
US Army Engineers Waterways Experiment Station (1984), 'Shore Protection Manual(4th ed.)', CERC, US Government Printing Office, Washington, DC

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