잠제 설치 연안의 처오름 높이 특성 ; PART II - 잠제의 제원에 의한 영향 Characteristics of Run-up Height over Sandy Beach with Submerged Breakwaters ; PART II - Effect of Shape of Submerged Breakwaters원문보기
본 연구에서는 잠제의 제원(천단수심, 천단폭, 사면경사, 제장)에 따라 해빈상을 전파하는 풍파의 처오름 높이 변화특성을 논의하기 위하여, 기존의 수리모형 실험치와 계산치를 비교 검토를 통해 타당성과 유효성이 검증된 수치모델로서, 파 투과성구조물 해빈의 상호간섭을 직접 해석할 수 있는 3D-수치모델(LES-WASS-3D; 허와 이, 2007)을 이용하여 잠제 2기의 제원에 따른 수치시뮬레이션을 실시하였다. 그 결과 천단수심, 천단폭, 사면경사, 제장의 변화가 연안에서의 처오름 높이에 미치는 영향에 관하여 검토하였으며, 아울러, 잠제 주변의 파고분포 및 상층흐름특성과의 관계에 대해서도 논의하였다.
본 연구에서는 잠제의 제원(천단수심, 천단폭, 사면경사, 제장)에 따라 해빈상을 전파하는 풍파의 처오름 높이 변화특성을 논의하기 위하여, 기존의 수리모형 실험치와 계산치를 비교 검토를 통해 타당성과 유효성이 검증된 수치모델로서, 파 투과성구조물 해빈의 상호간섭을 직접 해석할 수 있는 3D-수치모델(LES-WASS-3D; 허와 이, 2007)을 이용하여 잠제 2기의 제원에 따른 수치시뮬레이션을 실시하였다. 그 결과 천단수심, 천단폭, 사면경사, 제장의 변화가 연안에서의 처오름 높이에 미치는 영향에 관하여 검토하였으며, 아울러, 잠제 주변의 파고분포 및 상층흐름특성과의 관계에 대해서도 논의하였다.
The purpose of this study is to examine the characteristics of run-up height over sandy beach due to the shape of submerged breakwater. For the discussion on it in detail, 3-Dimensional numerical model with Large Eddy Simulation, which is able to simulate directly interaction of Wave Structure Sandy...
The purpose of this study is to examine the characteristics of run-up height over sandy beach due to the shape of submerged breakwater. For the discussion on it in detail, 3-Dimensional numerical model with Large Eddy Simulation, which is able to simulate directly interaction of Wave Structure Sandy beach (hereafter, LES-WASS-3D; Hur and Lee, 2007) has been used to simulate run-up height over sandy beach as well as wave field around submerged breakwaters. Using the results obtained from numerical simulation, the effects of the shape of submerged breakwaters (crown height, crown width, crown length and submerged breakwater's slope gradient) on run-up height over sandy beach have been discussed related to the wave height distribution and characteristics of up-layer flow around ones.
The purpose of this study is to examine the characteristics of run-up height over sandy beach due to the shape of submerged breakwater. For the discussion on it in detail, 3-Dimensional numerical model with Large Eddy Simulation, which is able to simulate directly interaction of Wave Structure Sandy beach (hereafter, LES-WASS-3D; Hur and Lee, 2007) has been used to simulate run-up height over sandy beach as well as wave field around submerged breakwaters. Using the results obtained from numerical simulation, the effects of the shape of submerged breakwaters (crown height, crown width, crown length and submerged breakwater's slope gradient) on run-up height over sandy beach have been discussed related to the wave height distribution and characteristics of up-layer flow around ones.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 잠제의 제원(천단수심, 천단폭, 사면경사, 제장) 변화에 따라 해빈상을 전파하는 풍파의 처오름 높이 변화특성을 논의하기 위하여, 기존의 수리모형실험치와의 비교ㆍ검토를 통해 타당성과 유효성이 검증된 수치 모델(LES-WASS-3D; 허와 이, 2007)을 이용하여, 잠제의 제원 변화에 의한 해빈상의 처오름 높이의 특성에 대해서 검토하는 것을 목적으로 한다.
2로부터 전반적으로 잠제 중앙 배후의 해빈경사가 시작되는 저면(그림에서 일점쇄선으로 표시)을 통과한 지점에서 잠제양측 단부를 통해 굴절 및 회절된 파의 중첩이 발생하고 그 후 해빈경사에 의한 천수의 영향으로 파고가 조금 상승하는 것을 알 수 있으며, 천단폭(B/Li)이 커질수록 잠제의 천단상에서 천수효과로 인한 쇄파와 함께 투과 단면적의 증가로 인한 유체저항이 커지기 때문에 onshore측에서는 파랑에너지 감쇠로 인하여 전체적으로 파고가 감소하는 것을 알 수 있다. 또한, 천단폭(B/Li)이 작아질수록 잠제 중앙 배후에서 펼쳐지는 형태의 파고분포가 두드러지게 나타남을 확인할 수 있으며 이에 대한 세부적인 검토는 상층흐름분포에 대한 검토에서 논의하도록 한다.
제안 방법
본 연구에서는 잠제의 제원(천단수심(R/Hi), 천단폭(B/Li), 사면경사(S), 제장(Lr/Li) 여기서, R은 잠제의 천단수심, Hi는 입사파고, B는 잠제의 천단폭, Li는 입사파장, S는 잠제의사면경사, Lr는 잠제의 길이)변화에 따라 swash zone내에서의 처오름 특성을 파악하기 위하여, Fig. 1과 같은 3차원 수치파동수조를 이용하였고, 파의 재반사를 방지하기위해 조파소스(조파원천) 및 offshore측에는 부가감쇠영역을 설치하였으며, 해석영역에는 바닥경사 1:100의 seabed를 기초로 하여 잠제 2기와 사면경사 1:10인 해빈을 설치하였다. 잠제는 피복부분과 core부분으로 나누어 구성하였고, 피복석의 평균 입경은 4 cm, core의 평균입경은 1 cm로 하였으며, 또한 해빈은 모래로 고려하여 0.
여기서는 잠제의 제원(천단수심(R/Hi), 천단폭(B/Li), 사면경사(S), 제장(Lr/Li))에 따른 잠제 주변의 공간파고분포를 입사파고(Hi=6 cm)에 대해 무차원하여 고찰하였다. 그림중의 붉은색은 입사파고보다 높은 파고를 파란색은 입사파고보다 낮은 파고를 의미하고, 사각형 점선은 잠제의 저면을 실선은 잠제의 천단을 나타내며, 또한 일점쇄선은 해빈이 시작되는 저면을 의미한다.
))에 따라 해빈상을 전파하는 풍파의 처오름 높이 특성을 논의하기 위하여, 수리모형실험 결과와의 비교를 통해 타당성이 검증된 3차원 수치모델(LESWASS-3D; 허와 이, 2007)을 적용하였다. 이 모델을 이용한 수치시뮬레이션을 실시하여 잠제의 제원에 따른 잠제 주변의 파고분포와 상층흐름분포를 검토한 후, 이와 관련하여 연안에서의 처오름 높이 변화의 특성을 파악하였으며, 이로부터 얻어진 중요한 사항을 기술하면 아래와 같다.
이용된 수치해석조건에 대한 상세한 사항을 Table 1에 나타내었으며, 입사파 조건(Hi=6 cm, Ti=1.5 sec)과 이안거리(Y/Li=1.50)를 고정하고, 잠제의 제원(천단수심(R/Hi), 천단폭(B/Li), 사면경사(S), 제장(Lr/Li))변화에 따른 잠제 주변의 파고분포와 상층흐름분포를 검토한 후, 이와 관련하여 연안에서의 처오름 높이 변화에 대해 고찰하였다.
잠제 주변의 상층흐름분포에서는 개구부 중심에서 잠제 중심까지의 범위에 해당하는 사각형 A-B-C-D 내부(Fig. 1 참조)의 상층흐름을 나타내어 잠제의 제원(천단수심(R/Hi), 천단폭(B/Li), 사면경사(S), 제장(Lr/Li)) 변화에 따른 영향을 검토한다. 검토에 이용된 평균유속 #은 x-y평면상의 각 연직위치의 평균유속을 수심(연직)방향으로 적분한 평균유속이며, 식 (1)을 이용하여 계산하였으며, ti는 정상상태 이후의 데이터 취득 시점을 Ti는 입사파의 주기를 나타낸다.
1과 같은 3차원 수치파동수조를 이용하였고, 파의 재반사를 방지하기위해 조파소스(조파원천) 및 offshore측에는 부가감쇠영역을 설치하였으며, 해석영역에는 바닥경사 1:100의 seabed를 기초로 하여 잠제 2기와 사면경사 1:10인 해빈을 설치하였다. 잠제는 피복부분과 core부분으로 나누어 구성하였고, 피복석의 평균 입경은 4 cm, core의 평균입경은 1 cm로 하였으며, 또한 해빈은 모래로 고려하여 0.002 cm로 구성하였다.
이론/모형
본 연구에서는 잠제의 제원(천단수심(R/Hi), 천단폭(B/Li), 사면경사(S), 제장(Lr/Li))에 따라 해빈상을 전파하는 풍파의 처오름 높이 특성을 논의하기 위하여, 수리모형실험 결과와의 비교를 통해 타당성이 검증된 3차원 수치모델(LESWASS-3D; 허와 이, 2007)을 적용하였다. 이 모델을 이용한 수치시뮬레이션을 실시하여 잠제의 제원에 따른 잠제 주변의 파고분포와 상층흐름분포를 검토한 후, 이와 관련하여 연안에서의 처오름 높이 변화의 특성을 파악하였으며, 이로부터 얻어진 중요한 사항을 기술하면 아래와 같다.
본 연구에서는 잠제의 제원(천단수심, 천단폭, 사면경사, 제장)에 따른 연안에서의 처오름 특성을 파악하기 위하여, LES-WASS-3D(허와 이, 2007)를 이용하였다. 이 모델은 기존의 3차원 수치해석수법(Hur and Mizutani, 2003; Hur, 2004)을 토대로 SGS모델(Sub-Grid Scale model; Smagorinsky, 1963)을 도입한 수치해석기법(허 등, 2006)에 투과성구조물 내의 유체저항으로서 관성저항(Sakakiyama and Kajima, 1992), 난류저항(Ergun, 1952; van Gent, 1995) 및 층류저항(van Gent, 1995; Liu and Masliyah, 1999)을 도입하여 개발된 3차원 수치해석기법(LES-WASS-3D; 허와 이, 2007)이다.
본 연구에서는 잠제의 제원(천단수심, 천단폭, 사면경사, 제장)에 따른 연안에서의 처오름 특성을 파악하기 위하여, LES-WASS-3D(허와 이, 2007)를 이용하였다. 이 모델은 기존의 3차원 수치해석수법(Hur and Mizutani, 2003; Hur, 2004)을 토대로 SGS모델(Sub-Grid Scale model; Smagorinsky, 1963)을 도입한 수치해석기법(허 등, 2006)에 투과성구조물 내의 유체저항으로서 관성저항(Sakakiyama and Kajima, 1992), 난류저항(Ergun, 1952; van Gent, 1995) 및 층류저항(van Gent, 1995; Liu and Masliyah, 1999)을 도입하여 개발된 3차원 수치해석기법(LES-WASS-3D; 허와 이, 2007)이다. 본 수치모델(LES-WASS-3D; 허와 이, 2007)의 처오름 높이에 대한 검증은 PART I(잠제의 평면배치에 의한 영향; 허와 이, 2008b)에서 Ma et al.
성능/효과
1. 잠제 주변의 파고분포는 천단수심(R/Hi)이 작아질수록, 천단폭(B/Li)이 길어질수록, 잠제의 사면경사(S)가 완만해질수록 잠제의 파랑제어 기능이 향상됨으로 onshore측에서 전반적으로 낮은 파고분포를 나타내며, 제장(Lr/Li)이 길어질수록 상대적으로 개구율(W/Lr)이 작아지기 때문에 onshore측에서 낮은 파고분포를 나타낸다.
3. 연안에서의 처오름 높이의 특성은 잠제 양단을 통한 입사파의 굴절 및 회절에 의해 잠제 배후에서 발생하는 파의 중첩현상으로 인하여 전반적으로 개구부 배후 연안보다 잠제 배후 연안에서 높은 처오름 높이를 나타내며, 특히 잠제 중앙부 연안에서 가장 높은 처오름 높이가 나타난다.
y축의 양단의 경계조건 즉, 계산영역의 측면경계조건은 slip조건을 이용함으로서 본 연구에서 대상으로 하는 파의 입사방향이 잠제에 대해 직각인 것을 감안한다면 y방향으로 무수의 잠제 및 반무한 해빈이 설치되어 있는 것으로 가정할 수 있으며, 이로 인하여 해석대상영역을 축소하여 계산상의 편의를 도모하였다.
그 결과 정선부근에서는 잠제 배후에서 중첩된 강한 흐름에 의해 상대적으로 파랑에너지가 작은 개구부측으로 향하는 연안류가 발생하고, 천단수심(R/Hi)이 작아질수록 이 연안류와 개구부로 유입되는 향안류가 만나는 지점이 해측으로 이동하는 것을 알 수 있다. 잠제의 천단상에서 쇄파가 발생하지 않는 R/Hi 1인 (c) CASE4(R/Hi=1.
그 결과 제장(Lr/Li)이 가장 짧은 (a) CASE13(Lr/Li=0.50)에서는 잠제의 바로 배후에서 굴절 및 회절파가 중첩된 후, 파랑에너지가 낮은 개구부 배후로 향하는 흐름이 강하게 나타나며, 이로서 Fig. 4(a)의 파고분포에서 확인한 바와 같이 잠제 중앙 배후보다 개구부 배후의 정선 부근에서 높은 파고분포가 나타나는 현상을 설명할 수 있다. 또한, 제장(Lr/Li)이 길어질수록 잠제의 양단을 통한 입사파의 굴절 및 회절 영향으로 개구부에서 잠제 중앙 배후로 향하는 흐름이 잠제 단부 배후 부근에서 해빈에 의한 굴절의 영향으로 정선으로 향하며, 이 흐름은 천수효과로 인해 더욱 강해짐과 동시에 정선부근에서 상대적으로 파랑에너지가 낮은 개구부 배후와 잠제 중앙 배후로 향하는 것을 확인할 수 있다.
그 결과 천단수심(R/Hi)에 따른 영향에서 논의한 연안류 및 이안류가 발생하지만, 천단폭(B/Li)이 커질수록 onshore측으로 유입되는 흐름이 약해짐으로 잠제 중앙 배후에서 개구부 배후 정선으로 향하는 연안류가 약해짐과 더불어 개구부에서 유입되는 향안류의 흐름 역시 약해짐을 확인할 수 있다. 이 흐름이 만나는 지점이 개구부 중심에서 잠제 중앙배후측으로 이동함과 더불어 복잡한 흐름이 생성되고 이에 따른 파랑에너지의 감쇠로 인해 이 지역에서는 낮은 파고분포를 나타내고 있는 것을 Fig.
4(a)의 파고분포에서 확인한 바와 같이 잠제 중앙 배후보다 개구부 배후의 정선 부근에서 높은 파고분포가 나타나는 현상을 설명할 수 있다. 또한, 제장(Lr/Li)이 길어질수록 잠제의 양단을 통한 입사파의 굴절 및 회절 영향으로 개구부에서 잠제 중앙 배후로 향하는 흐름이 잠제 단부 배후 부근에서 해빈에 의한 굴절의 영향으로 정선으로 향하며, 이 흐름은 천수효과로 인해 더욱 강해짐과 동시에 정선부근에서 상대적으로 파랑에너지가 낮은 개구부 배후와 잠제 중앙 배후로 향하는 것을 확인할 수 있다. 또한 제장(Lr/Li)이 가장 긴, 즉 입사파 파장의 2배 길이를 가진 (d) CASE15(Lr/Li=2.
이상과 같은 결과에 근거하여, 해빈경사 1:10 정도의 연안에서 이안거리 Y/Li=1.50, 개구율 W/Lr=0.50의 경우, 잠제건설에 따른 연안에서의 처오름 높이의 저감효과를 기대하기 위해서는 잠제의 천단수심 R/Hi<0.33, 천단폭 B/Li=0.250-0.375, 잠제의 offshore측 사면경사 S=1:2-1:3의 범위 내에서 결정하는 것이 타당할 것으로 생각되며, 제장(Lr/Li)에 따른 검토는 제장이 길어질수록 처오름 높이 감소에는 효과가 있으나 이안거리(Y/Li) 및 개구율(W/Lr) 등을 모두 고려하여 검토하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
● 사면경사(S)가 완만해질수록 천단상에서의 쇄파 및 유체저항의 증가로 인하여 파랑에너지가 감소한다. 이에 따라 잠제 중앙의 배후 연안에서 처오름 높이가 감소하는 경향을 확인할 수 있지만, 개구부 배후 연안에서는 큰 차이를 보이지 않으며, 가장 낮은 처오름 높이는 잠제가 존재하지 않는 경우에 비해 잠제 중앙 배후에서는 CASE12(S=1:3)의 경우가 12.35%, 개구부 중앙에서는 CASE2(S=1:2)의 경우가 45.63% 정도 감소한다.
67)의 경우 대체적으로 낮은 처오름 높이를 나타내고 있다. 특히, 낮은 천단수심으로 인하여 강한 쇄파가 발생하는 CASE2(R/Hi=0.33)의 경우에서는 잠제가 존재하지 않는 경우(CASE1)에 비하여 잠제 중앙 배후에서는 8.79%, 개구부 중앙에서는 45.63% 정도의 처오름 높이가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
한편, 사면경사(S)에 따른 연안에서의 처오름 높이는 비교적 사면경사가 완만한 CASE2(S=1:2)와 CASE12(S=1:3)의 경우 대체적으로 낮은 처오름 높이를 나타내고 있으며, 잠제가 존재하지 않는 경우(CASE1)에 비해 잠제 중앙 배후에서는 CASE12(S=1:3)의 경우가 12.35%, 개구부 중앙에서는 CASE2(S=1:2)의 경우가 45.63% 정도의 처오름 높이가 감소하는 것을 알 수 있다.
3으로부터 잠제중앙 배후의 해빈경사가 시작되는 저면을 통과한 지점에서 잠제 양측 단부를 통해 굴절 및 회절된 파의 중첩이 발생하고, 그 후 해빈경사에 의한 천수의 영향으로 파고가 조금 상승하다가 정선 부근에서 펼쳐지는 것을 알 수 있다. 한편, 사면경사의 영향을 살펴보면 잠제의 사면경사(S)가 완만해질수록 급사면인 경우(전면이 중복파동장에 가까움)에 비해 offshore측 잠제 전면에서의 파동장이 진행파에 가깝게 형성되므로 낮은 파고에서도 쇄파가 발생하며 이에 따른 천단상쇄파범위가 증가하며, 또한 투과 단면적의 증가로 인한 파랑에너지의 감쇠로 인하여 onshore측에서는 파고가 감소하고, offshore측의 잠제 전면에서는 반사파의 감소로 인하여 발생하는 부분중복파의 파고가 하강하는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
375, 잠제의 offshore측 사면경사 S=1:2-1:3의 범위 내에서 결정하는 것이 타당할 것으로 생각되며, 제장(Lr/Li)에 따른 검토는 제장이 길어질수록 처오름 높이 감소에는 효과가 있으나 이안거리(Y/Li) 및 개구율(W/Lr) 등을 모두 고려하여 검토하는 것이 타당할 것으로 판단된다. 또한, 이러한 경향은 해저경사 및 해빈경사에 따라서 다르게 나타날 수도 있을 것으로 사료되며 향후 이에 대한 더욱 많은 자료의 확보 및 다양한 검토를 병행해 나갈 계획이다.
한편, 잠제의 제장(Lr/Li)에 따른 연안에서의 처오름 높이는 이안거리(Y/Li)와 개구율(W/Lr)과 밀접한 관계에 있는 것으로 판단되며, 더욱 다양한 검토가 필요할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
잠제는 무엇인가?
잠제는 제체가 수면 밖으로 돌출되는 기존의 중력식 방파제와 달리 수면아래에 건설되는 방파제로서 미관이 우수할 뿐만 아니라, 기본적인 소파기능은 물론 천단상의 원활한 해수교환을 통한 연안역의 수질을 보전할 수 있는 친자연적인 해안구조물로서 평가되고 있다. 또한, 해빈이 존재하는 해역에 잠제가 설치될 경우 잠제로 인한 특유의 순환류가 발생(허와 이, 2008a)하기 때문에 해안침식방지를 비롯한 표사제어의 기능을 가지게 된다(宇多高明ら, 1988).
2000-2006년에 걸쳐 부산송도해수욕장에 양빈 및 잠제와 이안제가 건설된 이유는?
잠제는 제체가 수면 밖으로 돌출되는 기존의 중력식 방파제와 달리 수면아래에 건설되는 방파제로서 미관이 우수할 뿐만 아니라, 기본적인 소파기능은 물론 천단상의 원활한 해수교환을 통한 연안역의 수질을 보전할 수 있는 친자연적인 해안구조물로서 평가되고 있다. 또한, 해빈이 존재하는 해역에 잠제가 설치될 경우 잠제로 인한 특유의 순환류가 발생(허와 이, 2008a)하기 때문에 해안침식방지를 비롯한 표사제어의 기능을 가지게 된다(宇多高明ら, 1988). 이런 특징으로 인하여 국책사업인 연안정비사업의 대표적 일환으로서 2000-2006년에 걸쳐 부산송도해수욕장에 양빈 및 잠제와 이안제가 건설되었다.
잠제는 어떻게 평가되고있는가?
잠제는 제체가 수면 밖으로 돌출되는 기존의 중력식 방파제와 달리 수면아래에 건설되는 방파제로서 미관이 우수할 뿐만 아니라, 기본적인 소파기능은 물론 천단상의 원활한 해수교환을 통한 연안역의 수질을 보전할 수 있는 친자연적인 해안구조물로서 평가되고 있다. 또한, 해빈이 존재하는 해역에 잠제가 설치될 경우 잠제로 인한 특유의 순환류가 발생(허와 이, 2008a)하기 때문에 해안침식방지를 비롯한 표사제어의 기능을 가지게 된다(宇多高明ら, 1988).
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