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문제 정의
- 본 연구에서는 파랑하중과 방파제 거동특성의 상호관계를 근래에 부분굴착치환공법으로 설계 시공되어진 부산신항 동방파제를 대상으로, 기 측정된 광범위한 침하 계측자료와 파랑관측 자료를 토대로 분석하였으며, 수치실험 결과와의 비교 분석을 통해 설계적용성을 검토하였다.
- 따라서 본 연구에서는 파압이력을 도출하기 위하여 일본 沿岸開發技術硏究센터(2001)에서 개발한 CADMASSURF 모델을 이용하였으며, 제체거동해석은 Itasca Consulting Group(1998)에서 개발한 유한차분법에 의한 수치해석 프로그램인 FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua) 모델을 이용하였다. 이를 통해 침하에 영향을 주는 대표파를 선정하여 동적하중으로 고려함으로서 설계 기초자료로 활용하고자 하였다.
가설 설정
- )는 방파제 제체지반의 거동을 유발시키는 최소의 파고, 즉 지반침하를 일으키기 시작하는 최소파고를 의미하며, 방파제 침하의 동적해석을 위한 실험파를 선정할 목적으로 설정하였다. 본 연구에서는 일평균 침하량(0.42 cm) 이상의 침하를 일으키는 파고를 임계파고로 가정하였다. 임계파고를 결정하기 위하여 파고-침하량간의 관계를 추세선을 이용해 도식화(Fig.
제안 방법
- CADMAS-SURF로부터 추정한 태풍매미의 파압과 시간관계를 입력값으로 하였으며, 실험파 지속시간은 해석상의 시간을 고려하여 실제 파랑 지속시간 중 일부(10분: 600 sec)만을 수행하였다. 따라서, 모델로부터 추정한 침하량 값은 전체 실험파 지속시간 동안의 침하량으로 예측하였고, 실측치와 비교하여 Table 4에 제시하였다.
- CADMAS-SURF를 이용해 구한 파압 시계열자료를 FLAC의 입력자료로 사용 가능한 등가파압으로 변환하였다. Fig.
- 다만, 유의파의 시계열 최대값(H1/3')의 경우에는 1시간 동안의 평균 유의파고인 점을 감안하여 지속시간을 1시간으로 결정하였다.
- 동적해석시 지반의 반무한성을 고려하기 위하여 자유 경계를 모델의 좌우측에 적용하였으며, Rayleigh 감쇠 5%를 적용하였다.
- 방파제의 길이가 600 m에 달하므로 점토층인 연약층 심도가 구간별로 약간 상이하며, 방파제 입구인 두부구간에서는 파랑이 집중되어 보강이 필요하므로 방파제 연장을 5개 구간으로 구분하였다.
- 즉, 일부 연약층 심도가 40 m 이상으로 대단히 깊어 소요기능과 경제성을 동시에 확보할 수 있는 부분굴착치환공법을 적용하였다. 본 방파제는 어느 정도의 압밀을 허용하는 구조로 설계되었으며, 전체적으로 소요강도가 얻어지는 깊이까지 치환하되, 지반의 원호활동 안전율이 확보되도록 준설치환 심도가 결정되었다. 이 공법은 국내외 적용사례가 많아 흔하게 적용되는 공법이지만 시공 이후에도 압밀침하를 허용하기 때문에 설계 시 침하 및 제체의 붕괴에 영향을 미칠 수 있는 내적·외적 요인들에 대한 충분한 검토가 필요하다.
- 부산신항 동방파제가 설치된 곳은 점토층인 연약층이 깊게 발달되어 있어 연약층 전체를 양질의 모래로 치환시켜 방파제를 건설하기는 공사기간이 장기간 요구되며, 동시에 경제적으로 큰 부담을 주기 때문에 연약층 상부일부를 굴착하여 모래로 치환시키는 공법을 채택하였다. 즉, 일부 연약층 심도가 40 m 이상으로 대단히 깊어 소요기능과 경제성을 동시에 확보할 수 있는 부분굴착치환공법을 적용하였다.
- 6은 수치계산에 이용할 실험파고 산정방법을 개념적으로 보여준 것이다. 실험파고의 지속시간은 각 대표파의 면적적분 평균치에 해당하는 시간으로 결정하였다. 다만, 유의파의 시계열 최대값(H1/3')의 경우에는 1시간 동안의 평균 유의파고인 점을 감안하여 지속시간을 1시간으로 결정하였다.
- 모델항인 부산신항 동방파제를 설치하면서 이곳을 통과한 태풍을 파랑하중으로 취하기 위해 공사완료시점인 2002년 11월 26일을 기준으로 그 이후에 이곳을 통과한 태풍인 “Sodello”, “Maemi”, “Megi”중 가장 큰 피해를 입혔던 “Maemi”를 파랑하중 대상으로 하여 침하 수치모형실험을 수행하였다. 이를 통해 파랑에 의한 제체 및 하부지반의 거동 양상을 확인하고, 실제 침하 계측자료와 비교하여 제체에 침하를 일으키는 대표성을 갖는 파고를 도출하였다. CADMASSURF의 파압에 대한 적용성은 「경사식 방파제의 전사면 파압에 대한 파동장 해석(성상봉 등, 2003)」, Numerical Analysis on the Determination of Wave Forces Acting on the Rubble Mound Breakwater(Insik Chun et al.
- 42 cm) 이상의 침하를 일으키는 파고를 임계파고로 가정하였다. 임계파고를 결정하기 위하여 파고-침하량간의 관계를 추세선을 이용해 도식화(Fig. 5 참조)하였으며, 이로부터 일평균 침하량 0.42 cm 이상을 일으키는 임계파고를 2.71 m로 추산하였다.
- 다만, 유의파의 시계열 최대값(H1/3')의 경우에는 1시간 동안의 평균 유의파고인 점을 감안하여 지속시간을 1시간으로 결정하였다. 주기는 전체적으로 큰 차이를 보이지 않아 파랑이 제체에 영향을 미치는 총 시간 동안의 주기를 면적적분하여 그 평균값을 사용하였으며, 조위는 파랑 지속시간 동안의 조위를 면적 적분하여 그 평균값을 이용하였다.
- 부산신항 동방파제가 설치된 곳은 점토층인 연약층이 깊게 발달되어 있어 연약층 전체를 양질의 모래로 치환시켜 방파제를 건설하기는 공사기간이 장기간 요구되며, 동시에 경제적으로 큰 부담을 주기 때문에 연약층 상부일부를 굴착하여 모래로 치환시키는 공법을 채택하였다. 즉, 일부 연약층 심도가 40 m 이상으로 대단히 깊어 소요기능과 경제성을 동시에 확보할 수 있는 부분굴착치환공법을 적용하였다. 본 방파제는 어느 정도의 압밀을 허용하는 구조로 설계되었으며, 전체적으로 소요강도가 얻어지는 깊이까지 치환하되, 지반의 원호활동 안전율이 확보되도록 준설치환 심도가 결정되었다.
대상 데이터
- 1에서와 같이 배치하였다. 계측기간은 2002년 5월 14일부터 2005년 11월 16일(약 42개월)까지이며, 평균 약 5일 간격으로 독취 하여 총 274개의 Data를 획득하였다(부산대학교 생산기술연구소, 2006).
- 모델 방파제로서는 부산신항 동방파제를 연구의 대상으로 선정하였다. 선정의 이유는 내습파랑과 방파제 침하를 실시간으로 관측하고 있어 파랑 관측자료와 방파제 침하계측자료를 충분히 실시간을 통하여 분석할 수 있기 때문이다.
- 모델항인 부산신항 동방파제를 설치하면서 이곳을 통과한 태풍을 파랑하중으로 취하기 위해 공사완료시점인 2002년 11월 26일을 기준으로 그 이후에 이곳을 통과한 태풍인 “Sodello”, “Maemi”, “Megi”중 가장 큰 피해를 입혔던 “Maemi”를 파랑하중 대상으로 하여 침하 수치모형실험을 수행하였다.
- 실험파는 제체에 영향을 주기 시작하는 시점인 파고 2.71 m으로부터 소멸되는 시점까지의 구간에서 상위 1/10의 면적적분 평균값(H1/10') 및 유의파의 시계열 최대값(H1/3')으로 선정하였다 Fig. 6은 수치계산에 이용할 실험파고 산정방법을 개념적으로 보여준 것이다.
- 8에서 보는 바와 같다. 조파수로의 규모는 길이 600 m, 높이 30 m이며, 구조물의 위치는 제체 사면의 바닥 Toe에서 조파기까지 300 m 이격하였다. 조파수로의 전면과 후면 끝에는 약 100 m정도 폭의 감쇠대(Sponge Layer)를 설정하여 진행파가 끝단 벽에서 흡수되도록 하였다.
- 침하를 일으키는 대표파는 일반적으로 많이 사용하는 유의파(H1/3)와 다를 수 있으므로 대상지점에서 유의파의 시계열 최대값(H1/3') 이외에 별도의 실험파를 선정하여 실험을 수행하였다.
- 파고계측 지점은 동방파제로부터 외해측으로 300 m 떨어진 지점으로서 부산신항 개발사업과 관련하여 장기간 연속적인 계측이 이루어졌으며, 본 연구에서는 이 자료를 분석하여 활용하였다(해양수산부, 2005). 파고를 관측하기 위해 Direction Wave Ride Buoy 1기가 사용되었으며, 계측기간은 총 973일(2002/01/01 ~ 2004/09/16 까지)이다.
- 파고계측 지점은 동방파제로부터 외해측으로 300 m 떨어진 지점으로서 부산신항 개발사업과 관련하여 장기간 연속적인 계측이 이루어졌으며, 본 연구에서는 이 자료를 분석하여 활용하였다(해양수산부, 2005). 파고를 관측하기 위해 Direction Wave Ride Buoy 1기가 사용되었으며, 계측기간은 총 973일(2002/01/01 ~ 2004/09/16 까지)이다.
- 13과 같다. 해석의 입력 자료는 「부산신항 남컨테이너 부두[2-3단계] 민간투자사업」(해양수산부, 2004)중 「변형 및 내진해석 보고서」를 참조하여 Table 3과 같이 적용하였다.
이론/모형
- 굴착치환 사석경사 방파제의 제체침하를 동적해석하기 위해서 기존 모델를 이용하기로 하였다. 모델항인 부산신항 동방파제를 설치하면서 이곳을 통과한 태풍을 파랑하중으로 취하기 위해 공사완료시점인 2002년 11월 26일을 기준으로 그 이후에 이곳을 통과한 태풍인 “Sodello”, “Maemi”, “Megi”중 가장 큰 피해를 입혔던 “Maemi”를 파랑하중 대상으로 하여 침하 수치모형실험을 수행하였다.
- 따라서 본 연구에서는 파압이력을 도출하기 위하여 일본 沿岸開發技術硏究센터(2001)에서 개발한 CADMASSURF 모델을 이용하였으며, 제체거동해석은 Itasca Consulting Group(1998)에서 개발한 유한차분법에 의한 수치해석 프로그램인 FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua) 모델을 이용하였다. 이를 통해 침하에 영향을 주는 대표파를 선정하여 동적하중으로 고려함으로서 설계 기초자료로 활용하고자 하였다.
성능/효과
- 검토결과 침하량 계산시 유의파의 시계열 최대값(H1/3')을 제체침하를 유발하는 대표파고로 선정하여, 설계시 이를 동적하중으로 고려하더라도 전반적인 경향을 파악할 수 있다는 결론을 얻었다.
- 공사완공 시점인 2002년 11월 26일부터 2005년 9월 15일까지 6개의 계측기(ESP-1~ESP-6)를 대상으로 각 계측기별로 일평균 침하량을 확인해본 결과 0.31~0.50 cm/day (평균 0.42 cm/day)의 비슷한 결과를 얻을 수 있었으며, 이 값은 관리기준치인 2.0 cm/day에 충분히 들어오는 것으로 확인되었다. Table 1은 일평균침하량을 각 계측지점 별로 정리한 것이다.
- 4에 제시하였다. 분석결과 6개의 계측기 모두 평상시에는 지반이 안정적으로 거동하다가 태풍내습 시에는 이상침하가 발생하는 것으로 나타났으며, 침하 정도나 그 성향이 전 구간에서 비슷하게 나타났다.
- 사석경사식 방파제의 전 사면에서 발생하는 비선형 파랑변형 및 파랑하중을 계산하고, 여기에서 도출한 파압자료를 입력하여 침하량 계산을 수행한 결과, 계산값과 실측값이 유사한 경향을 보였다.
- 점토층 심도의 경우 항로 측 두부부근에서 가장 깊은 것으로 나타났고 동측으로 갈수록 심도가 얕아지는 것으로 나타났으며, 육지측과 바다측의 점토층 심도는 유사한 것으로 나타났다. 여기서 나타나는 점토층은 통일분류법에 의하면 대부분 CH로 분류된다.
- 이로부터 제체의 연직변화(침하)는 연직방향 가속도와 속도의 변화형태와 유사한 것으로 나타났다. 즉, 가속도, 속도가 급격히 증가하는 초기의 짧은 시간 동안에 대부분의 침하가 급속히 완료되었고, 이후에는 곧바로 일정한 값에 수렴하여 공진형태의 미소변위가 지속적으로 발생하는 양상으로 나타났는데, 이는 파랑이 방파제에 연속적으로 내습하는 경우 파랑의 가속도가 변화하는 초기파에 의해 침하가 크게 유발됨을 의미한다. Fig.
- 수치모형실험 결과 제체의 연직변화(침하)는 연직방향 가속도의 변화형태와 유사하게 나타났다. 즉, 가속도가 급격히 증가하는 초기의 짧은 시간 동안에 대부분의 침하가 급속히 완료되고, 이후에는 곧바로 일정한 값에 수렴하여 공진형태의 미소변위가 지속적으로 발생하는 것으로 나타났다. 이는 파랑이 방파제에 연속적으로 내습하는 경우 파랑의 가속도가 변화하는 초기파에 의해 제체의 침하가 크게 유발됨을 의미하며, 이로서 방파제 침하량 계산시 유의파의 시계열 최대값(H1/3')을 제체침하를 유발하는 대표파고로 선정하여, 설계시 이를 동적하중으로 고려함으로서 설계 기초자료로 활용이 가능함을 알수 있었다.
- 현장의 파고 계측지점 위치는 제체에 의한 반사 등의 영향을 최소화하면서 침하량과의 상관에 유효한 자료로 활용이 가능한 것으로 확인되나 주요 태풍인 ‘Rusa’, ‘Sodello’, ‘Maemi’, ‘Megi’의 경우는 반사파가 상당히 중첩된 것을 알 수 있었는데, 이 경우 최대 엔트로피법을 사용하여 방향 스펙트럼을 분석하고, 그 결과를 이용하여 입반사파 분리를 실시하였다.
후속연구
- 본 연구에서는 부산신항 동방파제를 대상으로 하여 태풍 Maemi로 국한시켜 수치계산을 수행함으로 인해 범용의 결과를 도출해 내는데에는 한계가 있다. 따라서, 장래에 대상 구조물 및 대상 파랑하중을 폭넓게 취하여 추가 연구를 수행해야 할 과제가 남아 있다
- 본 연구에서는 부산신항 동방파제를 대상으로 하여 태풍 Maemi로 국한시켜 수치계산을 수행함으로 인해 범용의 결과를 도출해 내는데에는 한계가 있다. 따라서, 장래에 대상 구조물 및 대상 파랑하중을 폭넓게 취하여 추가 연구를 수행해야 할 과제가 남아 있다
- 이는 파랑이 방파제에 연속적으로 내습하는 경우 파랑의 가속도가 변화하는 초기파에 의해 제체의 침하가 크게 유발됨을 의미하며, 이로서 방파제 침하량 계산시 유의파의 시계열 최대값(H1/3')을 제체침하를 유발하는 대표파고로 선정하여, 설계시 이를 동적하중으로 고려함으로서 설계 기초자료로 활용이 가능함을 알수 있었다.
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