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문제 정의
- 본 연구는 제주시 탑동 호안의 월파 피해 대응방안을 모색하는 목적으로 수행되었으며, 특히 월파 피해가 빈번히 발생하는 구간 A에 시설된 호안에 대하여 피복석 설치 유무에 따른 반사율 실험을 실시하였고, 호안 상부구조물의 형상과 입사파의 조건(파고,주기)을 변화시키면서 월파량을 측정하였다. 이로부터 다음과 같은 결론을 내릴 수 있다.
- 본 연구에서는 탑동 호안에서 발생하는 월파피해를 줄이는 대응방안중 ① 번째와 ② 번째 방안에 대한 효과를 수리모형실험을 통하여 규명하고자 한다. 수리모형실험은 제주대학교 2차원 조파수조(길이: 20 m, 폭: 0.
제안 방법
- (1) 탑동 호안 반사율 측정실험을 통하여 주기 변화에 따른 탑동 호안의 반사율을 특성을 파악하였다. 또한 측정된 주기 범위내에서 피복석을 배치한 경우 난류발생에 의한 에너지소멸 효과로 반사율이 감소하였다.
- 구간 A의 탑동 호안 구조물의 반사율 특성 및 피복석 유무가 반사율에 미치는 영향을 파악하기 위하여 반사율 실험을 실시하였다. 입사파의 제원은 파형경사(H/λ) 0.
- 0 m)에서 실시하였으며, Froude 상사법칙에 따른 1/20 축척모델을 제작하여 피복석 설치 유무에 따른 반사율 측정실험과 상부구조물 형상 변경에 따른 호안에서의 월파량 측정을 위한 실험으로 구분하여 입사파의 파고와 주기를 변화시키면서 실시하였다. 또한 월파시 발생하는 호안 상부구조물에 작용하는 충격력을 구하기 위하여 파압계를 호안내 2지점에 설치하여 파에 의한 압력을 측정하였다.
- 본 수리모형실험에 사용된 탑동 호안모형은 Froude 상사법칙에 따라 1/20 축척비로 아크릴을 가지고 제작하였다. 또한 탑동 호안 설치해역의 수심변화의 영향을 고려하기 위하여 호안 설치 지점으로부터 외해 쪽으로 1/40 기울기를 갖는 해저면 경사를 주었다. 수심은 월파의 가능성이 가장 높은 고조위(실물: 4.
- 5 참조). 본 실험에서는 40 Hz의 표본 추출비율을 갖는 용량식 파고계를 사용하였다. 가정된 파형과 3개의 파고계로부터 계측된 파형의 오차 제곱의 합이 최소가 되도록 미지수를 구하는 최소자승법(Least Squares Method)을 사용하여 입사파와 반사파를 분리하여 반사율을 구하였다.
- 3은 수조내부에 탑동 호안모형을 설치한 모습을 보여주고 있다. 상부구조물의 높이 및 곡면 돌출부 형상 변화에 따른 월파량의 변화를 살펴보기 위하여 Fig. 4와 같이 4종류의 상부구조물 모델을 별도로 제작하여 상부구조물을 바꿔가면서 모형실험을 실시하였다. 여기서 type1은 현재 시설된 탑동 호안 상부구조물을 의미하며, type2는 상부구조물의 높이를 증가한 경우, type3은 곡면 돌출부의 형상을 바꾼 경우, type4는 type2와 type3를 합친 상부구조물을 나타낸다.
- 본 연구에서는 탑동 호안에서 발생하는 월파피해를 줄이는 대응방안중 ① 번째와 ② 번째 방안에 대한 효과를 수리모형실험을 통하여 규명하고자 한다. 수리모형실험은 제주대학교 2차원 조파수조(길이: 20 m, 폭: 0.8 m, 깊이: 1.0 m)에서 실시하였으며, Froude 상사법칙에 따른 1/20 축척모델을 제작하여 피복석 설치 유무에 따른 반사율 측정실험과 상부구조물 형상 변경에 따른 호안에서의 월파량 측정을 위한 실험으로 구분하여 입사파의 파고와 주기를 변화시키면서 실시하였다. 또한 월파시 발생하는 호안 상부구조물에 작용하는 충격력을 구하기 위하여 파압계를 호안내 2지점에 설치하여 파에 의한 압력을 측정하였다.
- 또한 탑동 호안 설치해역의 수심변화의 영향을 고려하기 위하여 호안 설치 지점으로부터 외해 쪽으로 1/40 기울기를 갖는 해저면 경사를 주었다. 수심은 월파의 가능성이 가장 높은 고조위(실물: 4.83 m, 모형: 0.24 m)로 하여 모형실험을 실시하였다. Fig.
- 입사파를 측정하기 위하여 조파기로부터 7.0 m 떨어진 지점에 파고계(WP1)를 1개 설치하였고, 해저 경사면을 지난 후 호안 전면에서의 파를 측정하기 위하여 호안 전면으로부터 0.45 m 떨어진 지점에 파고계(WP2)를 1개 더 설치하였다(Fig. 6 참조). 탑동 호안 구조물에 작용하는 파압을 측정하기 위하여 40 Hz의 표본 추출비율을 갖는 디스크형 파압계를 상부구조물 곡면 돌출부(P1)에 1개, 상부구조물 하단 중심부(P2)에 1개 총 2개를 설치하였다(Fig.
- 입사파의 제원은 파형경사(H/λ) 0.02에서 0.06까지의 범위내에서 규칙파에 대한 주기와 파고를 선정하였다(Table 1 참조).
- 입사파의 파고와 주기 변화에 따른 탑동 호안에서의 월파량을 측정하기 위해 Table 2에 수록된 규칙파 파랑조건하에서 수리모형실험을 실시하였다. Table 2에 수록된 파랑조건(파고, 주기)은 탑동 주변해역에서 발생 빈도가 높은 NE 파향에 대한 50년의 반복주기를 갖는 심해 설계파(파고: 9.
- 01 sec)를 기준으로 마련되었다. 즉, 심해 설계파를 SWAN 수치모형에 외해 경계값으로 주고 천해 설계파를 구하였다. 이로부터 탑동 호안 전면에서의 최대 파고(3.
- 2 참조). 탑동 호안모형 상부구조물내에 월파된 물을 측정하기 위한 사각형 물받이 상자를 설치하였고, 조파기로부터의 재반사에 대한 영향을 제거하기 위해 제한된 측정시간 동안 월파량을 측정한 후, 월파량을 측정시간으로 나누어 단위시간당 월파량을 계측하였다.
- 탑동 호안모형은 조파기로부터 15 m 지점에 설치하였고, 탑동 호안 전면 2.75 m 떨어진 지점에 첫번째 파고계를 설치하였으며 이로부터 0.23 m와 0.59 m 떨어진 지점에 두 번째와 세 번째 파고계를 설치하였다(Fig. 5 참조). 본 실험에서는 40 Hz의 표본 추출비율을 갖는 용량식 파고계를 사용하였다.
대상 데이터
- 6 참조). 탑동 호안 구조물에 작용하는 파압을 측정하기 위하여 40 Hz의 표본 추출비율을 갖는 디스크형 파압계를 상부구조물 곡면 돌출부(P1)에 1개, 상부구조물 하단 중심부(P2)에 1개 총 2개를 설치하였다(Fig. 2 참조). 탑동 호안모형 상부구조물내에 월파된 물을 측정하기 위한 사각형 물받이 상자를 설치하였고, 조파기로부터의 재반사에 대한 영향을 제거하기 위해 제한된 측정시간 동안 월파량을 측정한 후, 월파량을 측정시간으로 나누어 단위시간당 월파량을 계측하였다.
이론/모형
- 본 실험에서는 40 Hz의 표본 추출비율을 갖는 용량식 파고계를 사용하였다. 가정된 파형과 3개의 파고계로부터 계측된 파형의 오차 제곱의 합이 최소가 되도록 미지수를 구하는 최소자승법(Least Squares Method)을 사용하여 입사파와 반사파를 분리하여 반사율을 구하였다.
- 본 수리모형실험에 사용된 탑동 호안모형은 Froude 상사법칙에 따라 1/20 축척비로 아크릴을 가지고 제작하였다. 또한 탑동 호안 설치해역의 수심변화의 영향을 고려하기 위하여 호안 설치 지점으로부터 외해 쪽으로 1/40 기울기를 갖는 해저면 경사를 주었다.
성능/효과
- (2) 곡면 돌출부(P1)와 상부구조물 하단부(P2)에서 측정된 파압은 파고가 커질수록 증가하는 경향을 보여주고 있다. 또한 주기가 8.
- (3) 상부구조물의 형상에 관계없이 월파량은 파고가 커지고 주기가 길어질수록 증가하는 특성을 보였다. 4종류의 상부구조물 형상에 대한 월파량을 비교한 결과, 기본형 모델 > 곡면 돌출부 형상변화 > 상부구조물 높이 증가 > 전체 확장의 순으로 월파량이 줄어들어 상부 구조물의 형상 변화가 월파량 저감에 효과적임을 실험을 통하여 확인하였다.
- (3) 상부구조물의 형상에 관계없이 월파량은 파고가 커지고 주기가 길어질수록 증가하는 특성을 보였다. 4종류의 상부구조물 형상에 대한 월파량을 비교한 결과, 기본형 모델 > 곡면 돌출부 형상변화 > 상부구조물 높이 증가 > 전체 확장의 순으로 월파량이 줄어들어 상부 구조물의 형상 변화가 월파량 저감에 효과적임을 실험을 통하여 확인하였다.
- 4종류의 상부구조물 형상을 비교한 결과, 기본형 모델 > 곡면 돌출부 형상변화 > 상부구조물 높이 증가 > 전체 확장의 순으로 월파량이 줄어들었다.
- type2와 type3의 월파량을 비교하였을 때 상부구조물의 높이 증가(type2)가 돌출부의 형상 변화(type3)보다 월파량을 줄이는데 더욱 효과적임을 알 수 있다. type2와 type3를 모두 수용한 type4인 경우, O14 case(Tp=9.84 sec, Hp=3.2 m)를 제외한 모든 경우에서 항만 및 어항 설계기준(해양수산부[2005])에서 제시한 호안 피재한계 월파량(0.2 m3/sec/m)을 만족하는 수준까지 감소됨을 확인하였다. 따라서 상부구조물의 형상변화가 월파 피해 방지를 위한 좋은 방안임을 모형실험을 통하여 확인하였다.
- 상부구조물의 높이 증가(type2)와 곡면 돌출부의 형상 변화(type3)는 월파량을 줄이는데 큰 기여를 하는 것으로 보인다. type2와 type3의 월파량을 비교하였을 때 상부구조물의 높이 증가(type2)가 돌출부의 형상 변화(type3)보다 월파량을 줄이는데 더욱 효과적임을 알 수 있다. type2와 type3를 모두 수용한 type4인 경우, O14 case(Tp=9.
- 2 m3/sec/m)을 만족하는 수준까지 감소됨을 확인하였다. 따라서 상부구조물의 형상변화가 월파 피해 방지를 위한 좋은 방안임을 모형실험을 통하여 확인하였다.
- Cell 콘크리트 블록을 조립하여 만든 유공 직립 호안으로 이루어진 구간에서의 월파 피해와 구조물 붕괴 위험은 다른 구간(경사형)에 비하여 심각한 수준까지 이르렀다. 또한 유공 구조물 내부로 들어온 파가 유공 구조물을 덮고 있는 상부 콘크리트 구조물에 큰 충격력을 주어 도로 옹벽과 호안 상부구조물에는 균열이 발생하였고 호안 전면에서의 높은 반사파로 세굴현상이 발생하여 탑동 호안 기초부분이 심각하게 훼손된 것으로 확인되었다. 이러한 월파 피해는 최근 기후변화로 인한 해수면 상승과 이상 파랑의 발생 빈도가 높아지는 상황에서 더욱 증가하고 있는 실정이다.
- (1) 탑동 호안 반사율 측정실험을 통하여 주기 변화에 따른 탑동 호안의 반사율을 특성을 파악하였다. 또한 측정된 주기 범위내에서 피복석을 배치한 경우 난류발생에 의한 에너지소멸 효과로 반사율이 감소하였다. 이 실험을 통하여 피복석 또는 TTP의 추가적인 배치는 월파를 줄이는데 어느 정도 기여할 것으로 예상할 수 있다.
- 10에 그렸다. 상부구조물의 형상에 관계없이 주기가 길어질수록 파고가 커질수록 월파량이 대체로 증가하였다. 특히 O14 case(Tp=9.
- 11에 나타내었다. 앞선 그림에서 언급하였듯이 주기가 증가할수록 월파량이 증가하는 것을 확연히 볼 수 있으며, 주기변화에 따른 월파량 증가폭이 type1에서 가장 크게 나타났으며 type3, type2, type4 순으로 월파량의 증가폭이 크게 감소하고 있음을 알 수 있다. 주기변화에 대한 월파량 증가폭이 적은 순으로 월파량도 작게 나타났다.
- 이상의 실험으로부터 현재 시설된 탑동호안은 월파가 크게 발생할 수밖에 없는 구조적인 특징을 지니고 있으며, 이를 보완하기 위해서는 상부구조물의 형상을 수정하여 기존의 P.F.Cell 블록 위에 탑재하는 방안이 가장 바람직하다. 4종류의 상부구조물 형상을 비교한 결과, 기본형 모델 > 곡면 돌출부 형상변화 > 상부구조물 높이 증가 > 전체 확장의 순으로 월파량이 줄어들었다.
후속연구
- 탑동 호안의 월파 피해를 줄이는 대책으로 크게 3가지 방안을 제시할 수 있다. ① 호안 전면에 T.T.P 또는 피복석을 추가로 설치하여 난류에 의한 파 에너지의 소멸효과를 증가시켜 호안 전면의 파고를 줄이는 방안 ② 호안 상부구조물의 높이를 현재보다 높이거나 상부구조물의 곡면 돌출부의 형상을 바꿔 월파에 대응하는 방안 ③ 호안 전면으로 진입하는 입사파를 줄이기 위하여 호안 전면으로부터 일정 거리 띄어 방파제를 설치하는 방안 등이 월파 피해를 줄이는데 도움이 될 것이다.
- 또한 측정된 주기 범위내에서 피복석을 배치한 경우 난류발생에 의한 에너지소멸 효과로 반사율이 감소하였다. 이 실험을 통하여 피복석 또는 TTP의 추가적인 배치는 월파를 줄이는데 어느 정도 기여할 것으로 예상할 수 있다.
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