[논문]파랑하중에 의한 잠제 주변 해저지반의 3차원 동적응답 특성

허동수; 박종률; 이우동

doi:10.5574/ksoe.2014.28.4.331

파랑하중에 의한 잠제 주변 해저지반의 3차원 동적응답 특성
3D Characteristics of Dynamic Response of Seabed around Submerged Breakwater Due to Wave Loading 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.28 no.4 = no.119, 2014년, pp.331 - 337

허동수 (국립경상대학교 해양과학대학 해양토목공학과) , 박종률 (혜인E&C 기술연구소) , 이우동 (국립경상대학교 해양산업연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

We analyzed the 3-D characteristics of the dynamic response of seabed around a submerged breakwater due to wave loading using a 3-D numerical scheme (LES-WASS-3D). Using our model, which considers the wave-structure-sandy seabed interactions in a 3-D wave field, we were able to investigate the 3-D characteristics of the pore-water pressure in the seabed around the submerged breakwater under various incident wave conditions. To verify the 3-D numerical analysis method suggested in this study, we compared the numerical results with the existing experimental results and found good agreement between them. The numerical analysis reveals that high pore-water pressure in the seabed is generated below a large wave height at the front slope of the submerged breakwater. It was also shown that the non-dimensional pore-water pressure in the seabed increases as the wave period increases because the wave energy dissipation decreases on the submerged breakwater and seabed as the wave period increases.

주제어

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 반복 파랑하중의 작용이 잠제 주변 해저지반의 동적응답에 미치는 영향에 대해서 수치적으로 고찰하는 것을 목적으로 한다. 먼저 LES-WASS-3D의 유효성 및 타당성 확보를 위하여 기존의 수리모형실험(Mizutani et al.
본 연구에서는 3차원 파동장 내에서 파⋅구조물⋅지반의 상호 간섭에 따른 해저지반의 동적응답 특성을 파악하기 위하여 Fig. 4와 같은 수치파동수조를 구성하였다.
따라서 해저지반 표면과 해저지반 내의 간극수압에는 위상차가 발생하게 되며, 해저지반내의 유효응력의 변화를 유발한다. 본 연구에서는 간극수압이 높을수록 이러한 현상이 두드러질 것으로 판단하여 최대간극수압 위주로 검토를 수행한다.
이와 같이 입사파 조건에 따라 잠제 주변의 파고가 변화하게 되며, 이러한 파고의 변화에 따라 해저지반 내의 간극수압도 변동하게 된다. 이에 대해서는 후술하는 잠제 주변의 간극수압 분포에서 고찰한다.

제안 방법

,(2008)은 3차원 수치해석기법을 적용하여 혼성제 제두부 부근의 해저지반에서 입사각 및 해저지반의 종류에 따른 간극수압, 유효응력 및 액상화 깊이에 관한 검토를 수행하였다. 또한 잔류간극수압의 3차원 지배방정식을 정의 하였으며, 1차원 해석에 따른 잔류간극수압과 비교 및 검토하였다. 하지만, 파동장과 지반부에 대해 다른 지배방정식으로 구성하는 Hybrid 기법의 적용으로 해석과정이 다소 복잡한 측면을 지니고 있으며, 투과성 구조물의 적용에 제한이 따르는 단점이 있다.
먼저 LES-WASS-3D의 유효성 및 타당성 확보를 위하여 기존의 수리모형실험(Mizutani et al., 1998)과비교⋅검토를 수행하였다.
1에나타내었다. 무반사조파를 위하여 x축 양단에 부가감쇠영역과 offshore측에 조파소스를 위치시켰다. 해석영역에는 두께(d) 19cm의 불투과 해저지반 사이에 평균입경(D_P ) 0.
본 연구에서 이용한 3차원 수치해석기법(LES-WASS-3D)의 타당성을 검증하기 위하여 기존의 수리모형실험(Mizutani et al., 1998)에 근거한 3차원 수치파동수조를 구성하였으며, Fig. 1에나타내었다. 무반사조파를 위하여 x축 양단에 부가감쇠영역과 offshore측에 조파소스를 위치시켰다.
본 연구에서는 3차원 파동장 내에서 파⋅구조물 ⋅ 지반의 상호간섭에 따른 해저지반의 동적응답특성을 파악하기 위하여 3 차원수치해석기법(LES-WASS-3D)을 이용하였으며, 기존의 수리 모형실험(Mizutani et al., 1998)과의 비교 ⋅ 검토를 통해 타당성및 유효성을 확보하였다.
, 1998)과 비교⋅검토를 수행하였다. 이 검증을 통해 신뢰성을 확보한 LES-WASS-3D를 이용하여, 잠제의 유무 및 입사파 조건의 변화에 따른 잠제 주변 해저지반의 동적거동 특성에 대한 검토를 수행하였다.
, 1998)과의 비교 ⋅ 검토를 통해 타당성 및 유효성을 확보하였다. 타당성이 확보되었다고 판단되는 수치해석기법을 이용하여 잠제의 유무 및 입사파 조건에 따른 잠제 주변 해저지반 내의 최대간극수압 분포특성을 검토하였으며 주요한 결론을 나타내면 다음과 같다.

대상 데이터

해석영역에는 두께(d) 19cm의 불투과 해저지반 사이에 평균입경(DP ) 0.08cm, 공극율 (γv ) 0.34인 모래층을 설치하고, 모래층 위에 평균입경(DP ) 2.70cm, 공극률(γv ) 0.41인 잠제를 위치시켰으며, 잠제의 사면경사(S)는 1:2, 천단수심(R)은 9cm, 수조 폭은 70cm이다.

데이터처리

입사파 조건으로는 입사파고(Hi ) 3.0cm,입사 주기(Ti ) 1.4sec의 규칙파를 적용하여 본 연구의 계산결과와 실험치를 비교⋅검토하였다.

이론/모형

이러한 단점을 보완하기 위하여 본 연구에서는 PBM(Porous body model)에 기초한 3차원 수치해기법(LES-WASS-3D; Hur et al., 2012)를 이용한다. 이 수치모델은 파동장과 지반부에 동일한 지배방정식을 적용함으로서 파⋅구조물⋅지반의 상호작용을 직접 해석할 수 있게 된다.

성능/효과

(1) 잠제 전면에서 비교적 높은 간극수압이 분포하는 것을 확인할 수 있었으며 배후측에서는 잠제상 쇄파에 의한 파고감쇠로 낮은 간극수압을 나타내었다. 특히, 잠제의 전면 사면에서 급격한 수심 감소와 반사파의 영향으로 인하여 높은 파고가 형성됨에 따라 해저지반 내에서도 높은 간극수압이 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
(2) 입사주기(T_i)가 길어질수록 더 깊은 심도까지 영향을 주기 때문에 입사주기(T_iT_i)가 길어질수록 지반깊이에 따른 간극수압 위상차이가 줄어드는 경향을 보였다.
(3) 동일파고에서 입사주기(T_i)가 길어질수록(파형경사(H_i /L_i) 가 감소) 잠제 및 해저지반에서 에너지감쇠가 작아지기 때문에 해저지반 내의 무차원 최대간극수압도 증가하는 경향을 나타낸다. 잠제의 제장(L)이 일정할 경우 입사주기에 따라 y축을 따른 최대간극수압의 최대치 위치가 주기성을 가지며 변화 하였다.

Fig. 6의 (b)와 (d)에 나타낸 잠제가 없을 경우에는 변동수압의 영향을 크게 받는 해저지반의 표면에서 높은 최대간극수압이 일정하게 분포하고 지반 내부로 깊어질수록 낮은 간극수압을 나타내지만, (a)와 (c)의 잠제가 있을 경우에는 Fig. 5에 나타낸 파고분포와 유사하게 잠제 전면에서 비교적 높은 간극수압이 분포하는 것을 확인할 수 있으며, 배후측에서는 잠제상 쇄파에 의한 파고감쇠로 낮은 간극수압을 나타내고 있다. 특히, 잠제의 전면 사면에서 급격한 수심 감소와 반사파의 영향으로 인하여 높은 파고가 형성됨에 따라 해저지반 내에서도 높은 간극 수압이 나타나는 것을 확인할 수 있다.

4. 해저지반내의 무차원 간극수압을 해저지반 표층(z/h=-0.05 값에 대한 비로 나타내면, 해저지반 내부로 내려갈수록 무차원 간극수압의 비(pmax/pmax(z/h =- 0.05))가 감소하는 것을 확인할수 있었으며, 입사주기(Ti)가 길어질수록 해저지반의 영향을 덜받기 때문에 해저지반 내부에서 최대간극수압의 비가 높게 분포하였다.

8 (d)~(f)에 나타낸 바와 같이 잠제 전면측 사면부근(F-F단면)에서 무차원 최대간극수압의 최대치가 나타나며, 잠제 상을 진행할수록 무차원 최대간극수압이 감소하여 잠제 중앙부근 에서 최소치를 나타내고 있다. 또한 입사주기(T_i)에 따라 y축에 따른 무차원 최대간극수압의 공간분포가 달라지는 것을 확인할 수 있다. 이는 Fig.

05))가 감소하는 것을 확인할수 있었으며, 입사주기(T_i)가 길어질수록 해저지반의 영향을 덜받기 때문에 해저지반 내부에서 최대간극수압의 비가 높게 분포하였다. 또한 잠제 측면에서 중앙부로(No. 2 지점에서 No. 4 지점으로) 갈수록 미소하지만 표층에 대한 무차원 최대간극수 압의 비가 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.

그리고 입사주기(T_i)가 길어질수록 해저지반 내부에서 간극수압의 비도 높게 분포하는 것을 알 수 있는데, 이는 입사주기(T_i)가 길어질수록 해저지반의 영향을 덜받기 때문으로 판단된다. 또한 잠제 측면에서 중앙부로(No. 2 지점에서 No. 4 지점으로) 갈수록 미소하지만 표층에 대한 무차원 최대간극수압의 비가 줄어드는 것을 확인할 수 있다.

5에 나타낸 파고분포와 유사하게 잠제 전면에서 비교적 높은 간극수압이 분포하는 것을 확인할 수 있으며, 배후측에서는 잠제상 쇄파에 의한 파고감쇠로 낮은 간극수압을 나타내고 있다. 특히, 잠제의 전면 사면에서 급격한 수심 감소와 반사파의 영향으로 인하여 높은 파고가 형성됨에 따라 해저지반 내에서도 높은 간극 수압이 나타나는 것을 확인할 수 있다.

(1) 잠제 전면에서 비교적 높은 간극수압이 분포하는 것을 확인할 수 있었으며 배후측에서는 잠제상 쇄파에 의한 파고감쇠로 낮은 간극수압을 나타내었다. 특히, 잠제의 전면 사면에서 급격한 수심 감소와 반사파의 영향으로 인하여 높은 파고가 형성됨에 따라 해저지반 내에서도 높은 간극수압이 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

9로부터 전체적으로 높은 파고가 형성되는 잠제 전면 사면 부근에서 높은 간극수압을 나타내고 있으며, 입사주기(T_i)가 길어질수록 잠제에 의한 에너지감쇠가 작아지기 때문에 해저지반 내의 간극수압은 증가하는 경향을 보인다. 또한 Fig. 10에 나타낸 바와 같이 입사주기(T_i)에 따라 y-z 평면의 잠제 저면 간극수압의 분포형태가 달라지며, 이는 전술한 바와 같이 잠제의 제장(L)과 입사파장(L_i)의 비에 따라 달라지는데 이러한 특성에 대해서는 향후 더욱 구체적인 검토가 필요할 것으로 판단된다. 그리고 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	해저지반상에 위치한 해안구조물에 의해 발생하는 파동장 변화의 영향은?	최근 해안 및 해양의 개발에 대한 사회적인 관심이 고조되고 있으며, 연안역의 이용 및 보전 등을 위하여 많은 해안구조물이 설계 및 설치된다. 해저지반상에 위치한 해안구조물로 인하여 파동장의 변화가 발생하며, 해저지반은 너울성 파랑 및 태풍에 의한 해일을 비롯하여 반복적이고 장기적인 파랑하중을 받게 된다. 이러한 파랑하중의 변동에 따른 해저지반의 동적응답으로 인하여 해저지반 내에서는 간극수압의 증가, 지지력 감소, 액상화 현상 및 세굴이 발생하여 해안구조물이 침하 및 파괴되는 사례가 보고되고 있다(Sumer and Fredsoe, 2002).
	파랑하중의 변동에 따른 해저지반의 동적응답에 의한 악영향은 무엇이 잇는가?	해저지반상에 위치한 해안구조물로 인하여 파동장의 변화가 발생하며, 해저지반은 너울성 파랑 및 태풍에 의한 해일을 비롯하여 반복적이고 장기적인 파랑하중을 받게 된다. 이러한 파랑하중의 변동에 따른 해저지반의 동적응답으로 인하여 해저지반 내에서는 간극수압의 증가, 지지력 감소, 액상화 현상 및 세굴이 발생하여 해안구조물이 침하 및 파괴되는 사례가 보고되고 있다(Sumer and Fredsoe, 2002). 따라서 이러한 해저지반의 불안정에 의한 해안구조물의 피해를 감소시키기 위해서는 설계단계에서부터 해저지반의 동적응답에 대한 충분한 검토가 수행되어야 한다.
	PBM(Porous body model)에 기초한 3차원 수치해기법의 특징은 무엇인가?	, 2012)를 이용한다. 이 수치모델은 파동장과 지반부에 동일한 지배방정식을 적용함으로서 파⋅구조물⋅지반의 상호작용을 직접 해석할 수 있게 된다.

참고문헌 (9)

Hur, D.S., Kim, C.H., Kim, D.S., Yoon, J.S., 2008. Simulation of the Nonlinear Dynamic Interactions Between Waves, a Submerged Breakwater and the Seabed. Ocean Engineering, 35, 511-522.

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Hur, D.S., Kim, C.H, Yoon, J.S., 2010. Numerical Study on the Interaction Smong Nonlinear Wave, Composite Breakwater and Ssandy Seabed, Coastal Engineering, 57, 917-930.

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Hur, D.S., Lee, W.D, Cho, W.C., 2012. Three-dimensional Flow Characteristics around Permeable Submerged Breakwaters with Open Inlet. Ocean Engineering, 44, 100-116.

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Jeng, D.S., 1997. Wave-induced Seabed Instability in front of a Breakwater. Ocean Engineering, 24, 887-917.

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Jeng, D.S., 2001. Mechanism of the Wave-induced Seabed Instability in the Vicinity of a Breakwater: a Review. Ocean Engineering, 28, 537-570.

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Jeng, D.S., Li, J., 2008. Response of Porous Seabed around Breakwater Heads. Ocean Engineering, 35, 864-886.

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Jiang, Q.S., Takahashi, Y., Murakami, M, Isobe, M., 2000. A VOF-FEM Model for the Interaction among Wave, Soils and Structure. JSCE, Proceedins of Coastal Engineering, 47, 51-55.
Mizutani, N., Mostafa, A.M, Iwata, K., 1998. Nonlinear Regular Wave, Submerged Breakwater and Seabed Dynamic Interaction. Coastal Engineering, 33, 177-202.

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Smagorinsky, J., 1963. General Circulation Experiments with the Primitive Equation. Monthly weather review, 91(3), 99-164.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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