[논문]고파랑이 내습하는 방조제 피복석의 안정성 평가 - 새만금방조제를 중심으로 -

손재권; 고남영; 김덕구; 박설화

doi:10.5389/ksae.2016.58.4.047

고파랑이 내습하는 방조제 피복석의 안정성 평가 - 새만금방조제를 중심으로 -
Stability Evaluation of Armor Stones in the Seadike of Incoming High Waves - Focused on Saemangeum Seadike - 원문보기

한국농공학회논문집 = Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, v.58 no.4, 2016년, pp.47 - 55

손재권 (Department of Regional Construction Engineering, Chonbuk National University) , 고남영 (Department of Regional Construction Engineering, Chonbuk National University) , 김덕구 (Hyein Engineering & Construction) , 박설화 (Hyein Engineering & Construction)

Abstract ▼ AI-Helper

This study is on the stability re-evaluation of armor stones in saemangum seadike according to recently increased sea-level and frequent high wave incoming and the results are in the following. The field inspection of armor stones in the seadike revealed that damages of armor stones have been caused by higher waves than designed waves and that the reconstruction of armor stones and concrete grouting method have been used as the reinforcement work. The result of numerical simulation of wave channel conducted to estimate the safety weight of armor stones influenced by flows revealed that the safety weight of armor stones in the seadike No.4 was estimated as 5.47 tons by using the Isbash method, which is about 122 % more than 4.49 tons estimated by using Van der Meer method. Therefore, in designing armor stones which can be influenced by high waves such as the case of Saemangum seadike, it is necessary to apply the safety weight method of armor stones, based on the Isbash method, which produced the significant figures among the safety weight methods using flows as well as the safety weight method using high waves based on the Hudson method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 방조제 피복석의 안정중량을 산정할 경우 파랑에 의한 안정중량 산정방법뿐만 아니라 흐름에 의한 안정 중량산정방법을 추가로 분석하여 고파랑이 내습하는 방조제의 피복석 설계 및 보수․ 보강 시 필요한 기초자료를 제공하고자 하였다.
1과 같이 4개의 방조제 중에서 고파랑이 내습하는 새만금 1호 및 4호 방조제를 중심으로 현장조사 및 피복석 안정성을 분석하였다. 또한 심해에 시공된 새만금 방조제와 같이 고파랑이 내습하는 방조제의 안정성 평가에 필요한 자료를 제공하기 위하여 새만금 방조제 및 기 시공된 방조제의 피복석 피해현황을 현장조사 하였다.

제안 방법

연구대상구간은 Fig. 1과 같이 4개의 방조제 중에서 고파랑이 내습하는 새만금 1호 및 4호 방조제를 중심으로 현장조사 및 피복석 안정성을 분석하였다. 또한 심해에 시공된 새만금 방조제와 같이 고파랑이 내습하는 방조제의 안정성 평가에 필요한 자료를 제공하기 위하여 새만금 방조제 및 기 시공된 방조제의 피복석 피해현황을 현장조사 하였다.
방조제 피복석의 안정성 분석은 조위별 · 빈도별 설계파 산정 결과를 토대로 구간별 설계파고에 대한 사석의 안정중량식을 이용하여 안정중량을 산정하고 시공된 중량과 비교 · 분석하였다. 또한 CADMAS-Surf 모형을 이용하여 불규칙 설계파 내습시 각방조제 전면에서의 최대유속을 산정하여 최대유속에 의한 사석의 안정중량을 검토하여 안정성을 평가하였다.
본 연구에서는 최근 해수면 변화 및 고파랑 내습 빈도가 높아짐에 따라 새만금 방조제를 중심으로 피복석 안정중량 및 최대유속을 산정하여 피복석 안정성을 재평가하였으며 그 결과는 다음과 같다.
새만금 1 · 4호 방조제 피복석의 상태를 조사하기 위하여 피복석의 마모 및 이탈을 중심으로 현장조사 하였다. 1호 방조제의 경우, 상부사면은 전구간이 보강공사가 시공된 상태이며, 1개소에 균열이 발견되었을 뿐 전반적으로 안정된 상태이다.
설계파랑은 최근 지구온난화로 인한 해수면상승 및 태풍내습강도의 증가 등 기후변화, 기존 설계파 빈도 (1,000년 빈도) 및 방조제의 내용년수 (100년 이상)에 따른 파괴확률 등을 고려하여 빈도별 · 조위별 실험결과 중 방조제에 가장 악영향을 미칠 것으로 판단되는 1,000년 빈도 심해설계파 및 1,000년 빈도 고극조위시로 결정하여 적용하였으며 수치모형실험(SWAN)결과는 Table 1~Table 2에서 보는 바와 같다.
심해설계파 파랑제원은 Fig. 3과 같이 새만금 인근의 13개 격자점을 토대로 격자점별 파고를 내삽하고 파향별로 대상지에 가장 큰 영향을 미칠 수 있는 대표주기를 선정하여 수치모형의 경계조건으로 사용하였으며, 실험영역은 광역 (87 km × 75 km, 200 m), 중간역 (30 km × 30 km, 50 m), 상세역 (6 km × 6 km, 10 m)으로 구분하여 설계파랑을 실험하였다.
최대유속에 의한 안정중량 산정을 수치파동수로실험을 수행하여 최대유속을 산정하였다. 먼저 수치파동주조는 축적비율은 1:1로 실제와 동일하게 진행하였으며, 실험에 사용된 수조는 Fig.
한 개의 석재가 유수 중에서 이동하기 위한 한계조건을 양력 및 항력, 사석의 수중중량의 항으로 표현하고 사석의 안식각을 고려하여 사석의 중량을 산정하였다 (MOF, 2005).

대상 데이터

현재 시공된 방조제들 중 피복석 피해와 보수보강사례 (KRC, 2009)가 있는 9개 방조제 (시화 방조제, 남양방조제, 아산방조제, 삽교천방조제, 석문방조제, 대호방조제, 대천방조제, 남포방조제, 부사방조제)에 대하여 현장조사를 실시하였다.

데이터처리

방조제 피복석의 안정성 분석은 조위별 · 빈도별 설계파 산정 결과를 토대로 구간별 설계파고에 대한 사석의 안정중량식을 이용하여 안정중량을 산정하고 시공된 중량과 비교 · 분석하였다. 또한 CADMAS-Surf 모형을 이용하여 불규칙 설계파 내습시 각방조제 전면에서의 최대유속을 산정하여 최대유속에 의한 사석의 안정중량을 검토하여 안정성을 평가하였다.

이론/모형

, 2003). 본 연구에서는 방조제 피복석을 항만 및 어항설계기준 (MOF, 2005)에서 제시된 거칠고 모가 있는 돌의 난적거치방법에 따른 K_D값(쇄파: 2.0, 비쇄파: 4.0)을 사용하여 중량을 산정하였다.
새만금 방조제 심해설계파 분석을 위하여 최근 산출된 "전해역 심해설계파 추정보고서Ⅱ(KORDI, 2005)"의 자료를 이용하여 빈도별 입사파제원 (1,000년 빈도는 외삽)을 적용하여 수치모형실험의 경계조건으로 사용하였다. 수치모형실험은 불규칙파를 모의할 수 있는 SWAN 모형을 사용하여 설계파를 산정하였다.
새만금 방조제 심해설계파 분석을 위하여 최근 산출된 "전해역 심해설계파 추정보고서Ⅱ(KORDI, 2005)"의 자료를 이용하여 빈도별 입사파제원 (1,000년 빈도는 외삽)을 적용하여 수치모형실험의 경계조건으로 사용하였다. 수치모형실험은 불규칙파를 모의할 수 있는 SWAN 모형을 사용하여 설계파를 산정하였다.
수치파동수로 (CADMAS-SURF)의 기초 방정식은 2차원 비압축성 점성유체를 대상으로 한 연속방정식과 Porous모형을 근거하여 확장한 Navier-Stokes운동방정식으로 구성되며 그 식은 다음과 같다.

성능/효과

수치모형실험분석 결과에서 나타난 최대 파고를 적용하여 Hudson 및 Van der Meer식을 이용한 안정중량 산정 결과는 Table 4~Table 5와 같다. 1호 방조제 피복석의 안정중량산정 결과(Table 4) No.18~32구간 안정중량이 Van der Meer식에서 5.38 톤으로 가장 크게 나타났으며 시공된 중량 (Table 3)과 비교할 때 안정중량이 시공중량을 약 168 % 초과한 것으로 나타났다. 이는, 과거 설계당시보다 장주기의 파랑 내습으로 인해 주기에 따른 안정중량이 증가하는 Van der Meer식에서 안정중량이 크게 산정된 것으로 판단된다.
2. Hudson식 및 Van der Meer식을 이용하여 파랑에 의한 피복석 안정중량 산정결과 1호 방조제의 경우 일부구간 (No.18~32), 4호방조제의 경우 전 구간에서 안정중량이 시공된 중량보다 130 %~168 %크게 산정되었기 때문에 시공된 피복석은 안정중량을 만족하지 못한 것으로 분석되었다. 이는, 기존 설계파보다 주기가 길어진 영향과 주기를 고려할 수 있는 Van der Meer식을 적용한 결과로서, 피복석 안정중량 산정시 주기를 고려하는 산정식의 적용이 필요하고 판단된다.
3. 최대유속 (흐름)을 고려한 피복석의 안정 중량을 산정하기 위하여 수치파동수로시험을 실시한 결과 4호 방조제에서 피복석 안정중량이 Isbash식에서 5.47 톤으로 산정되어 Van der Meer식에 의한 4.49 t 보다 약 122 % 더 크게 산정되었다. 따라서 고파랑이 내습하는 방조제의 피복석의 설계 시에는 기존의 파랑에 의한 안정중량방법과 최대유속 (흐름)을 고려한 안정중량방법을 비교하여 가장 큰 안정 중량을 적용하는 안전측 설계가 필요하다고 판단된다.

후속연구

따라서 고파랑이 내습하는 방조제의 피복석의 설계 시에는 기존의 파랑에 의한 안정중량방법과 최대유속 (흐름)을 고려한 안정중량방법을 비교하여 가장 큰 안정 중량을 적용하는 안전측 설계가 필요하다고 판단된다.
따라서 새만금 방조제와 같이 고파랑이 내습하는 방조제 피복석의 설계 및 보수 · 보강 시에는 기존의 Hudson식을 중심으로 한 파랑에 의한 안정중량 방법 이외에 Isbash식을 중심으로 한 흐름에 의한 안정중량방법 중 가장 크게 산정된 피복석 안정중량을 적용하는 방안을 추가로 도입하여 피복석 안정성을 제고할 수 있는 평가방법의 개선이 필요하다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	많은 간척사업이 서해안에서 시행하게 된 개발계획은?	우리나라 서해안 지역은 굴곡이 크고 큰 조수간만의 차에 의하여 넓은 간석지가 잘 발달하여 간척사업의 천혜의 적지로 여겨졌으며 1960년대에 이르러 국가 경제개발계획의 일환으로 시행된 동진강 간척사업을 필두로 많은 간척사업이 서해안에서 시행되었다 (KRC, 2009). 특히 2010년에 완공된 새만금 방조제는 세계에서 가장 긴 방조제 (L=33.
	서해안 지역이 간척사업의 천혜의 적지로 여겨진 이유는?	우리나라 서해안 지역은 굴곡이 크고 큰 조수간만의 차에 의하여 넓은 간석지가 잘 발달하여 간척사업의 천혜의 적지로 여겨졌으며 1960년대에 이르러 국가 경제개발계획의 일환으로 시행된 동진강 간척사업을 필두로 많은 간척사업이 서해안에서 시행되었다 (KRC, 2009). 특히 2010년에 완공된 새만금 방조제는 세계에서 가장 긴 방조제 (L=33.
	방조제 피복석의 안정에 대한 국내외 연구동향은 어떠한가?	Hudson (1959)은 사석식 방파제의 피복석 안정중량을 산정 하기 위해 내습파랑의 파고와 피복석 중량에 따른 안정성을 평가 하여 피해율에 따른 피복석 안정중량 산정식을 제시하였다. CERC (1984)는 Shore Protection Manual에서 경사제 경사면에서의 유속에 의한 사석중량 산정을 위하여 Isbash공식을 제시 하였다. Van de meer (1987)은 내습파랑의 주기 변화에 따른 사석식 방파제의 피해율을 수리실험을 통해 평가하여 주기변화에 따른 피해율을 제시하였으며, 기존 Hudson의 피복석의 안정중량 산정식에 파랑 주기를 고려할 수 있도록 수정하여 제시하였다. Baek et al. (2011)은 새만금 방조제를 중심으로 파랑하중이 작용하는 동안 피복석층에 발생하는 응력과 변형에 대한 거동을 지반공학적 측면에서 평가하여 파랑하중 증가에 따른 피해발생 가능성을 제시하였다. Son et al. (2013)은 새만금 방조제 구간 중고파랑 내습구간의 피복석의 안정성이 미확보 되는 것은 지속적인 파랑 내습으로 인하여 피복석이 설계중량 이하로 마모되는 것이 그 원인이라고 하였다. MOF (2014)는 항만 및 어항설계 기준서에서 경사제의 경우 피복재의 안정중량 및 두께를 중심으로 안정성을 평가하도록 제시하고 있으며, 피복재의 안정중량은 경험 공식 (Hudson, Van de meer)에 의한 방법과 수리모형실험을 통해 산정하는 방법을 제시하고 있다. Goh et all. (2015)은 파랑에 의한 방조제 피복석의 피해방지를 위해서는 재료특성의 차이가 큰 피복석의 조합시공을 방지할 수 있는 시방규정의 제정이 필요하다고 하였다. 이와 같이 피복석에 대한 선행연구는 주로 Hudson식에 의한 사석중량 산정방법으로 안정성 평가가 이뤄지고 있다.

참고문헌 (18)

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Goh, N. Y., H. W. Kim, J. K. Choi, T. I. Jang, J. G. Son, 2015, Abrasion Characteristics of Seaside Armor Stones of Seadike, Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers 57(5): 19-27 (in Korean).

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Isbash, S. 1935, Construction of Dams by Dumping Stones into Flowing Water, Rep., U.S. Army Engineering District, U.S. Army Corps of Engineers, Eastport, Maine.
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원문보기 상세보기
The SWAN team, 2013, SWAN Cycle III version 40.91A. Technical documentation, Delft University of Technology, Netherlands.
US Army Corps of Engineers, 2003, Coastal Engineering Manual(C.E.M).
Van der Meer J.W., 1987, Stability of breakwater amour layer-Design formulae, Coastal Engineering 11: 219-239.

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Wesseling, P., An introduction to multigrid methods, John Wiley and Sons, Chichester, 1992.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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