[논문]배후수위 저감효과를 가진 신기능 잠제의 개발

허동수; 이우동; 구남헌; 전호성; 정연명

doi:10.5574/ksoe.2017.31.2.130

배후수위 저감효과를 가진 신기능 잠제의 개발
Development of New Type of Submerged Breakwater for Reducing Mean Water Level behind Structure 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.31 no.2, 2017년, pp.130 - 140

허동수 (국립경상대학교 해양토목공학과) , 이우동 (국립경상대학교 해양산업연구소) , 구남헌 ((주)다산컨설턴트 특수사업부) , 전호성 (한국건설기술연구원 수자원 하천연구소) , 정연명 (국립경상대학교 해양토목공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Typically, a submerged breakwater is one of the good scene-friendly coastal structures used to reduce wave energy and coastal erosion. However, sometimes, a submerged breakwater also has a negative aspect in that a strong rip current occurring around an open inlet due to a difference in mean water levels on the front and rear sides of the structure leads to scouring. Such scouring has a bad effect on its stability. In order to eliminate this kind of demerit, this study investigated four new types of submerged breakwaters with drainage channels. First, hydraulic experiments were performed the typical and new structures. Then, the wave height and mean water level distributions around the structures were examined using the experimental results. Finally, it was revealed that the new type of submerged breakwater could efficiently reduce the mean water level on its rear side. In particular, in the case of new-type submerged breakwater 2, an average reduction efficiency of 71.2% for the difference between the mean water levels at the front and rear sides was shown in comparison with the typical one.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그리고 계측된 자료들로부터 일반 잠제 대비 신기능 잠제의 평균수위 변화특성을 파악한다. 다음으로 이러한 평균수위의 제어가 잠제 개구부의 이안류를 포함한 주변 흐름 특성에 미치는 영향에 대해 검토한 후, 최종적으로 제안한 신기능 잠제의 효율성에 대해 논의하는 것을 목적으로 한다.
본 연구에서는 입사파를 효율적으로 제어하면서 배후수위를 저감할 수 있도록 관로를 설치한 신기능 잠제를 제안하여 2차원 수리모형실험을 실시하였다. 이러한 수리모형실험의 결과를 분석하여 관로의 설치가 잠제 전후의 평균수위차에 주는 영향을 논의하였다.
본 연구에서는 잠제 배후의 평균수위를 하강시키기 위한 관로가 설치된 신기능 잠제와 일반 잠제를 적용하여 수리모형실험을 실시한다. 그리고 계측된 자료들로부터 일반 잠제 대비 신기능 잠제의 평균수위 변화특성을 파악한다.
그리고 본문에 나타내지는 않았지만 영상분석결과에 따르면, 파형경사(H_i/L_i)가클수록 마루수심과 파고와의 비(R/H_i )가 작을수록 관로를 통한 외해측으로 빠져나가는 흐름이 강한 것을 확인할 수 있었다. 이것 역시 후술하는 평균수위분포와 연관하여 고찰한다.
본 연구에서는 입사파를 효율적으로 제어하면서 배후수위를 저감할 수 있도록 관로를 설치한 신기능 잠제를 제안하여 2차원 수리모형실험을 실시하였다. 이러한 수리모형실험의 결과를 분석하여 관로의 설치가 잠제 전후의 평균수위차에 주는 영향을 논의하였다. 본 연구에서 얻어진 주요한 사항을 기술하면 아래와 같다.

제안 방법

(3) 관로 내의 흐름에 대해 신기능 잠제 단면1(수평관로 및 수직관로 설치)과 단면2(수평관로 설치)를 비교하였다. 그 결과 단면1의 경우 잠제 배후측 수평관로를 통하여 시작된 흐름이 수직관로를 통하여 잠제 마루 위로 일부분 빠져나가고, 나머지 흐름만 수평관로를 통해 전면으로 향하게 됨에 따라 단면2의 경우에 비해 흐름이 느려졌다.
(5) 신기능 잠제의 배후수위 저감기구를 이해하기 위하여 실험결과를 종합적으로 분석하여 신기능 잠제 주변의 흐름구조(순환류)를 도시하였다.
본 연구에서는 잠제 배후의 평균수위를 하강시키기 위한 관로가 설치된 신기능 잠제와 일반 잠제를 적용하여 수리모형실험을 실시한다. 그리고 계측된 자료들로부터 일반 잠제 대비 신기능 잠제의 평균수위 변화특성을 파악한다. 다음으로 이러한 평균수위의 제어가 잠제 개구부의 이안류를 포함한 주변 흐름 특성에 미치는 영향에 대해 검토한 후, 최종적으로 제안한 신기능 잠제의 효율성에 대해 논의하는 것을 목적으로 한다.
9와 10은 신기능 잠제의 관로 내의 흐름특성을 분석하기 위하여 대표적으로 잠제 단면1과 2에 관한 결과를 나타낸다. 그리고 조파 이후에 형성된 정상상태 하에서 잠제 배후측 관로 입구에 염료를 떨어뜨려 관로 속으로 지나가는 염료의 이동을 분석하여 선단을 화살표로 표시하였다. 또한 촬영을 초당 30플레임으로 하였기에 1주기는 45장이 되고, 나타낸 9장의 사진들의 시간간격은 5/45주기이다.
2(e)에 나타내고 있는 것과 같이 일반적인 사다리꼴 잠제에 대해서도 실험을 실시하였다. 또한 관로를 통한 흐름의 가시화를 위하여 별도의 실험을 수행하였다. 조파 개시 후 파동장이 안정된 다음 잠제 배후측 관로의 입구부근에 잉크를 주입하고 비디오카메라를 이용하여 관로 내부의 흐름을 30fps로 촬영하였으며, 이를 이용하여 각 입사조건에 따라 잠제 배후에서 관로를 통하여 잠제 전면으로 향하는 흐름을 정성적으로 분석하였다.
수위측정에는 검출선 30cm의 용량식파고계 6개를 이용하였다. 모든 측정값을 시간에 대하여 동기화하기 위해 파고계 No. 0을 고정하고, 나머지 5개의 파고계를 이동하며 3번에 걸쳐 측정하였다. 그리고 마루수심이 2cm(h=27cm)인 경우에는 파고계 No.
신기능 잠제의 단면제원 변화에 따른 배후수위 조절효과를 파악하기 위하여 단면 2차원 수리모형실험을 실시하였다. 수리모형실험은 길이 35m, 폭 0.5m, 높이 1.2m의 파동수조에서 수행하였으며, 수조에는 전면경사 1:25의 불투과 해저지반을 설치하고, 그 위에 1:2의 경사면을 가진 신기능 잠제를 설치하였다. 그리고 입사파는 반사파 흡수식 피스톤 조파기를 이용하여 생성하였다.
신기능 잠제의 단면제원 변화에 따른 배후수위 조절효과를 파악하기 위하여 단면 2차원 수리모형실험을 실시하였다. 수리모형실험은 길이 35m, 폭 0.
또한 관로를 통한 흐름의 가시화를 위하여 별도의 실험을 수행하였다. 조파 개시 후 파동장이 안정된 다음 잠제 배후측 관로의 입구부근에 잉크를 주입하고 비디오카메라를 이용하여 관로 내부의 흐름을 30fps로 촬영하였으며, 이를 이용하여 각 입사조건에 따라 잠제 배후에서 관로를 통하여 잠제 전면으로 향하는 흐름을 정성적으로 분석하였다.

대상 데이터

8에서 잠제 배후측으로 40cm 위치에 설치하였다. 그 밖의 파고계의 간격은 30cm이며, 모든 파고계에서는 25Hz 간격으로 1,024개의 수면변위 자료를 취득하였다.
1 참조). 수위측정에는 검출선 30cm의 용량식파고계 6개를 이용하였다. 모든 측정값을 시간에 대하여 동기화하기 위해 파고계 No.
실험에 사용된 잠제 모형은 불투과성 아크릴판을 이용하여 제작하였다. 신기능 잠제의 단면형상은 Fig.
10은 신기능 잠제 단면2의 경우를 각각 나타낸다. 실험조건은 CASE8(H_i=7cm, T_i=1.5s, h=27cm)이고, 파는 우측에서 좌측으로 진행하고 있다.
조파수조에서 파고계의 위치는 조파기 전면에서 12m 떨어진 곳에 입사파 측정을 위한 파고계를 설치하였고, 잠제 주변의 15개 지점에 30cm간격으로 파고계를 설치하여 수위변동 자료를 수집하였다(Fig. 1 참조). 수위측정에는 검출선 30cm의 용량식파고계 6개를 이용하였다.

성능/효과

(1) 일반 잠제(단면5) 및 신기능 잠제(단면1, 2)의 전후 및 마루 위의 수면파형으로부터 파랑감쇠효과를 마루수심과 파고와의 비(R/H_i )에 따른 파랑변형특성 및 관로 설치에 따른 수면파형의 위상변화를 이해할 수 있었다.
(2) 일반 감제(단면5)와 신기능 잠제의 파랑감쇠효과를 비교하면, 전체적으로 일반 잠제의 경우가 효과가 크게 나타났다. 그러나 그 차이는 그다지 크지 않으며, 적절한 제원의 신기능잠제를 고려하여 파랑제어기능을 강화할 수 있다.
(4) 신기능 잠제의 경우 관로의 설치로 인해 구조물 배후에서 외해측으로 빠져 나가는 흐름을 발생시키며, 이로 인해 기존 잠제에 비해 전후의 평균수위차를 크게 감소시켰다. 수평관로만 설치한 단면1은 평균 65.
한정적인 2차원 실험환경에서 얻어진 결과이기는 하지만, 잠제 내부에 관로를 설치할 경우에 잠제 배후의 평균수위를 적절히 조절하여 제체의 안정성에 영향을 줄 수 있는 주변의 흐름을 제어할 수 있을 것으로 판단된다. 결과적으로 잠제 전후의 평균 수위차에 기인한 개구부를 통해 빠져나가는 흐름(이안류)이 약화되어 개구부의 침식 및 세굴현상을 줄일 수 있을 것이다. 게다가 신기능 잠제가 가진 특유의 흐름구조는 내⋅외해의 해수유동을 원활히 하여 해양환경을 개선하는데 도움을 줄 것으로 판단된다.
이것은 전술한 관로의 배수효과와 관련이 있으며, 잠제 전후의 평균수위차에 의해서 발생한 흐름이 관로를 통해 빠져나가기 때문이다. 그 결과 신기능 잠제 주변의 평균수위 상승은 배후에서는 작아지고, 전면에서는 커지는 현상이 나타난다.
즉 잠제의 전후가 완전히 연결된 신기능 잠제 단면1과2가 일반 잠제 및 슬릿 처리된 잠제에 비해 파랑에너지감쇠효과가 작게 나타나는 것으로 이해된다. 그러나 R/H_i가 상대적으로 작은 Fig. 8의 경우에는 일반 잠제와 신기능 잠제 그리고 신기능 잠제 전면의 슬릿처리 유무에 따른 파고감쇠효과의 차이가 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 특히 H_i/L_i가 작아질수록 잠제의 마루 위에서 쇄파발생이 용의하기 때문에 그 차이는 더욱 줄어드는 것을 알 수 있다.
이상의 현상에 근거하여 이와 같은 관로 내의 흐름은 잠제 배후의 수위를 저감시킬 것으로 예상되며, 이것에 대해서는 후술하는 잠제 주변의 평균수위분포에서 상세히 논의한다. 그리고 본문에 나타내지는 않았지만 영상분석결과에 따르면, 파형경사(H_i/L_i)가클수록 마루수심과 파고와의 비(R/H_i )가 작을수록 관로를 통한 외해측으로 빠져나가는 흐름이 강한 것을 확인할 수 있었다. 이것 역시 후술하는 평균수위분포와 연관하여 고찰한다.
2%의 평균수위 차 저감효과를 보이고 있다. 그리고 일반 잠제 대비 단면1은 평균 65.5%, 단면3은 평균 48.8% 그리고 단면4는 평균 50%의 평균수위차 저감효과가 있는 것으로 나타났다.
그 결과 단면1의 경우 잠제 배후측 수평관로를 통하여 시작된 흐름이 수직관로를 통하여 잠제 마루 위로 일부분 빠져나가고, 나머지 흐름만 수평관로를 통해 전면으로 향하게 됨에 따라 단면2의 경우에 비해 흐름이 느려졌다. 그리고 파형경사(H_i/L_i )가 클수록 마루수심과 파고와의 비(R/H_i )가 작을수록 관로를 통한 잠제 전면으로의 흐름이 빠른 것을 확인할 수 있었다.
이는 관로 내의 흐름특성에서 전술한 바와같이 신기능 잠제 단면1의 경우, 수평관로의 흐름이 마루로 통하는 수직관로를 통해 일부분 빠져나감으로서 외해측을 향하는 수괴의 양이 줄어들기 때문에 나타나는 현상으로 판단된다. 또한 슬릿이 설치되지 않은 단면1과 2가 그렇지 않은 경우(단면3과 4)보다 평균수위차를 줄이는데 효과적인 것을 알 수 있다. 이것은 슬릿이 설치됨으로 인하여 외해측 입구의 단면적이 좁아지기 때문에 원활한 배수가 되지 않기 때문으로 이해된다.
(4) 신기능 잠제의 경우 관로의 설치로 인해 구조물 배후에서 외해측으로 빠져 나가는 흐름을 발생시키며, 이로 인해 기존 잠제에 비해 전후의 평균수위차를 크게 감소시켰다. 수평관로만 설치한 단면1은 평균 65.5%, 단면2는 평균 71.2%, 단면3은 48.8% 그리고 단면4는 40%의 평균수위차 저감효과를 각각 나타내었다.
이상의 결과에 근거하여 일반 잠제가 신형식 잠제에 비해 파랑감쇠효과가 조금 우수한 것을 알 수 있다. 이것은 Hur et al.
이상의 실험결과에 근거하여 본 연구에서 제안한 신기능 잠제는 파랑감쇠효과를 보존하면서 기존의 잠제가 가지고 있는 단점, 즉 잠제 전후의 높은 평균수위차이로 인한 이안류의 발생으로 잠제사이의 개구부 주변에서 발생할 수 있는 지반의 세굴 및 제체의 안정성에 대한 문제점을 상당부분 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.
이와 같은 본 연구에서 제안하는 신기능 잠제의 흐름구조(순환류)는 기존 잠제보다 잠제 내⋅외해의 해수순환능력이 우수하여 환경적인 측면에서도 유리할 것으로 판단된다.

후속연구

결과적으로 잠제 전후의 평균 수위차에 기인한 개구부를 통해 빠져나가는 흐름(이안류)이 약화되어 개구부의 침식 및 세굴현상을 줄일 수 있을 것이다. 게다가 신기능 잠제가 가진 특유의 흐름구조는 내⋅외해의 해수유동을 원활히 하여 해양환경을 개선하는데 도움을 줄 것으로 판단된다. 향후에는 본 실험결과를 토대로 수치모의를 수행하여 신기능 잠제의 배후수위 저감 기능을 면밀히 분석한 후에 투과성 잠제 및 불규칙파를 적용한 3차원적 검토를 진행한다.
(2010)의 수치모형실험에서 검토한 것과 같이 파랑에너지가 관로를 통해 전달되기 때문이다. 따라서 신기능 잠제가 일반 잠제와 동일한 파랑감쇠효과를 발휘하기 위해서는 일반 잠제에 비해 마루수심과 파고와의 비(R/H_i )를 줄이거나, 마루폭과 입사파장과의 비(B/L_i )를 늘려 파랑제어기능을 강화할 필요가 있을 것으로 판단된다.
이것은 CASE7~9의 입사 조건이 구조물 배후로의 유량이 상대적으로 많고, 파랑작용 하에서 잠제 전후의 동수경사가 항상 유지되고 있음을 의미한다. 따라서 이와 같은 동수경사는 3차원적인 잠제 배치를 고려할 경우 개구부를 빠져나가는 이안류의 흐름을 지속적으로 발생시킬 수 있을 것으로 사료된다.
한정적인 2차원 실험환경에서 얻어진 결과이기는 하지만, 잠제 내부에 관로를 설치할 경우에 잠제 배후의 평균수위를 적절히 조절하여 제체의 안정성에 영향을 줄 수 있는 주변의 흐름을 제어할 수 있을 것으로 판단된다. 결과적으로 잠제 전후의 평균 수위차에 기인한 개구부를 통해 빠져나가는 흐름(이안류)이 약화되어 개구부의 침식 및 세굴현상을 줄일 수 있을 것이다.
게다가 신기능 잠제가 가진 특유의 흐름구조는 내⋅외해의 해수유동을 원활히 하여 해양환경을 개선하는데 도움을 줄 것으로 판단된다. 향후에는 본 실험결과를 토대로 수치모의를 수행하여 신기능 잠제의 배후수위 저감 기능을 면밀히 분석한 후에 투과성 잠제 및 불규칙파를 적용한 3차원적 검토를 진행한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수중방파제가 친환경적인 해안구조물로 각광받는 이유는?	수중방파제(이하, 잠제)는 이안제와 달리 방파제의 마루가 수면 아래에 위치하기 때문에 마루 위를 통한 해수교환이 가능하고, 주변 자연경관을 그대로 유지할 수 있는 장점을 가진 친환경적인 해안구조물로 각광받고 있다. 잠제는 연안침식 방지 및 해안선 보호를 위해 연안역으로 입사하는 파를 잠제 마루에서 쇄파시켜서 파랑에너지를 감소시키는 것을 목적으로 설치되고 있다.
	수리모형실험이 이루어진 파동수조의 크기는?	신기능 잠제의 단면제원 변화에 따른 배후수위 조절효과를 파악하기 위하여 단면 2차원 수리모형실험을 실시하였다. 수리모형실험은 길이 35m, 폭 0.5m, 높이 1.2m의 파동수조에서 수행하였으며, 수조에는 전면경사 1:25의 불투과 해저지반을 설치하고, 그 위에 1:2의 경사면을 가진 신기능 잠제를 설치하였다. 그리고 입사파는 반사파 흡수식 피스톤 조파기를 이용하여 생성하였다.
	수중방파제의 단점은?	잠제는 연안침식 방지 및 해안선 보호를 위해 연안역으로 입사하는 파를 잠제 마루에서 쇄파시켜서 파랑에너지를 감소시키는 것을 목적으로 설치되고 있다. 하지만 잠제 마루 위의 쇄파에 기인한 배후의 평균수위 상승은 잠제사이의 개구부를 통하여 외해로 빠져나가는 강한 흐름이 생성되어 개구부 주변의 세굴을 발생시키는 단점을 안고 있다. 또한 이러한 개구부에서의 세굴이 잠제의 안정성에 큰 영향을 미칠 뿐만 아니라 잠제 본래의 기능을 수행하는데 상당한 지장을 주는 결과를 초래하고 있다.

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표제어: PCR

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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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