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문제 정의
- 3에 도시하였다. Fig. 3에서 시공 사례가 가장 많은 범위는 Section A(Lr/Y: 0.71~1.30, Lr/W:3.35~9.00)에 해당되며, 이 영역에 포함되는 조건(case01, 02)과 개구폭이 변화되는 2개의 조건(case03, 04) 및 구조물 미설치시에 대해 인공리프 설치와 개구폭 변화가 지형변동에 미치는 영향을 검토하고자 하였다. 표사이동실험에서 조파간격은 초기 1시간은 30분, 그 이후는 1시간 간격으로 변동량을 확인하였으며 실험결과는 최종 5시간 조파후의 상태에 대해 나타내었다.
- 이는 개구부내에서 해안방향으로 이동되는 흐름보다 외해로 전파되는 흐름의 강도가 더 크기 때문이며, 유속의 증가는 표사이동의 정도와 비례할 것으로 예상되었다. 따라서, 개구부내 표사이동량을 계산식을 통하여 예측하고 실험값과의 비교를 통해 그 차이를 검토하고자 하였다. 계산에 적용한 식은 Brown(1950)의 식(6)과 같다.
- 본 연구에서는 Kim and Shim(2016)이 수행한 실험조건을 토대로 구조물 배치 조건과 순환류의 발생관계 및 해빈의 안정화에 미치는 요인을 분석하고, 인공리프 설치조건의 차이가 주변지형에 미치는 영향을 고찰하고자 하였다.
- 실험을 진행하기에 앞서, Table 2와 같이 각각의 해저경사 및 파랑조건 변화에 따른 외빈, 전빈 및 후빈지역에서의 대략적인 지형변화 양상을 파악하고자 하였다. 파랑 및 해저경사 설정에 따른 침식성해안의 분류는 Table 2에서 보이듯이 C parameter값(Sunamura and Horikawa, 1974)과, Fo(Shore protection manual, 1984)의 값을 이용하였다.
- 실험을 통하여 인공리프 주변에서 발생되는 표사이동양상에 대해 검토하였다. 구조물 배치는 국내에 설치되어 있는 시공사례와 해빈류패턴 실험(Kim and Shim, 2016)을 토대로 설정하였다.
제안 방법
- Lr1, Lr2: 인공리프의 길이, W: 개구폭, Y: 이안거리, R: 마루수심, B: 마루폭. Lr1/W: 상대 개구폭, Lr1/Y: 상대 이안거리이며, 1/50의 Froude 상사를 적용하여 구조물의 배치와 파랑 설정에 대한 치수를 결정 하였다.
- 또한, 개구부에서 측정된 유속과 미소진폭파 이론을 이용한 질량 및 유량을 비교하여 되돌이 흐름을 검토하였다. 검토결과 유속은 외해로 이동될수록 감소하는 경향을 나타내었으며, 이러한 현상은 실험에서 계측된 유속과 비교하였을 때 개구부 해측방향으로 유속이 증가하는 것과 동일하게 나타났지만, 유속변화의 양상은 개구폭이 좁을수록 작아지는 것과는 다소 상이하게 나타났다.
- 또한, 실험진행상황에 맞추어 상부에 비디오 카메라(XHG1: 536만화소, 2592 × 1944픽셀, 6.3~21.6 mm(초점거리), f2.8~5.5(렌즈밝기), ISO 80~400)를 설치하여, 계측결과와 지형상황을 상호 · 비교하였다.
- 1 mm를 적용하였다. 본 실험에는 인공리프의 해측법선까지 비쇄파가 발생되며, 표사이동량 또한 대체적으로 적정한 wave06의 조건에 대해 실험을 진행하였다.
- 실험은 Table 2에서 제시된 것과 같이 구조물이 없는 조건에서 침식경향을 파악한 후 인공리프 설치(Lr/Y, Lr/W의 변화)에 따른 표사이동 양상에 대해 검토하였다. 이때, 파고계측은 용량식 파고계를 이용하여 인공리프 전면에서 배후지역까지 총 15지점에서 실시하였으며, 유속측정은 동일한 위치에서 2차원 전자유속계를 이용하여 실험을 진행하였다.
- 여기서, A: 경계층 위에서의 궤도 진폭, ω: 각 주파수, s: 모래 입자의 비중, : 저면(바닥) 전단계수, fw: 파랑 마찰계수, g: 중력가속도, ρ: 물의 밀도, d: 저질의입경이며, 실험에 사용된 0.1 mm를 적용하였다.
- 실험은 Table 2에서 제시된 것과 같이 구조물이 없는 조건에서 침식경향을 파악한 후 인공리프 설치(Lr/Y, Lr/W의 변화)에 따른 표사이동 양상에 대해 검토하였다. 이때, 파고계측은 용량식 파고계를 이용하여 인공리프 전면에서 배후지역까지 총 15지점에서 실시하였으며, 유속측정은 동일한 위치에서 2차원 전자유속계를 이용하여 실험을 진행하였다. 각 지점에서 측정된 데이터는 하상조건이 동일한 조파초기에 20 Hz 간격으로 2048개의 값을 분석한 값이다.
- 표사이동실험에서 조파간격은 초기 1시간은 30분, 그 이후는 1시간 간격으로 변동량을 확인하였으며 실험결과는 최종 5시간 조파후의 상태에 대해 나타내었다. 지형변동 실험에서는 정도 높은 실험결과를 도출하고자 계측시 3D scanner(Artec 3D handheld Scanner L)를 이용하였으며 사양은 다음과 같다. Working distance 0.
- 00)에 해당되며, 이 영역에 포함되는 조건(case01, 02)과 개구폭이 변화되는 2개의 조건(case03, 04) 및 구조물 미설치시에 대해 인공리프 설치와 개구폭 변화가 지형변동에 미치는 영향을 검토하고자 하였다. 표사이동실험에서 조파간격은 초기 1시간은 30분, 그 이후는 1시간 간격으로 변동량을 확인하였으며 실험결과는 최종 5시간 조파후의 상태에 대해 나타내었다. 지형변동 실험에서는 정도 높은 실험결과를 도출하고자 계측시 3D scanner(Artec 3D handheld Scanner L)를 이용하였으며 사양은 다음과 같다.
- 1과 같은 조건의 광폭수로(300 cm(W) × 150cm(H)×250 cm(L))를 제작하여 진행하였다. 하상은 불투과성의 해저경사위에 0.01 cm(d50)의 표준사를 약 15 cm 두께로 도포하여 1/20의 지형을 재현하였으며, 정현파(sinusoidal wave) 내습에 따른 인공리프 주변에서의 지형변화를 검토하고자 하였다. 인공리프는 Tetrapod를 이용하여 난적 거치하였으며 Fig.
대상 데이터
- 이때, 파고계측은 용량식 파고계를 이용하여 인공리프 전면에서 배후지역까지 총 15지점에서 실시하였으며, 유속측정은 동일한 위치에서 2차원 전자유속계를 이용하여 실험을 진행하였다. 각 지점에서 측정된 데이터는 하상조건이 동일한 조파초기에 20 Hz 간격으로 2048개의 값을 분석한 값이다. 한편, Kim and Shim(2016)은 해빈류 셀(current cell)의 발생과 유속 및 파고변화에 대하여 Lr/Y, Lr/W의 조건을 변경해 가며 20case의 실험을 수행하였다.
- 실험을 통하여 인공리프 주변에서 발생되는 표사이동양상에 대해 검토하였다. 구조물 배치는 국내에 설치되어 있는 시공사례와 해빈류패턴 실험(Kim and Shim, 2016)을 토대로 설정하였다. 실험결과에서 나타나듯이 파랑내습에 따른 자연해빈(case00)은 해안선 및 전빈지역에서 침식이 집중적으로 발생되었으며, 침식된 모래는 외해로 이동되어 sand bar를 형성하였다.
- 실험은 Fig. 1과 같은 조건의 광폭수로(300 cm(W) × 150cm(H)×250 cm(L))를 제작하여 진행하였다.
- 01 cm(d50)의 표준사를 약 15 cm 두께로 도포하여 1/20의 지형을 재현하였으며, 정현파(sinusoidal wave) 내습에 따른 인공리프 주변에서의 지형변화를 검토하고자 하였다. 인공리프는 Tetrapod를 이용하여 난적 거치하였으며 Fig. 1에서 보이듯이 4개의 평면 구조물 배치안 및 구조물 미설치안 등 총 5case에 대해 실험을 진행하였다. 각 실험안에 대한 설치조건은 Table 1에 나타내었으며 각각의 변수들은 다음과 같다.
이론/모형
- 또한, 인공리프 설치 위치(외해측 어깨부)에서 입사파랑의 쇄파 유무를 확인하기 위해 Galvin(1968)과 Battjes(1974)가 제시한 쇄파대 상사파라메터(Surf similarity parameter, ξ)를 이용하여 검토하였다.
- 실험을 진행하기에 앞서, Table 2와 같이 각각의 해저경사 및 파랑조건 변화에 따른 외빈, 전빈 및 후빈지역에서의 대략적인 지형변화 양상을 파악하고자 하였다. 파랑 및 해저경사 설정에 따른 침식성해안의 분류는 Table 2에서 보이듯이 C parameter값(Sunamura and Horikawa, 1974)과, Fo(Shore protection manual, 1984)의 값을 이용하였다. 또한, 인공리프 설치 위치(외해측 어깨부)에서 입사파랑의 쇄파 유무를 확인하기 위해 Galvin(1968)과 Battjes(1974)가 제시한 쇄파대 상사파라메터(Surf similarity parameter, ξ)를 이용하여 검토하였다.
성능/효과
- 인공리프 전면 및 개구부에서 유실된 모래는 외해로 이동되어 퇴적된 것으로 확인되었다. 개구부가 두 개 일때의 조건인 case02(Lr/Y 1.0, Lr/W 3.0)의 실험결과, 인공리프 배후에서 표사의 이동은 다소 완화되었으며, 개구부의 전체적인 모래 이동 또한 줄어들었다. 하지만 여전히 개구부내 모래 유실현상이 나타났으며, 인공리프 해측방향 저면에서 세굴이 발생되었다.
- 또한, 개구폭의 차이가 거의 동일한 조건인 case01과 case02의 결과를 통해 개구부 수의 변화가 인공리프 배후 및 개구부 내 침식양상에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 개구폭이 동일할 경우 단일 개구부를 갖는 구조에 비하여 복수의 개구부를 갖는 배치조건에서 표사이동의 저감정도가 상대적으로 높은 것으로 분석되었다.
- 또한, 개구부에서 측정된 유속과 미소진폭파 이론을 이용한 질량 및 유량을 비교하여 되돌이 흐름을 검토하였다. 검토결과 유속은 외해로 이동될수록 감소하는 경향을 나타내었으며, 이러한 현상은 실험에서 계측된 유속과 비교하였을 때 개구부 해측방향으로 유속이 증가하는 것과 동일하게 나타났지만, 유속변화의 양상은 개구폭이 좁을수록 작아지는 것과는 다소 상이하게 나타났다.
- 한편, Kim and Shim(2016)은 해빈류 셀(current cell)의 발생과 유속 및 파고변화에 대하여 Lr/Y, Lr/W의 조건을 변경해 가며 20case의 실험을 수행하였다. 그 범위는 각각 0.83~1.5, 2.0~8.0에 해당되며 국내에 설계 및 시공된 22개의 인공리프 설치사례 분석결과 Lr/Y, Lr/W가 각각 0.7~3.4, 1.1~9.0의 범위를 나타내는 것으로 확인되었다. 실험 및 사례조사에 대한 비교는 다음 Fig.
- 따라서, 개구폭의 감소는 개구부 및 인공리프 전 · 후면에서 유속의 감소와 비례하는 것으로 분석되었다.
- 또한, Shield parameter(θ)를 분석한 결과 해저지형이 0.1 mm의 미세사(fine sand)로서, r/A(상대바닥거칠기, relative bottom roughness)는 입자의 양이 유한하고, 매끄러운 조건일 경우(r/A->0) Swarts(1974)가 제시한 fw(파랑마찰계수, wave friction factor) 및 Shield parameter는 해저경사에 관계없이 파고 및 주기의 조건에 대해서만 영향을 받는 것으로 나타났으며 8.41~14.87의 범위를 보였다.
- 아울러, case01을 제외한 다른 case의 지형변동 실험결과와 개구부내에서의 유속 및 표사량산정에 대한 결과를 비교 분석한 결과 가장 큰 지형변동이 개구부 주변에서 발생되는 것으로 나타났으며, 이는 인공리프 배후에서 상승된 수위가 외해로 되돌아 갈 때 개구부내로 유량이 유량에 기인된 집중된 흐름이 발달되는 과정에 의한 것이다. 또한, 개구부가 두 개인 조건에 대한 경우 이론식에 적용한 유속 및 표사이동 경향은 실험 결과와 비교적 동일한 경향을 나타내는 것으로 확인되었으며, 인공리프 설치조건 및 배치상황에 따른 흐름 및 지형변화를 검토한 결과 상대개구폭 Lr/W의 설정이 인공리프 성능에 중요한 역할을 한다는 것을 재확인할 수 있었다.
- 5에 도시하였다. 또한, 개구폭의 차이가 거의 동일한 조건인 case01과 case02의 결과를 통해 개구부 수의 변화가 인공리프 배후 및 개구부 내 침식양상에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 개구폭이 동일할 경우 단일 개구부를 갖는 구조에 비하여 복수의 개구부를 갖는 배치조건에서 표사이동의 저감정도가 상대적으로 높은 것으로 분석되었다.
- 내습파랑이 인공리프 상단을 통과 할 때 급격한 수심변화로 쇄파가 발생되며, 쇄파된 파랑은 구조물 배후로 이동되어 해안선 전면에서 수위변화가 발생된다. 수위의 상승은 파고감쇄 정도에 따라 변화되는데 실험결과 Lr/W(상대개구폭)이 증가할수록 그 정도는 작아지는 것으로 확인되었다. 개구부에서는 파랑이 육지방향으로 이동될수록 비선형적인 파형변화와 급격한 수위상승이 나타났으며, 이러한 현상은 Lr/W가 작아질수록 그 경향이 증가되었다.
- 실험에서 계측된 결과와 계산에 의한 개구부내 발생유속을 비교해 보면 흐름이 외해측으로 향할수록 발달되는 것을 확인하였다. 이는 개구부내에서 해안방향으로 이동되는 흐름보다 외해로 전파되는 흐름의 강도가 더 크기 때문이며, 유속의 증가는 표사이동의 정도와 비례할 것으로 예상되었다.
- 0)의 경우 지형변동량이 가장 작게 발생되었다. 실험에서의 결과(case02~04)는 이론식을 이용한 저면유속 계산 결과와도 동일한 경향을 보였으나, case01의 경우 계산상 40 cm~15 cm구간에서 지형변동이 활발하게 발생될 것으로 예측되었던 것과는 다르게 95 cm~40 cm 구간에서 대규모의 국부세굴이 발생되는 것으로 확인되었다. 이러한 현상은 인공리프 육측 어깨부분은 해안전면에서 형성된 수위의 증가 및 진행파랑, 개구부내로 유입되는 흐름 등 복잡한 파랑 및 흐름장이 상호공존할 뿐만 아니라 상대적으로 넓은 개구폭으로 인하여 조건에 비해 인공리프의 육측 어깨부위부터 광범위하게 세굴이 발생되었기 때문인 것으로 판단된다.
- 실험파 설정단계 중 인공리프 해측법선에 도달된 파형은 tanβ가 1/10일 경우(wave01~03) 계산 결과와 동일하게 권파가 발생되었으며, 1/20의 조건(wave04~06)에서는 진행파가 권파로 변하기 직전의 붕괴파가 예상되었으나 천수변형의 영향으로 계측위치에서 배후로 이격된 지점에서 쇄파가 발생되었다.
- 아울러, case01을 제외한 다른 case의 지형변동 실험결과와 개구부내에서의 유속 및 표사량산정에 대한 결과를 비교 분석한 결과 가장 큰 지형변동이 개구부 주변에서 발생되는 것으로 나타났으며, 이는 인공리프 배후에서 상승된 수위가 외해로 되돌아 갈 때 개구부내로 유량이 유량에 기인된 집중된 흐름이 발달되는 과정에 의한 것이다. 또한, 개구부가 두 개인 조건에 대한 경우 이론식에 적용한 유속 및 표사이동 경향은 실험 결과와 비교적 동일한 경향을 나타내는 것으로 확인되었으며, 인공리프 설치조건 및 배치상황에 따른 흐름 및 지형변화를 검토한 결과 상대개구폭 Lr/W의 설정이 인공리프 성능에 중요한 역할을 한다는 것을 재확인할 수 있었다.
- 6에서 나타나듯이 0cm 지점에서의 유속은 case01~04의 차이가 미소하였으며, 식(7)에서 W와 uR의 관계는 동일유속일 경우 단면적 변화에 따라 표사이동에 영향을 미치는 강도가 변하므로 0 cm 지점에서의 최대 표사 이동량은 case04의 조건에서 계산값이 다소 크게 나타나는 것으로 확인되었다. 이상의 결과는 Fig. 7과 Fig. 8에서 나타난 결과와 동일한 경향을 보이며 실험결과와의 비교에서도 case02~04(Fig. 5)의 결과와 일치하는 것으로 나타났으나, case01과는 다소 상이한 차이가 발생되었다.
- 인공리프의 개구부가 설치되는 −15 cm~95 cm 구간의 저면선단 부분에서의 계산결과, Fig. 6에서 보이듯이 개구폭이 넓을수록 최대 유속의 지속구간 또한 늘어났으며 인공리프 외측 어깨부에서 최대가 되었다.
- 지형변화 실험결과, 인공리프 미설치시(case00), 해안선 전면지역에서 강한 침식이 발생되었다. 침식은 인공리프 설치 부근에서 해안 배후(후빈)까지 발생되었으며, 해안선이 후퇴되어 배후방향으로 모래 둔덕을 형성하는 것으로 나타났다.
- 이러한 현상은 인공리프 육측 어깨부분은 해안전면에서 형성된 수위의 증가 및 진행파랑, 개구부내로 유입되는 흐름 등 복잡한 파랑 및 흐름장이 상호공존할 뿐만 아니라 상대적으로 넓은 개구폭으로 인하여 조건에 비해 인공리프의 육측 어깨부위부터 광범위하게 세굴이 발생되었기 때문인 것으로 판단된다. 침식된 모래는 외해쪽으로 이동되었지만 흐름의 발달로 인하여 개구부내에 퇴적되지 않고 대부분 개구부를 통과하여 해측으로 이동되는 것으로 확인되었다.
- 지형변화 실험결과, 인공리프 미설치시(case00), 해안선 전면지역에서 강한 침식이 발생되었다. 침식은 인공리프 설치 부근에서 해안 배후(후빈)까지 발생되었으며, 해안선이 후퇴되어 배후방향으로 모래 둔덕을 형성하는 것으로 나타났다. 또한 파랑내습에 의해 해안선 전면에서 대규모 표사이동이 발생되었고, 전빈에서 침식된 모래는 해측방향으로 이동되어 sand bar를 형성하였다.
후속연구
- 하지만 인공리프 주변에서의 지형변동을 3차원 적으로 분석한 결과는 극히 드물며, 흐름변화에 따른 지형변화의 예측과 이에 대한 적절한 설계를 위해서는 인공 리프 전 · 후면 및 개구부에서 표사이동에 대한 특성검토가 반드시 수행되어야 할 것으로 판단된다.
- 향후, 전빈경사 및 마루높이의 변화, 불규칙파형에 대한 실험결과를 추가하여 인공리프 주변의 흐름 및 지형변화특성을 더욱 명확히 하고 그에 따른 인공리프 설치 기준을 도출하고자 한다.
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