사석경사식 방파제의 안정성에 있어 파랑에 의한 사석마운드내의 침투흐름의 영향이 연구되었다. 침투흐름은 일반적으로 태풍시 방파제 주변 수위차에 의해 발생된다. 기존 사석마운드의 안정해석법은 정적해석으로 활동면 상의자중(콘크리트블록, 사석, 필터, 보호층)에 의한 수직력과 콘크리트 블록에 작용하는 파압에 의한 수평력(Goda 식으로 산정)의 힘의 평형조건으로 결정된다. 그러나 이 정적방법은 사석마운드 내의 파랑에 의한 침투흐름을 고려할 수 없다. 이런 침투흐름은 사석마운드의 안정성을 감소시킬 수 있다. 본 연구에서는 침투 작용시 사석경사식 방파제의 안정성에 대해 CFD 프로그램(OpenFOAM)과 한계평형해석법(GeoStudio)을 이용하여 검토하였다. 수치해석결과 침투로 인해 사석경사식 방파제의 안정성이 감소하는 것으로 나타났다. 또한 수치해석 결과는 사석마운드의 안정성이 시간에 따라 변하는 것을 보여주었다. 특히 파가 방파제를 월류하고 침투류에 의해 상치콘크리트 측면과 하부에 강한 양압력과 사석마운드 내부에 간극수압이 크게 발생하는 시점에 가장 불안정 상태를 보이는 것으로 나타났다. 따라서 동적 파랑에 의한 침투류의 영향을 고려한 동적해석도 정적해석과 함께 검토할 필요가 있다.
사석경사식 방파제의 안정성에 있어 파랑에 의한 사석마운드내의 침투흐름의 영향이 연구되었다. 침투흐름은 일반적으로 태풍시 방파제 주변 수위차에 의해 발생된다. 기존 사석마운드의 안정해석법은 정적해석으로 활동면 상의자중(콘크리트블록, 사석, 필터, 보호층)에 의한 수직력과 콘크리트 블록에 작용하는 파압에 의한 수평력(Goda 식으로 산정)의 힘의 평형조건으로 결정된다. 그러나 이 정적방법은 사석마운드 내의 파랑에 의한 침투흐름을 고려할 수 없다. 이런 침투흐름은 사석마운드의 안정성을 감소시킬 수 있다. 본 연구에서는 침투 작용시 사석경사식 방파제의 안정성에 대해 CFD 프로그램(OpenFOAM)과 한계평형해석법(GeoStudio)을 이용하여 검토하였다. 수치해석결과 침투로 인해 사석경사식 방파제의 안정성이 감소하는 것으로 나타났다. 또한 수치해석 결과는 사석마운드의 안정성이 시간에 따라 변하는 것을 보여주었다. 특히 파가 방파제를 월류하고 침투류에 의해 상치콘크리트 측면과 하부에 강한 양압력과 사석마운드 내부에 간극수압이 크게 발생하는 시점에 가장 불안정 상태를 보이는 것으로 나타났다. 따라서 동적 파랑에 의한 침투류의 영향을 고려한 동적해석도 정적해석과 함께 검토할 필요가 있다.
To study how stable the rubble mound breakwaters are, one can look to the research of wave induced seepage flow through the pores of the rubble mound. Seepage flow is generally generated by the difference between the water level around the breakwater during a typhoon. The existing stability analysis...
To study how stable the rubble mound breakwaters are, one can look to the research of wave induced seepage flow through the pores of the rubble mound. Seepage flow is generally generated by the difference between the water level around the breakwater during a typhoon. The existing stability analysis method of the rubble mound is the static analysis which simply considers the force equilibrium taking into account the horizontal force acting on the concrete block induced by a wave (calculated by Goda equation) and the vertical force induced by the weight inclusive of the concrete block, quarry run, filter, and armor layer above the slipping plane. However, this static method does not consider the wave-induced seepage flow in the rubble mound. Such seepage may decrease the stability of the rubble mound. The stability of a rubble mound breakwater under the action of seepage was studied based on the results of CFD software (OpenFOAM) and Limit Equilibrium Method (GeoStudio). The numerical analysis result showed that the seepage flow decreased the stability of the rubble mound breakwaters. The results of the numerical analyses also revealed the stability of the rubble mound was varied with time. Especially, the most critical state happened at the condition of overtopping the concrete block, acting strong uplift pressure raising along side and underneath the concrete block, and generating high pore pressure inside rubble mound due to seepage flow. Therefore, it may be necessary to conduct a dynamic analysis considering the effect of wave-induce seepage flow together with the static analysis.
To study how stable the rubble mound breakwaters are, one can look to the research of wave induced seepage flow through the pores of the rubble mound. Seepage flow is generally generated by the difference between the water level around the breakwater during a typhoon. The existing stability analysis method of the rubble mound is the static analysis which simply considers the force equilibrium taking into account the horizontal force acting on the concrete block induced by a wave (calculated by Goda equation) and the vertical force induced by the weight inclusive of the concrete block, quarry run, filter, and armor layer above the slipping plane. However, this static method does not consider the wave-induced seepage flow in the rubble mound. Such seepage may decrease the stability of the rubble mound. The stability of a rubble mound breakwater under the action of seepage was studied based on the results of CFD software (OpenFOAM) and Limit Equilibrium Method (GeoStudio). The numerical analysis result showed that the seepage flow decreased the stability of the rubble mound breakwaters. The results of the numerical analyses also revealed the stability of the rubble mound was varied with time. Especially, the most critical state happened at the condition of overtopping the concrete block, acting strong uplift pressure raising along side and underneath the concrete block, and generating high pore pressure inside rubble mound due to seepage flow. Therefore, it may be necessary to conduct a dynamic analysis considering the effect of wave-induce seepage flow together with the static analysis.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 태풍 영향 하에서 대표적인 사석경사식 구조물인 사석경사식 콘크리트 방파제에 대해 “동적 침투류 해석”을 실시하여 침투류가 사석제체의 안정성에 미치는 영향을 분석하였다.
본 연구에서 태풍 시 시계열에 따라 구조물에 작용하는 파압과 사석제체에 작용하는 수압은 OLAFOAM프로그램을 활용하여 산정하였고, 안정성 해석은 Geo-Studio의 사면안정해석 전용 프로그램인 SLOPE/W를 이용하여 구조물이 가장 불안한 시점(즉, 파압과 수압이 구조물의 안정에 가장 부정적으로 작용하는 시점)에 대해 실시하였다. OLAFOAM으로 산정된 파압을 입력 데이터로 사용하여 사석제체내의 간극수압과 구조물에 작용하는 파압을 산정하고 이를 한계평형법을 이용한 사면안정해석과 연동하여 시계열에 따른 제체의 안정성을 해석하는 방법이다(Kobayashi, 1977; Che, 2013).
본 연구에서는 태풍 시 시계열에 따라 구조물에 작용하는 파압과 사석제체에 작용하는 수압을 고려하여 시계열에 따른 제체의 안정성을 해석하였다. 또한 기존방법에 의한 결과와 비교 검토하여 다음과 같은 결과를 도출하였다.
두 번째 단계는 산정된 파압 결과를 입력 후 사석제체 내의 간극수압을 산정하고 이를 한계평형법을 이용한 Geo-Studio의 사면안정해석 전용 프로그램인 SLOPE/W를 이용하여 시계열에 따른 안전율을 산정하는 것이다. 파동장하에서의 동적인 파압분포 및 간극수압의 변동에 따른 해저지반상의 사석방파제의 동적인 안정성에 대한 검토를 수행하였다. 파동장하에서 방파제 사석제체 내에 작용하는 동적인 간극수압 및 파압분포를 고려하는 것이 기존 검토방법과 다른 점이다.
가설 설정
2). 가정된 직선활동파괴 면에서의 구조물자중, 파압, 토압에 의해 발생되는 활동력과 저항력의 비로 안전율을 판정한다. 현재 우리나라 연근해에 설치된 대부분의 사석경사식 방파제의 경우 사석마운드의 활동안전률이 확보되도록 설계 및 시공되었을 것이다.
제안 방법
이 때 수치모형실험 시간은 태풍이 갖는 불규칙파의 영향을 반영될 수 있도록 충분히 고려되어야 한다. 그리고 수행된 수치모형실험으로부터 얻어진 파압의 시계열 데이터로부터 사석제체의 안정성에 가장 불리할 것으로 판단되는 파압의 시간 구간을 결정한다.
두 번째 단계는 산정된 파압 결과를 입력 후 사석제체 내의 간극수압을 산정하고 이를 한계평형법을 이용한 Geo-Studio의 사면안정해석 전용 프로그램인 SLOPE/W를 이용하여 시계열에 따른 안전율을 산정하는 것이다. 파동장하에서의 동적인 파압분포 및 간극수압의 변동에 따른 해저지반상의 사석방파제의 동적인 안정성에 대한 검토를 수행하였다.
이를 위해서는 연구 조건에 해당되는 입사파랑 조건을 먼저 결정한 후 이를 수치모형실험을 통해 재현하여야 한다. 본 연구에서는 수치모형실험 프로그램인 OLAFOAM을 이용하여 해석을 실시하였다. 이 때 수치모형실험 시간은 태풍이 갖는 불규칙파의 영향을 반영될 수 있도록 충분히 고려되어야 한다.
6과 같이 선택하였다. 불투과성 구조물인 상치콘크리트 및 블록에서는 파압 분포를 투과성 구조물인 제체사석에 대해서는 간극수압 분포를 고려하였다. 특히 제체사석 부분에서는 간극수압 및 파압의 영향을 충분히 고려하여 조밀한 분포를 가지도록 입력 위치를 5m 간격으로 선택하였다.
사석제체의 경우 포화단위중량은 20kN/m3, 습윤단위중량은 18kN/m3, 내부마찰각 40°를 적용하였다.
수치모형실험에 적용된 격자크기와 시간간격은 Δx=0.5m, Δz=0.5m의 정격자에 대해 Δt=0.01 sec로 계산을 수행하였다.
안정해석에 이용된 프로그램은 캐나다 GEO-SLOPE사에서 개발하여 지반내 간극수의 침투 및 안정성 해석에 있어 전 세계에 널리 이용되고 있는 2차원 지반공학전용 유한요소해석 프로그램인 GeoStudio 2012의 한 모듈로 사면안정해석에 특화된 프로그램인 SLOPE/W를 사용하여 해석을 수행하였다. SLOPE/W는 포화지반 뿐만 아니라 불포화지반에 대한 원호활동 및 비원호활동에 대하여 Ordinary, Bishop, Janbu, Sarma, Spencer 및 Morgenstern-Price법 등을 이용한 한계평형해석을 수행할 수 있다.
불투과성 구조물인 상치콘크리트 및 블록에서는 파압 분포를 투과성 구조물인 제체사석에 대해서는 간극수압 분포를 고려하였다. 특히 제체사석 부분에서는 간극수압 및 파압의 영향을 충분히 고려하여 조밀한 분포를 가지도록 입력 위치를 5m 간격으로 선택하였다.
파압 산정을 위해 해석에 사용된 입사파조건(Table 3)에서 조위는 고극조위(H.H.W) DL(+) 2.52m 값을 유의 파고(H1/3) 4.9m, 유의주기(T1/3) 16.3초인 불규칙파를 이용하여 3000 sec 해석을 실시하였다.
대상 데이터
연구에 선택된 해석단면은 사석경사식 콘크리트 방파제로 사석제제위에 이글루 블록과 콘크리트 블록 설치 후 상부에 폭 10m의 상치콘크리트가 놓이는 형태이다(Fig. 4). 사석제체의 경사는 1:1.
총 3000 sec 해석 결과 중에서 사석제체의 안정성에 가장 큰 영향을 미치는 390 sec 시간대 전후 파압을 안정해석 대상으로 선정하였다. 이와 같은 파압작용 시간 영역은 총 해석시간 중에서 약 10 여 차례 반복적으로 재현되는 것으로 나타났다.
이론/모형
본 연구에서는 OLAFOAM(Higuera et al., 2015)을 이용하여 사석제체를 포함한 방파제에 작용하는 동파압을 산정하였다. OLAFOAM은 OpenFOAMⓇ으로 부터 개발된 프로그램으로, OpenFOAM(Open source Field Operation And Manipulation; Jacobsen et al.
비압축성유체의 혼상류해석에 대해 소스코드가 공개된 OLAFOAM은 유한체적이산화법과 VOF법(Kissling et al., 2010)을 이용하며, 그 지배방정식은 다음의 식 (1) 과 (2)에 나타낸 연속방정식과 운동량보존방정식으로 구성된다.
사면의 안정검토시 해석방법은 국내 유일의 해양/항만분야 설계기준인 ‘항만 및 어항 설계기준’에서 추천하고 있는 Bishop의 간편법을 적용하여 안정성에 대하여 검토하였다.
소파블록으로 피복된 콘크리트블록에 작용하는 파력과 양압력은 고다(Goda)식을 이용하여 산정한다. 서론에서 언급한 바와 같이 침투현상은 고려할 수 없다.
여기서, α, β는 Engelund 공식에 의해 제시된 마찰계수로 van Gent(1995)에 의한 결과를 적용하였다.
성능/효과
(1) 동적 파랑의 작용에 의한 침투류에 의한 파압과 간극수압을 고려한 사석경사식 방파구조물의 원호활동 안정성 변화를 분석한 결과, 파가 방파제를 월류하면서 상치콘크리트 측면에 강한 파압이 하부에는 양압력이 발생하고 제체사석 내부에 간극수압이 크게 발생하는 시점에 안전율이 감소된다.
(2) 파가 상치콘크리트 상부를 통해 항내측으로 월류되고 제체사석 내부에 간극수압이 감소하면 안전율이 다시 회복하는 것으로 나타났다. 이와 같이 사석마운드의 안전율은 태풍 파랑이 지속되는 시간동안 증가와 감소가 반복적으로 나타난다.
(4) 기존방식에 의한 직선활동만 검토할 경우 구조체에 작용하는 침투류에 의한 동적인 파압과 간극수압을 고려할 수 없어 특정 시간대에 구조체에 발생되는 최소안전율을 고려할 수 없다. 그러므로 정적해석과 함께 시계열에 따라 구조물에 작용하는 파압과 사석제체에 작용하는 수압을 고려한 동적해석도 검토가 필요할 것으로 판단된다.
파랑의 월류 바로 전(Fig. 8(b)) 제체사석 내부에 강한 간극수압이 작용하고 상치콘크리트 측면과 하부에 강한 파압과 양압력이 작용하는 것은 빨간색으로 표시된 영역을 통해 확인할 수 있다.
기존방식에서는 직선활동검토를 통해 사석마운드 안정성을 판정하는 정적해석을 하고 있다. 가정된 파괴면에서의 구조물자중, 파압, 토압에 의해 발생되는 활동력과 저항력의 비로 안전율을 판정한다. 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
기존방식에 따른 직선활동에 대한 안정성과 파압 시동적 파랑에 의한 사석제체내 침투류 발생을 고려한 안정성 평가결과를 상호 비교한 결과 동적 파랑을 고려한 안정해석이 특정시간대에 있어 기존 직선활동으로 산정된 안전율(F.S.=1.280)보다 작게 산정되었다. 따라서 기존방식에 의한 직선활동만 검토할 경우 파랑의 주기에 따른 특정시간대 최소안전율이 발생하는 경우를 고려할 수 없으므로 동적해석도 필요할 것으로 판단된다.
SLOPE/W는 포화지반 뿐만 아니라 불포화지반에 대한 원호활동 및 비원호활동에 대하여 Ordinary, Bishop, Janbu, Sarma, Spencer 및 Morgenstern-Price법 등을 이용한 한계평형해석을 수행할 수 있다. 또한, SEEP/W와의 연동을 통해 지반내 비정상침투에 의한 간극수압변화를 고려한 안정해석과 SIGMA/W와의 연동을 통해 시공단계별 안정해석이 가능하다.
후속연구
(4) 기존방식에 의한 직선활동만 검토할 경우 구조체에 작용하는 침투류에 의한 동적인 파압과 간극수압을 고려할 수 없어 특정 시간대에 구조체에 발생되는 최소안전율을 고려할 수 없다. 그러므로 정적해석과 함께 시계열에 따라 구조물에 작용하는 파압과 사석제체에 작용하는 수압을 고려한 동적해석도 검토가 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
OLAFOAM 코드가 개발된 배경은 무엇인가?
, 2012)은 GNU GPL(General Public License)을 기반으로 하는 공개 CFD(Computational Fluid Dynamics) 소스코드이다. 오픈소스 기반인 OpenFOAM의 경우 높은 범용성을 목적으로 개발되어 왔지만, 해안 및 항만공학에 적용하기 위해서 요구되는 조파기능 및 반사파제어기능이 불충분하여 파동역학에 관련된 공학적 문제로의 적용에는 한계가 있었다. 이러한 제한을 극복하기 위하여 Higuera et al.
사석호안 구조물의 침투류에 의한 침투해석 시 적용되는 설계조위의 특징은 무엇인가?
국내의 경우 항만 및 어항설계기준(Ministry of Oceans and Fisheries, 2014)에 따르면 침투에 의한 검토는 주로 조차의 영향을 받는 해역에 준설토 투기를 위해 축조되는 사석호안 구조물의 안정성 설계에 적용하고 있다. 사석호안 구조물의 침투류에 의한 침투해석 시 적용되는 설계조위는 최대유속과 최대동수경사를 산정할 수 있도록 구조물 내･외수위차가 최대로 발생하는 조위를 적용하고, 정상류 해석을 기본으로 하고 있다. 단, 실험과 문헌조사 등을 통하여 입력변수(물성치)가 결정되면 비정상류 해석을 할 수 있도록 하고 있다.
사석경사식 구조물이란 무엇인가?
1은 일반적인 콘크리트블록을 사용한 사석경사식 방파제의 일반적인 형태이다. 사석경사식 구조물은 사석마운드 상부에 콘크리트블록을 설치한 형태를 취하고 있는 일반적으로 많이 사용되는 해안구조물 중 하나이다.
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