현장관측을 통한 이안소파잠제의 중력파 및 중력외파 저감효과 검토 Analysis on the Reduction Effects of the Gravity Waves and Infra-Gravity Waves of Detached Submerged Breakwater by Field Monitoring원문보기
본 연구는 속초시 영랑동 해안에 설치된 이안소파잠제의 중력파 및 중력외파 저감효과를 검토하기 위하여 잠제 전면(W0)과 후면(W1, W2)에서 현장관측을 수행하여 연속적인 파랑 자료를 분석하였다. 잠제에 의한 파고전달률($K_t$)은 단주기파(중력파)와 중력외파로 구분하여 파랑에너지 저감 효과분석을 수행하였으며, 설계 시 적용된 파고저감률과 비교 분석하였다. 잠제 전면(W0)에서 2.0 m 이상의 유의파고가 내습할 경우, 단주기파는 남측 1번 잠제(W1) 배후 파고는 약 65% 저감되고, 2번 잠제 배후(W2) 파고는 약 59% 저감되는 것으로 나타나 잠제가 어느 정도 성능을 유지하고 있는 것으로 평가되었으나, 실해역에 설치된 잠제의 마루수심이 설계와 달라 파고저감 효과는 설계 시 계획에 비해서 다소 떨어지는 것으로 분석되었다. 중력외파는 1번 잠제 배후(W1)와 2번 잠제 배후(W2)에서 파고전달률($K_t$)이 2.11과 1.71로 증폭되는 것으로 분석되었으며, 2번 잠제 배후(W2) 파고가 1번 잠제 배후(W1) 파고에 비해서 작은 것으로 나타났다.
본 연구는 속초시 영랑동 해안에 설치된 이안소파잠제의 중력파 및 중력외파 저감효과를 검토하기 위하여 잠제 전면(W0)과 후면(W1, W2)에서 현장관측을 수행하여 연속적인 파랑 자료를 분석하였다. 잠제에 의한 파고전달률($K_t$)은 단주기파(중력파)와 중력외파로 구분하여 파랑에너지 저감 효과분석을 수행하였으며, 설계 시 적용된 파고저감률과 비교 분석하였다. 잠제 전면(W0)에서 2.0 m 이상의 유의파고가 내습할 경우, 단주기파는 남측 1번 잠제(W1) 배후 파고는 약 65% 저감되고, 2번 잠제 배후(W2) 파고는 약 59% 저감되는 것으로 나타나 잠제가 어느 정도 성능을 유지하고 있는 것으로 평가되었으나, 실해역에 설치된 잠제의 마루수심이 설계와 달라 파고저감 효과는 설계 시 계획에 비해서 다소 떨어지는 것으로 분석되었다. 중력외파는 1번 잠제 배후(W1)와 2번 잠제 배후(W2)에서 파고전달률($K_t$)이 2.11과 1.71로 증폭되는 것으로 분석되었으며, 2번 잠제 배후(W2) 파고가 1번 잠제 배후(W1) 파고에 비해서 작은 것으로 나타났다.
This study was conducted to observe the effects of gravity and infra-gravity wave of detached submerged breakwater in the coast of Yeongnang-dong, Sokcho, as analyzing continuous wave data by performing field observations on the front area (W0) and rear area (W1, W2). Wave transmission coefficient (...
This study was conducted to observe the effects of gravity and infra-gravity wave of detached submerged breakwater in the coast of Yeongnang-dong, Sokcho, as analyzing continuous wave data by performing field observations on the front area (W0) and rear area (W1, W2). Wave transmission coefficient ($K_t$) of submerged breakwater was analyzed in two parts, short-period wave (gravity wave) and infra-gravity wave. The wave energy reduction effect was analyzed and compared with the value of the design. In case of above wave height 2.0 m at the front area (W0) of the submerged breakwater, the short-period wave height at point W1 is reduced by about 65% and the short-period wave height at point W2 is reduced by about 59%. The depth of crest of submerged breakwater conducted in a sea area differs from the design, and the wave energy reduction effect is analyzed to be smaller than the design plan. The infra-gravity waves were amplified to 2.11 and 1.71 at the W1 and W2 points, respectively, and the wave height at W2 point was smaller than that at W1 point.
This study was conducted to observe the effects of gravity and infra-gravity wave of detached submerged breakwater in the coast of Yeongnang-dong, Sokcho, as analyzing continuous wave data by performing field observations on the front area (W0) and rear area (W1, W2). Wave transmission coefficient ($K_t$) of submerged breakwater was analyzed in two parts, short-period wave (gravity wave) and infra-gravity wave. The wave energy reduction effect was analyzed and compared with the value of the design. In case of above wave height 2.0 m at the front area (W0) of the submerged breakwater, the short-period wave height at point W1 is reduced by about 65% and the short-period wave height at point W2 is reduced by about 59%. The depth of crest of submerged breakwater conducted in a sea area differs from the design, and the wave energy reduction effect is analyzed to be smaller than the design plan. The infra-gravity waves were amplified to 2.11 and 1.71 at the W1 and W2 points, respectively, and the wave height at W2 point was smaller than that at W1 point.
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문제 정의
, 2013). 따라서 본 연구에서는 잠제 전면과 배후에서 파랑관측을 수행하여 잠제에 의한 단주기파 뿐만 아니라 중력외파의 전파특성을 함께 분석하였다
본 연구에서는 강원도 속초시 영랑동 해역에 내습하는 파랑 특성을 파악하고 잠제와 헤드랜드로 구성된 침식방지시설에 의한 파랑저감 효과를 분석하기 위해서 실해역 파랑 모니터링을 수행하였다(Table 1 및 Fig. 2 참조). 먼저, 속초 영랑동 해역에 입사하는 파랑 특성을 파악하기 위해서는 잠제 전면의 수심 D.
본 연구에서는 속초시 영랑동 해안에 연안침식 방지공으로 설치된 남측의 잠제 2기에 대한 실해역 파랑모니터링을 수행하고 단주기파와 중력외파의 파고전달률 등을 산정하여 잠제의 파랑제어 효과를 검토한 후 설계 시에 계획한 잠제의 파랑제어 효과와 비교, 분석하고자 한다
추가적으로 실해역에 설치된 잠제의 변위 및 마루수심을 국내 · 외 인공리프 설계기준 및 설계사례 연구(DY Engineering,2014)에서 조사한 자료를 이용하여 설계 시의 잠제 마루수심과 비교하고 잠제의 기능이 잘 유지되고 있는지에 대해서도 검토하였다.
제안 방법
추가적으로 TTP 소파블록식 제체를 대상으로 하는 경우,불규칙파 실험에 의한 Takayama et al.(1988)의 파고전달률 관계식(Ministry of Oceans and Fisheries, 2016)에 의한 파고전달률과 관측치에 의한 파고전달률을 비교, 분석하였다.
'는 환산심해파고, R은 수면에서 마루까지의 수심을 의미한다. Takayama제안식에 의한 파고전달률(Kt)을 산정하기 위해서 마루수심은 실시설계 시에 계획된 0.5 m와 실해역에 설치된 잠제의 마루 수심 조사결과 0.95 m(남측 1번 잠제), 0.89 m(남측 2번 잠제)를 적용하고 주기는 7초, 9초, 11초로 각각 구분하여 파고전달률(Kt)을 산정한 후 관측치와 함께 Fig. 6에 도시하였다(참조 Table 10, Fig. 9)
본 연구에서는 국내 · 외에서의 다양한 연구 결과(Cho etal., 2012)를 종합하여 이를 1/30 Hz로 설정하였다.
본 연구에서는 국내 최초로 대규모 연안정비사업이 시행된 속초시 영랑동 해안에 설치된 잠제의 성능평가를 위해 잠제 전면과 후면에서 파랑연속관측을 수행하고 단주기파와 중력외파에 대해서 각각 파고전달률(Kt)을 산정하였으며, 설계 시에 계획한 파고저감 효과와도 비교, 분석하였다.
수압식 파고계로 취득된 자료의 경우에는 수심과 주기별로 미리 구해진 수압-해수면 변위간의 전달함수를 수압 스펙트럼에 곱하여 해수면 변위에 대한 스펙트럼을 구하게 된다. 본 연구에서는 전체 자료에서 30분마다 2,048개, 또는 90분마다 8,192개의 0.5초 간격의 연속된 자료를 선택한 후 다음의 식 (1)을 이용하여 유의파고와 평균주기를 산정하였다.
영랑동 해안에 내습하는 중력외파의 특성을 파악하기 위해서 2015년 8월 18일부터 2016년 1월 21일까지 정점 W0에서 관측된 자료를 전술한 방법으로 분석하여 중력외파의 파고와 주기를 구한 후 이들을 중력파의 경우와 같이 주기 및 파고의 구간별로 구분하고 출현빈도와 출현율을 Table 3에 나타내었다. 표에 따르면 중력외파의 파고(Higw)는 0.
영랑동 해안에 설치된 잠제는 영랑호 하구 퇴적방지시설 타당성조사 및 기본 · 실시설계용역(Sokcho City, 2008)에서 계획하였으며, 설계 시의 파고전달률은 50년 빈도 설계파(파고 4.0 m, 주기 11.07 sec) 조건일 때 0.17, 평상파(파고 1.5 m,주기 6.5 sec) 조건일 때 0.20으로 설계하였다.
정점 W0에서 AWAC을 사용하여 관측한 파랑자료는 전용해석 소프트웨어인 QuickWave를 사용하여 분석하였으며, 30분 간격으로 첨두파향(DirTp), 유의파고(Hm0), 첨두주기(Tp) 등을 제시하였다.
중력파의 경우와 동일한 기간(2015/8/18~2016/1/21)에 관측된 원시자료를 분석하여 3개 정점(정점 W0~W2)에서의 중력외파 특성과 잠제 후면에서의 파고전달률을 분석하였다. 남측 잠제의 외측에 위치한 정점 W0과 배후에 위치한 정점 W1과 W2에서 관측한 중력외파 자료의 시계열을 Fig.
대상 데이터
2의 정점 W0)에 초음파식 파향 · 파고계 AWAC(Nortek AS)을 설치하고 약 3년(2013년 6월 19일~2016년 1월 27일)에 걸쳐 파랑 자료를 취득하였다. 그리고 잠제에 의한 파랑저감 효과를 분석하기 위해서 잠제의 남측(Table 1 및 Fig. 2의 정점 W1과 W2)과 북측 배후에 수압식 파고계를 약 6개월(2015년 8월 18일~2016년 1월 27일) 동안 설치하였다. 남측 잠제의 배후에서는 성공적으로 자료를 취득하였으나 북측 잠제의 배후에서는 기기 유실로 자료를 취득하지 못하였다.
먼저, 속초 영랑동 해역에 입사하는 파랑 특성을 파악하기 위해서는 잠제 전면의 수심 D.L.(-) 14.5 m 위치(Table 1 및 Fig. 2의 정점 W0)에 초음파식 파향 · 파고계 AWAC(Nortek AS)을 설치하고 약 3년(2013년 6월 19일~2016년 1월 27일)에 걸쳐 파랑 자료를 취득하였다.
영랑동 해안에 내습하는 입사파 특성을 파악하기 위해서 잠제 전면(St. W0)에서 2013년 6월부터 2016년 1월까지 약 3년간 관측된 파랑자료를 분석한 결과에 대해 검토하였다. 먼저 중력파에 대해 파향을 16방위별로 구분하여 파랑장미도를 작성하여 Fig.
잠제에 의한 중력파에 대한 파고 저감 효과를 파악하기 위해서 3개 정점(정점 W0~W2)에서 동시관측이 수행된 기간(2015/8/18~2016/1/27)의 자료들을 분석하였다. 남측 잠제의 외측에 위치한 정점 W0과 배후에 위치한 정점 W1과 W2에서 관측한 단주기파 자료의 시계열을 Fig.
이론/모형
정점 W1과 W2에서 수압식 파고계를 사용하여 관측한 잠제 배후의 파랑자료는 스펙트럼법(spectral method)을 사용하여 분석하였다. 수압식 파고계로 취득된 자료의 경우에는 수심과 주기별로 미리 구해진 수압-해수면 변위간의 전달함수를 수압 스펙트럼에 곱하여 해수면 변위에 대한 스펙트럼을 구하게 된다.
성능/효과
단주기파의 경우 전체적으로 남측 1번 잠제 배후(W1)에서 약 29%의 파고를 저감시키고 남측 2번 잠제 배후(W2)에서 약 48%의 파고를 저감시키는 것으로 나타났으며, 잠제 전면에서 2.0 m 이상의 유의파고가 내습하는 경우 남측 1번 잠제 배후(W1)에서 약 65%의 파고를 저감시키고 남측 2번 잠제 배후(W2)에서 약 59%의 파고를 저감시키는 것으로 나타나 어느 정도의 잠제 성능을 유지하고 있는 것으로 평가되었다. 하지만 실시설계 시 계획된 파고저감 효과와 관측결과를 비교, 분석해 보면 파고저감 효과는 설계 시 계획에 비해서다소 떨어지는 것으로 분석되었다.
0 m 이상의 중력파 내습 시의 파고전달률(Kt) 분석결과 W1, W2 지점 모두 실해역에 설치된 마루수심을 적용한 Takayama의 제 안식보다 대부분 작게 산정되었다. 따라서 영랑동 해안의 해안침식에 주요 원인으로 파악되는 파고 2.0 m, 주기 8초 이상의 중력파 내습 시의 영랑동 해안 남측 잠제 2기는 최근 연안정비사업 설계 시에 많이 사용하는 Takayama의 제안식에 비해서 파고저감 효과가 좋은 것으로 검토되었다
분석결과 주기 6초에서 8초 이내, 유의파고 2.0 m 이상의 중력파 내습 시에는 W1 지점과 W2 지점 모두 관측치에 의한 파고전달률(Kt)이 실해역에 설치된 마루수심을 적용한Takayama의 제안식을 사용한 파고전달률(Kt)에 비해서 다소 크게 나타났다. 주기 8초와 10초 이상, 유의파고 2.
유의파고 2.0 m 이상 내습 시의 파랑장미도 분석결과 전년에 걸쳐 NE 및 ENE 파랑이 대부분을 차지하며, 하계에는 ENE 파랑, 동계에는 NE 파랑이 주로 내습하는 것으로 나타났다. 유의파고 2.
0% 내습하였다. 유의파고가 2.0 m 이상인 파랑의 주기 분포를 살펴보면 첨두주기 8~10초가 45.1%, 10~12초가 17.7%, 12초 이상이 9.9%로 나타나서 첨두주기 8초 이상의 출현율이 약 72.7%에 달하여 전체 자료에서의 첨두주기 8초 이상의 출현율인 20.4%와는 큰 차이를 나타냈다..
0 m 이상의 사상들에 대해서만 주기 구간별로 분석하여 Table 6에 정리하였다. 이 경우에는 전체 자료에 대한 결과와는 상당히 달라서 전반적으로 W2 지점보다 W1 지점에서의 파고 저감효과가 양호하게 나타났다. 그 원인을 분석하기 위하여 이 자료들(정점 W0에서 유의파고가 2.
8%로 다른파향들에 비해 매우 탁월하게 나타났다. 이러한 경향은 자료를 크게 하계와 동계로 구분하여 작성한 파랑장미도에서도 유사하게 나타났으며, 하계의 경우 ENE, NE 방향이 탁월한 가운데 E, ESE, SE 방향도 우세하게 나타나고 동계의 경우NE 방향이 상대적으로 출현율이 높게 제시되는 계절적 특성이 나타났다.
Table 7에는 정점 W0에서의 중력외파의 주기의 크기로 구분한 후 주기 구간별로 정점 W1과 W2에서의 상대파고비들의 평균값을 정리하였다. 이를 살펴보면 주기에 거의 무관하게 일정한 값들을 보였으며 전반적으로 W1 지점보다 W2 지점에서의 중력외파의 파고 저감효과가 양호하게 나타났다. 중력파의 경우에는 유의파고 2.
20으로 설계하였다. 잠제 외측(AWAC) 관측 자료에서 실시설계 시의 대상파랑 조건과 유사한 입사파 조건을 추출하여 분석한 결과 50년 빈도 설계 파와 유사한 파랑 내습 시의 파고전달률은 0.32(W1), 0.38(W2)로 산정되었으며, 평상파와 유사한 파랑 내습 시의 경우 0.57(W1), 0.46(W2)으로 분석되어 설계 시에 비해서 잠제의 파고저감 효과가 작은 것으로 분석되었다(Table 9. 참조)
0 m 이상의 중력파 내습 시에는 W1 지점과 W2 지점 모두 관측치에 의한 파고전달률(Kt)이 실해역에 설치된 마루수심을 적용한Takayama의 제안식을 사용한 파고전달률(Kt)에 비해서 다소 크게 나타났다. 주기 8초와 10초 이상, 유의파고 2.0 m 이상의 중력파 내습 시의 파고전달률(Kt) 분석결과 W1, W2 지점 모두 실해역에 설치된 마루수심을 적용한 Takayama의 제 안식보다 대부분 작게 산정되었다. 따라서 영랑동 해안의 해안침식에 주요 원인으로 파악되는 파고 2.
중력외파 0.1 m 이상 내습 시의 파랑장미도 분석결과 중력파의 경우와 유사하게 전년에 걸쳐 NE 및 ENE 파랑이 우세하며, 하계에는 ENE 파랑, 동계에는 NE 파랑이 주로 내습하는 것으로 나타났다.
중력외파 파고저감 효과 분석결과 중력파와 달리 전체 자료와 파고 0.1 m 이상 일 때 자료의 파고저감 효과 및 경향이 유사하게 나타나 W1 지점보다 W2 지점이 양호한 것으로 검토되었다.
0 m 이상의 유의파고가 내습하는 경우 남측 1번 잠제 배후(W1)에서 약 65%의 파고를 저감시키고 남측 2번 잠제 배후(W2)에서 약 59%의 파고를 저감시키는 것으로 나타나 어느 정도의 잠제 성능을 유지하고 있는 것으로 평가되었다. 하지만 실시설계 시 계획된 파고저감 효과와 관측결과를 비교, 분석해 보면 파고저감 효과는 설계 시 계획에 비해서다소 떨어지는 것으로 분석되었다. 이와 같은 분석 결과는 설계 시에 계획된 잠제 제원과 실해역에 설치된 잠제 제원의 차이에 의해서 발생하였을 것으로 사료된다.
후속연구
0 m 이상 내습 시의 파랑장미도 분석결과 전년에 걸쳐 NE 및 ENE 파랑이 대부분을 차지하며, 하계에는 ENE 파랑, 동계에는 NE 파랑이 주로 내습하는 것으로 나타났다. 유의파고 2.0 m 이상의 NE 및 ENE 파랑이 내습하는 경우 W2 지점은 북측 인근에 헤드렌드가 위치하여 구조물에 의한 회절파 및 반사파 등에 의한 영향을 W1 지점에 비해서 상대적으로 많이 받는 것이 영향을 미쳤을 것으로 사료되며 명확한 원인 분석을 위해서는 향후 수치모형실험 등을 통한 추가 연구를 수행할 필요가 있다.
중력외파의 파고는 정점 W1에서 가장 크고 W2, W0의 순서로 나타났다. 이는 호형 해안과 헤드랜드 및 잠제로 구성된 수역에서 중력파에 비해 상대적으로 주기가 긴 중력외파의 중복파가 강하게 형성된 것이 이유로 보이나 동 수역에서의 부분적인 공진 효과도 포함된 것으로 보여서 수치실험 등에 의한 검토가 추가되어야 할 것이다.
이러한 마루수심의 차이가 설계 시의 파고전달률(Kt)에 비해 관측값이 상당히 크게 제시되는 점을 설명해주는 것으로 생각된다. 이렇게 시공된 잠제의 마루수심이 설계에 비해 상당히 커지는 점은 향후의 유사한 설계 및 시공에 참고 되어야 할 것이다. 단, 길이 100 m 또는 130 m, 폭 40 m의 잠제의 마루수심을 단지 6개 지점에서의 측정값으로 대표하는 것은 오차를 유발할 가능성이 존재함에 유의할 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
동해안 해안침식 방지대책 공법으로 어떤 공법을 이용하는가?
동해안 해안침식 방지대책 공법으로 해안경관의 중요성이 높은 해수욕장의 경우 수중에 설치되어 해안경관을 훼손시키지 않고 해안침식을 저감시킬 수 있는 인공리프(artificial reef) 또는 이안소파잠제(detached submerged breakwater, 이하에서는 편의상 잠제로 부르기로 함) 공법을 이용한 연안정비사업의 수요가 갈수록 증가하고 있다(Ministry of Land,Transport and Maritime Affairs, 2010; Ministry of Oceansand Fisheries, 2014).
파고저감 효과가 설계 시 계획에 비해서다소 떨어지는 것으로 분석되는 이유는?
하지만 실시설계 시 계획된 파고저감 효과와 관측결과를 비교, 분석해 보면 파고저감 효과는 설계 시 계획에 비해서다소 떨어지는 것으로 분석되었다. 이와 같은 분석 결과는 설계 시에 계획된 잠제 제원과 실해역에 설치된 잠제 제원의 차이에 의해서 발생하였을 것으로 사료된다.
중력외파는 어떠한 영향을 미치는 인자인가?
유의파고 2.0 m 이상의 폭풍파 및 주기가 약 1~3분인 중력외파(infra-gravity wave, IGW)는 표사이동에 의한 연안지형변화에 직접적인 영향을 미치는 매우 중요한 인자이다(Thiebaut et al., 2013).
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