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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 불규칙파를 대상으로 하여 가장 보편화되어 있으며, 수리실험 및 시공실적에 의해 그 특성이 잘 규명되어 있는 TTP와 새로운 소파블록인 MTB를 동일한 수리학적 조건하에서 수리 모형실험을 통하여 비교.검토하고자 한다.
제안 방법
- 각 블록별의 거치형태 중에서 MTB의 정적 1층 평적배열은 Photo. 1과 같이 먼저 MTB를 정방향 으로 하여 제체 등의 법선에 평행한 방향으로 삼각점 원주기둥이 옆으로 서로 맞닿도록 연속으JA 제 1행을 선치한 후. 인접되는 제 2행은 MTBL1- 정방향으로 하여 설치한다.
- 5로 하였다. 또한 제체의 중간피복재의 중량은 7.0~13.0g(평균 10.0g), 사석중량은 0.1~1.0g 범위의 쇄석을 사용하였으며 제체 저면의 해저 경사는 1/30로 하여 모형상의 하부에 모래로 속채움을 한 후. 그 위에 벽돌을 깔아 바닥경 사를 유지시키면서 표면은 몰타르로 마감 처리하였다.
- 1과 같이 두 개의 파고계 WG3와 WG4를 설치하여 통과파 스펙트럼과 목표스펙트럼이 일치하도록 재현시키고 이들과 병행하여 조파판 부근의 일정 수심상에 설치한 두 개의 파고계 WG1 과 WG2는 통과파 및 모형구조물 설치시의 입사파 조건을 확인하기 위한 지시계로 사용하였다. 모형상 위에 모형 구조물이 설치된 후에는 구 조물에서 반사되어 조파판으로 돌아오는 파는 반사파 흡수필터에 의하여 보정되어 조파되므로, 모형 설치전의 입사파가 모형설치 후에도 그대로 구조물 위치에 도달할 것이므로 파고계 WG1 과 WG2로부터 입사파를 분리한 후, 앞서 통과파 실험시 입사파의 지시계(WG1, WG2)로 부터 계측된 입사파 조건과 비교, 확인하면서 실험을 수행하였다(권.이 , 1999).
- 제체에 도달한 입사파는 제체로부터 반사하게 되므로 제체에서 유의파장 이상 떨어진 지점에 적절 한 간격을 두고 2개의 파고계를 설치하여 이들의 계측결과인 파형기록에 의해서 FFT법을 사용해서 성분파의 진폭을 구하고, 이러한 성분파로부터 입. 반사파의 진폭올 구한 후, 이들의 페리오도그램 (periodogram)을 평활화함으로써 입.반사파의 스펙트럼을 추정할 수 있다.
- 실험파는 대상 파고 조건에서 30분간 연속적으로 작용시켰으며 블록의 이탈 상황은 육안으로 관찰하여 기록하였으며 또한 중요한 장면들은 켐코더 촬영기록을 통하여 비교.분석하여 판단 하였다.
- 불규칙파를 대상으로 하여 가장 보편화 되어있고 수리모형실험 및 시공실적이 가장 많은 TTP와 새로운 소파블록인 MTB의 수리학적 성능을 비교. 검토하기 위하여 각 블록의 거치형태 및 사면경사 에 대한 수리모형실험을 수행한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 2m의 조파기의 후면과 수로 끝단부에 직립식 소파장치가 설치되어 있다. 불규칙파를 실험파로 하는 수리 모형 실험시 모형구조물과 조파판 양측에서 다중반사가 일어나 수로내에 에너지 누적현상이 생길 수 있으므로 격벽을 설치하여 2개의 수로를 만들어 한편에서는 실험파랑을 재현시키고 다른 한편은 수로 끝단에 있는 소파장치에서 파의 에너지를 흡수하는 수로를 사용하였다.
- 식 (3)을 목표스펙트럼으로 하여 모형 구조물의 설치 예정위치에 Fig. 1과 같이 두 개의 파고계 WG3와 WG4를 설치하여 통과파 스펙트럼과 목표스펙트럼이 일치하도록 재현시키고 이들과 병행하여 조파판 부근의 일정 수심상에 설치한 두 개의 파고계 WG1 과 WG2는 통과파 및 모형구조물 설치시의 입사파 조건을 확인하기 위한 지시계로 사용하였다. 모형상 위에 모형 구조물이 설치된 후에는 구 조물에서 반사되어 조파판으로 돌아오는 파는 반사파 흡수필터에 의하여 보정되어 조파되므로, 모형 설치전의 입사파가 모형설치 후에도 그대로 구조물 위치에 도달할 것이므로 파고계 WG1 과 WG2로부터 입사파를 분리한 후, 앞서 통과파 실험시 입사파의 지시계(WG1, WG2)로 부터 계측된 입사파 조건과 비교, 확인하면서 실험을 수행하였다(권.
- 실험단면의 기본적인 제체형태는 상부에 상치콘크리트가 있는 사석식 경사제를 대상으로 하였으며 실험항목에 따라 제체의 천단고를 일정한 사면 경사에서 월파를 허용하지 않는 경우와 제체의 천단고에 제한을 두어 월파를 허용하는 두 가지 경우 로 설정하였다.
- 실험은 제체 설치후 블록이 이동하지 않는 정도의 작은 파를 작용시켜 결속을 다진 후에, Table 3에 나타낸 실험파 중에서 주기별로 파고가 작은 쪽에서 큰 파의 순서로 증가시키면서 연속적으로 실행하였다. 실험파는 대상 파고 조건에서 30분간 연속적으로 작용시켰으며 블록의 이탈 상황은 육안으로 관찰하여 기록하였으며 또한 중요한 장면들은 켐코더 촬영기록을 통하여 비교.
- 피해정도가 큰 파고에서는 실험을 중단하고 다시 블록을 쌓고 다음 주기에 해당하는 실험으로 전환하였으며 또한 블록의 피해 이전에 발생한 하층부의 사석부 피해로 인한 제체의 피해가 발생한 경우에도 실험을 중단하고 제체을 다시 쌓고 다음 주기로 실험을 수행하였다. 실험은 최종 파고까지 실행하고 난 후, 처음상태로 블록을 다시 쌓아 다음 주기로 실험을 수행하였다.
- 실험을 위한 대상단면의 설계는 블록의 크기, 예상안정도. 모형의 크기.
- 실험은 제체 설치후 블록이 이동하지 않는 정도의 작은 파를 작용시켜 결속을 다진 후에, Table 3에 나타낸 실험파 중에서 주기별로 파고가 작은 쪽에서 큰 파의 순서로 증가시키면서 연속적으로 실행하였다. 실험파는 대상 파고 조건에서 30분간 연속적으로 작용시켰으며 블록의 이탈 상황은 육안으로 관찰하여 기록하였으며 또한 중요한 장면들은 켐코더 촬영기록을 통하여 비교.분석하여 판단 하였다.
- 월파량은 호안 및 방파제 설계시 가장 중요한 실험인자 중의 하나이다. 월파량에 대한 실험은 불칙파의 파군을 대상으로 200~300파를 연속적으로 작용시켜 파랑이 월류하는 제체의 상부와 하류즉 저수통 사이에 설치된 도수로를 통하여 저수통에 도달하는 물의 총량을 펌핑하여 회수된 물의 총무게를 계측한 후 단위시간당 단위길이당의 무게로 환산하였다(해양수산부, 1997).
- 월파를 허용하지 않는 실험단면의 천단고는 수조의 크기를 고려하여 Hu:[=18cm의 최대파까지 월파하지 않도록 +35cm 하였으며 월파를 허용하는 단면의 천난고는 앞선 경우의 실험결과를 근거 로 하여. 한정된 실험파에 대하여 적절한 월파량이 생길 수 있도록 +22cm로 결정하였다.
- 이탈 블록의 갯수는 새로운 블록을 쌓고 작은 파로 결속을 다진 후에 앞서 제시한 실험파에서 주기는 일정하게 하고 파고는 작은 쪽에서부터 작용시키고, 다음 큰 파고로 바꿀 때는 앞의 파에 의한 상황은 그대로 두고 그 이전의 파고조건에서 이탈한 갯수에 새롭게 이탈한 갯수를 누계하여 계 산했다.
- 제체에 도달한 입사파는 제체로부터 반사하게 되므로 제체에서 유의파장 이상 떨어진 지점에 적절 한 간격을 두고 2개의 파고계를 설치하여 이들의 계측결과인 파형기록에 의해서 FFT법을 사용해서 성분파의 진폭을 구하고, 이러한 성분파로부터 입. 반사파의 진폭올 구한 후, 이들의 페리오도그램 (periodogram)을 평활화함으로써 입.
- 모형의 크기. 파의 제원 및 수조의 제원 등의 상호관계를 고려하여 결정하였다.
- 각 파의 작용시간은 실험실 규모로 30분씩이었다. 피해량은 실시간 육안관찰로 기록하였으며 중요 장면들은 디지털 켐코더 촬영을 통하여 비교, 분석에 이용하였다. Table 4는 블록의 안정성에 대한 실험결과를 각 블록 종류, 사면경사 및 거치 형태별로 해당 파고조건까지 이탈한 블록의 누적 갯수를 도시한 것 이 다.
- 피해정도가 큰 파고에서는 실험을 중단하고 다시 블록을 쌓고 다음 주기에 해당하는 실험으로 전환하였으며 또한 블록의 피해 이전에 발생한 하층부의 사석부 피해로 인한 제체의 피해가 발생한 경우에도 실험을 중단하고 제체을 다시 쌓고 다음 주기로 실험을 수행하였다. 실험은 최종 파고까지 실행하고 난 후, 처음상태로 블록을 다시 쌓아 다음 주기로 실험을 수행하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 조파수로에는 Fig. 1에 도시 한 것과 같이 길이 30m, 폭 0.8m, 높이 1.2m의 조파기의 후면과 수로 끝단부에 직립식 소파장치가 설치되어 있다. 불규칙파를 실험파로 하는 수리 모형 실험시 모형구조물과 조파판 양측에서 다중반사가 일어나 수로내에 에너지 누적현상이 생길 수 있으므로 격벽을 설치하여 2개의 수로를 만들어 한편에서는 실험파랑을 재현시키고 다른 한편은 수로 끝단에 있는 소파장치에서 파의 에너지를 흡수하는 수로를 사용하였다.
- 본 실험은 새로운 소파블록인 MTB와 사용실적과 실험결과가 많은 TTP를 대상으로 하였다. Fig.
- 실험단면의 처오름 높이에 대한 정보는 CERCQ984)에서 Dois를 대상으로 한 처오름 실험자료를 정리한 Seeling(1980)의 결과를 이용하였으며 이때 주기 T는 실험의 최대주기인 T=2.2sec를 대상으로 하였다.
- 실험에 사용할 MTB의 기본치수인 원주기둥의 직경 1.73cm에 대한 블록의 체적은 43.5cm'이며, 이때 블록의 중량은 97.4g이다. 이 중량과 위에서 설정한 값으로 식 (1)을 이용하여 유의파고를 구해보며 H 1/3은 lOcni ~ 18cm이다 .
- 이 유의파고는 본 실험 수조의 조파한계 내에 존재하므로 실험에 사용할 MTB의 중량은 97.4 g 으로 하였다. 또한 TTP의 중량은 앞서 선택한 MTB와 외관상 블록치수가 가장 비슷한 것을 선택하여 중량을 구해보면 95.
- 제체의 사면경사는 1 : 1.5와 1 : 4/3의 2가지 종류를 대상으로 채택하였으며, 제체의 후면경사 는 위의 두 가지 경우에 대하여 똑같이 1 : 1.5로 하였다. 또한 제체의 중간피복재의 중량은 7.
이론/모형
- 이와 같이 조파된 파랑을 모형 구조물 설치위치에서 입반사파를 분리한 후 측정된 입사파의 스펙트럼이 목표 스펙트럼과 일치하지 않으면 응답함수에 의해 조파판 구동 스펙트럼을 수정하여 실험파 스펙트럼이 목표 스펙트럼에 근접할 때까지 반복한다. 여기서 압반사파 분리에는 상호 적정한 간격을 두고 설치된 2개의 파고계로부터 관측된 파고기록을 이용하는 Goda와 Suzuki(1976)가 제안한 빙법을 사용하였다.
- 입사파랑으로는 다음과 같이 Goda(1987) 에 의해 수정된 Bretschneider-Misuyasu 스펙트럼을 사용하였다.
성능/효과
- 2) TTP 난적 2층 사면경사 1 : 4/3인 실험결과 에서 피해율 0%일 때 Kq값은9.99임을 알 수 있 었으며, 이 값은 "TETRAPOD 설계, 시공" 에서 규칙파를 이용하여 사면경사 1 : 4/3인 경우, 비 쇄파에 대하여 사용하도록 제시한 Kd=10.2에 근사하며, 이는 본 실험이 불규칙파를 대상으로 한 것을 감안하면 합리적인 실험결과라 판단된다.
- 1) TTP 난적 2층의 사면경사 1 : 1.5 인 실험결 과에서 피해율이 0%일 때 값은 8.88로 나타났고, 이 값은 CERC(1984)에서 제시한 사면경사 1 : 1.5 보다 급하지 않으며 비쇄파인 경우의 K》=8.0보다 10.0% 큰 값이다.
- 3) MTB 정적 1층의 모든 실험조건에서는 본 수리모형실험을 통하여 실제 피해를 발생시키는 파고를 발견할 수 없었으나, MTB 정적 1.5층, 사면경사 1 : 1.5에서 피해가 발생함을 확인할 수 있었고, 이때 안정성이 확인된, 즉 피해율 0%일 때의 값은 32.7이 된다. 그러나 본 실험이 매우 제한된 실험조건에서 수행되었고 또한 실제 해역에서 일어날 수 있는 블록의 파괴현상을 감안하면 새롭게 개발된 MTB의 Kp값은 30정도로 제시될 수 있다.
- 4) TTP 난적 2층에 대한 Kp값의 특성을 고찰한 결과, 파형경사가 크면 Xd값이 크게 나타났으며, 특히 장주기에서는 파형경사의 변화에 의한 Kd값의 증가율이 높게 나타났다. 사면경사의 변화에 의한 영향은 사면경사가 급할수록 Kd값 은 감소하나, 동일한 파형경사의 경우에는 사면경사가 급할수록 Kd값이 크게 나타났다.
- 5) 무월파조건의 실험결과에서 TTP 난적 2층과 MTB 정적 1.5층의 모든 실험조건에 대하여 반사 계수는 두 경우가 비슷한 결과를 보여주고 있으나 MTB 정적 1층에서는 약간 높게 나타났다. 그리 고 월파조건의 실험결과에서 TTP 난적 2층, MTB 정적 L5층 그리고 MTB 정적 1충 순서로 반사계수가 크게 나타나고 있음을 알 수 있었다.
- 6) 평균월파량은 TTP 난적 2층이 가장 적고, MTB 정적 1.5층, MTB 정적 1층 순서로 많게 나타남을 알 수 있었다. TTP 난적 2층과 MTB 정적 1.
- TTP 난적 2충의 사면경사 1 : 1.5의 실험결과에 서 안정성이 확인된, 즉 피해율 D가 0%인 실험파 조건은 주기 1.9sec, 파고 9.98cm 이고, 주기2.2sec때는 파고 9.98cm이다. 이때 TTP의 안정성 을 평가하기 위해 식 (D에 표시한 Hudson공식으 로 값을 구해보면 위의 두 경우에 대하여 Kd=8.
- 5층으 로 거치할 경우 표면조도가 증가하여 파랑에너지 손실이 상대적으로 크게 발생했기 때문이라 생각 된다. Table 5에서 보는 바와 같이 실험의 모든 경우에 대하여 같은 파고조건에서 주기가 길거나 또는 사면경사가 급할수록 반사계수가 크게 나타남을 알 수 있고 파형경사(H/L) U3가 증가할수록 반사계수가 감소함을 알 수 있다.
- 그리 고 월파조건의 실험결과에서 TTP 난적 2층, MTB 정적 L5층 그리고 MTB 정적 1충 순서로 반사계수가 크게 나타나고 있음을 알 수 있었다. 같은 블록이라도 거치형태를 달리하면 반사계수가 다르게 계측될 수 있음을 알 수 있었고, 실험의 모든 경우에 대하여 같은 파고조건에서 주기가 길거나 사면이 급할수록 반사계수가 크게 나타났고 파형 경사가 증가할수록 반사계수가 감소함을 알 수 있 었다.
- 계측결과를 살펴보면 전체적으로 파고가 증가하면 평균 월파량도 증가함을 볼 수 있으며, 평균 월파량은 TTP 난적 2충이 가장 적고, 그 다음으로 MTB 정적 1.5충, MTB 정적 1충 순서로 높게 나타남을 알 수 있다. MTB 정적 1.
- 7이 된다. 그러나 본 실험이 매우 제한된 실험조건에서 수행되었고 또한 실제 해역에서 일어날 수 있는 블록의 파괴현상을 감안하면 새롭게 개발된 MTB의 Kp값은 30정도로 제시될 수 있다. 따라서 MTB는 수리학적 안정성의 관점에서 볼 때 TTP보다 훨씬 우수한 소파블록임이 입증되었다.
- 5층의 모든 실험조건에 대하여 반사 계수는 두 경우가 비슷한 결과를 보여주고 있으나 MTB 정적 1층에서는 약간 높게 나타났다. 그리 고 월파조건의 실험결과에서 TTP 난적 2층, MTB 정적 L5층 그리고 MTB 정적 1충 순서로 반사계수가 크게 나타나고 있음을 알 수 있었다. 같은 블록이라도 거치형태를 달리하면 반사계수가 다르게 계측될 수 있음을 알 수 있었고, 실험의 모든 경우에 대하여 같은 파고조건에서 주기가 길거나 사면이 급할수록 반사계수가 크게 나타났고 파형 경사가 증가할수록 반사계수가 감소함을 알 수 있 었다.
- 5층의 모든 실험조건에 대하여 반사계수는 비슷한 결과를 보여주고 있으나 MTB 정적 1층의 반사계수는 약간 높게 나타났다. 그리고 월파조건의 실험결과에서는 TTP 난적 2층, MTB 정적 L5층 그리고 MTB 정적 1층 순서로 반사계수가 증가하고 있음을 알 수 있으며 , 같은 실험조건이라도 월파가 생기는 경우에는 반사계수가 감소하고 있음을 볼 수 있다. 이는 월파가 일어나면서 제체에 입사하는 파랑에너지의 일부가 제체 밖으로 전달되기 때문이다.
- 그러나 본 실험이 매우 제한된 실험조건에서 수행되었고 또한 실제 해역에서 일어날 수 있는 블록의 파괴현상을 감안하면 새롭게 개발된 MTB의 Kp값은 30정도로 제시될 수 있다. 따라서 MTB는 수리학적 안정성의 관점에서 볼 때 TTP보다 훨씬 우수한 소파블록임이 입증되었다.
- 무월파조건의 실험결과를 살펴보면 TTP 난적 2 층과 MTB 정적 1.5층의 모든 실험조건에 대하여 반사계수는 비슷한 결과를 보여주고 있으나 MTB 정적 1층의 반사계수는 약간 높게 나타났다. 그리고 월파조건의 실험결과에서는 TTP 난적 2층, MTB 정적 L5층 그리고 MTB 정적 1층 순서로 반사계수가 증가하고 있음을 알 수 있으며 , 같은 실험조건이라도 월파가 생기는 경우에는 반사계수가 감소하고 있음을 볼 수 있다.
- 사면경사의 변화에 의한 영향은 사면겅사가 급할수록 KD값은 감소하나, 파형정사가 농인한 경우에, 사면경사가 급할 수록 KD값은 크게 나다났다. 이는 Hudson 강식에 있;: cot a 의 영향이라 생각된다.
- 4) TTP 난적 2층에 대한 Kp값의 특성을 고찰한 결과, 파형경사가 크면 Xd값이 크게 나타났으며, 특히 장주기에서는 파형경사의 변화에 의한 Kd값의 증가율이 높게 나타났다. 사면경사의 변화에 의한 영향은 사면경사가 급할수록 Kd값 은 감소하나, 동일한 파형경사의 경우에는 사면경사가 급할수록 Kd값이 크게 나타났다. 주기의 영향을 살펴보면, 3개의 주기조건의 실험결과이 지만 피해율 0~3%내에서 사면경사가 1:1.
- 5층을 TTP 난적 2층과 비교하면 공극률이 약간 적고 거치형태가 정적이기 때문에 공극이 주로 거치표면에 집중되어 있기 때문이라 판단된다. 월파량에 대한 주기 및 사면경사의 효과는 반사계수와 마찬가지로 같은 파고조건이라도 주기가 길거나 사면이 급할수록 평균월파량은 크게 나타났다.
- 이상과 같은 결론을 종합하여 보면 MTB는 안정성에서 상당히 우수한 블록임이 입증되었으며 또한 소파효과를 나타내는 반사계수도 TTP 난적 2층과 비슷하게 나타났으나, 거치형태가 정적인 관계로 월파량에서는 TTP 난적 2층보다 다소 기능이 뒤떨어짐을 알 수 있었다.
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