1. 서 론
잠제와 같은 저마루 구조물(LCS, Low-crested structure)은 일반적인 형태의 방파제와 달리 마루가 수면 밖으로 돌출되지 않고 수중에 설치된다. 이러한 LCS는 다른 해안구조물에 비해 미관상 매우 우수하나, 연안으로 유입되는 파랑을 제대로 제어하기 위해서는 설치해역의 파랑 제원에 기초하여 일정 이상의 마루폭과 높이를 갖추어야 한다. 그 이유는 LCS의 수리성능은 마루 위에서 강제 쇄파로 인한 에너지소산을 유도하여 배후로 전달되는 파랑을 크게 감쇠시키기 때문이다. 이에 많은 연구자는 잠제의 파랑제어기능을 분석하기 위한 수리모형실험, 수치해석을 수행하였다(d'Angremond et al., 1996; Seabrook and Hall, 1998; Calabrese et al., 2002; van der Meer et al., 2005; Goda and Ahrens, 2008; Hur et al., 2012a). 그 결과, 일정 이상의 마루폭, 일정 이하의 마루수심을 유지하여야 LCS의 파랑차단이 가능함을 밝혀내었다. Hur et al.(2012b)에 따르면, 투과성 LCS의 경우에는 마루폭은 입사파장의 1/4 이상, 마루수심은 입사파고의 1/3 이하일 때, 연안의 처오름 높이 감소에 효과적인 것으로 나타났다. 따라서 조위차가 큰 해역의 만조 시에는 LCS가 본연의 파랑제어기능을 제대로 발휘하지 못한다. 이에 조위차가 큰 해역에도 설치 가능한 다기능 LCS가 요구된다.
다기능 LCS에 관한 연구로는 Hur et al.(2010)이 제체에 관로가 설치된 LCS를 제안함과 더불어 Navier-Stokes 방정식 모델을 적용한 수치해석을 통해 배후수위를 저감시킴으로써 LCS 주변의 흐름을 제어할 수 있음을 밝혀내었다. 나아가 Hur et al.(2017a)은 2차원 수리모형실험을 통하여 Hur et al.(2010)에서 제안한 신형식 LCS의 배후수위 저감효과 및 흐름제어기능을 재차 확인하였다. Hur et al.(2014)는 LCS 개구부 지반을 개량, 추가 구조물을 설치하여 개구부 흐름제어 가능성을 3차원 수치파동수조에서 검토하였다. Hur et al.(2017b)은 마루폭이 좁은 벽체를 다열로 배치하는 LCS의 배후수위 및 개구부 흐름을 저감효과를 3차원 수치 파동수조에서 조사하였다. 이상의 연구들은 LCS 개구부의 강한 흐름(이안류)의 원인이 되는 배후수위 상승을 줄일 수 있는 신기능 LCS의 개발 및 적용성을 검토한 것이다. LCS의 파랑제어기능을 향상시키기 위한 연구들로 Uemura(2013)은 다열 불투과성 벽체가 포함된 투과성 LCS의 파랑제어기능을 CADMAS-SURF(CDIT, 2001)를 이용하여 조사하였다. Le et al.(2016)은 공기 격실을 가진 LCS에서 공기압축에 따른 파랑감쇠효과를 RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)모델을 통해 확인하였다. Hur et al.(2017b)에서는 다열 벽체 LCS 및 투과성 LCS 주변의 파고분포를 비교하였으며, 2열 이상의 벽체 LCS는 투과성 LCS보다 파랑차단성능이 우수함을 수치적으로 분석하였다. Hur et al.(2019)은 LCS 상부(마루)에 부력이 있는 날개를 부착하여 파랑을 제어하는 TA-LCS(Tide-adapting low-crested structure)를 제안하고, 수리모형실험을 통해 파랑차단성능을 조사하였다.
한편 Hur et al.(2019)에서는 수리모형실험을 통해 TA-LCS의 파랑차단성능과 효율성을 일반 LCS와 비교하였다. 그러나 저조위에서 일반 LCS와 고조위에서 TA-LCS의 파랑전달계수를 정량적으로 비교하여 TA-LCS의 파랑차단 효율에 대해 검토하기에는 불합리한 점이 있다. 그리고 Hur et al.(2019)에서는 TA-LCS의 파랑반사, 파랑에너지감쇠 등과 같은 수리특성은 논의되지 않았다.
본 연구는 Hur et al.(2019)가 제안한 조위차 극복형 LCS의 수리특성을 파악할 목적으로 수리모형실험에서 측정한 LCS 주변의 시간파형을 분석한다. Hur et al.(2019)과 달리 LCS의 파랑전달계수에 관한 경험식과 실험값을 비교하여 TA-LCS의 파랑차단성능을 조사한다. 나아가 다양한 파랑조건 하에서 일반 LCS와 TA-LCS의 파랑전달계수 및 파랑감쇠계수를 비교하여 TA-LCS의 정량적 수리특성을 분석한다.
2. 수리모형실험
2.1 실험수조와 LCS모형의 개요
본 연구에서 검토하는 TA-LCS의 수리특성을 조사하기 위하여 Fig. 1과 같이 길이 30m, 폭 0.4m, 높이 0.9m의 조파수조를 이용하였다. 안정적으로 파랑을 생성하기 위해 조파기 부근의 수심을 57cm 이상 확보하였다. 그리고 대상 구조물은 기울기 1:10, 높이 30cm의 기초바닥 위에는 기본적으로 높이 25cm, 마루폭 30cm, 경사 1:1의 불투과성 사다리꼴 구조물을 거치하였다. 조파수조의 끝에는 파동장 교란을 최소화하기 위한 1:7의 경사를 가진 파랑흡수장치를 배치하였다.
Fig. 1의 상세도와 같이 TA-LCS의 마루 위에는 수위변화에 따라 움직일 수 있는 날개와 이 끝에는 부력을 발생시킬 수 있는 EPS(Expanded polystyrene)를 부착하였다. 마루 위의 날개가 파랑작용에 따라 자유롭게 움직일 수 있게 반대쪽에는 경첩을 설치하였다.
2.2 실험조건과 측정방법
본 실험에서 적용한 LCS 모형, 수심, 입사파랑 조건들은 Table 1과 같으며, 총 45회에 걸쳐 실험을 수행하였다. 실험에 이용한 LCS 모형은 일반적인 사다리꼴 불투과성 구조물, 부력체의 크기가 3cm×4cm인 TA-LCS34, 3cm×10cm인 TA-LCS310이다. 마루수심(Freeboard)은 일반 LCS에서는 2cm, TA-LCS에서는 만조 시를 고려하여 7cm, 12cm를 각각 적용하였다. 입사파랑은 규칙파를 대상으로 하며, 파고(Hi) 3cm, 5cm, 7cm 그리고 주기(Ti) 1.2s, 1.5s, 1.8s를 조합하여 9가지의 입사조건을 고려하였다.
실험수조에는 6개의 파고계를 설치하였으며, 조파기로부터 5m 떨어진 지점에 CH. 1, LCS 전면에 CH. 2-5, LCS 배후에 CH. 6를 각각 배치하였다. 그리고 이 6개의 파고계로부터 1/100초 간격으로 수위를 연속적으로 취득할 수 있게 설정하였다. LCS 전면의 파고계 CH. 2-5에서 측정한 수면파형들을 Goda and Suzuki(1976)의 입⋅반사 분리산정법에 대입하여 반사계수(KR), 배후의 파고계 CH. 6에서 측정한 수면파형으로는 전달계수(KT)를 각각 계산하였다.
3. 실험결과
3.1 파동장
Figs. 2-4는 입사파고 5cm, 입사주기 1.5s일 때, 일반 불투과성 LCS와 수리특성을 분석하는 TA-LCS 주변의 파동장과 마루에 부착된 날개의 거동을 1주기 동안 t/Ti=1/10 간격으로 나타낸 것이다. Fig. 2는 마루수심이 2cm인 불투과성 사다리꼴 LCS, Fig. 3은 마루수심이 7cm인 TA-LCS34, Fig. 4는 마루수심이 7cm인 TA-LCS310의 경우를 각각 나타낸다.
Fig. 2에서는 불투과성 사다리꼴 LCS으로 인한 전형적인 파랑변형 특성을 보여주고 있다. 외해에서 유입된 파랑이 LCS의 외해측 경사면 상에 비선형성이 발달하고, 마루 상에서는 쇄파로 인한 수위상승이 나타난다. 그리고 파곡이 유입시에는 내-외해의 수위차로 인한 리턴플로우가 발생하기도 한다. 이와 같은 LCS의 수리현상은 마루수심이 깊을수록 약해짐으로 파랑차단효과는 크게 떨어지게 된다.
Fig. 3과 Fig. 4에서는 조위가 높음에도 불구하고, TA-LCS의 마루에 부착된 날개가 파랑을 차단하는 것을 확인할 수 있다. 날개 끝에 부착된 부력체로 인해 파랑에 의한 수위변동에 즉각적 반응으로 인해 월파가 발생하지 않으며, 그로 인해 파랑에너지 전달이 차단된다. 파봉 유입 시에는 상승하였던 날개가 다시 하강하면서 수면과의 간섭이 발생하며, 이 영향으로 잠제 배후의 수면변동이 조금 증가하는 경향이 나타나기도 한다.
이상에 근거하여 본 연구에서 검토하는 TA-LCS는 조위가 상승하더라도 방파제의 본연의 역할인 파랑제어 기능을 잘 수행하는 것을 정성적으로 확인하였다. 다음 장에서는 전달계수(KT), 반사계수(KR), 감쇠계수(KD)를 비교⋅분석하여 TA-LCS의 정량적 수리특성을 파악한다.
3.2 파랑전달계수
Fig. 5에서는 TA-LCS의 파랑차단성능을 조사하기 위하여 쇄파상사계수(ζ = tan α / H i / L i
마루수심이 7cm, 12cm일 때, 일반 LCS에 실험을 수행하지 못하여 직접적인 파랑차단에 대한 수리성능 비교가 불가능하여 다음의 경험식 (1)을 이용하며, 산정한 일반 LCS의 KT의 추세선(점선)을 각각 나타내었다. LCS의 KT 산정에는 마루수심과 입사파고와의 비(Fb/Hi), 마루폭과 입사파고와의 비(B/Hi)를 고려할 수 있게 제안된 경험식(d'Angremond et al., 1996; van der Meer et al., 2005; Cox and Tajziehchi, 2005)을 많이 적용한다. 그러나 본 실험조건처럼 Fb가 Hi 보다 큰 경우에는 전술한 경험식의 적용 범위(0.075≤KT ≤0.8)를 벗어나는 경우가 발생하여 Fb/Hi 만을 고려할 수 있는 Bleck and Oumeraci(2001)의 경험식을 이용한다. 이 경험식은 직사각형 인공리프를 대상으로 수행한 수리모형실험을 통해 취득한 KT에 근거하여 제안된 것이다.
Hur et al.(2019)에서 논의된 것처럼 고조위에서도 TA-LCS의 파랑차단성능은 Fb가 작은 LCS에 비해 다소 떨어지며, 날개의 부력이 큰 TA-LCS10의 경우에는 그 차이가 줄어드는 것을 Fig. 5를 통해 확인할 수 있다. 그러나 고조위의 경우에는 일반 LCS의 점선 추세선으로부터 알 수 있듯이 상당히 큰 KT를 가진다. 이것은 일반 LCS는 고조위에서 마루에서의 강제쇄파가 발생하지 않음으로 파랑차단성능이 크게 저하되기 때문이다. 이것에 반해 TA-LCS는 고조위에서도 어느 정도 이상의 파랑제어가 가능함을 알 수 있다.
3.3 파랑반사계수
Fig. 6에서는 Goda and Suzuki(1976)의 입⋅반사 분리법을 이용하여 산정한 파랑반사계수(KR)를 쇄파계수(ζ)에 따라 나타낸다. 그리고 Fig. 6의 그래프에 표시된 기호들의 의미는 Fig. 5의 설명과 같다.
Fig. 6으로부터 일반 LCS보다 TA-LCS의 KR가 상대적으로 작은 것을 확인할 수 있고, ζ가 작을수록 더 작아진다. ζ가 작을수록 파장이 짧음으로 TA-LCS의 날개 전후의 위상차(수위차)가 발생한다. 파봉 유입 하에서는 날개 후면의 수위가 낮아 입사파랑의 반사는 작아지고, 날개로 에너지가 전달된다. 그 결과, LOS-OTR의 KR가 일반 LCS에 비해 작을 뿐 아니라, 날개에 의한 에너지 전달이 발생함으로 KT는 크다. 그리고 LOS-OTR34가 LOS-OTR310보다 KR이 작은 이유는 LOS-OTR310는 LOS-OTR34보다 날개의 부력이 크므로 파랑전달과정에서 날개가 수면 아래로 많이 잠기지 않는다. 이 현상들은 앞서 논의한 LOS-OTR 주변의 파동장과 날개의 거동은 Fig. 3과 Fig. 4로부터 이해할 수 있다.
3.4 파랑감쇠계수
3.5 수리성능 분석
본 연구에서 검토한 TA-LCS의 파랑차단 및 반사제어에 관한 정량적 수리성능을 확인하기 위하여 Table 2와 Table 3에 각 Hi에 대한 평균전달계수(K T K R
Table 2에서 조위가 높을수록(마루수심이 깊을수록) K T K T
Table 3으로부터 앞서 논의한 바와 같이 TA-LCS는 날개가 움직임에 의해 파랑의 반사와 전달이 동시에 발생함으로 일반 LCS에 비해 K R
이상의 비교결과에 근거하여 TA-LCS는 일반 LCS에 비해 고조위에서도 파랑차단성능을 발휘할 수 있고, 파랑반사 또한 작다. 그러므로 본 연구에서 수리성능을 확인한 TA-LCS는 조위차가 큰 해역에 파랑제어 목적으로 충분히 설치 검토될 수 있다.
4. 결론 및 고찰
본 연구는 Hur et al.(2019)가 제안한 TA-LCS의 수리성특성을 파악하기 위하여 수리모형실험에서 측정한 시간파형을 분석하여 전달계수, 반사계수, 감쇠계수를 산정하였다. 이 실험결과들로부터 TA-LCS의 파랑차단 및 반사제어에 관한 수리성능을 정량적으로 조사하였다. 이로부터 얻어진 주요한 결과들을 다음과 같이 기술한다.
(1) 파랑작용 하에서 TA-LCS의 날개 거동으로부터 파랑에너지 전달, 반사 메커니즘을 이해할 수 있었다.
(2) 모든 실험모형에서 ζ가 증가할수록 KT와 KR은 증가, KD는 감소하였다.
(3) 고조위 조건에서 TA-LCS의 KT는 경험식에 기초한 LCS의 KT 보다 상당히 작은 값을 나타내었다. 이것은 고조위에서도 TA-LCS는 파랑차단에 어느 정도 이상의 성능을 발휘하기 때문이다.
(4) TA-LCS의 날개는 파랑의 전달과 반사가 동시에 발생하기 때문에 일반 LCS에 비해 다소 작은 KR를 나타내었다.
(5) 고조위에서 TA-LCS는 저조위 조건의 일반 LCS보다는 파랑차단성능이 우수하지는 않지만, 어느 정도 이상의 파랑차단성능을 나타내었다. 그리고 일반 LCS에 비해 파랑반사제어는 우수한 것으로 나타났다.
이상의 실험결과에 근거하여 LCS는 조위차가 작은 해역에서는 파랑제어에 있어서 효과적인 해안구조물임은 틀림이 없다. 그러나 조위차가 큰 해역에 설치될 경우, 고조위 하에서는 파랑차단성능이 크게 저하된다. 그러므로 본 연구에서 수리특성을 분석한 TA-LCS는 조위차가 크거나, 대수심 해역에 파랑제어의 목적으로 설치⋅검토될 수 있을 것으로 판단된다.
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