1. 서 론
수중방파제(이하, 잠제)는 이안제와 달리 방파제의 마루가 수면 아래에 위치하기 때문에 마루 위를 통한 해수교환이 가능하고, 주변 자연경관을 그대로 유지할 수 있는 장점을 가진 친환경적인 해안구조물로 각광받고 있다. 잠제는 연안침식 방지 및 해안선 보호를 위해 연안역으로 입사하는 파를 잠제 마루에서 쇄파시켜서 파랑에너지를 감소시키는 것을 목적으로 설치되고 있다. 하지만 잠제 마루 위의 쇄파에 기인한 배후의 평균수위 상승은 잠제사이의 개구부를 통하여 외해로 빠져나가는 강한 흐름이 생성되어 개구부 주변의 세굴을 발생시키는 단점을 안고 있다. 또한 이러한 개구부에서의 세굴이 잠제의 안정성에 큰 영향을 미칠 뿐만 아니라 잠제 본래의 기능을 수행하는데 상당한 지장을 주는 결과를 초래하고 있다. 이에 Hur et al.(2013)은 잠제가 설치된 부산 송도해수욕장에서 현장조사를 통해 개구부를 빠져나가는 흐름의 구조를 파악하였을 뿐만 아니라, 3차원 수치모의를 통하여 2006년 제3호 태풍 에위니아(Ewiniar) 내습시의 잠제 주변의 파고, 평균수위, 평균류 그리고 개구부의 연직 흐름분포 등과 관련하여 개구부의 세굴현상을 분석하였다.
이러한 문제점이 나타나고 있음에도 잠제에 관한 연구들은 대부분 파랑제어 기능에 중점을 두고 있다(d'Angremond et al., 1996; Seabrook and Hall, 1998; Calabrese et al., 2002; van der Meer et al., 2005; Goda and Ahrens, 2008). 근래 들어 잠제 주변의 흐름특성을 파악하려는 연구들이 진행되고 있지만, 단면 2차원적인 연구들(Hur and Kim, 2003; Garcia et al., 2004; Hsu et al., 2004; Chen et al., 2010; Hur et al., 2011)이거나, 평면 2차원적 연구들(Johnson et al., 2005; Zysermana et al., 2005; Johnson, 2006; Zanuttigh, 2007; Zhang et al., 2013)이 대부분이다. 최근에 와서 3차원적인 연구가 수행되고 있지만 잠제 주변의 흐름특성에 대한 연구는 아직 미흡하다. 특히 잠제 배후의 수위상승이 개구부 주변의 흐름특성에 미치는 영향에 대해서는 거의 논의된 적이 없는 실정이다(Hur, 2004; Kramer et al., 2005; Caceres et al., 2008; Hur et al., 2012a; Hur et al., 2012b; Sharifahmadian and Simons, 2014). 이에 Hur et al.(2010)은 수치파동수조에서 투과성 잠제에 설치하는 관로의 위치에 따른 내⋅외해의 수위차 변화를 검토하였으며, 내⋅외의 수위차가 작아질수록 개구부로 빠져나가는 흐름이 약해지는 것을 확인하였다.
본 연구에서는 잠제 배후의 평균수위를 하강시키기 위한 관로가 설치된 신기능 잠제와 일반 잠제를 적용하여 수리모형실험을 실시한다. 그리고 계측된 자료들로부터 일반 잠제 대비 신기능 잠제의 평균수위 변화특성을 파악한다. 다음으로 이러한 평균수위의 제어가 잠제 개구부의 이안류를 포함한 주변 흐름 특성에 미치는 영향에 대해 검토한 후, 최종적으로 제안한 신기능 잠제의 효율성에 대해 논의하는 것을 목적으로 한다.
2. 수리모형실험
2.1 2차원 수리모형실험수조 및 잠제모형
신기능 잠제의 단면제원 변화에 따른 배후수위 조절효과를 파악하기 위하여 단면 2차원 수리모형실험을 실시하였다. 수리모형실험은 길이 35m, 폭 0.5m, 높이 1.2m의 파동수조에서 수행하였으며, 수조에는 전면경사 1:25의 불투과 해저지반을 설치하고, 그 위에 1:2의 경사면을 가진 신기능 잠제를 설치하였다. 그리고 입사파는 반사파 흡수식 피스톤 조파기를 이용하여 생성하였다. 조파기의 반대쪽에는 파의 재 반사를 방지하기 위해 스폰지 형식의 흡수층을 설치하였다. 실험에 이용한 조파수조의 제원 및 설치된 파고계의 위치를 Fig. 1에 나타낸다.
조파수조에서 파고계의 위치는 조파기 전면에서 12m 떨어진 곳에 입사파 측정을 위한 파고계를 설치하였고, 잠제 주변의 15개 지점에 30cm간격으로 파고계를 설치하여 수위변동 자료를 수집하였다(Fig. 1 참조). 수위측정에는 검출선 30cm의 용량식 파고계 6개를 이용하였다. 모든 측정값을 시간에 대하여 동기화하기 위해 파고계 No. 0을 고정하고, 나머지 5개의 파고계를 이동하며 3번에 걸쳐 측정하였다. 그리고 마루수심이 2cm(h=27cm)인 경우에는 파고계 No. 7과 No. 9가 물에 잠기지 않은 경우가 발생하여 정확한 측정을 위하여 부득이하게 파고계의 위치를 이동하였다. 파고계 No. 7은 잠제 마루의 중앙에 위치한 파고계 No. 8에서 잠제 전면측 50cm 그리고 No. 9는 파고계 No. 8에서 잠제 배후측으로 40cm 위치에 설치하였다. 그 밖의 파고계의 간격은 30cm이며, 모든 파고계에서는 25Hz 간격으로 1,024개의 수면변위 자료를 취득하였다.
실험에 사용된 잠제 모형은 불투과성 아크릴판을 이용하여 제작하였다. 신기능 잠제의 단면형상은 Fig. 2에 나타낸 것과 같이 총 4개의 모형(Fig. 2 (a)~(d))이며, 그림에서 보이는 바와 같이 잠제 배후의 수위가 상승하면 잠제를 통하여 전면으로 흐름이 통과할 수 있도록 수평관로를 설치하였다. 그 중에서 Fig. 2 (a)와 (c)는 잠제 후면의 수평관로와 연결되는 수직관로를 만들어 잠제 마루 위의 수위상승도 이 수직관로를 통하여 전면을 향한 흐름을 유도하도록 구성하였다. 또한 Fig. 2 (c)와 (d)는 수평관로의 설치에 따른 잠제 상부와 하부의 단절로 인해 예상되는 입사파랑의 교란을 최소화하기 위하여 슬릿을 설치하였으며, 신기능 잠제와의 비교를 위하여 Fig. 2(e)에 나타내고 있는 것과 같이 일반적인 사다리꼴 잠제에 대해서도 실험을 실시하였다. 또한 관로를 통한 흐름의 가시화를 위하여 별도의 실험을 수행하였다. 조파 개시 후 파동장이 안정된 다음 잠제 배후측 관로의 입구부근에 잉크를 주입하고 비디오카메라를 이용하여 관로 내부의 흐름을 30fps로 촬영하였으며, 이를 이용하여 각 입사조건에 따라 잠제 배후에서 관로를 통하여 잠제 전면으로 향하는 흐름을 정성적으로 분석하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 수면형 특성
Fig. 3~6은 파고계에서 측정된 정상상태의 시간파형을 입사파고(Hi)로 무차원화하여 나타낸 것으로 Fig. 3은 CASE2(Hi=7cm, Ti=1.5s, h=33cm), Fig. 4는 CASE5(Hi=4cm, Ti=1.5s, h=33cm), Fig. 5는 CASE8(Hi=7cm, Ti=1.5s, h=27cm) 그리고 Fig. 6은 CASE11(Hi=4cm, Ti=1.5s, h=27cm)의 경우이다. 여기서 (a)는 잠제 전면의 파고계 No. 1, (b)는 마루 중앙의 파고계 No. 8 그리고 (c)는 잠제 배후의 파고계 No. 13에서 측정된 수면형이다. 그리고 모든 그래프에서 검정색 실선(—)은 일반적인 사다리꼴 잠제, 빨강색 원(
)은 신기능 잠제 단면1 그리고 파란색 사각형(
)은 신기능 잠제 단면2의 경우를 각각 나타내고 있다.
)은 신기능 잠제 단면1 그리고 파란색 사각형()은 신기능 잠제 단면2의 경우를 각각 나타내고 있다.
Fig. 3~6으로부터 알 수 있듯이 상대적으로 수심(h)이 낮은 Fig. 5와 6(CASE8과 11)의 경우가 Fig. 3과 4(CASE2와 5)의 경우보다 잠제 배후의 수면변위가 크다. 그리고 입사파고(Hi)가 상대적으로 작은 Fig. 4와 6(CASE5와 11)의 경우가 Fig. 3과 5(CASE2, 8)의 경우보다 잠제 배후에서 수위변동이 심하다. h가 작을수록 R이 작기 때문에 마루수심과 파고와의 비(R/Hi)가 작아진다. 또한 동일한 h에서는 Hi가 커질수록 R/Hi가 작아진다. 그러므로 동일조건의 잠제 제원에서는 R/Hi가 작을수록 강한 쇄파가 발생함과 더불어 파랑에너지감쇠가 증가하기 때문으로 이해할 수 있다. 또한 잠제 내부에 관로를 설치하지 않은 경우(—)가 그렇지 않은 신기능 잠제의 경우(, )보다 잠제 배후의 수위가 낮은 것을 알 수 있으며, 이것에 대해서는 후술에서 상세히 논의하기로 한다.
, )보다 잠제 배후의 수위가 낮은 것을 알 수 있으며, 이것에 대해서는 후술에서 상세히 논의하기로 한다.한편 Fig. 3~6에 나타낸 잠제의 마루 중앙(파고계 No. 8)과 배후(파고계 No. 13)의 시간파형을 살펴보면, 잠제 내부에 관로를 설치하지 않은 일반적인 잠제의 경우(—)가 그렇지 않은 신기능 잠제의 경우(, )보다 파형의 피크의 위상이 늦어지는 것을 확인할 수 있다. 파형의 위상이 늦어지는 것은 그만큼 잠제에 의한 유체저항이 강하기 때문이며, 이 영향으로 잠제 배후의 수위변위가 작아지고, 수위가 상승하는 것으로 판단된다.
, )보다 파형의 피크의 위상이 늦어지는 것을 확인할 수 있다. 파형의 위상이 늦어지는 것은 그만큼 잠제에 의한 유체저항이 강하기 때문이며, 이 영향으로 잠제 배후의 수위변위가 작아지고, 수위가 상승하는 것으로 판단된다.Fig. 3
Time-series of non-dimensional free surface elevations in CASE2 (Hi = 7 cm, Ti = 1.5 s, h = 33 cm)
Fig. 4
Time-series of non-dimensional free surface elevations in CASE5 (Hi = 4 cm, Ti = 1.5 s, h = 33 cm)
3.2 파고분포 특성
Fig. 7과 8은 신기능 잠제의 단면형상에 따른 주변의 파고분포를 나타낸 것으로 종축은 파고를 입사파고(Hi)로 무차원 하였고, 횡축은 잠제 중앙을 기준으로 나타낸 거리이다. Fig. 7은 h=33cm의 경우로서 (a), (b), (c)는 각각 CASE1(Hi=7cm, Ti=1.8s), CASE2(Hi=7cm, Ti=1.5s), CASE3(Hi=7cm, Ti=1.0s)를 나타낸다. 그리고 Fig. 8은 h=27cm인 경우이며, (a), (b), (c)는 각각 CASE7(Hi=7cm, Ti=1.8s), CASE8(Hi=7cm, Ti=1.5s), CASE9(Hi=7cm, Ti=1.0s)를 나타낸다. 그래프에서 우측은 외해, 좌측은 잠제 배후를 의미하고, 파란색 원(
)은 신기능 잠제 단면1, 빨강색 사각형(
)은 신기능 잠제 단면2, 녹색 마름모(
)는 신기능 잠제 단면3, 보라색 삼각형(
)은 신기능 잠제 단면4, 검정색 원(●)은 기존 잠제의 파고를 각각 나타낸다.
)은 신기능 잠제 단면1, 빨강색 사각형()은 신기능 잠제 단면2, 녹색 마름모()는 신기능 잠제 단면3, 보라색 삼각형()은 신기능 잠제 단면4, 검정색 원(●)은 기존 잠제의 파고를 각각 나타낸다.
Fig. 7과 8의 각각의 (a), (b), (c)는 마루수심과 파고와의 비(R/Hi)의 변화에 따른 잠제 주변의 파고분포도를 나타내며, R/Hi가 상대적으로 작은 Fig. 8의 경우가 잠제 마루 위에서 강한 쇄파에 의한 파랑감쇠효과로 배후측에서 전체적으로 낮은 파고 분포도를 나타내고 있다. 또한 Fig. 7과 8의 각각의 (a), (b) 및 (c)의 경우는 파형경사(Hi/Li)의 변화에 따른 파고분포도를 나타내고 있으며, Hi/Li가 클수록 잠제 마루수심의 영향을 크게 받으므로 (c)의 경우가 파고감쇠 효과가 가장 큰 것을 확인할 수 있다.
한편 신기능 잠제와 일반 잠제와의 파고감쇠효과를 비교해보면, 상대적으로 R/Hi가 큰 Fig. 7의 경우에서는 일반 잠제의 파랑감쇠가 신기능 잠제보다 우수한 것으로 나타난다. 그리고 신기능 잠제에서 전면의 관로 입구가 슬릿 처리된 단면3과 4의 경우가 그렇지 않은 단면1과 2에 비해 파고감쇠가 큰 것을 알 수 있다. 즉 잠제의 전후가 완전히 연결된 신기능 잠제 단면1과 2가 일반 잠제 및 슬릿 처리된 잠제에 비해 파랑에너지감쇠효과가 작게 나타나는 것으로 이해된다. 그러나 R/Hi가 상대적으로 작은 Fig. 8의 경우에는 일반 잠제와 신기능 잠제 그리고 신기능 잠제 전면의 슬릿처리 유무에 따른 파고감쇠효과의 차이가 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 특히 Hi/Li가 작아질수록 잠제의 마루 위에서 쇄파발생이 용의하기 때문에 그 차이는 더욱 줄어드는 것을 알 수 있다.
Fig. 7
Spatial distributions of non-dimensional wave height according to the different types of submerged breakwaters in case of h=32cm
Fig. 8
Spatial distributions of non-dimensional wave height according to the different types of submerged breakwaters in case of h=27cm
이상의 결과에 근거하여 일반 잠제가 신형식 잠제에 비해 파랑감쇠효과가 조금 우수한 것을 알 수 있다. 이것은 Hur et al.(2010)의 수치모형실험에서 검토한 것과 같이 파랑에너지가 관로를 통해 전달되기 때문이다. 따라서 신기능 잠제가 일반 잠제와 동일한 파랑감쇠효과를 발휘하기 위해서는 일반 잠제에 비해 마루수심과 파고와의 비(R/Hi)를 줄이거나, 마루폭과 입사파장과의 비(B/Li)를 늘려 파랑제어기능을 강화할 필요가 있을 것으로 판단된다.
3.3 관로 내의 흐름 특성
Fig. 9와 10은 신기능 잠제의 관로 내의 흐름특성을 분석하기 위하여 대표적으로 잠제 단면1과 2에 관한 결과를 나타낸다. 그리고 조파 이후에 형성된 정상상태 하에서 잠제 배후측 관로 입구에 염료를 떨어뜨려 관로 속으로 지나가는 염료의 이동을 분석하여 선단을 화살표로 표시하였다. 또한 촬영을 초당 30플레임으로 하였기에 1주기는 45장이 되고, 나타낸 9장의 사진들의 시간간격은 5/45주기이다. 여기서 Fig. 9는 신기능 잠제 단면1 그리고 Fig. 10은 신기능 잠제 단면2의 경우를 각각 나타낸다. 실험조건은 CASE8(Hi=7cm, Ti=1.5s, h=27cm)이고, 파는 우측에서 좌측으로 진행하고 있다.
Fig. 9와 10으로부터 염료의 확산효과를 배제할 수는 없지만, 관로를 통한 배수효과를 확인할 수 있다. 그리고 신기능 잠제 단면1(수평관로 및 수직관로 설치)과 단면2(수평관로 설치)를 비교하면, 단면1의 경우 잠제 배후측 수평관로를 통하여 시작된 흐름이 수직관로를 통하여 잠제 마루 위로 일부분 빠져나가고, 나머지 흐름은 수평관로를 통해 외해측으로 향하고 있다. 그러나 단면2의 경우에는 흐름이 수평관로를 통해 그대로 외해로 빠져나가기 때문에 단면1에 비해 흐름이 빠른 것을 알 수 있다. 또한 모든 경우에서 파랑작용이 지속될 경우, 관로를 통해 잠제 전면으로 빠져나온 흐름이 다시 마루를 통해 배후로 유입되는 흐름구조(순환류)를 나타낸다. 이것은 수평관로가 설치된 잠제에 수치모의(Hur et al., 2010)에서 논의한 흐름구조로서 설명될 수 있다.
이상의 현상에 근거하여 이와 같은 관로 내의 흐름은 잠제 배후의 수위를 저감시킬 것으로 예상되며, 이것에 대해서는 후술하는 잠제 주변의 평균수위분포에서 상세히 논의한다. 그리고 본문에 나타내지는 않았지만 영상분석결과에 따르면, 파형경사(Hi/Li)가 클수록 마루수심과 파고와의 비(R/Hi)가 작을수록 관로를 통한 외해측으로 빠져나가는 흐름이 강한 것을 확인할 수 있었다. 이것 역시 후술하는 평균수위분포와 연관하여 고찰한다.
3.4 평균수위분포 특성
Fig. 11과 12는 신기능 잠제의 단면형상에 따른 구조물 주변의 평균수위분포를 나타낸다. 그래프의 종축은 Hi에 대하여 무차원화 한 평균수위 그리고 횡축은 잠제 중앙을 기준으로 한 거리이다. Fig. 11은 수심 h=33cm의 경우이고, (a), (b), (c)는 CASE1(Hi=7cm, Ti=1.8s), CASE2(Hi=7cm, Ti=1.5s), CASE3(Hi=7cm, Ti=1.0s)를 각각 나타낸다. 그리고 Fig. 12는 수심 h=27cm의 경우로서 (a), (b), (c)는 각각의 CASE7(Hi=7cm, Ti=1.8s), CASE8(Hi=7cm, Ti=1.5s), CASE9(Hi=7cm, Ti=1.0s)의 결과이다. 모든 그래프에서 파란색 원()은 신기능 잠제 단면1, 빨강색 사각형()은 신기능 잠제 단면2, 녹색 마름모()는 신기능 잠제 단면3, 보라색 삼각형()은 신기능 잠제 단면4, 검정색 원(●)은 일반 잠제 단면의 평균수위이고, 파의 입사방향은 우측에서 좌측으로 유입된다. 평균수위(
)는 식 (1)을 이용하여 정상상태에서 3주기 동안의 수면변위를 평균하였으며, ti는 데이터 취득 시점, Ti는 입사파의 주기를 나타낸다.
)은 신기능 잠제 단면1, 빨강색 사각형()은 신기능 잠제 단면2, 녹색 마름모()는 신기능 잠제 단면3, 보라색 삼각형()은 신기능 잠제 단면4, 검정색 원(●)은 일반 잠제 단면의 평균수위이고, 파의 입사방향은 우측에서 좌측으로 유입된다. 평균수위()는 식 (1)을 이용하여 정상상태에서 3주기 동안의 수면변위를 평균하였으며, ti는 데이터 취득 시점, Ti는 입사파의 주기를 나타낸다.
Fig. 11과 12로부터 모든 경우에 있어서 잠제상의 쇄파로 인하여 잠제의 마루와 배후측의 평균수위는 상승하는 현상을 보이고 있다. 관로를 설치한 신기능 잠제 단면(단면1, 2, 3, 4)의 경우가 잠제 단면5(일반 잠제)의 경우에 비해 잠제 전후의 평균수위 차이가 작게 나타난다. 특히 마루수심과 파고와의 비(R/Hi)가 작아 강하게 쇄파하여 수위상승이 크게 유발되는 Fig. 2에서 현저하게 차이를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이것은 전술한 관로의 배수효과와 관련이 있으며, 잠제 전후의 평균수위차에 의해서 발생한 흐름이 관로를 통해 빠져나가기 때문이다. 그 결과 신기능 잠제 주변의 평균수위 상승은 배후에서는 작아지고, 전면에서는 커지는 현상이 나타난다.
Fig. 11
Spatial distributions of mean surface elevation according to the different types of submerged breakwaters in case of h=33cm
Fig. 12
Spatial distributions of mean surface elevation according to the different types of submerged breakwaters in case of h=27cm
Table 2는 신기능 잠제 단면에 따른 구조물 전후의 수위차를 산술적으로 계산하여 표로 나타낸 것이며, 잠제 전면은 파고계 No. 1~5 그리고 배후는 파고계 No. 11~15에서 취득한 수면파형을 각각 평균하였다. 여기서 관로를 통한 흐름의 정량적인 비교⋅평가를 위하여 일반 잠제(단면5)의 경우를 기준으로 변화율을 나타낸다. 그리고 초기수심을 기준으로 평균수위의 상승은 빨강색 삼각형(
), 하강은 파란색 역삼각형(
)으로 표시한다.
), 하강은 파란색 역삼각형()으로 표시한다.
Table 2로부터 전술한 바와 같이 기존 잠제(단면5)에 비하여 관로를 설치한 신기능 잠제의 경우들에서 배수효과로 인하여 잠제 전후의 수위차가 작게 나타나는 것을 확인 할 수 있다. 특히 신기능 잠제에서 수평관로만 설치된 단면2의 경우가 단면1(수직 및 수평관로 설치)에 비해 잠제 전후의 평균수위차의 저감효과가 크게 나타났다. 이는 관로 내의 흐름특성에서 전술한 바와 같이 신기능 잠제 단면1의 경우, 수평관로의 흐름이 마루로 통하는 수직관로를 통해 일부분 빠져나감으로서 외해측을 향하는 수괴의 양이 줄어들기 때문에 나타나는 현상으로 판단된다. 또한 슬릿이 설치되지 않은 단면1과 2가 그렇지 않은 경우(단면3과 4)보다 평균수위차를 줄이는데 효과적인 것을 알 수 있다. 이것은 슬릿이 설치됨으로 인하여 외해측 입구의 단면적이 좁아지기 때문에 원활한 배수가 되지 않기 때문으로 이해된다.
이밖에 주목할 만한 현상은 일반 잠제(단면5)에서 강한 쇄파가 발생하는 CASE7~9에서는 잠제 전면의 수위가 모두 하강함과 동시에 큰 평균수위차를 나타낸다. 이것은 CASE7~9의 입사조건이 구조물 배후로의 유량이 상대적으로 많고, 파랑작용 하에서 잠제 전후의 동수경사가 항상 유지되고 있음을 의미한다. 따라서 이와 같은 동수경사는 3차원적인 잠제 배치를 고려할 경우 개구부를 빠져나가는 이안류의 흐름을 지속적으로 발생시킬 수 있을 것으로 사료된다.
Fig. 13은 Table 2에서 나타낸 기존 잠제(단면5) 대비 신기능 잠제의 평균수위차의 저감율을 그래프로 나타낸 것이며, 종축은 평균수위차의 저감율 그리고 횡축은 입사조건(CASE)을 의미한다. 그래프에서 파란색 원()은 신기능 잠제 단면1, 빨강색 사각형()은 신기능 잠제 단면2, 연두색 마른모()는 신기능 잠제 단면4, 분홍색 삼각형()은 신기능 잠제 단면4의 경우를 각각 나타낸다. 입사조건은 수심 h=33cm은 CASE1(Hi=7cm, Ti=1.8s), CASE2(Hi=7cm, Ti=1.5s), CASE3(Hi=7cm, Ti=1.0s)이고, 수심 h=27cm은CASE7(Hi=7cm, Ti=1.8s), CASE8(Hi=7cm, Ti=1.5s), CASE9(Hi=7cm, Ti=1.0s)이다.
)은 신기능 잠제 단면1, 빨강색 사각형()은 신기능 잠제 단면2, 연두색 마른모()는 신기능 잠제 단면4, 분홍색 삼각형()은 신기능 잠제 단면4의 경우를 각각 나타낸다. 입사조건은 수심 h=33cm은 CASE1(Hi=7cm, Ti=1.8s), CASE2(Hi=7cm, Ti=1.5s), CASE3(Hi=7cm, Ti=1.0s)이고, 수심 h=27cm은CASE7(Hi=7cm, Ti=1.8s), CASE8(Hi=7cm, Ti=1.5s), CASE9(Hi=7cm, Ti=1.0s)이다.
Fig. 13의 그래프로부터 신기능 잠제 단면2()의 경우가 구조물 전후의 평균수위차의 저감율이 전체적으로 가장 좋은 것을 알 수 있으며, 일반 잠제(단면5)에 비해 평균 71.2%의 평균수위차 저감효과를 보이고 있다. 그리고 일반 잠제 대비 단면1은 평균 65.5%, 단면3은 평균 48.8% 그리고 단면4는 평균 50%의 평균수위차 저감효과가 있는 것으로 나타났다.
)의 경우가 구조물 전후의 평균수위차의 저감율이 전체적으로 가장 좋은 것을 알 수 있으며, 일반 잠제(단면5)에 비해 평균 71.2%의 평균수위차 저감효과를 보이고 있다. 그리고 일반 잠제 대비 단면1은 평균 65.5%, 단면3은 평균 48.8% 그리고 단면4는 평균 50%의 평균수위차 저감효과가 있는 것으로 나타났다.Fig. 13
Reduction ratio of mean water level difference between front and rear sides of new-type submerged breakwaters
이상의 실험결과에 근거하여 본 연구에서 제안한 신기능 잠제는 파랑감쇠효과를 보존하면서 기존의 잠제가 가지고 있는 단점, 즉 잠제 전후의 높은 평균수위차이로 인한 이안류의 발생으로 잠제사이의 개구부 주변에서 발생할 수 있는 지반의 세굴 및 제체의 안정성에 대한 문제점을 상당부분 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.
3.5 신기능 잠제의 배후수위 저감기구 분석
Fig. 14는 신기능 잠제의 배후수위 저감기능의 이해를 돕기 위하여 본 연구의 실험결과를 종합적으로 분석하여 얻어진 결과를 도시한 것이다. 여기서 (a)는 신기능 잠제 단면1 그리고 (b)는 신기능 잠제 단면2의 경우이다.
전술한 것과 같이 잠제가 설치될 경우, 마루에서의 강제쇄파로 인한 유속감소는 수위를 상승시키고, 파랑에 의한 물질수송량이 더해져 배후의 수위는 더욱 상승하게 된다. 하지만 Fig. 14와 같이 제체 내에 관로를 설치하게 되면, 잠제 전후의 수위차에 의한 외해로 빠져나가는 흐름이 발생하게 된다(배수효과). 이로 인해 잠제 배후의 평균수위는 하강하고, 전면의 평균수위는 상승하여 전후의 평균수위차를 줄이게 된다.
Fig. 14(b)로부터 수평관로가 설치된 신기능 잠제 단면2의 경우에서는 잠제 전후의 수위차의 영향으로 수평관로를 통해 빠져나간 흐름이 다시 마루를 통해 배후로 유입되고, 이것이 다시 관로로 향하는 순환류가 나타난다. 이와 같은 수평관로가 설치된 잠제 주변의 흐름구조는 Hur et al.(2010)의 수치모형실험에서 논의되었으며, 본 연구에서 다시 확인할 수 있었다. 그리고 제체에 수평 및 수직관로를 설치한 신기능 잠제 단면1의 Fig. 14(a)에서는 수직관로를 설치함으로 인하여 더욱 복잡한 흐름구조를 가지나, 그 흐름구조는 단면2와 매우 유사한 특징을 나타낸다. 다만 수직관로를 통해 빠져나간 흐름이 다시 수평관로로 유입되는 순환류가 외해로 빠져나가는 흐름을 조금 약화시키는 역할을 한다.
Fig. 14
Schematic diagram of reducing functions of water level in rear side of new-type submerged breakwaters
이와 같은 본 연구에서 제안하는 신기능 잠제의 흐름구조(순환류)는 기존 잠제보다 잠제 내⋅외해의 해수순환능력이 우수하여 환경적인 측면에서도 유리할 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 입사파를 효율적으로 제어하면서 배후수위를 저감할 수 있도록 관로를 설치한 신기능 잠제를 제안하여 2차원 수리모형실험을 실시하였다. 이러한 수리모형실험의 결과를 분석하여 관로의 설치가 잠제 전후의 평균수위차에 주는 영향을 논의하였다. 본 연구에서 얻어진 주요한 사항을 기술하면 아래와 같다.
(1) 일반 잠제(단면5) 및 신기능 잠제(단면1, 2)의 전후 및 마루 위의 수면파형으로부터 파랑감쇠효과를 마루수심과 파고와의 비(R/Hi)에 따른 파랑변형특성 및 관로 설치에 따른 수면파형의 위상변화를 이해할 수 있었다.
(2) 일반 감제(단면5)와 신기능 잠제의 파랑감쇠효과를 비교하면, 전체적으로 일반 잠제의 경우가 효과가 크게 나타났다. 그러나 그 차이는 그다지 크지 않으며, 적절한 제원의 신기능 잠제를 고려하여 파랑제어기능을 강화할 수 있다.
(3) 관로 내의 흐름에 대해 신기능 잠제 단면1(수평관로 및 수직관로 설치)과 단면2(수평관로 설치)를 비교하였다. 그 결과 단면1의 경우 잠제 배후측 수평관로를 통하여 시작된 흐름이 수직관로를 통하여 잠제 마루 위로 일부분 빠져나가고, 나머지 흐름만 수평관로를 통해 전면으로 향하게 됨에 따라 단면2의 경우에 비해 흐름이 느려졌다. 그리고 파형경사(Hi/Li)가 클수록 마루수심과 파고와의 비(R/Hi)가 작을수록 관로를 통한 잠제 전면으로의 흐름이 빠른 것을 확인할 수 있었다.
(4) 신기능 잠제의 경우 관로의 설치로 인해 구조물 배후에서 외해측으로 빠져 나가는 흐름을 발생시키며, 이로 인해 기존 잠제에 비해 전후의 평균수위차를 크게 감소시켰다. 수평관로만 설치한 단면1은 평균 65.5%, 단면2는 평균 71.2%, 단면3은 48.8% 그리고 단면4는 40%의 평균수위차 저감효과를 각각 나타내었다.
(5) 신기능 잠제의 배후수위 저감기구를 이해하기 위하여 실험결과를 종합적으로 분석하여 신기능 잠제 주변의 흐름구조(순환류)를 도시하였다.
한정적인 2차원 실험환경에서 얻어진 결과이기는 하지만, 잠제 내부에 관로를 설치할 경우에 잠제 배후의 평균수위를 적절히 조절하여 제체의 안정성에 영향을 줄 수 있는 주변의 흐름을 제어할 수 있을 것으로 판단된다. 결과적으로 잠제 전후의 평균 수위차에 기인한 개구부를 통해 빠져나가는 흐름(이안류)이 약화되어 개구부의 침식 및 세굴현상을 줄일 수 있을 것이다. 게다가 신기능 잠제가 가진 특유의 흐름구조는 내⋅외해의 해수유동을 원활히 하여 해양환경을 개선하는데 도움을 줄 것으로 판단된다. 향후에는 본 실험결과를 토대로 수치모의를 수행하여 신기능 잠제의 배후수위 저감 기능을 면밀히 분석한 후에 투과성 잠제 및 불규칙파를 적용한 3차원적 검토를 진행한다.
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