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J. Ocean Eng. Technol. > Volume 33(1); 2019 > Article
회파블록케이슨 방파제의 수리학적 성능에 관한 실험적 연구

Abstract

Recently, a perforated caisson breakwater with turning wave blocks was developed to improve the water affinity and public safety of a rubble mound armored by TTP. In this study, hydraulic model tests were performed to examine the hydraulic performance of a non-porous caisson and new caisson breakwater with perforated blocks for attacking waves in a small fishery harbor near Busan. The model test results showed that the new caisson was more effective in dissipating the wave energy under normal wave conditions and in reducing the wave overtopping rates under design wave conditions than the non-porous caisson. It was found that the horizontal wave forces acting on the perforated caisson were slightly larger than those on the non-porous caisson because of the impulsive forces on the caisson with the turning wave blocks.

1. 서 론

일반적으로 국내 대부분의 해안에는 침식 방지 및 방파제와 같이 항구보호 등의 목적으로 테트라포드와 같은 소파용 이형블록 등이 설치되고 있다. 콘크리트로 제작된 테트라포드는 시공이 어렵지 않아 다양한 위치에서 방파제 역할과 해안 보호구조물로 적용되고 있으며 각각의 블록사이 공간은 수중생물의 서식처가 되는 등 다양한 장점을 가지고 있다.
그러나 최근 테트라포드로 피복된 시공현장에서 서로 맞물려 발생하는 블록과 블록 사이의 공간으로 인해 여러 가지 안전상의 문제가 빈번하게 발생함에 따라 테트라포드와 같은 소파형 블록에 대한 대안제시가 시급한 실정이다. 2014년의 경우, 테트라포드에서 실족으로 인한 추락사고는 총 95건(이 중에서 사망사고는 26명) 발생하였으며 2015년의 경우에는 총 100여 건(이 중에 사망사고는 약 20%)의 추락사고가 발생한 것으로 보고되었다. 이는 표면이 평평하지 않고 둥근 형태로 형성된 테트라포드의 구조적인 문제와 함께 해조류가 서식하기 쉬운 환경에 노출된 환경적 문제에 기인한다. 또한 테트라포드와 같은 소파제로 대부분의 해안이 둘러 쌓여있는 국내의 경우, 해안 경관 조망이나 친수공간의 활용도가 저하된다는 문제점이 끊임없이 제기되고 있다. 테트라포드가 설치된 해안가의 경우 상부 표면이 고르지 못해 친수공간으로 활용하는데 있어 어려움이 있으며, 주변의 각종 쓰레기 투기로 인해 연안 환경오염 또한 심각한 수준이다.
따라서 이러한 부분을 개선하기 위해서 방파제용으로 최적화된 블록결속형 회파블록(특허번호: 제10-2016-0107522호)이 개발되었으며, 블록결속형 회파블록 방파제는 블록의 단순 거치가 아니고 적층된 각각의 블록을 기둥으로 결속된 일체형으로 유공케이슨에 비해 소형 크레인으로 블록 적층이 가능하므로 공사비가 저렴하고 시공이 용이한 장점이 있다.
블록 내부 중공형상으로 인해 중공 내에서 반사파가 지체되어 나타나는 위상간섭 효과로 구조물 전면의 수면변위를 저감시킬 수 있다. 또한 회파블록의 소파관은 전단면이 넓고 후단면이 좁은 형태로 표면이 구성되며, 내부의 중공부분은 길이방향을 따라 주름지게 형성된다. 이는 블록 전면으로 입사되는 파랑의 대부분을 소파관 입구를 통해 내부 주름관으로 유도하게 되며, 복수의 주름부에서 파랑에너지를 감쇠시켜 반사파를 저감시키는 구조이다.
유공케이슨 방파제를 Jarlan(1961)이 제안한 이래 유공율과 유수실 폭에 따른 반사율에 미치는 영향에 관한 대표적인 연구로는 Tanimoto and Yoshimoto(1982)는 유공 슬릿의 반사율이 가장 작게 나타나는 조건으로 유공벽 높이와 수심, 유수실 폭과 파장의 비율를 수리실험으로 규명하였다. 파력 및 파압에 관한 연구로는 Goda(1974)의 무공케이슨 방파제의 파압공식을 확장하여 파랑이 단일 유수실 유공케이슨에 작용하는 상황을 여섯 가지 서로 다른 위상에 따라 구분하여 단일유수실 전면벽의 유공부 및 무공부 그리고 후면벽에 작용하는 파력산정식을 Takahashi and Shimosako(1994)가 제안하였다.
국내에서는 Kim and Lee(2000)가 투수성의 슬릿케이슨 및 소파블록을 대상으로 반사율 및 월파량의 수리학적 특성을 수리실험을 통하여 비교 검토하였으며, 파력에 관한 연구로는 Oh and Lee(1998)가 3축 하중계를 이용하여 무공케이슨 방파제에 작용하는 규칙파의 파력을 파압계의 계측결과와 비교 검증하였다. 또한 Oh et al.(2014)는 단일 및 이중 유슈실 유공케이슨 방파제에 작용하는 수평파력을 1축 하중계를 이용하여 구한 계측 결과를 Goda 파압공식과 비교하였다. 최근에 Kim and Park (2018)는 3축 하중계를 이용하여 회파블록 방파제에 작용하는 파력을 다양한 파랑조건에서 계측하여 무공케이슨 방파제와 비교 검토하였으며, 설계파 내습 시 회파블록의 소파관에서 약간의 충격파력이 발생함을 알 수 있었다.
본 연구에서는 부산 인근의 소규모 어항에 내습하는 다양한 주기를 가진 평상파와 월파가 발생하는 설계파를 대상으로 회파블록케이슨 방파제의 반사율과 월류하는 수괴의 월파량 및 파응집부 및 소파관 내부에 작용하는 파력의 특성을 무공케이슨 방파제와 비교수리실험을 통하여 정량적으로 파악하고자 한다.

2. 실 험

2.1 실험장치 및 계측기기

실험은 동서대학교 수리실험실에 있는 길이 35m, 폭 0.8m 그리고 높이 1.2m인 조파수조에서 수행하였다. 조파판은 피스톤 형태로 규칙파 및 불규칙파를 조파시킬 수 있으며 PC로 조파기를 제어시킨다.
Fig. 1과 같이 조파수로 내에 제작된 해저경사면은 조파판으로부터 12.4m까지는 64cm의 일정수심이고 그 후에는 1:25로 구성되며 조파판으로부터 18m에서 다시 44cm의 일정수심이며, 23m 지점부터 직립 방파제 구조물을 설치하였다. 구조물로부터 한 파장 이상 떨어진 지점에 위치한 두 개의 파고계는 입⋅반사파를 분리하여 구조물 입사파 조건 및 구조물의 반사율을 계측하는 용도로 사용하였다. 그리고 형상이 복잡한 회파블록 방파제의 수평파력은 3분력 하중계(3-component load cell)를 사용하여 계측하였으며, 형상이 가장 단순한 무공케이슨 방파제를 대상으로 하중계와 파압계를 이용하여 계측된 파력을 비교함으로써 하중계를 검증하였다.

2.2 하중계 및 파압계 제원

본 실험에서 구조물 상단에 설치된 3분력 하중계는 국산 Dacell사 제품으로 모델명은 MC 123-3-1000이다. 최대 출력 전압은 ±10V이며 이 값이 X, Z 방향의 파력 ±1,000N과 Y 방향의 200N‧m에 대응한다. 구조물 전면벽에 부착하여 파압을 계측하는 파압계는 일본 SSK사 제품으로 Strain gauge형의 직경 10mm이고, 용량 0.2kg인 박막형 파압계이다.

2.3 계측기기의 설치

하중계는 방수가 되지 않으므로 물과 접촉되지 않도록 구조물로부터 떨어져 설치하였다. 또한 파력에 의하여 하중계의 고정부위가 움직여서는 안되므로 Fig. 2와 같이 조파수조의 양측 벽에 고정된 견고한 지지대 하부에 부착하였으며 견고한 연결봉으로 실험모형과 연결하여 일체화시켰다.
조파수조 저면 바닥에 미끌림 장치를 설치하여 파력이 작용할 동안 구조물 저면과 기초사석간에 발생할 수 있는 마찰력을 최소화하였다. 그리고 파압계 센서는 폭 80cm, 높이 49cm의 케이슨 상단에서 6.13cm 떨어진 지점부터 전면벽의 중심선을 따라 12.25cm 간격으로 4개를 부착하여 파압을 계측하였다.

2.4 불규칙파의 조파

입사파랑으로는 다음과 같이 Goda(1985)에 의해 수정된 Bretschneider-Misuyasu 스펙트럼을 사용하였다.
(1)
S(f)=0.205H1/32T1/34f5exp[0.75(T1/3f)4]
여기서 S(f)는 파랑에너지 밀도, f는 주파수를 나타내며 H1/3T1/3은 각각 유의파고 및 유의주기를 나타낸다. 식 (1)을 목표스펙트럼으로 하여 모형 구조물의 설치 예정위치에 두 개의 파고계를 설치하여 통과파 스펙트럼과 목표스펙트럼이 일치하도록 재현시키고 이들과 병행하여 조파판 부근의 일정수심상에 설치한 두 개의 파고계는 입사파조건을 확인하기 위한 지시계로 사용하였다. 여기서 입⋅반사파 분리에는 주기별로 상호 적정한 간격을 두고 설치된 두 개의 파고계로 계측된 파형기록을 이용하는 방법을 사용하였다(Goda and Suzuki, 1976).

2.5 실험조건

실험단면의 기본적인 형태는 Fig. 3과 같이 무공케이슨(Non-porous caisson) 및 회파블록케이슨(Porous 15% caisson) 방파제이다.
부산 인근 소규모 어항을 대상으로 조사된 50년 빈도 설계파, 평상파와 약최고 만조위 및 평균해면을 모형 축척 1/25로 하여 실험파 제원 및 실험수위를 설정하여 Table 1에 제시하였다.

2.6 실험항목의 계측방법

2.6.1 반사율

제체에 도달한 입사파는 제체로부터 반사하게 되므로 제체에서 유의파장 이상 떨어진 지점에 적절한 간격을 두고 2개의 파고계를 설치하여 이들의 계측결과인 파형기록에 의해서 FFT (Fast Fourier transform)법을 사용해서 성분파의 진폭을 구하고, 이러한 성분파로부터 입⋅반사파의 진폭을 구한 후, Periodogram을 평활화 함으로써 입⋅반사파의 스펙트럼을 추정할 수 있다. 그리고 스펙트럼의 분리 추정치는 발산하지 않는 주파수 범위에서만 유효하며 파고계 간격은 유효 주파수 범위 내에 포함된 에너지가 전체 에너지의 90% 이상이 되도록 결정하였다.

2.6.2 월파량

월파량은 호안 및 방파제 설계 시 가장 중요한 실험인자 중의 하나이다. 월파량에 대한 실험은 불규칙파의 파군을 대상으로 200~300파를 연속적으로 작용시켜 파랑이 월류하는 제체의 상부와 하류측 저수통 사이에 설치된 도수로를 통하여 저수통에 도달하는 물의 총량을 펌핑하여 회수된 물의 총 무게를 3회 이상 반복하여 계측한 후, 산술평균한 값을 단위폭당 평균월파량으로 나타내었다.

2.6.3 파력

실험파 작용 시 무공 및 회파블록 케이슨 전면벽에 작용하는 수평파력을 계측하기 위해 2.3절에서 전술한 것과 같이 3분력 하중계로 파력계측시스템을 구성하여 500Hz로 수평파력의 시계열을 독취하였다. 그리고 3분력하중계의 계측결과를 검증하기 위해 무공케이슨 전면에 Fig. 2과 같이 4개의 박막형 파압계를 부착하고 파압의 시계열을 독취하여 직사각형법칙(Martin et al., 1999)으로 적분하여 수평파력을 구하였으며 시계열에 포함된 Noise를 Butter worth filter로 제거하여 사용하였다.

3. 실험결과 및 분석

3.1 반사율 및 월파특성 검토

Table 1에서 제시한 실험조건 중에서 무월파에 해당하는 실험파로 수행한 반사율의 실험결과를 Table 2에 나타내었고, Fig. 4에는 비교대상 구조물별로 반사율과 파형경사 (H/L)1/3의 관계를 도시하였다.
반사율의 계측결과를 살펴보면 주기별로 파형경사가 클수록 반사율은 작게 나타나며, 동일한 파형경사에서도 주기가 길 수록 반사율은 크게 나타난다. 무공케이슨과 회파블록케이슨의 반사율을 비교해 보면, 모든 실험조건에서 회파블록케이슨의 반사율이 무공케이슨보다 작게 나타남을 알 수 있다. 이는 블록전면의 소파관으로 입사되는 파랑에너지가 소파관 내에 일부 포획되고 또한 내부 주름관에서 파랑에너지가 감쇠된 결과라 판단된다.
월파량은 3회 이상 반복하여 계측한 후 그 산술 평균값을 Table 3에 나타내었고 Fig. 5는 유의파고별 특정 유의주기에 대하여 평균월파량을 구조물별로 구분시켜 도시하였다.
계측결과를 보면 비교 대상구조물과 관계없이 유의파고가 크고 유의주기가 길 수록 월파량은 많이 계측된다. 또한 월파되는 모든 실험조건에서 전반적으로 회파블록 케이슨이 무공케이슨보다 월파량이 적게 계측되는 결과를 확인할 수 있으며 이는 무월파 조건에서 계측한 반사율의 계측결과와 밀접한 관계가 있음을 알 수 있다. 그리고 유의파고 H1/3=10cm에서 회파블록의 계측결과는 무공케이슨에 비해 월파량이 많이 감소되어 나타났으나 고월파 조건(H1/3=12cm)에서는 회파블록의 공극으로 인한 월파량의 감소효과가 다른 입사조건과 비교하여 상대적으로 적게 나타난다.

3.2 3분력 하중계의 검증

조파수조 저면 바닥에 설치된 미끌림 장치를 포함한 하중계의 계측시스템의 계측결과를 검증하기 위하여 무공케이슨을 대상으로 파압계 및 하중계로 계측된 시계열의 실험결과를 Fig. 6에 도시하였다. 두 개의 계측시스템에서 얻어진 최대수평파력 값과 파력 시계열의 위상이 거의 일치하였으며, 미끌림 장치의 상대적으로 파력계측에 크게 영향을 미칠 수 있는 작은 파력이 작용하는 시각에서도 파력이 거의 유사하게 나타나므로 미끌림 장치는 파력이 모형 구조물에 작용할 때, 하중계에서 비교적 큰 변위가 발생하는 파랑조건에서 불가피하게 사용해야 할 보조장치임을 알 수 있다.

3.3 무공케이슨 및 회파블록의 수평파력특성

무공케이슨 및 회파블록을 대상으로 무월파 및 약간 월파조건에서 하중계로 파력실험하는 장면 및 계측결과를 각각 Fig. 7Table 4에 나타내었으며 또한 무공케이슨 및 회파블록의 수평파력의 시계열을 중첩하여 Fig. 8에 도시하였다.
비교 대상구조물과 상관없이 동일한 파고조건에서 주기가 증가하면 할수록 최대수평파력이 증가하였고, 무월파 및 약간 월파하는 실험조건에서 회파블록에 작용하는 최대 수평파력은 무공케이슨에 작용하는 최대파력보다 대체적으로 크게 계측되므로 회파블록의 중공부에서 약간의 충격파가 발생하는 것으로 판단된다.

4. 결 론

부산 인근 소규모 어항에 내습하는 펑상파 및 설계파를 대상으로 방파제 전면벽에 투수성의 주름진 중공부를 갖는 회파블록케이슨의 수리학적 특성(반사계수, 월파량)과 내파안정성(파력)을 파악하기 위하여 불투수성의 무공케이슨과 비교 수리모형실험을 수행한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
(1) 무월파조건에서 실험 대상구조물과 상관없이 파형경사가 클 수록 반사율이 작게 나타나며 동일한 파형경사에서는 주기가 길 수록 반사율이 크게 나타난다. 또한 투수성을 갖는 회파블록케이슨의 반사율은 무공케이슨의 계측결과보다 약간 작게 나타남을 알 수 있다.
(2) 월파조건에서 실험 대상구조물과 상관없이 유의파고가 크고 유의주기가 길 수록 월파량이 증가하여 나타난다. 그리고 공극을 갖는 중공단면 형태의 회파블록케이슨에서 계측된 월파량은 무공케이슨의 계측결과보다 적게 나타난다. 이는 무월파 조건에서 계측한 비교 구조물별 반사율의 계측결과와 밀접한 관계가 있음을 알 수 있다. 고월파조건에서 계측한 월파량은 다른 입사조건과 비교하여 회파블록의 공극을 인한 월파양의 감소가 상대적으로 적게 나타난다.
(3) 실험 대상구조물과 상관없이 동일한 파고조건에서 주기가 길 수록 최대파력이 증가하고 회파블록케이슨에 작용하는 수평파력은 무공케이슨의 계측결과보다 모든 파력실험조건에서 크게 계측되며, 이는 회파블록의 중공부에서 약간의 충격파가 발생하는 것으로 판단된다.
(4) 회파블록케이슨의 수리학적 특성은 무공케이슨에 비해 성능이 우수하나, 블록케이슨의 내파안정성이 불리하게 나타나므로 회파블록의 중공부를 확대시키고 상치부를 반 개방형으로 보완하여 파력을 감소시킬 필요가 있다.

후기

본 연구는 국토교통부의 재원으로 국토교통기술사업화 지원사업의 지원을 받아 수행된 연구(16TBIP-C111160-01)이며 그리고 실험에 참여하여 도와준 학부생들에게도 감사드립니다.

Fig. 1
Installation plan of model structure and measuring system
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Fig. 2
The vertical locations of a 3-component load cell and pressures sensors
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Fig. 3
Model setups for the wave flume tests
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Fig. 4
Reflection coefficients vs. wave steepness
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Fig. 5
Mean overtopping rates vs. wave heights
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Fig. 6
Time series of horizontal wave forces acting on the non-porous caisson in case of H1/3 = 8 cm, T1/3 = 2.6 s
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Fig. 7
Scene measuring horizontal wave forces acting on non-porous cassion and caisson with turning wave blocks
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Fig. 8
Time series of horizontal wave force acting on the non-porous and turning wave blocks caisson in case of H1/3 = 8 cm, T1/3 = 2.6 s
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Table 1
Experimental conditions
Cross sections Water levels [cm] Wave conditions H1/3 [cm] T1/3 [s] Remarks
Non-porous caisson & Turning wave blocks caisson (+) 37.0 Normal wave 1.0 1.4 Non-overtopping
1.8
2.2

4.0 1.4
1.8
2.2

7.0 1.4
1.8
2.2

(+) 44.0 Design wave 4.0 2.2
2.6

8.0 2.2 Overtopping
2.6

10.0 2.2
2.6

12.0 2.2
2.6
Table 2
Reflection coefficients of non-porous and caisson with turning wave blocks
Water level [cm] T1/3 [s] H1/3 [cm] Wave steepness Reflection coefficients

Non-porous caisson Porous 15 % caisson
(+) 37.0 1.4 1.0 0.004 0.932 0.917
4.0 0.017 0.926 0.904
7.0 0.030 0.921 0.889

1.8 1.0 0.003 0.958 0.949
4.0 0.013 0.94 0.939
7.0 0.022 0.934 0.927

2.2 1.0 0.002 0.964 0.960
4.0 0.010 0.957 0.953
7.0 0.018 0.945 0.941
Table 3
Mean overtopping rates of non-porous caisson & caisson with turning wave blocks
Water level [cm] H1/3 [cm] T1/3 [s] Mean overtopping rates [cm3/s/cm]

Non-porous caisson Porous 15 % caisson
(+) 44.0 8.0 2.2 0.648 0.533
2.6 0.669 0.563
10.0 2.2 3.418 2.801
2.6 4.532 3.654
12.0 2.2 7.453 6.743
2.6 7.819 7.009
Table 4
Maximum horizontal forces of non-porous and caisson with caisson with turning wave blocks in case of non-overtopping
Cross sections H1/3 [cm] T1/3 [s] Maximum forces [kg] Remarks
Non-porous caisson 4.0 2.2 13.25 Non-overtopping
2.6 15.32
8.0 2.2 25.84 Small overtopping
2.6 31.07

Caisson with turning wave blocks 4.0 2.2 15.48 Non-overtopping
2.6 17.11
8.0 2.2 31.24 Small overtopping
2.6 35.48

References

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