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海岸및港灣工學 大 韓 土 木 學 會 論 文 集
第28卷 第4B 號·2008年 7月 pp. 429 ~ 439
잠제 설치 연안의 처오름 높이 특성 ; PART II - 잠제의 제원에 의한 영향
Characteristics of Run-up Height over Sandy Beach with Submerged Breakwaters ; PART II - Effect of Shape of Submerged Breakwaters
허동수*·이우동**
Hur, Dong-Soo·Lee, Woo-Dong
···
Abstract
The purpose of this study is to examine the characteristics of run-up height over sandy beach due to the shape of submerged breakwater. For the discussion on it in detail, 3-Dimensional numerical model with Large Eddy Simulation, which is able to simulate directly interaction of Wave·Structure·Sandy beach (hereafter, LES-WASS-3D; Hur and Lee, 2007) has been used to simulate run-up height over sandy beach as well as wave field around submerged breakwaters. Using the results obtained from numerical simulation, the effects of the shape of submerged breakwaters (crown height, crown width, crown length and sub- merged breakwater's slope gradient) on run-up height over sandy beach have been discussed related to the wave height dis- tribution and characteristics of up-layer flow around ones.
Keywords : submerged breakwater's shape, run-up, 3-D numerical simulation, sandy beach, swash zone
···
요 지
본 연구에서는 잠제의 제원(천단수심, 천단폭, 사면경사, 제장)에 따라 해빈상을 전파하는 풍파의 처오름 높이 변화특성을 논의하기 위하여, 기존의 수리모형 실험치와 계산치를 비교ㆍ검토를 통해 타당성과 유효성이 검증된 수치모델로서, 파ㆍ투과 성구조물ㆍ해빈의 상호간섭을 직접 해석할 수 있는 3D-수치모델(LES-WASS-3D; 허와 이, 2007)을 이용하여 잠제 2기의 제원에 따른 수치시뮬레이션을 실시하였다. 그 결과 천단수심, 천단폭, 사면경사, 제장의 변화가 연안에서의 처오름 높이에 미치는 영향에 관하여 검토하였으며, 아울러, 잠제 주변의 파고분포 및 상층흐름특성과의 관계에 대해서도 논의하였다.
핵심용어 : 잠제형상, 처오름, 3차원 수치해석기법, 해빈, 소상역
···
1. 서 론
잠제는 제체가 수면 밖으로 돌출되는 기존의 중력식 방파 제와 달리 수면아래에 건설되는 방파제로서 미관이 우수할 뿐만 아니라, 기본적인 소파기능은 물론 천단상의 원활한 해 수교환을 통한 연안역의 수질을 보전할 수 있는 친자연적인 해안구조물로서 평가되고 있다. 또한, 해빈이 존재하는 해역 에 잠제가 설치될 경우 잠제로 인한 특유의 순환류가 발생 (허와 이, 2008a)하기 때문에 해안침식방지를 비롯한 표사제 어의 기능을 가지게 된다(宇多高明ら, 1988). 이런 특징으로 인하여 국책사업인 연안정비사업의 대표적 일환으로서 2000- 2006년에 걸쳐 부산송도해수욕장에 양빈 및 잠제와 이안제 가 건설되었다.
이러한 잠제의 소파기능은 심해로부터 전파되는 풍파를 천 단상에서 강제쇄파 시킴으로서 파랑에너지를 감쇠시키는 것
이 일반적이지만 이것뿐만 아니라, 잠제의 투수성 및 천단의 마찰에 의한 유체저항을 통해 파랑에너지 감쇠의 기능을 가 진다. 이와 같은 기능을 제대로 발휘하기 위해서는 잠제의 제원(천단수심, 천단폭, 사면경사, 제장 등)에 따른 수리특성 을 파악하는 것이 매우 중요하다. 하지만, 지금까지 잠제에 관한 거의 대부분 2차원적인 연구들이 이루어져왔으며, 근 래에 와서 3차원적인 수리모형실험(Hur, 2004; Kramer, 2005) 및 수치모형실험(Johnson et al., 2005)이 이루어지 고 있지만, 잠제의 제원 변화에 관한 연구는 미진한 실정이 다. 잠제의 제원에 따른 2차원적인 연구로서는 천단폭 변화 에 따른 잠제 주변의 유동장 및 와의 발생에 관한 수치적 연구(허와 김, 2003)와 폭 변화에 따른 잠제의 파랑 차단 성능에 관한 수치적 연구(조, 2004)가 있으며, 최근 투과성 잠제의 사면경사가 주변 파동장에 미치는 영향에 관한 2차 원 수치적 연구(허와 최, 2008)가 수행되었으며, 3차원적인
*정회원ㆍ교신저자ㆍ국립경상대학교 토목환경공학부(해양산업연구소) 부교수 (E-mail : [email protected])
**정회원ㆍ국립경상대학교대학원해양토목공학과석사과정 (E-mail : [email protected])
연구로서는 최근 천단고 변화에 따른 잠제 주변의 파고분포 및 흐름특성에 관한 3차원 수치적 연구(허와 이, 2007; 허 와 이, 2008a)가 행해졌으나, 천단고 변화에 대해 한정되어 있다.
한편, 소상역(swash zone)에서의 처오름 높이(run-up height)에 대한 특성(Ruggiero et al., 2001; Sallenger,
2000)에 관련해서 종래부터 많은 연구가 수행되어 오고 있다.
해빈의 소상역은 소상파의 uprush에 표면이 잠기고
backwash에 노출되는 해빈의 일부분으로서, 강한 비정상 흐
름과 와도로 인한 표사의 이동이 활발히 진행되어 급격한 지형변화가 발생하는 영역이다(Puleo et al., 2000). 이러한 소상역에서의 파랑운동을 살펴보면, 처오름에 의해 해빈을 거슬러 uprush한 흐름의 일부분이 해빈 표면내로 침투한 후 backwash함에 따라 uprush와 backwash의 불균형이 발생할 뿐만 아니라 선행파의 backwash 흐름과 후속파의 uprush 흐름이 충돌하여 발생하는 상호작용 등으로 인하여 상당히 복잡한 흐름 양상을 나타내고 있다(Masselink and Puleo, 2006). 이에 Mase(1988)는 자연해빈 상을 진행하는 소상파 의 에너지는 고주파수 대에서 저주파수 대로 이동한다는 것 을 보고하였으며, 또한 Masselink and Puleo(2006)는 소상 역에서의 유체운동에 대해 이미 수행된 연구들을 검토하여 하나의 체계를 완성하였다.
이와 관련하여 처오름 높이에 관한 연구로서 Baldock et
al.(1997)은 급경사 비치에 대한 수리모형실험을 통하여 파군
에 의해 형성된 소상대에서의 저주파 운동이 각 소상파의 처오름을 고정도로 근사시킬 수 있다는 것을 밝혔으며, Stockdon et al.(2006)은 소상대에서의 처오름에 대한 10개 의 현장관측 자료를 분석하여 광범위한 자연 해빈에 적용할 수 있는 최대소상고의 경험공식을 제안하였다. 또한, 현지에 서 자연해빈을 대상으로 한 현장관측(Hughes, 1992;
Kriebel, 1994)과 인위적으로 자연해빈을 변화 시킨 수리실 험(Kubota et al., 1999; Larson et al., 2004)을 통한 경 험적인 연구들이 있으며, 근래에 와서 처오름에 관한 수치모 형실험(김과 정, 2000; Lynett et al., 2002; Fuhrman and Madsen, 2008)이 많이 이루어지고 있다. 최근, Mase et al.(2004)은 수리모형실험을 통하여 전면에 인공리프가 설치 되어 있는/없는 경우의 호안에 작용하는 불규칙파의 처오름 높이 특성을 논의하고 복합단면의 호안에 대한 경험공식의 적용성에 대하여 세부적인 검토를 수행하였지만, 여전히 잠 제 설치 후 모래 해빈상의 처오름에 관해서는 거의 미지의 상태라고 해도 과언이 아닐 정도이다.
따라서, 본 연구에서는 잠제의 제원(천단수심, 천단폭, 사 면경사, 제장) 변화에 따라 해빈상을 전파하는 풍파의 처오 름 높이 변화특성을 논의하기 위하여, 기존의 수리모형실험 치와의 비교ㆍ검토를 통해 타당성과 유효성이 검증된 수치 모델(LES-WASS-3D; 허와 이, 2007)을 이용하여, 잠제의 제원 변화에 의한 해빈상의 처오름 높이의 특성에 대해서 검토하는 것을 목적으로 한다.
2. 수치해석기법
본 연구에서는 잠제의 제원(천단수심, 천단폭, 사면경사, 제
장)에 따른 연안에서의 처오름 특성을 파악하기 위하여, LES-WASS-3D(허와 이, 2007)를 이용하였다. 이 모델은 기 존의 3차원 수치해석수법(Hur and Mizutani, 2003; Hur, 2004)을 토대로 SGS모델(Sub-Grid Scale model; Smagorinsky,
1963)을 도입한 수치해석기법(허 등, 2006)에 투과성구조물
내의 유체저항으로서 관성저항(Sakakiyama and Kajima, 1992), 난류저항(Ergun, 1952; van Gent, 1995) 및 층류저 항(van Gent, 1995; Liu and Masliyah, 1999)을 도입하여 개발된 3차원 수치해석기법(LES-WASS-3D; 허와 이, 2007) 이다. 본 수치모델(LES-WASS-3D; 허와 이, 2007)의 처오 름 높이에 대한 검증은 PART I(잠제의 평면배치에 의한 영 향; 허와 이, 2008b)에서 Ma et al.(2004)의 수리모형실험 결과와의 비교·검토를 통하여 잘 재현하고 있다는 것을 확 인할 수 있었으며, 상세한 내용에 대해서는 지면관계상 여기 에서 생략하기로 하며 PART I(잠제의 평면배치에 의한 영 향; 허와 이, 2008b)을 참조하기 바란다. 또한, 여기에서 이 용하는 수치모델인 LES-WASS-3D의 상세한 수치해석기법에 대해서는 허와 이(2007)를 참조하기 바란다.
3. 해석결과
3.1 수치파동수조및입사파조건
본 연구에서는 잠제의 제원(천단수심(R/Hi), 천단폭(B/Li), 사면경사(S), 제장(Lr/Li) 여기서, R은 잠제의 천단수심, Hi는 입사파고, B는 잠제의 천단폭, Li는 입사파장, S는 잠제의
Fig. 1 Definition sketch of 3-D numerical wave basin
− 431 − 사면경사, Lr는 잠제의 길이)변화에 따라 swash zone내에서 의 처오름 특성을 파악하기 위하여, Fig. 1과 같은 3차원 수치파동수조를 이용하였고, 파의 재반사를 방지하기위해 조 파소스(조파원천) 및 offshore측에는 부가감쇠영역을 설치하 였으며, 해석영역에는 바닥경사 1:100의 seabed를 기초로 하 여 잠제 2기와 사면경사 1:10인 해빈을 설치하였다. 잠제는 피복부분과 core부분으로 나누어 구성하였고, 피복석의 평균 입경은 4 cm, core의 평균입경은 1 cm로 하였으며, 또한 해빈은 모래로 고려하여 0.002 cm로 구성하였다.
y축의 양단의 경계조건 즉, 계산영역의 측면경계조건은 slip조건을 이용함으로서 본 연구에서 대상으로 하는 파의 입 사방향이 잠제에 대해 직각인 것을 감안한다면 y방향으로 무수의 잠제 및 반무한 해빈이 설치되어 있는 것으로 가정 할 수 있으며, 이로 인하여 해석대상영역을 축소하여 계산상 의 편의를 도모하였다.
이용된 수치해석조건에 대한 상세한 사항을 Table 1에 나 타내었으며, 입사파 조건(Hi=6 cm, Ti=1.5 sec)과 이안거리 (Y/Li=1.50)를 고정하고, 잠제의 제원(천단수심(R/Hi), 천단폭 (B/Li), 사면경사(S), 제장(Lr/Li))변화에 따른 잠제 주변의 파 고분포와 상층흐름분포를 검토한 후, 이와 관련하여 연안에 서의 처오름 높이 변화에 대해 고찰하였다.
3.2 잠제 주변의파고분포
여기서는 잠제의 제원(천단수심(R/Hi), 천단폭(B/Li), 사면 경사(S), 제장(Lr/Li))에 따른 잠제 주변의 공간파고분포를 입 사파고(Hi=6 cm)에 대해 무차원하여 고찰하였다. 그림중의 붉은색은 입사파고보다 높은 파고를 파란색은 입사파고보다 낮은 파고를 의미하고, 사각형 점선은 잠제의 저면을 실선은 잠제의 천단을 나타내며, 또한 일점쇄선은 해빈이 시작되는 저면을 의미한다.
3.2.1 천단폭(B/Li)에 따른 영향
Fig. 2는 잠제의 천단수심 R/Hi=0.33, 사면경사 S=1:2, 제 장 Lr/Li=1.00의 경우, 천단폭(B/Li)에 따른 잠제 주변에서의 공간파고분포를 나타낸 것으로 (a)는 CASE7(B/Li=0.125), (b)는 CASE2(B/Li=0.250), (c)는 CASE8(B/Li=0.375), (d) 는 CASE9(B/Li=0.500)의 경우를 각각 나타내고 있다. Fig.
2로부터 전반적으로 잠제 중앙 배후의 해빈경사가 시작되는 저면(그림에서 일점쇄선으로 표시)을 통과한 지점에서 잠제 양측 단부를 통해 굴절 및 회절된 파의 중첩이 발생하고 그 후 해빈경사에 의한 천수의 영향으로 파고가 조금 상승하는 것을 알 수 있으며, 천단폭(B/Li)이 커질수록 잠제의 천단상 에서 천수효과로 인한 쇄파와 함께 투과 단면적의 증가로 인한 유체저항이 커지기 때문에 onshore측에서는 파랑에너지 감쇠로 인하여 전체적으로 파고가 감소하는 것을 알 수 있 다. 또한, 천단폭(B/Li)이 작아질수록 잠제 중앙 배후에서 펼 쳐지는 형태의 파고분포가 두드러지게 나타남을 확인할 수 있으며 이에 대한 세부적인 검토는 상층흐름분포에 대한 검 토에서 논의하도록 한다.
3.2.2 사면경사(S)에 따른 영향
Fig. 3은 잠제의 천단수심 R/Hi=0.33, 천단폭 B/Li=0.25, 제장 Lr/Li=1.00의 경우, 잠제의 사면경사(S)에 따른 잠제 주변의 공간파고분포도이며, (a)와 (b) 및 (c)와 (d)는 CASE10 (S=∞)과 CASE11(S=1:1) 및 CASE2(S=1:2)와 CASE12 (S=1:3)의 경우를 각각 나타내고 있다. Fig. 3으로부터 잠제 중앙 배후의 해빈경사가 시작되는 저면을 통과한 지점에서 잠제 양측 단부를 통해 굴절 및 회절된 파의 중첩이 발생하 고, 그 후 해빈경사에 의한 천수의 영향으로 파고가 조금 상승하다가 정선 부근에서 펼쳐지는 것을 알 수 있다. 한편, 사면경사의 영향을 살펴보면 잠제의 사면경사(S)가 완만해질 Table 1. Shape conditions of submerged breakwater
CASE Wave height
Wave
period Submerged Breakwater
Shape Arrangements
Wave steepness Crown
depth ratio
Crown width ratio
Slope gradient
Crown length ratio
Detached distance
Opening ratio
Hi(cm) Ti(sec) R/Hi B/Li S Lr/Li Y/Li W/Lr Hi/Li
1 6.0 1.5 × - - - -
2
6.0 1.5 ○
0.33
0.250 1:2 1.00 1.50 0.50 0.025
3 0.67
4 1.00
5 1.33
6 1.67
7
6.0 1.5 ○ 0.33
0.125
1:2 1.00 1.50 0.50 0.025
8 0.375
9 0.500
10
6.0 1.5 ○ 0.33 0.250
∞
1.00 1.50 0.50 0.025
11 1:1
12 1:3
13
6.0 1.5 ○ 0.33 0.250
1:2 1:2 1:2
0.50
1.50
1.00
0.025
14 1.50 0.33
15 2.00 0.25
Fig. 2 Spatial distributions of wave heights due to variation of crown width. (a) CASE7(B/Li=0.125); (b) CASE2(B/Li= 0.250); (c) CASE8(B/Li=0.375); (d) CASE9(B/Li=0.500)
Fig. 3 Spatial distributions of wave heights due to variation of submerged breakwater's slope gradient. (a) CASE10(S=∞); (b) CASE11(S=1:1); (c) CASE2(S=1:2); (d) CASE12(S=1:3)
− 433 − 수록 급사면인 경우(전면이 중복파동장에 가까움)에 비해
offshore측 잠제 전면에서의 파동장이 진행파에 가깝게 형성
되므로 낮은 파고에서도 쇄파가 발생하며 이에 따른 천단상 쇄파범위가 증가하며, 또한 투과 단면적의 증가로 인한 파랑 에너지의 감쇠로 인하여 onshore측에서는 파고가 감소하고,
offshore측의 잠제 전면에서는 반사파의 감소로 인하여 발생
하는 부분중복파의 파고가 하강하는 것을 확인할 수 있다.
3.2.3 제장(Lr/Li)에 따른 영향
Fig. 4는 잠제의 천단수심 R/Hi=0.33, 천단폭 B/Li=0.25, 사면경사 S=1:2의 경우, 제장(Lr/Li)에 따른 잠제 주변에서의 공간파고분포를 나타낸 것이며, (a), (b), (c), (d)는 각각 CASE13(Lr/Li=0.50), CASE2(Lr/Li=1.00), CASE14(Lr/Li=1.50), CASE15(Lr/Li=2.00)의 경우를 나타내고 있다. Fig. 4로부터 제장(Lr/Li)이 길어질수록 잠제 중앙 배후에서 발생하는 굴절 및 회절파의 중첩현상이 정선에 가까워지는 것을 확인할 수 있으나, 제장(Lr/Li)이 가장 긴 경우인 CASE15(Lr/Li=2.00) 에서는 잠제 배후에서 파의 중첩현상을 확인하기 어려우며, 이와 같은 현상은 입사파의 파장(Li)에 비해 상대적으로 잠 제의 길이(Lr)가 길어짐과 동시에 개구율이 작아지기 때문에, 개구부를 통해 입사하는 파랑이 잠제 단부에서의 굴절 및 회절의 영향을 적게 받음으로 인해 나타나는 현상으로 판단 된다. 한편, 제장(Lr/Li)이 길어질수록 개구율(W/Lr)이 작아짐 으로 onshore측으로 유입되는 파랑에너지가 감소하기 때문에 onshore측에서는 낮은 파고분포를 나타내는 반면에 제장(Lr/
Li)이 가장 짧은 즉, 개구율(W/Lr)이 가장 큰 (a) CASE13 (Lr/Li=0.50)의 경우에서는 잠제 배후에서 중첩된 파고가 입 사파고보다 높은 파고를 나타내기도 한다. 또한, 제장(Lr/Li) 이 짧을수록 정선부근에서 파고분포가 펼쳐지는 형태가 더 뚜렷하게 나타남을 알 수 있다. 특히, 제장(Lr/Li)이 가장 짧 은 (a) CASE13(Lr/Li=0.50)의 경우에서는 잠제 중앙 배후보 다 개구부 배후의 정선 부근에서 더 높은 파고를 나타낸다.
이는 파의 중첩이 발생한 이후부터 정선에 이르기까지 파랑 에너지가 높은 잠제 중앙 배후에서 파랑에너지가 낮은 개구 부 배후로 에너지가 이동할 수 있는 충분한 거리가 확보되 었기 때문에 나타나는 현상으로 판단된다.
잠제의 천단폭 B/Li=0.25, 사면경사 S=1:2, 제장 Lr/ Li=1.00의 경우, 천단수심(R/Hi) 변화에 따른 파고분포의 특 성은 허와 이(2008a)에서 논의한 바 있으며, 요점을 정리하 면, 천단수심(R/Hi)이 작아질수록 offshore측에서는 부분중복 파의 영향으로 파고가 상승하고, onshore측에서는 잠제의 파 랑감쇠효과로 인해 파고가 하강하며, 전반적인 파고분포의 경 향은 Fig. 5(b) CASE2(Y/Li,=1.50, W/Lr=0.50, R/Hi=0.33, B/
Li=0.25, S=1:2, Lr/Li=1.00)의 경우와 유사한 분포를 나타낸다.
3.3 잠제 주변의상층흐름분포
잠제 주변의 상층흐름분포에서는 개구부 중심에서 잠제 중 심까지의 범위에 해당하는 사각형 A-B-C-D 내부(Fig. 1 참 조)의 상층흐름을 나타내어 잠제의 제원(천단수심(R/Hi), 천 단폭(B/Li), 사면경사(S), 제장(Lr/Li)) 변화에 따른 영향을 검 Fig. 4 Spatial distributions of wave heights due to variation of crown length. (a) CASE13(Lr/Li=0.50); (b) CASE2(Lr/Li=1.00); (c)
CASE14(Lr/Li=1.50); (d) CASE15(Lr/Li=2.00)
토한다. 검토에 이용된 평균유속 은 x-y평면상의 각 연직위치의 평균유속을 수심(연직)방향으로 적분한 평균유속 이며, 식 (1)을 이용하여 계산하였으며, ti는 정상상태 이후의 데이터 취득 시점을 Ti는 입사파의 주기를 나타낸다. 이때, 상층의 범위는 천단에서 자유수면까지 고려하였으며 해빈 내 의 유속은 적용하지 않았다.
(1)
3.3.1 천단수심(R/Hi)에 따른 영향
Fig. 5는 잠제의 천단수심(R/Hi)에 따른 잠제 주변의 상층 흐름분포를 나타낸 것이며, (a), (b), (c), (d), (e)는 각각 CASE2(R/Hi=0.33), CASE3(R/Hi=0.67), CASE4(R/Hi=1.00), CASE5(R/Hi=1.33), CASE6(R/Hi=1.67)의 경우를 나타내고 있다. Fig. 5로부터 확인할 수 있듯이 천단수심(R/Hi)이 커 질수록 파와 잠제와의 상호간섭이 줄어들기 때문에 잠제로 인한 굴절 및 회절의 영향이 작아짐으로 정선으로 그대로 유입되는 흐름이 증가하고, 잠제로 인한 파랑에너지 감쇠효 과가 줄어들기 때문에 onshore측의 잠제 배후에서 강한 흐 름이 형성된다.
그 결과 정선부근에서는 잠제 배후에서 중첩된 강한 흐름 에 의해 상대적으로 파랑에너지가 작은 개구부측으로 향하 는 연안류가 발생하고, 천단수심(R/Hi)이 작아질수록 이 연 안류와 개구부로 유입되는 향안류가 만나는 지점이 해측으 로 이동하는 것을 알 수 있다. 잠제의 천단상에서 쇄파가 발생하지 않는 R/Hi 1인 (c) CASE4(R/Hi=1.00), (d) CASE5 (R/Hi=1.33), (e) CASE6(R/Hi=1.67)의 경우에는 잠제로 인 한 굴절 및 회절의 영향은 다소 차이를 나타내지만, 전반적
으로 유사한 흐름분포를 나타내고 있으며, 천단상에서 쇄파 가 발생하는 R/Hi<1인 (a) CASE2(R/Hi=0.33)와 (b) CASE3 (R/Hi=0.67)의 경우에서는 쇄파로 인해 발생하는 천단상의 강한 흐름을 확인할 수 있다. 천단수심(R/Hi)에 따른 쇄파점 분포 및 쇄파의 유무에 대해서는 허와 이(2008a)를 참조하 기 바란다.
3.3.2 천단폭(B/Li)에 따른 영향
Fig. 6은 잠제의 천단폭(B/Li)에 따른 상층흐름분포를 나타
낸 것으로 (a), (b), (c), (d)는 각각 CASE7(B/Li=0.125), CASE2(B/Li=0.250), CASE8(B/Li=0.375), CASE9(B/Li=0.500) 의 경우를 나타내고 있다. Fig. 6으로부터 천단폭(B/Li)이 커 질수록 굴절의 영향을 많이 받지만, 천수효과에 기인한 쇄파 및 투과 단면적의 증가로 인한 유체저항으로 인하여 천단을 통해 onshore로 유입되는 흐름이 약해지는 것을 확인할 수 있다.
그 결과 천단수심(R/Hi)에 따른 영향에서 논의한 연안류 및 이안류가 발생하지만, 천단폭(B/Li)이 커질수록 onshore측 으로 유입되는 흐름이 약해짐으로 잠제 중앙 배후에서 개구 부 배후 정선으로 향하는 연안류가 약해짐과 더불어 개구부 에서 유입되는 향안류의 흐름 역시 약해짐을 확인할 수 있 다. 이 흐름이 만나는 지점이 개구부 중심에서 잠제 중앙 배후측으로 이동함과 더불어 복잡한 흐름이 생성되고 이에 따른 파랑에너지의 감쇠로 인해 이 지역에서는 낮은 파고분 포를 나타내고 있는 것을 Fig. 2로부터 확인할 수 있다. 또 한, (d) CASE9(B/Li=0.500)의 경우에서는 잠제 배후에서의 복잡한 흐름이 해빈에 의한 굴절의 영향으로 다시 잠제 중 앙 배후 및 개구부측 배후의 정선으로 향하며, 이 흐름은 해빈경사로 인한 천수효과에 기인하여 흐름이 다시 강해지 는 것을 알 수 있다.
Fig. 2의 파고분포도에서 논의하였던 천단폭(B/Li)이 작아 Uxy z
( )
Uxy z 1 3Ti
--- u2+v2
ti t 3T+ i R
∫
–
∫
η dtdz=
≥
Fig. 5 Mean flow of upper layer around submerged breakwater due to variation of crown depth. (a) CASE2(R/Hi= 0.33); (b) CASE3(R/Hi=0.67); (c) CASE4(R/Hi=1.00);
(b) CASE5(R/Hi=1.33); (e) CASE6(R/Hi=1.67)
Fig. 6 Mean flow of upper layer around submerged breakwater due to variation of crown width. (a) CASE7(B/Li= 0.125);
(b) CASE2(B/Li=0.250); (c) CASE8(B/Li=0.375); (d) CASE9(B/Li=0.500)
− 435 − 질수록 잠제 중앙 배후에서 펼치지는 형태의 파고분포가 두 드러지게 나타나는 현상에 대해서는 Fig. 6에서 알 수 있듯 이 천단폭(B/Li)이 작아질수록 연안류가 강해짐에 따라 잠제 중앙 배후의 파랑에너지가 개구부 배후로 이동하기 때문으 로 판단된다.
3.3.3 사면경사(S)에 따른 영향
Fig. 7은 잠제의 사면경사(S)에 따른 상층흐름분포를 나타
내고 있는 것이며, (a)와 (b) 및 (c)와 (d)는 각각 CASE10 (S=∞)과 CASE11(S=1:1) 및 CASE2(S=1:2)와 CASE12 (S=1:3)의 경우를 나타내고 있다. Fig. 7로부터, Fig. 3의 파 고분포도에서 설명한 바와 같이, 사면경사(S)가 완만해질수 록 급사면인 경우(전면이 중복파동장에 가까움)에 비해
offshore측 잠제 전면에서의 파동장이 진행파에 가깝게 형성
되므로 낮은 파고에서도 쇄파가 발생하며 이에 따라 천단상 에서 넓은 범위에 걸쳐 쇄파함과 동시에 투과 단면적의 증가 로 인한 유체저항이 커짐으로 onshore측으로 유입되는 흐름 이 약해지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 사각형 잠제인
(a) CASE10(S=∞)의 경우에서는 사면이 존재하지 않으므로
개구부의 offshore측 사면에 의해 발생하는 굴절현상이 나 타나지 않는 반면에 잠제의 사면경사(S)가 완만해질수록 개 구부의 offshore측 사면에 의한 굴절의 영향이 커짐을 알 수 있다.
3.3.4 제장(Lr/Li)에 따른 영향
Fig. 8은 잠제의 제장(Lr/Li)에 따른 상층흐름분포를 나타낸 것이며, (a), (b), (c), (d)는 각각 CASE13(Lr/Li=0.50), CASE2 (Lr/Li=1.00), CASE14(Lr/Li=1.50), CASE15(Lr/Li=2.00)의 경 우를 나타내고 있다. Fig. 8로부터 Fig. 4에서 설명한 바와 같이 제장(Lr/Li)이 길어질수록 잠제 중앙 배후에서 발생하는 굴절 및 회절파의 중첩현상이 발생하는 지점이 정선에 가까 워지기 때문에 이와 같은 흐름분포가 나타나며, 또한 제장
(Lr/Li)이 길어질수록 개구율(W/Lr)이 작아지기 때문에 잠제 배후로 유입되는 파랑에너지의 감소로 인하여 전반적으로 잠 제 배후에서 흐름이 약해지는 것을 알 수 있다.
그 결과 제장(Lr/Li)이 가장 짧은 (a) CASE13(Lr/Li=0.50) 에서는 잠제의 바로 배후에서 굴절 및 회절파가 중첩된 후, 파랑에너지가 낮은 개구부 배후로 향하는 흐름이 강하게 나 타나며, 이로서 Fig. 4(a)의 파고분포에서 확인한 바와 같이 잠제 중앙 배후보다 개구부 배후의 정선 부근에서 높은 파 고분포가 나타나는 현상을 설명할 수 있다. 또한, 제장(Lr/ Li)이 길어질수록 잠제의 양단을 통한 입사파의 굴절 및 회 절 영향으로 개구부에서 잠제 중앙 배후로 향하는 흐름이 잠제 단부 배후 부근에서 해빈에 의한 굴절의 영향으로 정 선으로 향하며, 이 흐름은 천수효과로 인해 더욱 강해짐과 동시에 정선부근에서 상대적으로 파랑에너지가 낮은 개구부 배후와 잠제 중앙 배후로 향하는 것을 확인할 수 있다. 또 한 제장(Lr/Li)이 가장 긴, 즉 입사파 파장의 2배 길이를 가 진 (d) CASE15(Lr/Li=2.00)의 경우에서는 굴절 및 회절에 의한 영향이 잠제 중앙 배후까지 미치지 않음에 따라 중첩 현상이 나타나지 않는 것을 확인할 수 있으며, 이는 Fig.
4(d)에서도 확인할 수 있다.
3.4 연안의 처오름높이(run-up height)분포
연안에서의 처오름 높이는 정상상태에서 정선에서의 평균 수위( )와 최대수위( )의 합으로 나타내었다. 여기서 평 균수위(wave setup)는 식 (2)를 이용하여 계산하였으며, ti는 정상상태 이후의 데이터 취득 시점을 Ti는 입사파의 주기를 나타낸다.
(2)
η ηmax
η 1 3Ti
--- ηdt
ti ti+3Ti
∫
= Fig. 7 Mean flow of upper layer around submerged breakwater
due to variation of submerged breakwater's slope gradient. (a) CASE10(S=∞); (b) CASE11(S=1:1); (c)
CASE2(S=1:2); (d) CASE12(S=1:3) Fig. 8 Mean flow of upper layer around submerged breakwater due to variation of submerged breakwater length. (a) CASE13(Lr/Li=0.50); (b) CASE2(Lr/Li=1.00); (c) CASE14 (Lr/Li=1.50); (d) CASE15(Lr/Li=2.00)
3.4.1 천단수심(R/Hi)에 따른 영향
Fig. 9는 이안거리 Y/Li=1.50, 개구율 W/Lr=0.50의 경우, 잠제의 천단폭(B/Li=0.25)과 사면경사(S=1:2) 및 제장(Lr/ Li=1.00)을 고정하고, 천단수심(R/Hi) 변화에 따른 연안의 처 오름 높이 분포를 나타내고 있으며, 대표적으로 y방향으로 개구부중심에서 잠제중심까지(e-e'; Fig. 1 참조) 해당되는 연 안에서의 처오름 높이를 나타내었다. 전반적인 처오름 높이 분포는 개구부측 연안보다 잠제 배후 연안에서 높은 처오름 높이를 나타내며, 특히 잠제 중심 연안에서 가장 높은 처오 름 높이를 나타낸다.
Fig. 9로부터 천단수심(R/Hi)이 커질수록 처오름 높이가 상
승하는 경향을 확인할 수 있으며, 이는 전술한 잠제 주변의 파고분포 및 상층흐름분포에서 확인한 바와 같이 다음과 같 이 설명할 수 있다. 천단수심(R/Hi)이 커질수록, 즉 천단고가 낮아질수록 입사파가 잠제의 영향을 적게 받음으로서 잠제 로 인한 파랑에너지의 감쇠효과 및 잠제로 인한 굴절 및 회 절의 영향이 작아지기 때문에 연안에서의 처오름 높이가 상 승한다. 천단상에서 쇄파가 발생하지 않는 R/Hi 1인 CASE4(R/Hi=1.00), CASE5(R/Hi=1.33), CASE6(R/Hi=1.67)의 경우에는 잠제 배후 연안에서는 거의 비슷한 처오름 높이를 나타내고 있지만, 개구부 배후 연안에서는 뚜렷한 차이를 나 타내고 있다. 이와 같은 현상은 R/Hi 1인 경우에는 천단수 심(R/Hi)의 변화에 따른 파랑에너지 감쇠의 효과는 뚜렷한 차이를 보이지 않으나, 굴절 및 회절의 영향은 큰 차이를 가짐으로서 나타나는 현상으로 판단된다.
한편, 천단수심(R/Hi)에 따른 연안에서의 처오름 높이는 천 단상에서 쇄파가 발생하는 CASE2(R/Hi=0.33)와 CASE3(R/
Hi=0.67)의 경우 대체적으로 낮은 처오름 높이를 나타내고 있다. 특히, 낮은 천단수심으로 인하여 강한 쇄파가 발생하 는 CASE2(R/Hi=0.33)의 경우에서는 잠제가 존재하지 않는 경우(CASE1)에 비하여 잠제 중앙 배후에서는 8.79%, 개구 부 중앙에서는 45.63% 정도의 처오름 높이가 감소하는 것 을 확인할 수 있다.
3.4.2 천단폭(B/Li)에 따른 영향
Fig. 10은 이안거리 Y/Li=1.50, 개구율 W/Lr=0.50의 경우, 잠제의 천단수심(R/Hi=0.33)과 사면경사(S=1:2) 및 제장(Lr/ Li=1.00)을 고정하고, 천단폭(B/Li)의 변화에 따른 연안의 처 오름 높이 분포를 나타내고 있으며, 개구부중심에서 잠제중 심까지(e-e'; Fig. 1 참조) 해당되는 연안에서의 처오름 높이 를 나타내었다.
Fig. 10으로부터 천단폭(B/Li)이 커질수록 천수효과로 인한 천단상에서의 쇄파 및 투과 단면적의 증가로 인한 유체저항이 증가하며 이에 따른 파랑에너지의 감쇠효과에 의해 연안에서 의 처오름 높이가 하강하는 것을 확인할 수 있다. 또한, CASE8(B/Li=0.375)과 CASE9(B/Li=0.500)의 경우에는 개구부 측 연안에서 처오름 높이가 상승하는 경향을 나타내고 있는 데, 이는 Fig. 6(c) CASE8(B/Li=0.375) 및 (d) CASE9(B/
Li=0.500)의 상층흐름분포에서 논의한 바를 다음과 같이 설명
할 수 있다. 천단폭(B/Li)이 커질수록 굴절의 영향은 커지고 회절의 영향은 줄어들며, 광폭의 천단으로 인한 에너지 감쇠 가 커지는 등 다양한 원인으로 인해 잠제 근방 배후에서는 복잡한 흐름이 발생하며, 또한 개구부 근방 배후의 흐름은 해 빈에 의한 굴절의 영향으로 개구부측 배후의 정선으로 향하며 이렇게 발생한 흐름은 해빈에 의한 천수효과로 다시 강해진다.
한편, onshore측으로 유입되는 흐름은 천단폭(B/Li)이 커질수 록 약해지며, 이 영향으로 잠제 중앙 배후에서 개구부 배후 정선으로 향하는 연안류가 약해져 개구부 배후의 정선으로 향 하는 흐름에 큰 영향을 미치지 않으므로 개구부 배후 연안에 서 처오름 높이가 상승하는 것으로 판단된다.
그 결과 천단폭(B/Li)에 따른 연안에서의 처오름 높이는 잠제의 천단폭이 B/Li 0.250(CASE2, CASE8, CASE9)의 경우가 대체적으로 낮은 처오름 높이를 나타내고 있다. 한편, 잠제가 존재하지 않는 경우(CASE1)에 비해 잠제 중앙 배후 에서는 CASE9(B/Li=0.500)의 경우가 28.03%, 개구부 중앙 에서는 CASE2(B/Li=0.250)의 경우가 45.63% 정도 처오름 높이가 감소한다.
3.4.3 사면경사(S)에 따른 영향
Fig. 11은 이안거리 Y/Li=1.50, 개구율 W/Lr=0.50의 경우, 잠제의 천단수심(R/Hi=0.33)과 천단폭(B/Li=0.25) 및 제장(Lr/ Li=1.00)을 고정하고, 사면경사(S)에 따른 연안의 처오름 높이 분포를 나타내고 있으며, 개구부중심에서 잠제중심까지(e-e';
Fig. 1 참조) 해당되는 연안에서의 처오름 높이를 나타내었다.
Fig. 11로부터 잠제의 사면경사(S)가 완만해질수록 잠제 중
앙의 배후 연안에서 처오름 높이가 감소하는 경향을 확인할 수 있으며, 개구부 배후 연안에서는 큰 차이를 보이고 있지 않다. 이는 다음과 같이 설명할 수 있다. 잠제의 사면경사 (S)가 완만해질수록 급사면인 경우(전면이 중복파동장에 가 까움)에 비해 offshore측 잠제 전면에서의 파동장이 진행파에 가깝게 형성되므로 낮은 파고에서도 쇄파가 발생하며 이에 따른 천단상 쇄파범위가 증가함과 동시에 투과 단면적의 증
≥
≥
≥ Fig. 9 Longshore distributions of run-up heights( )
due to variation of crown depth
η η+ max Fig. 10 Longshore distributions of run-up heights ( ) due to variation of crown width
η η+ max
− 437 − 가로 인한 유체저항의 영향으로 잠제 배후로 유입되는 파랑 의 에너지 손실이 더욱 커지게 된다. 이로 인해 잠제 배후 연안에서의 처오름 높이가 하강하는 것으로 판단된다. 또한, 사면경사(S)가 완만해질수록 굴절의 영향이 커져 개구부 배 후 연안의 처오름 높이가 감소할 것으로 예상되지만, 잠제 배후 연안에서 개구부 배후 연안으로 향하는 연안류의 영향
(Fig. 7 참조)이 더해지기 때문에 개구부 배후 연안에서 사
면경사(S)에 따른 처오름 높이가 큰 차이를 나타내지 않는 것으로 판단된다.
한편, 사면경사(S)에 따른 연안에서의 처오름 높이는 비교 적 사면경사가 완만한 CASE2(S=1:2)와 CASE12(S=1:3)의 경우 대체적으로 낮은 처오름 높이를 나타내고 있으며, 잠제 가 존재하지 않는 경우(CASE1)에 비해 잠제 중앙 배후에서 는 CASE12(S=1:3)의 경우가 12.35%, 개구부 중앙에서는 CASE2(S=1:2)의 경우가 45.63% 정도의 처오름 높이가 감 소하는 것을 알 수 있다.
3.4.4 제장(Lr/Li)에 따른 영향
Fig. 12는 이안거리 Y/Li=1.50의 경우, 잠제의 천단수심 (R/Hi=0.33)과 천단폭(B/Li=0.25) 및 사면경사(S=1:2)를 고정 하고, 제장(Lr/Li)에 따른 연안의 처오름 높이 분포를 나타내 고 있으며, 개구부중심에서 잠제중심까지(e-e'; Fig. 1 참조) 해당되는 연안에서의 처오름 높이를 나타내었다.
Fig. 12로부터 제장(Lr/Li)이 길어질수록 연안에서의 처오름 높이가 감소하는 경향을 확인할 수 있으며, 이는 다음과 같 이 설명할 수 있다. 제장(Lr/Li)이 길어질수록 개구율(W/Lr) 이 작아짐으로 상대적으로 잠제 배후로 유입되는 파랑에너 지가 감소하게 됨으로서 연안에서의 처오름 높이가 전반적 으로 하강하는 것을 알 수 있으며, 또한 Fig. 4에서 설명한 바와 같이 잠제 배후에서 굴절 및 회절에 의한 파의 중첩현
상이 발생하는 지점이 정선과 가까운 곳에서 발생하게 됨으 로 제장이 가장 짧은 CASE13(Lr/Li=0.50)의 경우에서는 정 선과의 거리가 가장 먼 곳에서 중첩현상이 일어남으로 굴절 및 회절파의 중첩 이후, 상대적으로 흐름이 약해진 개구부측 으로 향하는 흐름(Fig. 8(a) 참조)의 영향으로 파고가 펼쳐지 는 현상이 발생하기 때문에 잠제 중앙 배후보다 개구부 배 후에서 높은 파고를 나타내며(Fig. 4(a) 참조), 이로 인하여 연안에서의 처오름 높이는 잠제 배후 연안에서보다 개구부 배후 연안에서 높게 나타남을 확인할 수 있다.
또한, CASE14(Lr/Li=1.50)의 경우에서는 개구부 근방 배 후에서 해빈에 의한 굴절의 영향으로 정선으로 향하는 흐름 이 다시 생성됨과 더불어 해빈으로 인한 천수효과에 기인하 여 강한 흐름이 형성된 후, 상대적으로 흐름이 약해진 개구 부 배후 정선으로 유입됨(Fig. 8(c) 참조)으로 개구부 배후 연안에서 처오름 높이가 상승하는 것을 알 수 있다.
한편, 잠제의 제장(Lr/Li)에 따른 연안에서의 처오름 높이 는 이안거리(Y/Li)와 개구율(W/Lr)과 밀접한 관계에 있는 것 으로 판단되며, 더욱 다양한 검토가 필요할 것으로 사료된다.
4. 결론및 고찰
본 연구에서는 잠제의 제원(천단수심(R/Hi), 천단폭(B/Li), 사면경사(S), 제장(Lr/Li))에 따라 해빈상을 전파하는 풍파의 처오름 높이 특성을 논의하기 위하여, 수리모형실험 결과와 의 비교를 통해 타당성이 검증된 3차원 수치모델(LES- WASS-3D; 허와 이, 2007)을 적용하였다. 이 모델을 이용한 수치시뮬레이션을 실시하여 잠제의 제원에 따른 잠제 주변 의 파고분포와 상층흐름분포를 검토한 후, 이와 관련하여 연 안에서의 처오름 높이 변화의 특성을 파악하였으며, 이로부 터 얻어진 중요한 사항을 기술하면 아래와 같다.
1. 잠제 주변의 파고분포는 천단수심(R/Hi)이 작아질수록, 천 단폭(B/Li)이 길어질수록, 잠제의 사면경사(S)가 완만해질 수록 잠제의 파랑제어 기능이 향상됨으로 onshore측에서 전반적으로 낮은 파고분포를 나타내며, 제장(Lr/Li)이 길어 질수록 상대적으로 개구율(W/Lr)이 작아지기 때문에
onshore측에서 낮은 파고분포를 나타낸다.
2. 잠제의 제원(천단수심(R/Hi), 천단폭(B/Li), 사면경사(S), 제장(Lr/Li))에 따른 상층흐름분포는 잠제의 양단을 통한 굴절 및 회절의 영향으로 발생하는 잠제 배후에서의 중첩 현상 및 잠제로 인한 파랑에너지 감쇠의 영향에 따라 다 음과 같이 나타난다.
●천단수심(R/Hi)이 커질수록 파와 잠제와의 상호간섭이 줄 어들기 때문에 잠제로 인한 굴절 및 회절의 영향과 파 랑에너지 감쇠의 효과가 감소함으로 정선으로 향하는 흐 름의 크기가 증대한다.
●천단폭(B/Li)이 커질수록 굴절의 영향을 많이 받지만, 천 수효과에 기인한 쇄파 및 투과 단면적의 증가로 인한 유체저항으로 인하여 천단을 통해 onshore로 유입되는 흐름이 약해진다.
●사면경사(S)가 완만해질수록 사면에 의한 굴절의 영향이 커지는 반면, 파랑에너지 감쇠로 인하여 잠제 배후로 유 입되는 흐름이 약해진다.
Fig. 11 Longshore distributions of run-up heights( ) due to variation of submerged breakwater's slope gradient
η η+ max
Fig. 12 Longshore distributions of run-up heights ( ) due to variation of crown length
η η+ max
●제장(Lr/Li)이 커질수록 개구율(W/Lr)이 작아지기 때문에 잠제 배후로 유입되는 파랑에너지의 감소로 인하여 전반 적으로 흐름이 약해진다.
3. 연안에서의 처오름 높이의 특성은 잠제 양단을 통한 입사 파의 굴절 및 회절에 의해 잠제 배후에서 발생하는 파의 중첩현상으로 인하여 전반적으로 개구부 배후 연안보다 잠 제 배후 연안에서 높은 처오름 높이를 나타내며, 특히 잠 제 중앙부 연안에서 가장 높은 처오름 높이가 나타난다.
●천단수심(R/Hi)이 낮아질수록, 즉 천단고가 높을수록 잠 제에 의한 파랑에너지 감쇠가 커지기 때문에 연안에서의 처오름 높이는 전반적으로 하강하며 개구부 배후 연안에 서는 큰 차이를 보이지 않으나, 잠제 배후 연안에서는 뚜렷한 차이를 나타낸다. 천단고가 가장 낮은 CASE2 (R/Hi=0.33)의 경우에서는 잠제가 존재하지 않는 경우에 비하여 잠제 중앙 배후에서는 8.79%, 개구부 중앙에서는
45.63% 정도의 처오름 높이가 감소한다.
●천단폭(B/Li)이 커질수록 천단상에서의 광범위한 쇄파 및 유체저항의 증가로 인하여 파랑에너지가 감소하며, 이에 따라 연안에서의 처오름 높이가 전반적으로 하강하지만, B/Li=0.375 및 B/Li=0.500의 경우, 개구부측 연안에서 처오름 높이가 상승하는 경향을 나타낸다. 잠제 중앙 배 후에서는 CASE9(B/Li=0.500)의 경우가 28.03%, 개구부 중앙에서는 CASE2(B/Li=0.250)의 경우가 45.63% 정도 로 잠제가 존재하지 않는 경우에 비하여 낮은 처오름 높이를 나타낸다.
●사면경사(S)가 완만해질수록 천단상에서의 쇄파 및 유체 저항의 증가로 인하여 파랑에너지가 감소한다. 이에 따 라 잠제 중앙의 배후 연안에서 처오름 높이가 감소하는 경향을 확인할 수 있지만, 개구부 배후 연안에서는 큰 차이를 보이지 않으며, 가장 낮은 처오름 높이는 잠제가 존재하지 않는 경우에 비해 잠제 중앙 배후에서는
CASE12(S=1:3)의 경우가 12.35%, 개구부 중앙에서는
CASE2(S=1:2)의 경우가 45.63% 정도 감소한다.
●제장(Lr/Li)이 길어질수록 상대적으로 개구율(W/Lr)이 작 아지기 때문에 연안에서의 처오름 높이는 대체적으로 하 강하는 경향을 나타낸다.
이상과 같은 결과에 근거하여, 해빈경사 1:10 정도의 연안 에서 이안거리 Y/Li=1.50, 개구율 W/Lr=0.50의 경우, 잠제 건설에 따른 연안에서의 처오름 높이의 저감효과를 기대하 기 위해서는 잠제의 천단수심 R/Hi<0.33, 천단폭 B/
Li=0.250-0.375, 잠제의 offshore측 사면경사 S=1:2-1:3의 범 위 내에서 결정하는 것이 타당할 것으로 생각되며, 제장(Lr/ Li)에 따른 검토는 제장이 길어질수록 처오름 높이 감소에는 효과가 있으나 이안거리(Y/Li) 및 개구율(W/Lr) 등을 모두 고려하여 검토하는 것이 타당할 것으로 판단된다. 또한, 이 러한 경향은 해저경사 및 해빈경사에 따라서 다르게 나타날 수도 있을 것으로 사료되며 향후 이에 대한 더욱 많은 자료 의 확보 및 다양한 검토를 병행해 나갈 계획이다.
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(접수일: 2008.2.25/심사일: 2008.4.11/심사완료일: 2008.6.15)
