Characteristics of Run-up Height over Sandy Beach with Submerged Breakwaters : PART I - Effect of Plane Arrangement of Submerged Breakwaters

海岸및港灣工學 大 韓 土 木 學 會 論 文 集

第28卷 第3B 號·2008年 5月 pp. 345 ~ 354

잠제 설치 연안의 처오름 높이 특성 : PART I - 잠제의 평면배치에 의한 영향

Characteristics of Run-up Height over Sandy Beach with Submerged Breakwaters : PART I - Effect of Plane Arrangement of Submerged Breakwaters

허동수*·이우동**

Hur, Dong-Soo·Lee, Woo-Dong

···

Abstract

In this present study, we made a first attempt to investigate physical transformations of incident waves in surf and swash zone and hydrodynamic phenomena of detached and submerged breakwaters. For an accurate simulation of the complicated wave deformation, Three-Dimensional numerical model with Large Eddy Simulation has been developed recently and expanded properly for the current applications, which is able to simulate an accurate and direct WAve·Structure·Sandy seabed interaction (hereafter, LES-WASS-3D). LES-WASS-3D has been validated through the comparison with experimental results for limited cases, and has been used for the simulation of wave run-up on sandy beach, mean fluid flows over and around sub- merged structures and swash zone (alongshore/rip current), and spatial distribution of wave height in wide fluid regions. In addition, a strategy of efficient deployment (Y/Li=1.50~1.75, W/Lr=0.50) of the submerged breakwaters has been discussed.

Keywords : submerged breakwater, run-up height, 3-D numerical simulation, sandy beach, swash zone

···

요 지

본 연구에서는 잠제의 평면배치형상(이안거리, 개구율)에 따라 해빈상을 전파하는 풍파의 처오름 높이 변화특성을 논의하기 위하여, 파·투과성구조물·해빈의 상호간섭을 직접해석할 수 있는 3D-수치모델(LES-WASS-3D; 허와 이, 2007)을 이용하 였다. 먼저, 기존의 수리모형 실험치와 본 연구의 계산치를 비교·검토하여 이용한 수치모델의 타당성 및 유효성을 검증한 후, 잠제 2기의 평면배치의 변화에 따른 수치시뮬레이션을 실시하였다. 결과로서 얻어진 잠제 주변의 파고분포 및 상층흐름 특성 등과 관련하여 연안에서의 처오름 높이를 검토한 결과, 처오름 높이 감소에 효율적인 잠제의 이안거리는 Y/

Li=1.50~1.75, 개구율은 W/Lr=0.50인 것을 확인하였다.

핵심용어 : 잠제, 처오름 높이, 3차원 수치해석기법, 해빈, 소상역

···

1. 서 론

연안역의 3차원적인 해빈변형을 이해하기 위해서는 소상역

(swash zone)에서의 흐름특성뿐만 아니라, 처오름 높이(run-

up height)에 대한 특성(Ruggiero et al., 2001; Sallenger,

2000)을 파악하는 것이 중요하며 이와 관련해서 종래부터 많

은 연구가 수행되어 오고 있다. 해빈의 소상역은 소상파의

uprush에 표면이 잠기고 backwash에 노출되는 해빈의 일부

분으로서, 강한 비정상 흐름과 와도로 인한 표사의 이동이 활발히 진행되어 급격한 지형변화가 발생하는 영역이다 (Puleo et al., 2000). 이러한 소상역에서의 파랑운동을 살펴 보면, 처오름에 의해 해빈을 거슬러 uprush한 흐름의 일부분 이 해빈의 표면내로 침투한 후 backwash함에 따라 uprush

와 backwash의 불균형이 발생할 뿐만 아니라, 선행파의

backwash 흐름과 후속파의 uprush 흐름이 충돌하여 발생하

는 상호작용 등으로 인하여 상당히 복잡한 흐름 양상을 나 타내고 있다(Masselink and Puleo, 2006). 이에 Mase(1988)는 자연해빈상을 진행하는 소상파의 에너지는 고주파수대에서 저주파수대로 이동한다는 것을 보고하였으며, Masselink and

Puleo(2006)는 소상역에서의 유체운동에 대해 이미 수행된

연구들을 검토하여 하나의 체계를 완성하였다. 이와 관련하 여 처오름 높이에 관한 연구로서 Baldock et al.(1997)은 급경사 해변에 대한 수리모형실험을 통하여 파군에 의해 형 성된 소상대에서의 저주파운동이 각 소상파의 처오름을 고 정도로 근사시킬 수 있다는 것을 밝혔으며, Stockdon et al.(2006)은 소상대에서의 처오름에 대한 10개의 현장관측

*정회원ㆍ교신저자ㆍ국립경상대학교 토목환경공학부(해양산업연구소) 부교수 (E-mail : [email protected])

**국립경상대학교대학원해양토목공학과석사과정 (E-mail : [email protected])

자료를 분석하여 광범위한 자연해빈에 적용할 수 있는 최대 소상고의 경험공식을 제안하였다.

한편, 연안침식방지를 위한 대책으로서 최근 해안선보호 뿐만 아니라, 환경적인 측면과 미관적인 측면을 모두 수용 할 수 있는 잠제의 건설이 늘어나고 있는 실정이다. 대표 적인 예로서 국책사업인 연안정비사업의 일환으로서 2000- 2006년에 걸쳐 부산송도해수욕장에 양빈 및 잠제와 이안제 가 건설되었으며, 현재까지 파랑관측 및 해빈변형에 관한 지속적인 모니터링을 실시하고 있다(김 등, 2007). 이러한 잠제의 건설로 인해 소상역에서의 유체운동은 더욱 복잡해 질 것으로 예상되며, 소상역에서의 유체운동의 특성에 대 해 아직 밝혀지지 않은 부분이 많이 남아 있을 뿐만 아니 라, 잠제 설치로 인한 해빈상의 처오름 높이 변화에 대한 연구는 거의 수행되어 있지 않다. 현재까지는 현지에서 자 연해빈에 대한 현장관측(Hughes, 1992; Kriebel, 1994) 및 인위적으로 자연해빈을 변화시킨 수리실험(Kubota et al., 1999; Larson et al., 2004)을 통한 경험적인 연구들 이 대부분이다. 근래에 와서 수치모형실험이 이루어지고 있 지만, 구조물의 영향을 고려하지 않은 경사면에서 처오름 높이 변화에 관한 연구들(김과 정, 2000; Lynett et al., 2002)이다. 한편, Mase et al.(2004)은 수리모형실험을 통 하여 전면에 인공리프가 설치되어 있는/없는 경우의 호안 에 작용하는 불규칙파의 처오름 높이 특성을 논의하고 복 합단면의 호안에 대한 경험공식의 적용성에 대하여 세부적 인 검토를 수행하였지만, 여전히 잠제 설치 후 모래해안상 의 처오름에 관해서는 거의 미지의 상태라고 해도 과언이 아닐 정도이다.

따라서, 본 연구에서는 잠제의 설치 유무 및 평면배치형상 (이안거리, 개구율)에 따라 해빈상을 전파하는 풍파의 처오름 높이 변화특성을 논의하기 위하여, 먼저 파ㆍ투과성구조물ㆍ 해빈의 상호간섭을 직접해석할 수 있는 3차원 수치해석기법

(LES-WASS-3D; 허와 이, 2007)을 이용하여, 본 수치모델

의 타당성을 검증하고, 수치시뮬레이션을 통하여 잠제의 평 면배치형상에 따른 잠제 주변의 파고분포와 상층흐름분포를 검토한 후, 이와 관련하여 연안에서의 처오름 높이 변화에 대해서 검토하는 것을 목적으로 한다.

2. 수치해석기법

본 연구에서는 잠제의 평면배치형상에 따른 연안에서의 처 오름 특성을 파악하기 위하여, LES-WASS-3D(허와 이,

2007)를 이용하였다. 이 모델은 기존의 3차원 수치해석수법

(Hur and Mizutani, 2003; Hur, 2004)을 토대로 SGS모델 (Sub-Grid Scale model; Smagorinsky, 1963)을 도입한 수 치해석기법(허 등, 2006)에 투과성구조물내의 유체저항으로 서 관성저항(Sakakiyama and Kajima, 1992), 난류저항 (Ergun, 1952; van Gent, 1995) 및 층류저항(van Gent, 1995; Liu and Masliyah, 1999)을 도입하여 개발된 3차원 수치해석기법이다.

2.1 기초방정식

기초방정식은 무반사조파를 위한 조파소스(조파원천)항이

포함된 연속방정식 (1)과 투과성구조물내에서의 유체저항을 도입한 수정된 Navier-Stokes 운동방정식 (2)-(4) 및 자유표 면을 모의하기 위한 VOF함수의 이류방정식 (5)로 구성된다.

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

여기서, u, v, w는 x, y, z방향의 속도성분, γ^v는 체적공극율 (volume porosity), γx, γy, γz는 x, y, z방향에 대한 면적투과율 (surface permeability)을 나타내며, t는 시간, g는 중력가속도, ρ는 유체의 밀도, p는 압력, β는 부가감쇠영역을 제외하고는 0으로 주어지는 파랑감쇠계수이다. ν는 동점성계수, ν^t는 동점 성계수(ν⁾와 와동점성계수(νl)의 합을 나타내고, q^*는 조파소스 (조파원천)의 유량밀도를 나타낸다. 또한 식 (5)의 VOF함수 F 는 각 셀에 대해 유체가 차지하고 있는 체적비율을 나타낸다.

투과성구조물내에서의 유체저항으로서 Mx, My, Mz는 관성 저항, Dx, Dy, Dz는 난류저항, Ex, Ey, Ez는 층류저항으로서 다음 식 (6)-(14)에 의해 결정된다.

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

∂ γ( xu) ---∂x ∂ γ( yv)

---∂y ∂ γ( zw) ---∂z

+ + =q^*

γ_v∂u

--- u∂t ∂(γxu)

---∂x v^{∂ γ}--- w⁽_∂y^yu) ∂(γzu) ---∂z

+ + + γ_vρ^---∂1

p ---∂x 1

ρ--- + –

=

∂x∂

--- γxv_t 2∂u ---∂x

⎝ ⎠

⎛ ⎞

⎩ ⎭

⎨ ⎬

⎧ ⎫ ∂

∂y--- γyv_t ∂u --- ∂∂y v

---∂x

⎝ + ⎠

⎛ ⎞

⎩ ⎭

⎨ ⎬

⎧ ⎫ ∂

∂z--- γzv_t ∂u --- ∂∂z w

---∂x

⎝ + ⎠

⎛ ⎞

⎩ ⎭

⎨ ⎬

⎧ ⎫

+ +

M_x – –D_x–E_x

γ_v∂v

--- u∂t ∂ γ( xv)

---∂x v^∂(γyv)

--- w∂y ∂ γ( zv) ---∂z

+ + + γ_v¹ρ^---∂∂y---^p 1 ρ--- + –

=

∂x∂ --- γxv_t ∂v

--- ∂∂x u ---∂y

⎝ + ⎠

⎛ ⎞

⎩ ⎭

⎨ ⎬

⎧ ⎫ ∂

∂y--- γyv_t 2∂v ---∂y

⎝ ⎠

⎛ ⎞

⎩ ⎭

⎨ ⎬

⎧ ⎫ ∂

∂z--- γzv_t ∂v --- ∂∂z w

---∂y

⎝ + ⎠

⎛ ⎞

⎩ ⎭

⎨ ⎬

⎧ ⎫

+ +

M_y

– –D_y–E_y 2ν ---∂3 q^*

---∂y –

γ_v^{∂w--- u}_∂t ^∂(γxw)

---∂x v^∂(γyw)

--- w∂y ∂(γzw) ---∂z

+ + + γ_vρ^---∂1---∂z^p 1 ρ--- + –

=

∂x∂ --- γxv_t ∂w

--- ∂∂x u ---∂z

⎝ + ⎠

⎛ ⎞

⎩ ⎭

⎨ ⎬

⎧ ⎫ ∂

∂y--- γyv_t ∂w --- ∂∂y v

---∂z

⎝ + ⎠

⎛ ⎞

⎩ ⎭

⎨ ⎬

⎧ ⎫ ∂

∂z--- γzv_t 2∂w ---∂z

⎝ ⎠

⎛ ⎞

⎩ ⎭

⎨ ⎬

⎧ ⎫

+ +

M_z

– –D_z–E_z 2ν ---∂3 q^*

---∂z^{– g}γ_v

– ^–β^w

∂(γ_v^F)

---∂t ∂ γ( xFu)

---∂x ∂(γyFv)

---∂y ∂(γzFw) ---∂z

+ + + =Fq^*

M_x (1^–γ_v)CM

D_u D_t

--- (1^–γ_v)CM ∂u --- u∂∂t u

∂x--- v^∂u_∂y^{--- w∂---}_∂z^u

+ + +

⎩ ⎭

⎨ ⎬

⎧ ⎫

= =

M_y (1^–γ_v)CM

D_v D_t

--- (1^–γ_v)CM ∂v --- u∂∂t v

---∂x v^∂v

∂y--- w∂v ---∂z

+ + +

⎩ ⎭

⎨ ⎬

⎧ ⎫

= =

M_z (1^–γ_v)CM

D_w D_t

--- (1^–γ_v)CM ∂w --- u∂∂t w

---∂x v^{∂w--- w∂}_∂y ^---_∂z^w

+ + +

⎩ ⎭

⎨ ⎬

⎧ ⎫

= =

D_x 1

2---C_D(1–γx) D_Pγx

---u (γxu)²+(γyv)²+(γzw)²

=

D_y 1

2---C_D(1–γy) D_Pγy

---v (γxu)²+(γyv)²+(γzw)²

=

(11)

(12)

(13)

(14)

여기서, CM은 관성력계수, CD는 난류저항계수, CE는 층류저 항계수, DP는 투과체의 평균입경이며, 나머지 수치해석기법에 대한 세부적인 내용에 대해서는 허와 이(2007)를 참조하기 바란다.

3. 수치해석기법(LES-WASS-3D)의 검증

본 연구에서 이용한 3차원 수치모델(LES-WASS-3D)의 타 당성을 검증하기 위하여 Fig. 1과 같은 Ma et al.(2004)의 수리모형실험수조에 근거한 3차원 수치파동수조를 이용하였

D_z 1

2---C_D(1–γz) D_Pγz

---w (γxu)²+(γyv)²+(γzw)²

=

E_x C_E v D_p² ---(1–γx)²

γx

---u

=

E_y C_E v D_p² ---(1–γy)²

γy

---v

=

E_z C_E v D_p² ---(1–γz)²

γz

---w

=

Fig. 1 Definition sketch of numerical wave basin based on Ma et al.'s experimental one (2004)

Fig. 2 Arrangement of groundwater level gauges

Fig. 3 Time variations of spatial groundwater level distributions in swash zone (measured and calculated)

다. 파의 무반사 조파를 위해 offshore측에는 조파소스 및 부가감쇠영역을 두었고, onshore측에는 비탈면경사 1:7을 가 진 불투과층 위에 평균입경(D50) 0.5 cm인 자갈을 15 cm의 두께(D)로 도포한 후, 파고(Hi)=6.0 cm, 주기(Ti)=1.7 sec의 규칙파를 적용하여 본 연구의 계산결과와 실험치를 비교ㆍ 검토하였다. 지하수위의 측정범위는 Fig. 1의 사각형 A-B- C-D이고, 측정위치에 대한 자세한 사항은 Fig. 2의 개념도에 나타내었다.

그 결과, 투수층 중앙에서 전체적인 지하수의 수면변동의 시간분포에 있어서 본 수치해석결과가 Ma et al.(2004)의 수리모형실험결과를 잘 재현하고 있는 것을 알 수 있으며, 이로서 본 연구에서 적용하는 수치모델(LES-WASS-3D)의 타당성과 유효성이 검증되었다고 판단된다.

4. 해석결과

4.1 수치파동수조및입사파조건

본 연구에서는 잠제의 평면배치형상(이안거리(Y/Li) 및 개 구율(W/L^r); 여기서, Y는 잠제의 육측 천단에서 정선까지의 거리, Li는 입사파의 파장, W는 잠제 천단간의 거리, Lr은 잠제의 길이)에 따라 소상역에서의 처오름 특성을 파악하기 위하여, Fig. 4와 같은 3차원 수치파동수조를 이용하였다.

파의 재반사를 방지하기 위해 조파소스(조파원천) 및

offshore측에는 부가감쇠영역을 설치하였으며, 해석영역에는

바닥경사 1:100의 seabed를 기초로 하여 천단수심(R)

2 cm, 비탈면경사 1:2를 가진 잠제 2기와 비탈면경사 1:10

인 해빈을 설치하였다. 잠제는 피복부분과 core부분으로 나 누어 구성하였고, 피복석의 평균입경은 4 cm, core의 평균 입경은 1 cm로 하였으며, 또한 해빈은 모래로 고려하여 0.002 cm로 구성하였다.

y축의 양단의 경계조건 즉, 계산영역의 측면경계조건은 slip조건을 이용하였으며, 본 연구에서는 잠제 및 해빈으로 파가 법선방향으로 입사하기 때문에 y방향으로 무수의 잠제 와 반무한 해빈이 설치되어 있는 것으로 가정할 수 있으며, 이로 인하여 해석대상영역을 축소하여 계산상의 편의를 도 모하였다.

이용된 수치해석조건에 대한 상세한 사항을 Table 1에 나타

내었으며, 입사파 조건(입사파고 Hi=6 cm, 입사파주기 Ti=1.5 sec)과 잠제의 제원(R/Hi=0.33, Lr/Li=1.00, B/Li=0.25, S=1:2;

여기서, R은 잠제의 천단수심, B는 잠제의 폭, S는 잠제의 사면경사)을 고정하고, 잠제의 이안거리(Y/Li) 및 개구율(W/

Lr)의 변화에 따른 잠제 주변의 파고분포와 상층흐름분포를 검토한 후, 이와 관련하여 연안에서의 처오름 높이 변화에 대해 고찰하였다.

4.2 잠제주변의 파고분포

잠제가 설치된 연안의 처오름 분포를 검토하기에 앞서 잠 Fig. 4 Definition sketch of 3-D numerical wave basin

Table 1. Plane arrangement conditions of submerged breakwater

CASE

Wave

height Period Submerged Breakwater

Shape Arrangements

Wave steepness Crown

height

Width ratio

Slope gradient

Breakwater length

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 0.25 1:2 1.00

1.00

0.50 0.025

3 1.25

4 1.50

5 1.75

6 2.00

7

6.0 1.5 ○ 0.33 0.25 1:2 1.00 1.50

0.25

0.025

8 0.75

9 1.00

제의 이안거리(Y/Li) 및 개구율(W/Lr)에 따른 잠제 주변의 공간파고분포를 입사파고(Hi=6 cm)에 대해 무차원화하여 고 찰한다. 여기서, 붉은색은 입사파고보다 높은 파고를 파란색 은 입사파고보다 낮은 파고를 의미하고, 사각형 점선은 잠제 의 저면을 실선은 잠제의 천단을 나타내며, 또한 일점쇄선은 해빈경사가 시작되는 저면을 의미한다.

4.2.1 이안거리(Y/Li)에 따른 영향

Fig. 5는 잠제의 이안거리(Y/Li)에 따른 잠제 주변의 공 간파고분포도이며, (a)는 잠제가 설치되지 않은 경우를 (b), (c), (d)는 각각 CASE2(Y/Li=1.00), CASE4(Y/Li=1.50),

CASE6 (Y/Li=2.00)의 경우를 나타내고 있다. (a)로부터

offshore에서 입사하는 파가 해빈경사면을 진행하면서 나타

나는 천수효과로 인하여 파고가 상승하여 정선부근에서 쇄 파의 발생으로 급격히 파고가 감소하는 것을 알 수 있다.

(b)-(d)로부터 알 수 있듯이 잠제를 설치한 경우 offshore 측에서는 잠제에 의한 반사파의 영향으로 부분중복파가 발 생하여 파고가 상승되는 반면에 onshore측에서는 잠제의 투과성으로 인한 파랑에너지 감쇠 및 천단 위에서의 쇄파 로 인하여 파고가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이안거 리(Y/Li)에 따른 파고분포는 이안거리(Y/Li)가 커질수록 잠 제 중앙부의 onshore측에서는 파고가 상승하는 반면에 개 구부의 onshore측에서는 파고가 하강하는 경향을 나타내고

있다. 이것은 잠제 양단부의 경사로 인한 수심변화로 발생 하는 굴절현상과 개구부를 통해 유입되는 파가 잠제 배후 로 돌아들어가는 회절현상의 영향으로 인해 잠제 중앙부 배후에서 파의 중첩현상이 발생하기 때문으로 판단된다. 그 결과 이안거리(Y/Li)에 따라 파의 중첩현상의 진행정도가 달라짐으로 이와 같은 파고분포가 나타나게 된다. 즉, 해빈 경사가 시작되는 저면(그림에서 일점쇄선으로 표시)보다

offshore측에서 파의 중첩이 발생하는지 아니면 해빈경사면

위에서 파의 중첩이 발생하는지에 따라 잠제 배후의 파고 분포 형태가 약간 상이하게 나타나게 된다. 이안거리(Y/Li) 가 짧은 (b) CASE2(Y/Li=1.00)의 경우 정선 부근에서 파의 중첩이 발생하므로 중첩된 파가 해빈의 영향을 많이 받지 않는 반면, (c) CASE4(Y/Li=1.50)의 경우 해빈경사 가 시작되는 저면을 통과한 지점에서 파의 중첩이 발생하 고 그 후 해빈경사에 의한 천수의 영향으로 파고가 약간 상승하다가 정선 부근에서 펼쳐지는 것을 알 수 있다. 또 한, (d) CASE6(Y/Li=2.00)의 경우에는 해빈경사가 시작되 는 저면보다 offshore측에서 파의 중첩이 발생함에 따라 중첩된 파가 해빈을 거슬러 진행하면서 (c) CASE4(Y/

Li=1.50)의 경우보다 뚜렷하게 파고가 상승하는 것을 확인

할 수 있으며, 정선 부근에서 파고분포가 펼쳐지는 형태를 나타내고 있다.

한편, 잠제에 의한 offshore측에 발생하는 부분중복파의 경 Fig. 5 Spatial distributions of wave height around submerged breakwaters due to variation of detached distance. (a)

CASE1(without breakwater); (b) CASE2(Y/L_i=1.00); (c) CASE4(Y/L_i=1.50); (d) CASE6(Y/L_i=2.00)

향은 전체적으로 잘 나타내고 있는 것을 알 수 있다.

4.2.2 개구율(W/Lr)에 따른 영향

Fig. 6은 이안거리 Y/Li=1.50의 경우, 개구율(W/Lr)에 따 른 잠제 주변의 공간파고분포를 나타내고 있으며, (a)와 (b) 및 (c)와 (d)는 CASE7(W/Lr=0.25)와 CASE4(W/Lr=0.50) 및 CASE8(W/Lr=0.75)과 CASE9(W/Lr=1.00)의 경우를 나 타내고 있다. Fig. 6으로부터 개구율(W/Lr)이 커질수록 개구 부를 통해 유입되는 파랑에너지가 증가하기 때문에 onshore 측에서는 전체적으로 파고가 상승함을 알 수 있다. 특히, 개 구부의 onshore측에서 파고가 많이 상승함을 알 수 있으며, 이는 개구율(W/Lr)이 커질수록 잠제 배후로 유입되는 파랑 에너지가 증가함과 동시에 개구부 중심의 onshore측에서는 잠제의 영향을 적게 받아 파랑에너지가 onshore측으로 그대 로 유입되기 때문에 이와 같은 파고분포가 나타난다고 판단 된다. 또한, 이안거리(Y/Li)가 동일함으로 잠제 배후에서 굴 절 및 회절에 의한 파의 중첩지점이 유사하게 나타나며, 이 로 인하여 무차원파고의 크기에서는 차이를 보이지만, 유사 한 공간파고분포의 경향을 나타내고 있다.

4.3 잠제주변의 상층흐름분포

잠제 주변의 상층흐름분포에서는 개구부 중심에서 잠제 중 심까지의 범위에 해당하는 사각형 A-B-C-D 내부(Fig. 4 참

조)의 상층흐름을 나타내어 잠제의 이안거리(Y/Li) 및 개구 율(W/Lr)의 변화에 따른 영향을 검토한다. 검토에 이용된 평 균유속( )는 x-y평면상의 각 연직위치의 평균유속을 수 심(연직)방향으로 적분한 평균유속이며, 식 (17)을 이용하여 계산하였으며, ti는 정상상태 이후의 데이터 취득시점을 Ti는 입사파의 주기를 나타낸다. 이때, 상층의 범위는 천단에서 자유수면까지 고려하였으며, 해빈내의 유속은 적용하지 않 았다.

(17)

4.3.1 이안거리(Y/Li)에 따른 영향

Fig. 7은 잠제의 이안거리(Y/Li)에 따른 잠제 주변의 상층 흐름을 나타낸 것이며, (a)는 잠제가 설치되지 않은 경우를 (b), (c), (d), (e), (f)는 CASE2(Y/Li=1.00), CASE3(Y/

Li=1.25), CASE4(Y/Li=1.50), CASE5(Y/Li=1.75), CASE6

(Y/Li=2.00)의 경우를 각각 나타내고 있다. (a)로부터 잠제가

설치되지 않은 경우에는 offshore로부터 정선에 직각방향으 로 흐름이 유입되는 것을 알 수 있으며, 해빈에 의한 천수 효과로 인하여 정선부근에서 쇄파가 발생하고 이로 인해 급 격히 유속이 감소하는 것을 확인할 수 있다. (b)-(f)로부터 잠제 부근에서는 전반적으로 유사한 흐름분포를 나타내고 있 으나, onshore측에서는 이안거리(Y/Li)가 커질수록 개구부에

U_{xy z}

U_{xy z} 1 3T_i

--- u²⁺v^{2d ztd}

t_i t_i+3T_i R

∫

–

∫

=

Fig. 6 Spatial distributions of wave height around submerged breakwaters due to variation of opening ratio. (a) CASE7(W/

L_r=0.25); (b) CASE4(W/L_r=0.50); (c) CASE8 (W/L_r=0.75); (d) CASE9(W/L_r=1.00)

서 잠제 배후로 돌아들어가는 흐름이 많이 나타나는 경향을 확인할 수 있다. 이는 이안거리(Y/Li)가 커질수록 파가 정선 에 도달하기까지 더 많은 거리가 확보되기 때문에 잠제로 인해 굴절 및 회절된 파가 잠제 중앙 배후에서 중첩되어 해 빈경사면 위를 진행하면서 천수효과로 흐름이 더욱 강해지 고 이에 따라 상대적으로 흐름이 약해진 개구부측 정선으로 향하는 흐름이 생기게 된다. 이러한 흐름이 강해지면 다시 개구부에서 정선으로 향하는 흐름을 방해함과 동시에 잠제 중앙 배후를 향한 흐름을 강하게 하는 경향이 있는 것으로 판단된다.

그 결과, 정선부근에서는 잠제 배후에서 중첩된 강한 흐름 에 의해 상대적으로 파랑에너지가 작은 개구부측으로 향하 는 연안류가 발생하고, 이안거리(Y/Li)가 커질수록 이 연안류 가 개구부 배후를 진행하는 향안류를 만나는 지점이 해측으 로 이동하는 것을 알 수 있다. 또한, 이안거리(Y/Li)가 1.5 보다 커지면(Fig. 7(d), (e), (f)) 잠제 중앙 배후의 정선으로 부터 개구부 배후의 정선을 향하는 연안류가 강해져서

offshore측으로 향하는 이안류가 형성됨을 확인할 수 있다.

이와 같이 흐름들이 서로 만나는 지점에서는 복잡한 흐름이 형성되며, Fig. 5로부터 이러한 복잡한 흐름이 형성되는 곳 에는 낮은 파고분포가 형성되는 것을 확인할 수 있다.

4.3.2 개구율(W/Lr)에 따른 영향

Fig. 8은 잠제의 개구율(W/Lr)에 따른 잠제 주변의 상층흐

름을 나타낸 것이며, (a), (b), (c), (d)는 각각 CASE7(W/

Lr=0.25), CASE4(W/Lr=0.50), CASE8(W/Lr=0.75), CASE9 (W/Lr=1.00)의 경우를 나타내고 있다. Fig. 8로부터 개구율 (W/Lr)이 커질수록 개구부로부터 유입되는 파랑에너지가 증 가하기 때문에 잠제 배후로 유입되는 흐름이 잠제로 인한 굴절 및 회절의 영향을 더 크게 받으므로 잠제 배후에서 강 한 흐름이 형성되고, 개구부측에서는 잠제와 파의 상호간섭 이 줄어들기 때문에 정선으로 그대로 유입되는 흐름이 증가 하게 된다.

그 결과, 이안거리(Y/Li)에 따른 영향에서 논의한 연안류 및 이안류가 발생하며, 개구율(W/Lr)이 커질수록 개구부로 유입되는 흐름이 강해짐으로 연안류가 만나는 지점이 개구 부 중심에서 잠제측으로 이동함과 더불어 이안류가 연안으 로 유입되는 향안류에 의해 약해지는 것을 확인할 수 있다.

또한, 이 흐름들이 서로 만나는 지점에서는 복잡한 흐름이 형성되고, 낮은 파고분포를 나타낸다(Fig. 6 참조).

4.4 연안의처오름 높이(run-up height)분포

연안에서의 처오름 높이는 정상상태에서 정선에서의 평균 수위( )와 최대수위( )의 합으로 나타내었다. 여기서 평 균수위(wave setup)는 식 (18)을 이용하여 계산하였으며, ti

는 정상상태 이후의 데이터 취득시점을 Ti는 입사파의 주기 를 나타낸다.

(18)

4.4.1 이안거리(Y/Li)에 따른 영향

Fig. 9는 개구율(W/Lr=0.50)을 고정한 경우, 잠제의 이안 거리(Y/Li)에 따른 연안의 처오름 높이 분포를 나타내고 있

η ηmax

η ¹ 3T_i

--- η^dt

t_i t_i+3T_i

∫

= Fig. 7 Mean flow of upper layer over the crest of submerged

breakwater due to variation of detached distance. (a) CASE1(without breakwater); (b) CASE2(Y/L_i=1.00); (c) CASE3(Y/L_i=1.25); (d) CASE4(Y/L_i=1.50); (e) CASE5 (Y/L_i=1.75); (f) CASE6(Y/L_i=2.00)

Fig. 8 Mean flow of upper layer over the crest of submerged breakwater due to variation of opening ratio. (a) CASE7(W/L_r=0.25); (b) CASE4(W/L_r=0.50); (c) CASE8 (W/L_r=0.75); (d) CASE9(W/L_r=1.00)

으며, 대표적으로 y방향으로 개구부 중심에서 잠제 중심까지

(e-e'; Fig. 4 참조) 해당되는 연안에서의 처오름 높이를 나

타내었다. 전반적인 처오름 높이 분포는 개구부측 연안보다 잠제 배후 연안에서 높은 처오름 높이를 나타내며, 특히 잠 제 중심 연안에서 가장 높은 처오름 높이를 나타낸다.

Fig. 9로부터 이안거리(Y/Li)가 커질수록 연안에서의 처오

름 높이가 감소하는 경향을 확인할 수 있으며, 이는 전술한 잠제 주변의 파고분포 및 상층흐름분포에서 확인한 바와 같 이 잠제에 의한 굴절 및 회절의 영향으로 잠제 배후에서 발 생하는 파의 중첩현상에 기인한 것으로 판단되며 다음과 같 이 설명할 수 있다. 잠제로 인해 굴절 및 회절된 파가 잠제 중앙 배후에서 중첩된 후, 이안거리(Y/Li)가 커질수록 해빈의 천수효과로 흐름이 더욱 강해지면서 정선을 향하지만 상대 적으로 흐름이 약해진 개구부 배후의 정선측으로 향하는 연 안류가 발생함에 따라 파고가 펼쳐지는 현상이 발생하게 된 다. 이 때 연안을 따른 흐름이 해빈에 의한 유체저항을 받 아 에너지가 감소하게 되며 그 결과 처오름 높이가 감소하 게 되는 것으로 판단된다. 그러나 CASE6(Y/Li=2.00)에서는 잠제 중앙 배후 연안에서 처오름 높이가 다시 상승하는 경 향을 나타내고 있는데, 이는 Fig. 5(d)의 파고분포에서도 설 명한 것과 같이 잠제 중앙 배후에서 해빈경사가 시작되는 저면보다 offshore측에서 파의 중첩이 발생하므로 중첩된 파

가 해빈에 의한 천수영향을 그대로 받아 파고 증대가 크게 발생했기 때문으로 판단된다.

4.4.2 개구율(W/Lr)에 따른 영향

Fig. 10은 잠제의 이안거리(Y/Li=1.50)를 고정한 경우, 개 구율(W/Lr)의 변화에 따른 처오름 높이 분포를 나타내고 있 으며, Fig. 9와 동일하게 y방향으로 잠제의 중심에서 개구부 의 중심까지(e-e'; Fig. 4 참조) 해당되는 연안에서의 결과를 나타내고 있다. Fig. 10으로부터 알 수 있듯이 개구율(W/Lr) 이 커질수록 개구부를 통해 잠제 배후로 유입되는 파랑에너 지가 증가하기 때문에 전체적으로 높은 처오름 높이를 나타 낸다. 특히 개구율(W/Lr)이 0.50보다 커질 경우 개구부측 연 안에서 처오름 높이가 급격히 상승함을 알 수 있으며, 이와 같은 현상은 상층흐름분포에서 확인한 바와 같이 개구율(W/

Lr)이 커질수록 개구부 중심 부근을 통과하는 파랑은 잠제의 영향을 적게 받기 때문이다. 한편, 개구부측 연안에서 CASE4(W/Lr=0.50)보다 CASE8(W/L^r=0.25)의 경우가 더 높은 처오름 높이를 나타내고 있는데, 이는 CASE8(W/

Lr=0.25)의 경우는 잠제의 개구부측 사면이 서로 맞닿아 있 어 개구부 중간에서도 수심이 줄어들기 때문에 잠제로 인한 굴절 및 회절현상의 영향을 적게 받음과 동시에 수심 감소 로 인한 파고증가의 영향을 함께 받기 때문으로 판단된다.

Fig. 9 Longshore distributions of run-up height (η⁺ηmax) due to variation of detached distance

Fig. 10 Longshore distributions of run-up height (η⁺ηmax) due to variation of opening ratio

전체적으로 살펴보면, 잠제의 설치로 인하여 연안에서의 처 오름 높이가 설치 전보다 전반적으로 하강하는 것을 확인할 수 있다.

이상과 같은 결과에 근거하여 잠제를 설치할 경우 전반적 으로 연안에서의 처오름 높이가 감소하며, 이안거리 Y/

Li=1.75, 개구율 W/Lr=0.50일 경우, 처오름 높이의 감소효과 가 가장 커진다.

5. 결론및 고찰

본 연구에서는 잠제의 설치 유무 및 평면배치형상(이안거 리(Y/Li), 개구율(W/Lr))에 따라 해빈상을 전파하는 풍파의 처오름 높이 변화특성을 논의하기 위하여, 먼저 파ㆍ투과성 구조물ㆍ해빈의 상호간섭을 직접해석할 수 있는 3차원 수치 해석기법(LES-WASS-3D; 허와 이, 2007)을 이용하여, 본 수치모델의 타당성을 검증하고, 수치시뮬레이션을 통하여 잠 제의 평면배치형상에 따른 잠제 주변의 파고분포와 상층흐 름분포를 검토한 후, 이와 관련하여 연안에서의 처오름 높이 변화의 특성을 파악하였으며, 이로부터 얻어진 중요한 사항 을 기술하면 아래와 같다.

1. 잠제를 설치할 경우 천수효과로 인한 쇄파 및 투과성으로 인한 유체저항으로 인하여 파랑에너지가 감소하며, 이로 인해 onshore측의 파고 및 연안에서의 처오름 높이가 감 소한다.

2. 잠제의 이안거리(Y/Li)에 따른 잠제 주변의 파고분포는, 개 구부측을 향하여 진행하는 입사파가 잠제 양단부의 경사로 인한 수심변화로 발생하는 굴절현상과 잠제 배후로 돌아들 어가는 회절현상의 영향을 받음으로서 발생하는 잠제 배후 에서의 파의 중첩현상의 진행정도에 따라 상이하게 나타났 으며, 이안거리(Y/Li)가 커질수록 잠제 배후에서는 파고가 상승하고 개구부 배후에서는 파고가 하강한다.

3. 개구율(W/Lr)에 따른 잠제 주변의 파고분포는 개구율(W/

Lr)이 커질수록 onshore측으로 유입되는 파랑에너지가 증가 하기 때문에 잠제 배후에서 전반적으로 파고가 상승한다.

4. 잠제 천단으로부터 연직 평균한 상층흐름분포에서는 이안 거리(Y/Li)가 커질수록 잠제 배후에서의 파의 중첩현상은 정선에서 먼 지점에서 발생하고, 잠제 중앙 배후의 정선으 로부터 개구부 배후의 정선을 향하는 연안류가 강해져서

offshore측으로 향하는 이안류가 형성된다.

5. 개구율(W/Lr)에 따른 상층흐름분포는 개구율(W/Lr)이 커 질수록 잠제로 인한 굴절 및 회절의 영향이 크게 나타나 고, 파와 잠제의 상호간섭이 줄어들기 때문에 개구부 배후 에서 정선으로 그대로 유입되는 흐름이 증가한다.

6. 연안에서의 처오름 높이의 특성은 굴절 및 회절의 영향으 로 잠제 배후에서 발생하는 파의 중첩현상으로 인하여 전 반적으로 개구부 배후 연안보다 잠제 배후 연안에서 높은 처오름 높이가 나타나고, 특히 잠제 중앙부 연안에서 가장 높은 처오름 높이가 나타난다.

●이안거리(Y/Li)가 커질수록 처오름 높이가 하강한다. 그 러나 CASE6(Y/Li=2.00)에서는 파가 해빈의 전면에서 중첩되기 때문에 해빈에 의한 천수효과를 강하게 받아 잠제 중앙 배후 연안에서 처오름 높이가 다시 상승한다.

●개구율(W/Lr)이 커질수록 onshore측으로 유입되는 파랑 에너지가 증가하기 때문에 전반적으로 높은 처오름 높이 를 나타낸다.

이상과 같은 결과에 근거하여, 해빈경사 1:10 정도의 연안 에서 잠제 건설에 따른 연안에서의 처오름 높이의 저감효과 를 기대하기 위해서는 잠제의 이안거리(Y/Li)는 1.50~1.75의 범위 내에서 결정하는 것이 타당할 것으로 판단되고, 개구율 (W/Lr)은 0.50정도가 적당할 것으로 판단된다. 이러한 경향 은 해저경사 및 해빈경사에 따라서 다르게 나타날 수도 있 을 것으로 사료되며 향후 이에 대한 더욱 많은 자료의 확보 및 다양한 검토를 병행해 나갈 계획이다.

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