잠제 및 저천단구조물의 주변에서 파동장의 변동특성에 관한 수치해석

Abstract

본 연구는 2차원 혹은 3차원해역에서 규칙파 혹은 불규칙파와 흐름(조류)의 공존장에 표사제어구조물(littoral drift control structure) 혹은 해역제어구조물(offshore structure for control of wave and current)중에 대표적인 잠제(submerged breakwater)나 저천단구조물(이후 LCS로 칭함 ; Low-Crested Structure)의 설치에 따른 파고와 해빈류의 변동특성을 2차원 혹은 3차원수치해석으로 규명하고자한 것이다. 여기서, 천단고가 정수면보다 낮아 수중에 설치되는 잠제는 연안의 자연경관을 유지하는 친환경적인 효과와 더불어 공학적으로는 잠제 배후에 양빈된 저질의 침식을 방지하거나 혹은 침식성 해빈에서 저질이동을 방지하여 해빈의 현상유지ㆍ회복을 도모할 수 있어 자연발생적인 형태와 유사한 해빈을 조성할 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나, 우리나라 남ㆍ동해안을 비롯한 다수의 해역에 침식방지대책으로 잠제를 계획ㆍ설치하여 왔지만, 광폭에 따른 비경제성이 또한 많이 지적되고 있고, 의도한 침식방지 역할이 충실히 수행되는 현장은 그다지 많지 않은 것으로도 알려져 있다. 이러한 이유로는 잠제의 천단폭, 개구폭, 길이 및 해안선에서 이격거리 등이 현장조건에 부합되지 않게 설치된 것, 그리고 평상파랑과 이상파랑의 두 파랑조건에 동시에는 부합되지 않게 설치된 것 등을 들 수 있을 것이다. 따라서, 일본 및 유럽에서는 전술한 잠제의 기능에서 단점을 보완할 수 있는 해안구조물로 LCS에 오래 전부터 관심을 집중하여왔다. 여기서, LCS는 일반적으로 해빈을 보호하기 위해 해안에 평행한 낮은 천단의 구조물로, 전술한 잠제와 이안제(detached breakwater)의 중간적인 역할을 수행하는 것으로 알려져 있으며, LCS의 형상은 잠제나 이안제와 유사하지만, 천단고가 이안제보다 상대적으로 낮은 저천단이므로 고파랑의 경우는 월파가 허용되는 구조이고, 따라서 종래의 이안제보다 작용수평파력이 적어진다. 그리고, 광폭에 의한 마찰저항을 향상시키고 천단수심을 적게 하여 천단상에서 강제쇄파를 유도하는 잠제의 파랑제어기구와는 달리, LCS는 잠제에 비해 천단폭이 좁고, 천단이 공기중으로 돌출되어 천단고가 높기 때문에 반사와 월파 및 마찰저항에 의한 파랑제어기능이 우수하므로 잠제보다는 훨씬 경제적이다. LCS와 잠제 모두 해빈에 작용되는 파에너지를 소멸시키지 않고 어느 정도로 줄이지만, LCS의 경우가 더 많은 전달파에너지를 감소시킨다. 이상과 같은 LCS의 장점에 주목하여 유럽에서는 많은 이론 및 실험연구를 수행하여왔고, 결과의 현장적용으로 설계기술이 많이 향상되었으며, 또한 집대성되었다. 일반적으로, 해역에서 파고 혹은 해빈류(nearshore current)를 산정하는 경우는 수심방향으로 적분된 형태의 평면 2차원해석수법(완경사방정식류 및 Boussinesq방정식류)을 적용하는 경우가 거의 대부분이다. 그러나, 이의 경우, 파고와 같은 수위변동은 어느 정도 정확성을 가진 결과가 도출되지만, 해빈류는 수심방향으로 평균류가 얻어지기 때문에 수심의 영향을 크게 받는 천해역과 해빈류에 기반하는 해빈변형해석(소류사와 부유사)에 정도상 문제가 발생할 수 있고, 특히 잠제와 같은 수중투과성구조물의 경우 파동장은 구조물이 존재하는 영역과 구조물이 존재하지 않는 영역으로 나누어지기 때문에 수심방향의 연직적분은 많은 오차를 발생시킬 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 전술한 평면 2차원해석법이 가지는 결점을 해결하고, 더불어 고정도의 결과를 도출하기 위하여 3차원수치해석을 수행하며, 이에 최근 세계적으로 각광을 받고 있는 olaFlow 모델을 적용하였다. 이 모델은 원래 OpenFOAMⓇ(Open source Field Operation And Manipulation) 모델을 근간으로 개발되었으며, 액체와 기체의 혼상류해석, 난류해석 및 쇄파해석이 가능한 유한체적법의 강비선형해석법으로, 3차원 VARANS(Volume-Averaged Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식에 기초한다. 최근, 다양한 모듈을 이용하여 파와 구조물의 상호작용, 투과성구조물에서 혼상류의 거동, 파와 구조물 및 지반의 상호작용, 고립파의 발생, 선체운동과 항주파 및 추진 등에 관한 연구들이 수행되고 있다. 그러나, 소스코드 개발을 주도한 유럽을 중심으로 활발히 사용ㆍ개발되고 있지만, 국내 특히 해안공학분야에서의 적용사례는 매우 미진한 실정에 있다. 따라서, 본 연구의 잠제 혹은 LCS가 설치된 3차원해역에서 구조물에 의한 파고 및 해빈류 등의 변동특성을 규명하기 위하여 전술한 olaFlow 모델을 적용함에 있어서 먼저 그의 정당성을 확인한다. 이를 위하여 1) 다공질매질을 통과하는 단파의 수위변동, 2) 투과성잠제 주변에서 파랑변동과 잠제내 및 지반내에서 과잉간극수압변동, 3) 파랑과 흐름의 공존장내 평균유속의 변화, 4) 3차원투과성직립벽 주변에서 수위 및 파압변동, 5) 3차원불투과성잠제 주변에서 수위와 유속변동 및 6) 불규칙파의 조파파형과 주파수스펙트럼 등에 관해 얻어진 기존의 실험결과와 본 수치해석을 비교ㆍ검토하였다. 이상과 같은 olaFlow 모델에 의한 결과의 고정도 및 타당성에 근거하여 1) 투과성잠제 주변에서 규칙파와 흐름의 공존장내 2차원파동장의 수치해석, 2) 투과성잠제 주변에서 불규칙파와 흐름의 공존장내 2차원파동장의 수치해석, 3) 투과성잠제 주변에서 규칙파 입사조건하 3차원파동장의 수치해석, 4) 투과성잠제 주변에서 불규칙파 입사조건하 3차원파동장의 수치해석, 5) 투과성잠제 주변에서 규칙파 혹은 불규칙파와 흐름의 공존장내 3차원파동장의 수치해석 및 6) 저천단구조물 주변에서 규칙파 입사조건하 3차원파동장의 수치해석을 각각 실시하였다. 이로부터 입사파랑과 흐름조건 및 구조물의 배치조건에 따른 수위변동, 파고변화, 주파수스펙트럼의 변동, 평균유속(해빈류)과 평균난류운동에너지의 변동특성 등을 면밀히 논의하였다. 특히, LCS 주변에서 파고와 유속변화 및 난류운동에너지 등을 도출하고, 구조물의 개구폭, 천단수심과 같은 배치형상의 변화 및 입사파고와 주기와 같은 입사파랑조건의 변화에 따른 결과를 잠제의 경우와 비교ㆍ검토하여 LCS와 잠제의 각각에 대한 특성의 차이 등을 면밀히 분석ㆍ논의하였다. 마지막으로, 이상의 각 장에서 도출된 중요한 결과를 말미에 결언으로 제시하였고, 각 결언을 종합하여 본 논문의 결론을 최종적으로 기술하였다.