혼성방파제 및 저천단구조물 주변에서 파동장의 변동특성에 관한 수치시뮬레이션

Abstract

해안⋅항만구조물을 대표하는 혼성방파제의 설계에서는 사석마운드 및 해저지반의 내부에서 파랑 하중에 의한 과잉간극수압의 영향과 그에 따른 구조물의 침하⋅파괴가 지적되어 왔고, 이를 수치시뮬레 이션기법으로 규명하려는 시도가 있어왔다. 본 연구에서는 이러한 수치시뮬레이션에 VOF(Volume Of Fluid)법에 의한 쇄파현상과 LES(Large Eddy Simulation)법에 의한 난류모델을 고려한 고정도의 혼상류해석법인 olaFlow모델을 적용하였다. olaFlow모델은 VARANS(Volume-Averaged Reynolds-Averaged Navier-Stokes) solver에 기초한 유한체적법 으로 이산화되며, 규칙파-해저지반 및 규칙파-혼성방파제-해저지반의 상호작용해석에 관한 기존의 수 치해석결과 및 실험치와의 비교⋅검토로부터 혼성방파제 주변 파동장의 해석에 olaFlow모델의 적용성 을 입증하였다. 이로부터 2차원규칙파동장과 2차원불규칙파동장의 수치파동수로에 놓인 혼성방파제를 대상으로 케이슨과 사석마운드에서뿐만 아니라 해저지반의 내부에서 최대수평파압과 최대양압의 공간분포, 과 잉간극수압의 변동(공간분포, 시간변동 및 주파수스펙트럼의 분석), 평균유속(해빈류), 평균와도의 공간 분포에 관한 특성 및 와도 크기의 평균분포와 평균난류운동에너지와의 관계 등을 검토함과 동시에 혼성방파제의 안정성에 관해서도 논의하였다. 여기서, 케이슨 전면 사석마운드의 수평부 상에서는 최대 무차원과잉간극수압, 평균난류운동에너지 및 평균와도가 커지고, 케이슨 전면의 정수면 근방에서는 항내측으로, 해저면 근방에서는 항외측으로 향하는 순환류가 형성되는 등의 중요한 결과를 얻을 수 있었다. 한편, 연안침식방지공으로 연안의 자연경관을 유지하는 친환경적인 효과와 더불어 공학적으로는 양빈된 저질의 침식을 방지하거나 침식성 해빈에서 저질이동을 방지하여 해빈의 현상유지ㆍ회복을 도모할 수 있는 것으로 알려진 잠제공은 우리나라 남ㆍ동해안을 비롯한 다수의 해역에 침식방지대책으로 계획ㆍ설치되어왔다. 하지만, 잠제의 배치가 현장의 입사파랑조건과 부합되지 않고, 더불어 평상파랑 과 이상파랑의 두 파랑조건에 동시에 부합되는 설계가 이루어지지 않은 관계로 의도한 침식방지의 역할이 충실히 수행되는 현장은 많지 않은 것으로 알려져 있다. 또한, 광폭이라는 비경제적인 관점이 또한 많이 지적되어왔다. 따라서, 대안으로 유럽 등에서는 잠제와 이안제의 중간적인 역할을 수행하는 전술한 잠제의 기능에서 단점을 보완할 수 있는 저천단구조물(LCS; Low-Crested Structure)에 관심을 집중하여왔다. 본 연구에서는 혼성방파제의 경우에서와 동일한 수치시뮬레이션기법인 olaFlow모델을 적용하여 2차원 및 3차원저천단구조물에서 규칙파 및 불규칙파의 수치파동수로에 놓인 LCS에 의한 주변 파동장 의 변동특성을 평가하였다. 먼저, 투과성구조물에 의한 기존의 실험결과와 수치해석결과와의 비교⋅검 토로부터 투과성구조물인 LCS로의 적용성⋅타당성을, 그리고 입사주파수스펙트럼과 목표주파수스펙 트럼과의 비교⋅검토로부터 불규칙파의 조파검증을 간접적으로 확인하였다. 이에 근거하여 전달율과 파고, 평균유속(해빈류) 및 평균난류운동에너지의 공간분포 등의 변동특성 을 면밀히 검토⋅분석하였으며, 평균유속(해빈류)의 패턴과 평균난류운동에너지의 공간분포에 관해서 는 동일한 3차원불규칙파동장의 조건 하에 잠제의 경우와 비교⋅검토를 수행하였다. 이로부터 LCS의 경우는 해안선 근방에서 개구부를 향해 열린 중앙지점으로 수렴하는 연안류가 발생하였고, 이는 개구폭이 넓을수록 강하게 나타났다. 개구부에서는 항안류가, 개구부와 좌⋅우 구조물 의 배후에서는 불완전 순환류가 발생하였으며, 이러한 경향은 개구폭이 좁을수록 강해지는 경향을 나타내었다. 반면, 잠제의 경우는 해안선 근방에서는 개구부를 향해 열린 중앙지점에서 좌⋅우측으로 발산하는 연안류가 발생하였고, 개구부와 개구부 근방의 잠제 천단 상에 걸쳐 순환류가 형성되는 등, LCS와 잠제의 주변 파동장에서 중요한 차이를 확인할 수 있었다.