케이슨방파제의 제두부 주변 및 상치구조물에 작용하는 파랑외력에 관한 연구

Abstract

우리나라에서 최근 건설되고 있는 항만구조물 중에서 외곽시설은 설치수심의 증가와 사석 재료수급의 어려움 등으로 인해 경제적으로 유리한 직립식 케이슨을 이용한 단면형식 이 대부분 채용되고 있다. 케이슨 방파제의 내파성능 확보를 위해 이론해석과 수리모형실험 및 수치시뮬레이션 통한 다양한 공학적 툴을 사용하여 케이슨에 작용하는 파랑외력을 산정하고 있음에도 불구하고 여전히 케이슨 방파제의 피해가 보고되고 있다. 또한, 최근 들어 건설되는 케이슨 방파제의 경우 구조물의 마루에 상치구조물 설치를 통해 월파의 발생을 방지하거나 친수공간을 확보하려는 시도가 증가하고 있다. 이와 같은 배경에 기초하여 본 연구에서는 케이슨 방파제를 대상으로 케이슨 제체에 작용하는 공간적인 파압특성과 케이슨 마루에 설치되는 상치구조물에 작용하는 파압을 수치적으로 고찰하였다. 수치해석에는 오픈소스 유체역학 프로임워크인 olaFlow 모델과 REEF3D 모델을 기반으로 구성된 수치파동수조에서 수행되었다. olaFlow 모델을 기반으로 구성된 3차원 수치파동수조를 적용하여 규칙 및 불규칙파동장에서 케이슨 방파제 제두부 주변에서 발생하는 회절파랑을 포함한 3차원 파랑변형을 수치적으로 모의하고, 케이슨 방파제의 공간 위치에 따른 작용파압의 변동특성을 파랑변형결과와 대응시켜 고찰하였다. 또한, 3차원 수치해석으로부터 산정된 케이슨에 작용하는 파압특성을 단면 2차원 수치해석결과 및 기존의 직립식 방파제의 파압산정식에 의한 결과와도 비교·검토하였다. 수치해석결과로부터 케이슨 방파제의 제두부를 포함한 주변 파동장은 입사파랑의 조건에 따라 서로 상이한 파동장이 형성되며 이러한 구조물 주변의 파랑변형은 케이슨의 작용파압과 밀접한 관계가 있음을 확인하였다. 특히, 케이슨의 공간 위치별로 파랑집중에 따른 파고의 증폭에 의해 기존의 파압산정을 위한 경험식을 크게 상회하는 충격파압이 작용함을 확인하였다. 이러한 결과로부터 고정도의 3차원 수치해석은 케이슨의 활동 및 사행피해에 대한 원인 규명에 중요한 공학적 해석도구로 이용될 수 있음을 확인하였다. 케이슨 방파제의 공간위치에 따른 파압의 변동특성과 더불어 케이슨의 상치구조물에 작용하는 파압의 특성을 수리모형실험 및 수치실험으로부터 검토하였다. 일반적으로 설계단계에서 상치구조물에 작용하는 파압 산정은 설계파의 처오름을 고려하여 구조물의 전면에 작용하는 Goda 파압식을 적용하고 있다. 하지만, 내습파랑이 구조물의 마루를 월파하는 경우 상치구조물의 설치위치에 따라 Goda 파압을 상회하는 파압이 작용할 수 있다. 본 연구에서는 직립 케이슨을 대상으로 수리모형실험 및 수치모의를 통해 상치구조물에 작용하는 파압산정에 대한 Goda 파압식의 적용성을 분석함과 동시에 상세한 수치모델결과를 기반으로 상치구조물에 작용하는 파압의 크기를 고찰하였다. 그 결과, 상치구조물에 작용하는 파압은 정수면에 작용하는 최대파압에 비해 최대 120%까지 발생함을 확인하였다. 또한, 이러한 상치구조물의 작용파압은 구조물 마루에서 월파수심에 따른 Froude number에 지수함수적으로 증가함을 확인하였으며 Froude number에 기반한 파압의 예측을 위한 경험식을제안하였다.