호안구조물의 월파량 예측을 위한 EurOtop 매뉴얼의 적용성에 관한 연구

Abstract

Coastal areas are highly valued for commercial and residential space, so economic and social density is overwhelmingly increasing compared to inland regions. In particular, Korea's major industrial production bases are concentrated on the coast and play a vital role in the national economy, such as import and export through ports. The social and economic concentration of these coastal areas will further accelerate, and the management of the coastal regions will further increase. On the other hand, the sea level continues to rise in the recent marine environment, and typhoons' scale and intensity are also increasing due to climate change. For this reason, the risk of disasters in coastal areas is growing. Changes in the marine environment due to climate change increase the intensity of invasion waves along the coast. As a result, damage from wave-overtopping occurring to shoreline structures in coastal areas is repeated and increased yearly. Korea's design standards(KDS 64 10 10) present a calculation chart for estimating the wave-overtopping rate for vertical seawalls and rubble mound seawalls, which are frequently adopted as seawalls. However, most design standards, except for Korean and Japanese, provide a formula for calculating, not an estimation chart. In Europe, the EurOtop manual, a comprehensive guideline for wave-overtopping, was recently proposed based on the results of the CLASH project, an EU research project. The EurOtop manual suggests an empirical equation for estimating the average amount of wave-overtopping for various revetment structures and introduces different wave-overtopping reduction coefficients that can consider the foreshore effect and the structure's shape, concrete-block armored, and the oblique wave incidence. In this study, The applicability of the various empirical formulas for estimating wave-overtopping proposed in the EurOtop manual for both the vertical-type and wave-return wall-type seawalls, representative revetment structures frequently used in Korea. The wave-return type seawalls actively reflect incoming waves from the front of the system to reduce the wave-overtopping. First, a hydraulic model experiment using a two-dimensional wave channel was conducted to examine the degree of wave-overtopping of vertical and wave-return wall-type structures. For the revetment structures applied in the hydraulic model experiments, a total of five cross-sections were used depending on the presence or absence of an armored block of seawalls and the location of the superstructure. The interrelationship between the amount of wave-overtopping and the reflection coefficient of the structure for each cross-section was investigated. From the hydraulic model experiments, the wave-return wall-type seawall showed a maximum of 92.4% wave-overtopping reduction effect compared to the vertical seawall. Next, the applicability of the empirical formula presented in the EurOtop manual was considered for predicting the wave-overtopping rate for each seawall section measured from the hydraulic model experiments. As a result, in the case of the discriminant for vertical and composite seawalls according to the water depth of the mound on the front of the structure presented in the EurOtop manual, the applicability is not suitable for the case where the width of the mound is narrow. Thus, the results of calculating the wave-overtopping rate considering the vertical seawall are well-reproduced to the model experiment results. In addition, the wave-overtopping reduction coefficient of 0.38, considering the roughness of the front of the structure due to the armored block proposed in the EurOtop manual, may be underestimated for the vertical seawall; it was analyzed that it was appropriate to apply the wave-overtopping reduction coefficient of 0.6 instead of 0.38 for T.T.P armored block. It was confirmed that the wave-overtopping rate of the wave-return wall-type seawall could be estimated by applying the effect factor representing the effectiveness in reducing wave-overtopping to the empirical formula applicable to the vertical seawall. Furthermore, in this study, a new wave-overtopping influence coefficient based on the TAW design standard was introduced to calculate the wave-overtopping rate for the case where the front surface of the wave-return wall-type seawall was armored with T.T.P blocks, and it was confirmed that the estimated wave-overtopping rate well reproduced the results of the hydraulic model experiment.|연안지역은 상업과 주거공간으로서의 활용 가치가 높으므로 내륙에 비해 경제·사회적 밀집 정도가 압도적으로 증가하고 있는 추세이다. 특히, 우리나라의 주요 산업생산기지는 연안에 집중되어 있고 항만을 통한 수출입 등의 국가경제에 핵심적인 역할을 담당하고 있기떄문에 연안지역은 경제성과 환경성이 첨예하게 대치되는 영역이다. 이러한 연안지역의 사회적·경제적 집중현상은 더욱 가속화 될 것이며, 연안지역의 관리도 더욱 증대될 것임은 분명하다. 한편, 최근의 해양환경은 기후변화로 인해 해수면이 지속적으로 상승하고 있으며, 내습하는 태풍 규모 및 강도 역시 증가하고 있어 연안지역의 재해위협 요인이 증가하고 있다. 기후변화로 인한 해양환경의 변화는 연안에서 발생하는 내습파랑의 강도를 증가시켜 결과적으로 연안지역에서는 호안구조물 전면에서 내습하는 파랑의 처오름에 의해 구조물의 마루를 넘어서는 수괴가 발생하는 월파피해가 반복적으로 발생하고 있다. 우리나라의 어항 및 항만설계기준에서는 직립식 호안과 사석경사식 호안구조물을 대상으로 월파량을 산정하기위한 산정도표를 제시하고 있으나, 우리나라와 일본을 제외한 대부분의 설계기준에서는 월파량을 정량적으로 산정하기 위한 산정식을 제공하고 있다. 유럽에서도 최근 들어 EU 연구프로젝트인 CLASH 프로젝트 연구결과를 기초로 월파에 관한 종합 지침서인 EurOtop 매뉴얼을 제안하였다. EurOtop 매뉴얼은 다양한 호안구조물에 대한 평균월파량 산정식을 제안하고 있으며, 전빈의 영향, 구조물의 형태, 호안 전면의 블록의 피복여부, 경사입사 등을 고려할 수 있는 다양한 월파량 저감계수를 도입하고 있다. 본 연구에서는 우리나라에서 자주 채용되고 있는 호안구조물인 직립식 호안구조물과 입사하는 파랑을 구조물 전면에서 적극적으로 반사시켜 월파량을 저감을 도모하는 반파형 안벽구조물을 대상으로 EurOtop 매뉴얼에서 제안하고 있는 다양한 월파량 산정식의 적용성을 검토하였다. 먼저, 직립식 호안구조물과 반파형 호안구조물의 월파의 발생정도를 고찰하기 위해 2차원 단면조파수로를 이용한 실내 수리모형실험을 실시하였다. 실내수리모형실험에서 적용된 호안구조물은 직립식 호안과 반파형 호안구조물의 소파블록의 피복유무 및 상치구조물의 위치등에 따라 총 5가지 단면을 적용하였다. 각각의 단면별 발생 월파량을 구조물의 반사계수와 연관하여 고찰하였다. 수리모형실험으로부터 반파형 호안구조물이 직립식 호안구조물에 비해 최대 92.4%의 월파량 저감효과를 보였다. 수리모형실험으로부터 측정된 각 단면별 월파량의 예측을 위해 EurOtop 매뉴얼에서 제시하고 있는 월파량 산정식의 적용성에 대해 고찰하였다. 그 결과, EurOtop 매뉴얼에서 제시하고 있는 구조물 전면의 마운드 수심에 따른 직립제와 혼성제에 대한 판별식의 경우 마운드의 폭이 좁은 경우에 대해서는 적용성이 낮으며, 직립제로 고려한 월파량 산정결과가 수리모형실험결과를 잘 재현하였다. 또한, EurOtop 매뉴얼에서 제시하고 있는 소파블록에 대한 구조물 전면의 조도에 대한 월파량의 저감계수 0.38은 직립식 호안에 대해서는 과소평가 될 수 있으므로, 월파량 저감계수를 0.6을 적용하는 것이 적절한 것으로 분석되었다. 반파형 호안구조물의 월파량은 직립식 호안구조물에 적용 가능한 산정식에 월파량 영향계수를 적용함으로써 산정할 수 있음을 확인하였다. 더불어, 본 연구에서는 호안구조물의 전면에 블록으로 피복된 경우에 대한 월파량 산정을 위해 TAW 설계기준에 기초한 새로운 월파량 영향계수를 도입하였으며, 이를 통해 산정된 월파량은 수리모형실험결과를 잘 재현하고 있음을 확인하였다.