2.1 조파수조

본 연구에서는 Fig. 1과 같은 길이 37m, 폭 0.6m, 높이 1m의 단면 2차원 조파수조에서 수리모형실험을 진행하였다. 입사파는 피스톤타입의 조파기를 사용하며 생성시켰으며 구조물 배후에는 2m 길이의 반사파랑 제어목적을 가진 투과성 소파제가 설치되어 있다. 본 실험에서 설정된 입사 파고와 주기 등의 조건을 재현하기 위하여 전면에 1:30 경사와 0.2m 높이의 불투과성 스테인리스 스텝을 이용하여 구조물 설치 영역을 구성하였다. 실험영역에 설치된 구조물들은 1:50 축척을 적용하였으며 무공 케이슨은 아크릴로 제작되었으며 마운드 전면에 1:4/3 구배를 가진 콘크리트 트라이포드 블록을 전면 마운드로 배치하였다.

Fig. 1.

Schematicdiagramof 2-Dwave flume

2.2 단면조건

단면 조건은 Fig. 2와 같으며 소파블록으로서 이용된 TTP는 64t급 평균중량 471g/ea, 공극률 0.5, Tripod는 22t급 평균 중량 171g/ea, 공극률 0.5, 근고블록은 20t급 평균중량 157g/ea으로 구성하였다. Armor Stone의 외부 피복석은 제련된 매끈한 사석을 사용하였으며 Rubble Mound는 가장 작은 사석을 이용하여 구조물을 배치하였다.

Fig. 2.

Selectedexperimental imagesandcross-sectionconditions

또한 아크릴 케이슨 직립벽에 설치된 파압계에 파랑에너지 외에 작용하는 부가적인 영향을 최소화하기 위해 외부 유리벽면과 케이슨은 실리콘 처리하여 고정하였으며, 케이슨 내부에 사석과 담수를 채워 부력 등에 의한 케이슨의 진동과 이동을 최대한 제어하였다. 소파블록의 단면을 3종류(Type-A, Type-B, Type-C)로 구성하였으며, 전면에 소파제들로 완전 피복된 Type-A는 2층 거치의 TTP로 1:4/3 경사를 유지하며 천단 마루에 2배열과 우각부 2배열로 배치되었다. Type-B는 천단과 우각부 2층 TTP가 하부로 이동한 단면으로 배치하였고 Type-C는 천단과 우각부의 1, 2층 TTP가 전면 하부쪽으로 이동하여 쌓인 형태로 모의하였다(Fig. 2 참조).

2.3 파랑조건

본 실험에서의 입사파랑 제원은 Table 1과 같으며 파랑조건은 해당 수심 조건의 불확실성 요소를 줄이기 위해 규칙파 실험을 수행하였다. 또한 입사파랑이 케이슨 직립벽에 도달한 후, 중복파동장을 유지하는 60초간 조파를 진행하였다. 입사파랑 조건에 따른 파장, 파고 및 파랑의 처오름(n^*)의 분석에는 파랑이 도달하는 직립벽 전면에 WG5(Capacitance-Type Wave Gauge)을 밀착하여 50Hz 간격으로 측정한 값을 이용하였다.

Table 1.

Incident wave conditions used for laboratory experiment

2.4 파압계측

파압계측에 사용된 장비는 KYOWA(PS-05KCM3Z5P)로 최대 50kPa까지 계측 가능하며 최대 1000Hz로 측정이 가능하다. 파압계의 부착은 케이슨 직립벽 전면 중앙에 정수면을 기준으로 하여 ±0.05m의 간격으로 연직 배치하였으며 총 8개의 파압계를 사용하였다. 직립벽에 파랑이 내습하여 파압계에 작용한 에너지를 전기적 데이터로 측정하며 디지털 데이터 취득을 위한 측정 간격은 500Hz로 설정하여 계측하였다.

3.1 처오름

케이슨 직립벽 전면의 처오름(n^*) 특성은 구성된 소파블록 단면인 3조건 Type-A, B, C의 각 단면별 10조건에 대하여 분석하였으며, Lee and Bae.(2015)의 처오름(n^*) 수리모형실험을 참고하였다. 입사파랑 조건인 Case 1, 2, 6, 7은 비월파(Non-wave overtopping) 조건이며 Case 3, 4, 5, 8, 9, 10은 월파(Wave overtopping) 조건이다. 또한 Table 2는 계측된 처오름 (n^*)의 높이를 나타내고 있으며, Type-A를 기준으로 하여 Type-B, C를 정량적인 수치로 비교하였다. Fig. 3은 Ursell number(H_iL²/h³)와 처오름(n^*) 높이의 관계를 나타내고 있으며, 는 Type-A, 는 Type-B, 는 Type-C에 대한 실험결과를 의미한다. Fig. 3으로부터 Ursell number가 커짐에 따라 처오름(n^*) 높이가 증가하는 경향을 보이고 있는 것을 알 수 있다. 이러한 경향은 소파블록의 이탈이 많은 Type-C, Type-B 및 Type-A의 순으로 명확하게 나타나고 있으며, 소파블록의 이탈이 많은 Type-C의 경우가 가장 파랑에너지의 저감효율이 떨어진다는 것을 나타낸다고 볼 수 있다. 또한 정량적으로 나타내면, 비월파 조건에서는 낮은 Ursell number의 영향으로 케이슨 전면에서의 처오름은 크게 발생하지 않지만 Type-A를 기준으로 Type-B는 약 106~114%, 평균 110% 상승하며 Type-C는 약 119~134%, 평균 122% 상승하였다. 하지만 월파조건에서는 높은 Ursell number의 영향으로 Type-A를 기준으로 Type-B는 최대 174%, 평균 145% 상승하며 Type-C는 최대 115%, 평균 180% 상승하였다(Table 2 참조).

Table 2.

Analysis of the compared wave run-up (n^*) heights for three cross-sections.

Fig. 3.

Analysis of wave run-up comparison graph and experiment video snapshot

이상의 결과에 근거하면, 처오름(n^*) 높이는 TTP의 배치와 체적에 의한 영향을 많이 받으며 소파블록의 이탈이 없는 Type-A의 경우는 파랑에너지 저감 및 처오름 (n^*)의 감소에 효율적인 반면, 이탈에 의하여 소파블록의 단면변화가 발생한 “Type-B와 Type-C는 직립벽의 노출로 인하여 입사파의 제어 능력이 다소 감소된 결과 처오름(n^*)이 크게 발생된 것으로 판단된다.” 위 분석을 토대로 Goda의 파압식에서 처오름(n^*) 높이의 상승은 본체에 작용하는 수평파압 상승으로 직결하는 요인으로서, 후술하는 것처럼 본 실험에서 계측된 파압 또한 유사한 경향을 가지며 상승한다.

3.2 파압

케이슨 직립벽 전면 중앙에 정수면을 기준으로 하여 ±0.05m의 간격으로 연직 배치한 총 8개의 PG(Wave Pressure Gauge)에서 계측한 수평파압을 이용하여 3종류의 소파블록 단면 Type-A, B, C에 대하여 정량적인 수치로 비교·분석을 수행하였다. Fig. 4는 무차원연직파압(p/ρgH_i)의 분포를 나타내고 있으며, (a)와 (b)는 각각 비월파조건(Case 1)과 월파조건(Case 8)에 대응하고 있다. 여기서, p는 실험의 계측파압, ρ는 유체밀도, g는 중력가속도, H_i는 입사파고이다. 또한 종축의 z는 파압계 설치 높이이며 입사파고 H_i로 무차원하였다. Fig. 4로부터 (b)의 Type-A는 (a)의 비월파 조건에 비해 상부측 파압이 높게 계측이 되었으며, 그 이유는 Lee et al, (2019)의 수리모형실험 분석과 유사하며 “완전 피복되어 있는 TTP를 통과한 파랑이 쇄파되며 복합적인 파랑에너지가 직립벽에 도달하여 그로 인해 한 지점에 위치한 파압계에 쇄파된 파랑 에너지가 전달된 것으로 판단하고 있다." Fig. 5는 Ursell number(H_iL²/h³)의 변화에 따른 파압의 변화를 보이고 있으며, 종축은 P^* = P/ρgH_i를 나타낸다. P^*는 8개의 파압계에 계측된 동일 시점의 계측된 파압 P를 ρgH_i로 무차원한 값의 합이며, 는 Type-A, 는 Type-B, 는 Type-C에 대한 실험결과를 의미하고 있다. 또한 그래프의 경향선은 실험값을 피팅한 선으로서 소파블록의 이탈이 많이 발생한 Type-C에서부터 Type-B, Type-A의 순으로 직립벽에 작용하는 파압이 큰 것을 확인할 수 있다. 이는 소파블록 상부측의 테트라포드가 하부쪽으로 이동함에 따라 노출된 직립벽 상부의 파압계에 충격파압이 작용하여 P^*의 상승을 초래한 것으로, 처오름(n^*) 높이의 분석에서 논의된 것과 같이 소파블록의 이탈로 파랑의 제어능력이 감소된 결과를 나타내는 것으로 판단된다.

Fig. 4.

Dimensionless wave pressure

Fig. 5.

Wave pressure analysis graph measured in the experiment

Table 3은 500Hz로 계측된 P^*의 정략적인 수치를 나타내고 있으며, 동일 파랑조건에서 Type-A를 기준으로 Type-B는 약 108 ~ 144%, 평균 120%의 상승률을 보였으며, Type-C는 약 107 ~ 161%, 평균 129%의 높은 상승률을 보였다. 그리고 Type-B 및 Type-C의 경우, 소파블록 상부측 TTP가 이탈되어 외해측 하부에 배치되어 하부측의 블록 폭이 넓어졌음에도 불구하고 Type-A에 비해 정수면 아래의 블록 폭이 넓어진 부분의 직립벽 파압계에 작용하는 파압이 전반적으로 상승하는 결과를 보였다. 이에 대해서는 현재 보유하고 실험자료 및 결과로는 분석이 힘들며 추후 더욱 많은 수리모형실험 자료의 확보를 통한 검토가 필요할 것으로 사료된다.

Table 3.

Wave pressure sum analysis of 500Hz measured wave pressure

Fig. 6.

Trapezoidal integration concept diagram

3.3 변환 파력

취득한 파압데이터를 이용하여 변환 파력을 산정하여 검토하였다. 구조물의 한 지점에 미치는 파압이 아닌 구조물에 작용하는 파력을 분석하기 위해 Paolo(2013)의 수리모형실험을 참고하였으며 사다리꼴 적분(식1)을 사용하였다. 여기서, x_j : length coordinate, p(x_j) : recorded pressure, A_j : area obtained by numerical integration, n : number of numerical integration points를 의미한다. 그리고 Fig. 7은 Ursell number(H_iL²/h³)의 증가에 따른 변환 파력의 변화를 나타내고 있는 그림으로서, 는 Type-A, 는 Type-B, 는 Type-C에 대한 실험결과를 나타내고 있다. 또한 그림 안의 경향선은 실험값을 피팅한 선으로서, Type-A의 경향선은 다소 완만한 형태를 보이지만 Type-B와 Type-C의 경향은 Ursell number(H_iL²/h³)가 증가함에 따라 변환 파력이 급격하게 상승함을 확인할 수 있다. 이상과 같이, 케이슨 전면 상부에 피복된 소파블록인 TTP의 이탈에 따른 단면 및 체적의 변화로 인해 구조물에 미치는 변환 파력은 TTP의 이탈이 없는 경우에 비해 크게 증가하는 것을 알 수 있다.

Fig. 7.

Analysis graph of conversion wave force

Table 4는 변환 파력의 정략적인 결과를 수치로 보이고 있으며, 이로부터 동일한 입사파 조건에서 Type-A을 기준으로 Type-B는 106 ~ 155%, 평균 124% 상승률을 보이며 Type-C는 107 ~ 171%, 평균 133% 상승률을 보였다.

Table 4.

Conversion wave force analysis of 500Hz measu red wave pressure

이상과 같이 설계 시의 소파블록 Type-A 단면(이탈 없음)와 소파블록이 이탈한 경우의 Type-B, C 단면에 대하여 10조건의 입사파랑을 적용하여, 즉 총 30 Cases의 실험조건을 설정하여 케이슨에 작용하는 파압의 변화에 대한 수리모형실험을 수행한 후, 처오름 높이, 파압의 연직분포 및 변환 파력을 대상으로 비교·분석하였다. 그 결과, 소파제 상부의 블록 이탈이 케이슨 직립벽에 작용하는 파압 및 파력에 미치는 영향이 매우 크다는 것을 정량적으로 확인할 수 있었으며, 이에 대한 대책이 시급할 것으로 판단된다.