1. 서 론

국내에서 연안침식을 저감시키기 위한 다양한 방법이 적용되고 있으며, 대표적인 구조적 대책으로는 수중구조물(잠제, 인공리프)의 설치를 들 수 있다. 국내 수중구조물 설계사례를 살펴보면 Tetrapod로 제체를 구성한 투과형이 대부분이지만, 일부 사례에서 피복석, 콘크리트블록 및 Tripod를 피복재로 적용하였다. 제체사석 상부에 Tetrapod를 피복한 경사형 수중구조물과는 달리 피복석 및 Tripod 등과 같은 피복재로 피복된 수중구조물은 Tetrapod에 비해 투과율이 낮아 불투과형에 가깝다고 할 수 있다.

수중구조물(submerged structure) 또는 저 마루높이 구조물(low-crested structure)의 파고전달계수에 대한 연구는 유럽과 일본을 중심으로 수행되었으며, 대부분의 연구대상 수중구조물은 투과형 또는 경사형(부분투과형) 구조물이다(^{Allsop, 1983}; ^{Powell and Allsop, 1985}; ^{Takayama et al., 1985}; ^{Uda, 1988}; ^{van der Meer and d’Angremond, 1991}; ^{van der Meer and Daemen, 1994}; ^{d’Angremond et al., 1996}; ^{Kramer et al., 2005}; ^{van der Meer et al., 2005}).

^Uda(1988)는 피복석으로 피복된 수중구조물을 대상으로 규칙파를 적용한 실험을 수행하여 도표로 된 파고전달계수를 제시하였다. ^Uda(1988)의 파고전달계수는 상대여유고( $R_C/H_0\text{'}$), 파형경사( $H_0\text{'}/L$) 및 상대상단폭( $W/L$)의 함수로 제시되어 있다. 여기서, $R_C$는 구조물 상단으로부터 정수면까지의 여유고, $W$는 구조물 상단폭, $H_0\text{'}$은 환산심해파고, $L$은 파장이다. ^Uda(1988)의 연구에 의하면 수중구조물의 상단폭이 파장에 비해 상당히 넓은 경우에는 파고는 수중구조물 상단부에서 쇄파로 인한 감쇠가 끝나고 상단수심에서 안정적으로 전파하는 파고로 감소한 후 더 이상 감쇠되지 않는다. 즉, 수중구조물 상단폭이 어느 정도 이상 넓어지면 파고전달율을 작게하는 효과가 감소하여 상단수심에만 의존하게 된다. 또한 상대여유고( $R_C/H_0\text{'}$)가 크고, 상대상단폭( $W/L$)이 작은 경우에는 입사파고보다 큰 파고가 수중구조물 후면에서 발생하게 되며, 이는 천수변형에 의해 증폭되는 원인이다. 따라서, 수중구조물의 경우에 고파랑(상대여유고가 작은 조건)에 대해서는 파랑 감쇠효과가 있지만 작은 파랑(상대여유고가 큰 조건)에 대해서는 감쇠효과가 거의 없음을 의미한다.

수중구조물에 의한 파고전달계수 산정에 대한 국내 연구는 ^{Lee and Bae(2020)}와 ^{Lee and Kim(2020)}을 들 수 있으며, 이들은 투과형 및 경사형 수중구조물을 대상으로 2차원 수리실험을 실시하고, 파고전달계수를 산정할 수 있는 경험식을 제안하였다.

본 연구에서는 투과형 및 경사형 수중구조물에 대한 파고전달계수를 검토한 ^{Lee and Bae(2020)}와 ^{Lee and Kim(2020)}의 성과를 확장하여 제체사석 상부에 콘크리트블록이 피복된 불투과형 수중구조물을 대상으로 2차원 수리실험을 수행하고 파고전달계수 산정식을 제안하는 것이 주된 목표이다. 이를 위해 입사파(유의파고 및 유의주기) 제원, 제체 설치수심, 상단여유고, 수중구조물의 폭, 피복재의 규격 등을 변화시키며 수중구조물에 의한 전달파고 계측 수리실험을 수행하였다. 실험조건별로 계측된 전달파고 자료로부터 여러 가지 무차원 변수를 이용하여 파고전달계수 산정식을 제안하고, 기존 연구성과와 비교하였다.

2. 실험시설 및 실험조건

2.1 실험시설

본 실험은 전남대학교 해안항만실험센터 단면수로에서 수행되었으며, 사용된 단면수로의 제원은 폭 1 m, 길이 50 m, 높이 1.3 m이며, 전기서보피스톤식 조파기가 설치되어 있고, 규칙파 및 불규칙파를 조파할 수 있다. 또한 조파판 전면에 부착된 파고계를 이용하여 독취한 자료를 바탕으로 반사파 흡수식 제어가 가능하고 수로 양쪽 끝부분에 소파시설이 설치되어 있다. 설치된 조파기의 성능은 최대파고 0.7 m, 재현가능 주기 0.5~8 sec이다. Fig. 1은 단면수로의 개념도이다. 본 실험에서 자유수면계측에 활용된 파고계는 용량식으로서 전체 12대의 파고계를 설치하여 계측하였다. 파고계 2대는 수중구조물 전면에 설치하여 입사파 확인 및 반사계수를 분석하였으며, 10대의 파고계는 수중구조물 상부 및 후면에 설치하여 자유수면을 계측하고, 파고를 분석하는데 활용되었다.

Fig. 1

Experimental Facilities

2.2 실험조건

본 실험에 적용된 실험파 및 실험수심은 Table 1에 제시되어 있다. 실험파의 유의주기(significant wave period, $T_S$) 및 유의파고(significant wave height, $H_S$)는 각각 $T_S$=1.0~3.0 sec, $H_S$=0.02~0.22 m 범위이며, 유의주기는 $∆T_S$=0.2 sec 간격, 유의파고는 $∆H_S$=0.02 m 간격으로 설정하였다. 그리고 수중구조물이 설치되는 수심( $d$)은 $d$=0.3 m, 0.4 m, 0.5 m이다. Table 1에 제시된 파랑제원은 목표 파랑제원이며, 실험결과 분석시에는 실험파 설정시의 파랑제원을 이용하였다. 실험파는 국토교통연구인프라운영원(^{KOCED, 2019})에서 제시한 설정방법을 이용하였다.

본 실험에 적용된 실험단면은 Fig. 2와 같다. Fig. 2에서 $d$는 수중구조물 선단에서의 설치수심, $R_C$는 여유고(수중구조물 상단으로부터 정수면까지의 높이), $W$는 수중구조물의 상단폭이다. 본 실험에서는 수중구조물의 사면을 1:1.5 경사로 고정하였다.

Fig. 2

Schematic of Model Structure

Table 2는 본 실험에서 적용한 수중구조물의 제원을 정리한 것이다(Fig. 2 참조). 본 연구에서는 상단여유고( $R_C$)는 $R_C$=0.05 m, 0.1 m, 0.2 m, 상단폭( $W$)은 $W$=0.25 m, 0.5 m, 1 m, 2 m, 3 m를 적용하여 수중구조물을 형성하였다.

Fig. 3은 본 실험에 적용된 모형설치 사진이다.

Fig. 3

Photographs of Model Setup and Test

3. 불투과형 수중구조물의 실험결과 분석

본 연구는 Table 1에 제시된 실험파와 Table 2에 제시된 수중구조물의 기하학적 제원을 바탕으로 2차원 실험을 수행하여 불투과형 수중구조물에 의한 파고전달계수를 검토하는 것이 주된 목적이다. 본 연구에서 도출되는 불투과형 수중구조물의 파고전달계수는 수중구조물간의 평면배치에 따른 개구부에서의 회절파 등의 영향은 고려되지 않은 결과로서 수중구조물에 의한 에너지감쇠 효과만 반영된 것이다.

Fig. 4는 $d$=0.4 m, $R_C$=0.05 m인 불투과형 수중구조물을 대상으로 수행한 실험 중 $T_S$=1.8 sec 조건에 대해 상대여유고(relative freeboard, $R_C/H_S$)별 상대상단폭(relative crest width, $W/L_S$)에 따른 계측점에서의 상대파고 결과를 도시한 것이다. Fig. 4는 각각 $W/L_S$=0.077 ( $W$=0.25 m), $W/L_S$=0.153 ( $W$=0.5 m), $W/L_S$=0.306 ( $W$=1 m), $W/L_S$=0.612 ( $W$=2 m), $W/L_S$=0.918 ( $W$=3 m) 조건의 상대파고 결과이며, 상대파고는 계측된 유의파고( $(H_S{)}_m$)와 입사파고(실험파 설정시의 유의파고, $H_S$)의 비이다. Figs. 4(a) and Fig4(b)는 각각 $W/L_S$=0.077과 $W/L_S$=0.153의 결과로서 상대여유고가 작아 질수록 수중구조물 배후면에서의 상대파고는 감소함을 알 수 있으며, $R_C/H_S$≤0.31 조건에서는 유사한 상대파고를 보였다. Figs. 4(c)~4(e)는 $W/L_S$≥0.306의 결과로서 수중구조물 상단폭이 넓어짐으로 인해 파고저감효과가 뚜렷하며, $R_C/H_S$≤0.63 조건에서는 유사한 상대파고가 계측되었다. 즉, 동일한 상대여유고 조건이라도 상단폭이 넓어지게 되면 파고감쇠효과는 더 크게 나타남을 의미한다. 또한 수중구조물 전면부에서는 수심감소로 인해 상대파고가 급격히 증가하였다가 상단부에서의 쇄파로 인해 감소하는 경향을 보인다. 이러한 경향은 상대여유고가 클수록 뚜렷하게 나타났으며, 천수효과에 의한 것으로 판단된다. 그리고 전체적으로 수중구조물 후면 선단으로부터 약 0.5 파장( $x/L_S$≥0.5) 이후의 위치에서는 실험파 조건에 관계 없이 유사한 상대파고가 나타났다. 따라서 본 연구에서는 0.5≤ $x/L_S$≤1.5 범위에 위치하는 계측파고를 평균한 파고와 입사파고의 비로 파고전달계수를 산정하였다.

Fig. 4

Relative Wave Heights at Measuring Points According to Relative Crest Width

실험결과를 이용하여 설치수심별 및 상대여유고별로 파형경사가 전달파고계수에 미치는 영향을 검토하였다.

Fig. 5는 상대여유수심(relative water depth, $R_C/d$)이 $R_C/d$=0.1, 0.13, 0.17 및 0.2인 조건에서 입사파의 파형경사( $H_S/L_S$) 및 상대여유고( $R_C/H_S$)에 따른 파고전달계수( $K_T$)의 변화를 상대상단폭( $W/L_S$)에 대해 도시한 것이다. $R_C/H_S$≤0.5인 조건에서는 상대여유수심에 관계없이 입사파의 파형경사에 따른 파고전달계수의 차이는 크지 않은 것으로 나타났다. 즉, 상대여유고가 작을때에는 수중구조물 상단에서 쇄파가 강하게 발생됨으로 인해 수중구조물 배후로 전달되는 상대파고는 입사파의 파형경사에 크게 연관이 없음을 의미한다. Fig. 5에 도시된 실험결과와 회귀식의 상관계수( $R^2$)는 $R^2$≥0.95이다.

Fig. 5

Wave Transmission Coefficients by Relative Freeboard

Fig. 6은 Fig. 5에 도시된 회귀식을 이용하여 상대여유수심( $R_C/d$)이 파고전달계수에 미치는 영향을 나타낸 것이다. $R_C/d$≤0.17 조건에서 상대여유수심에 따른 파고전달계수의 변화는 $W/L_S$≤0.3인 경우에 상대여유수심이 증가함에 따라 파고전달계수가 약간 증가하였지만, $W/L_S$>0.3인 범위에서는 유사하게 나타났다. $R_C/d$=0.2 조건에서는 다른 조건에 비해 파고전달계수가 전반적으로 크게 나타났다. 이는 파고전달계수 산정식에 상대여유수심의 영향을 고려할 필요가 있다는 것을 의미한다. 그러나 ^{Lee and Bae(2020)}의 결과에 의하면 기존 국내 설계사례의 대부분은 $R_C/d$≤0.15에 해당됨으로 인해 실무 적용에서는 상대여유수심의 영향은 크지 않을 것으로 판단된다.

Fig. 6

Wave Transmission Coefficients by Relative Water Depth

Fig. 7은 $R_C/d$=0.17, $R_C/H_S$=0.83 조건에서 입사파의 파형경사( $H_S/L_S$)에 따른 파고전달계수( $K_T$)의 변화를 상대상단폭( $W/L_S$)에 대해 도시한 것이다. 상대여유고( $R_C/H_S$) 작은 경우에 비해 상대여유고가 증가하게 되면, 파형경사가 증가할수록 파고전달계수는 증가하는 경향을 보였다. 이는 기존 연구와 동일한 경향이다. Fig. 7에 도시된 파형경사별 실험결과와 회귀식의 상관계수( $R^2$)는 $R^2$≥0.96이다.

Fig. 7

Wave Transmission Coefficients by Wave Steepness for $R_C/H_S$=0.83

4. 불투과형 수중구조물의 파고전달계수 산정

본 절에서는 불투과형 수중구조물을 대상으로 수행한 전달파고 산정 실험결과를 이용하여 파고전달계수 산정식을 도출하고자 한다. 파고전달계수 산정식은 3장에서 기술한 무차원변수인 상대여유수심( $R_C/d$), 상대여유고( $R_C/H_S$), 파형경사( $H_S/L_S$) 및 상대상단폭( $W/L_S$)을 이용하였다. 실험결과를 이용하여 다중회귀분석을 실시하였고, 도출된 파고전달계수( $K_T$) 산정식은 Eq. (1)과 같다.

Fig. 8은 본 연구에서 수행한 실험조건 중 일부 조건에 대해 실험결과와 경험식 Eq. (1)의 결과를 비교한 것이다. 전반적으로 실험결과와 경험식에 의한 파고전달계수가 잘 일치하고 있고, 파경경사가 큰 경우에 약간 큰 파고전달계수를 보였으며, 상대여유고가 클수록 차이는 더 크게 나타났다. $W/L_S$>1인 범위에서 경험식에 의한 결과가 실험결과보다 작은 파고전달계수를 보이는 경우가 일부 있으며, 이는 실험결과는 $W/L_S$>0.8 조건에서 거의 일정한 파고전달계수를 보이는데 반해 경험식에 의한 결과는 지속적으로 감소하는 경향을 보이기 때문이다. 그러나 수중구조물의 설계조건이 대부분 $W/L_S$<0.6임을 감안할 때 본 연구의 제안식은 충분한 적용성을 가진다고 할 수 있다.

Fig. 8

Wave Transmission Coefficients as a Function of the Relative Crest Width( $W/L_S$) According to the Different Values of $R_C/d$ and $R_C/H_S$. (Open Circles Indicate Experimental Data; Solid and Dashed Lines Indicate the Results of Empirical Formula [Eq. (1)])

Fig. 9는 본 연구에서 수행한 실험결과와 산정식에 의한 파고전달계수를 비교 도시한 것으로서 두 결과는 비교적 잘 일치하고 있음을 알 수 있으며, 실험결과와 경험식간의 상관계수( $R^2$)는 0.95이다.

Fig. 9

Comparison between Measured Data and Empirical Formula [Eq. (1)]

Fig. 10은 ^{Lee and Bae(2020)}가 분석한 기존 설계사례 조건을 대상으로 본 연구에서 제안한 Eq. (1)과 ^Uda(1988)의 도표를 적용한 파고전달계수 결과를 비교한 것이다. 전체적으로 경향은 유사하지만 본 연구에 의한 파고전달계수가 ^Uda(1988)의 결과보다 크게 산정되었다. 이는 본 연구결과는 불규칙파를 적용한데 반해, ^Uda(1988)의 결과는 규칙파 실험을 바탕으로 현장관측자료 등을 이용하여 수정한 결과이기 때문으로 생각된다.

Fig. 10

Comparison between This Study and ^Uda(1988) Results

본 연구에서는 불투과형(impermeable type) 수중구조물을 대상으로 파고전달계수 산정식을 제안하였으며, Tetrapod를 피복재로 사용하여 경사형(rubble-mound type) 수중구조물의 파고전달계수 산정식을 제안한 ^{Lee and Kim(2020)}의 결과와 Tetrapod로 수중구조물 제체를 형성하여 투과형(permeable type) 수중구조물에 대한 파고전달계수 산정식을 제안한 ^{Lee and Bae(2020)}의 결과를 이용하여 동일 조건에서 구조형식에 따른 차이점을 나타낸 것이 Fig. 11이다. 전체적으로 동일 상대상단폭 조건에서 파고전달계수는 투과형>경사형>불투과형 순으로 크게 나타났으며, 이는 수중구조물 제체를 통한 투과파의 차이에 기인하는 것으로 판단된다. 즉, 피복재인 Tetrapod만으로 제체를 형성한 투과형이 불투과형에 비해 파고전달계수가 상대상단폭이 좁은 경우에는 0.2 정도, 상대상단폭이 넓은 경우에는 0.1 정도 크게 나타났다. 불투과형과 경사형의 경우에는 상대상단폭이 좁은 경우에는 차이가 나타났지만, 폭이 넓어짐에 따라 그 차이는 감소하였다. 이는 폭이 넓은 경사형의 경우에는 제체사석으로 인해 투과파가 크지 않음을 의미한다.

Fig. 11

Wave Transmission Coefficients by Submerged Structure Type for $R_C/d$=0.15, $R_C/H_S$=0.2 and $H_S/L_S$=0.06

5. 결 론

본 연구에서는 ^{Lee and Bae(2020)}와 ^{Lee and Kim(2020)}이 수행한 투과형 및 경사형 수중구조물에 의한 파고전달계수 산정결과를 확장하여 블투과형 수중구조물에 의한 파고전달계수 산정식을 제안하였다. 이를 위해 수중구조물의 설치수심, 상단여유고, 상단폭, 유의파고 및 유의주기 등을 변화시키면서 전달파고 산정을 위한 2차원 수리실험을 실시하였다. 본 연구에서 제안된 경험식은 2차원 실험결과로서 수중구조물의 평면배치에 따른 개구부에서의 회절효과 등은 고려되지 않은 것이다.

본 연구에서 도출된 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1)상대여유고( $R_C/H_S$)가 $R_C/H_S$≤0.5인 경우에는 입사파의 파형경사에 관계없이 유사한 파고전달계수가 산정되었으며, 상대여유고가 증가하게 되면 기존 연구들과 같이 파형경사가 커질수록 파고전달계수는 증가하였다.

(2)상대상단폭( $W/L_S$)이 증가할수록 파고전달계수는 감소하였으며, $W/L_S$>0.8 범위에서 실험결과는 일정한 값에 수렴하는 것으로 나타났으나 산정식에 의한 결과는 지속적으로 감소하여 약간 작은 파고전달계수를 보였다. 그러나 실무에 적용되는 설계범위가 $W/L_S$<0.6임을 감안할 때 충분한 적용성을 가진다고 할 수 있다.

(3)본 연구에서는 불투과형 수중구조물을 대상으로 전달파고 산정을 위한 2차원 수리실험을 실시하였다. 실험결과를 이용하여 상대여유수심( $R_C/d$), 상대여유고( $R_C/H_S$), 파형경사( $H_S/L_S$) 및 상대상단폭( $W/L_S$)을 무차원 변수로 한 다중회귀분석을 실시하고 다음과 같은 불투과형 수중구조물의 파고전달계수( $K_T$) 산정식을 제안하였다.

$K_T=0.483\exp \left(\frac{R_C}{d}\right)+0.093\exp \left(\frac{R_C}{H_S}\right)+0.019\ln \left(\frac{H_S}{L_S}\right)-0.157\ln \left(\frac{W}{L_S}\right)-0.376$

상기 파고전달계수 산정식의 도출에 사용된 각 무차원 변수들의 적용범위는 0.1≤ $R_C/d$≤0.25, 0.2≤ $R_C/H_S$≤1.0, 0.01≤ $H_S/L_S$≤0.065, 0.05≤ $W/L_S$≤1.5이다.

(4)기존 설계사례를 대상으로 본 연구에서 도출된 산정식과 ^Uda(1988)의 도표를 이용하여 파고전달계수를 비교하였으며, 두 산정식에 의한 결과는 경향은 유사하지만 본 연구에 의한 파고전달계수가 크게 나타났다. 이는 본 연구에서는 불규칙파를 적용한데 반해 ^Uda(1988)는 규칙파를 적용한 결과이기 때문으로 판단된다.

(5)수중구조물의 구조형식에 따른 차이점을 검토하기 위해 기존 연구성과와 비교를 하였으며, 구조형식에 따른 차이가 나타났다. 전체적으로 투과형>경사형>불투과형 수중구조물 순으로 파고전달계수가 크게 나타났다.

본 연구는 수중구조물에 대한 파고전달계수 산정을 위해 2차원 실험을 수행하고, 그 결과를 이용하여 파고전달계수 산정식을 제안한 것이다. 연안침식 등의 저감을 위해 설치되는 수중구조물의 평면적인 배치는 수중구조물간의 개구부(수중구조물 미설치 구간)가 존재하게 되며, 개구부를 통해 침입하는 파랑과 회절파 등이 파고전달계수에 영향을 미치게 된다. 따라서 추후 수중구조물의 평면배치에 따른 수중구조물 배후면에서의 파고전달계수 분포에 대한 검토를 수행할 예정이다.