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Ko, Jeong, and Kim: Hydraulic Characteristic Analysis of Buoyant Flap Typed Storm Surge Barrier using FLOW-3D model

Abstract

A storm surge barrier is a specific type of floodgate, designed to prevent a storm surge or spring tide from flooding the protected area behind the barrier. A surge barrier is almost always part of a larger flood protection system consisting of floodwalls, dikes, and other constructions. Surge barriers allow water to pass under normal circumstances but, when a (storm) surge is expected, the barrier can be closed. Among the various means of closing, buoyant flap typed storm surge barrier which was indicated by MOSE project in Italy is chosen for Masan bay protection, and the motion of the surge barrier under the action of storm surge and wave is examined using FLOW-3D, a computational fluid dynamics software analyzing various physical flow processes. Numerical result shows that storm surge barrier is successfully operated under wave height 3 m, and tidal range 2 m.

Abstract

고조방파제는 폭풍해일이나, 대조시 창조류로부터 내부 해역을 보호하기 위하여 설계된 특수한 형태의 수문 구조물로, 홍수 방지 벽, 방조제 및 다른 구조물로 구성된다. 평상시 고조방파제는 해수 소통을 허용하지만, 폭풍해일이 예상되면 폐쇄된다. 폐쇄시키는 다양한 방법 중 본 연구에서는 이태리 모세프로젝트에 적용한 것과 같은 부유 플랩형 고조방파제를 마산만에 적용할 경우, 폭풍해일 및 파랑이 작용할 때의 고조방파제 거동특성을 3차원 유동해석프로그램인 FLOW-3D를 이용하여 살펴보았다. 수치해석결과, 고조차 2 m인 상태에서 파고 3 m 조건에서도 고조방파제로서의 기능을 발휘할 수 있는 것으로 평가되었다.

1. 서 론

세계 각국은 고조 발생에 의한 연안역 보호를 위한 대책을 수립하고 있다. 일본에서는 Ise 태풍(1959) 이후 만 입구의 나고야에 착저식 고조방파제, 영국에서는 템즈강에 회전식 수문형식의 고조방파제, 네덜란드에서는 회전식 수문형식의 Maeslant 고조 방파제를 설치하였다. 이태리에서는 베네치아 저지대를 보호하기 위한 부유 플랩형 고조방파제를 적용하는 모세 프로젝트가 진행되고 있으며, 일본에서는 항만공학기술연구소를 중심으로 직립 부상식 방파제와 플랩식 고조시설에 관한 연구를 수행하고 현장시험 적용 연구를 진행하고 있다 (Fig. 1 참조). 이 외에도 일본의 Osaka Arch Gate(1970), 프랑스의 Sauer Barrier(1993), 독일의 Eider Barrage(1973)를 현재 운영 중이다.
Fig. 1

Various type of storm surge barriers.

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이처럼 세계 각국은 지구온난화, 해수면 상승 그리고 대형 태풍 등으로 인하여 발생하는 고조에 대한 방재 대책을 수립, 진행하고 있다. 우리나라에서는 2003년 9월 12일 제14호 태풍 매미의 영향으로 폭풍해일이 발생하여 마산만 일대에서 인명, 재산 및 경제적인 손실이 크게 발생하였으며 이에 대한 대책이 요구되고 있다. 마산만은 물론 목포항도 고조 방재 대책의 하나로 고조방파제 설치를 검토하고 있다.
고조로 인한 재해를 방지하기 위해서는 구조물 설치에 의하여 항구적으로 재해를 방지할 수 있는 하드웨어적인 대책뿐만 아니라 유사시의 피난을 고려한 피난지피난로의 확보나 정보전달체제의 정비 등 소프트웨어적인 대책도 매우 중요하다. 이중 하드웨어적인 대책인 고조방재시설은 고조가 육역으로 침입하는 것을 저지할 목적으로 구축하는 것이며, 제방호안, 복합방호공법(이안제, 사빈 등), 고조방파제, 수문, 하천 제방 등의 종류가 있다.
고조방파제는 만입구 또는 방파제 사이에 설치하여 고조 발생시 항내와 외해를 차단함으로써 외해로부터 침입하는 쓰나미, 폭풍해일 등을 포함한 장주기 파랑을 차단함을 목적으로 한다.
고조방파제는 부유식, 고정식 등 다양한 형태가 있다. 이 중 부유 플랩형은 평상시에는 해저면에 가라 앉혀 두었다가 고조가 발생하면 공기압을 이용하여 부상시켜 만 또는 항을 외해로부터 차단할 수 있도록 고안되었다. 이러한 형식은 기둥과 같은 지지 구조물이 불필요하고, 선박 항행에 유리하며, 방파제를 개폐하는 작업이 단순한 장점이 있다.
부유식 해양구조물에 대한 연구는 Hales(1981), Ministry of Science and Technology(1995), Wonkwang university(1998), Yang et al.,(2001) 등이 있으나, 대부분의 연구는 계류선에 연결된 부유구조물의 거동에 대한 연구이며, 자립적으로 부상하는 힌지로 계류된 부유구조물에 대한 수리학적인 연구는 드물다.
Sollitt et al.(1986)은 해저면에 힌지로 계류된 2개의 부유 플랩의 거동을 해석적 및 실험적으로 모의하였다. Colamussi(1992)는 베네치아에 설치할 구조물의 형태, 동역학적 거동 그리고 부식 및 방식 등에 대한 연구를 수행하였으며, Eprim(2005)는 부유 플랩형 고조방파제를 건설하는 과정을 상세히 검토하였다.
Shimosako et al.(2007)은 플랩식 구조물을 이용하여 파랑과 해일을 막는 연구를 실시하였으며, Arikawa et al.(2007)은 직립부상식 방파제를 이용하는 방안에 대한 연구를 실시한 바 있다.
Jeong et al.(2002)은 유한요소법을 이용하여 다열로 설치된 부유식 방파제의 파랑 전달 및 반사 특성에 대하여 연구하여 다열 부유식 방파제의 현장 적용 가능성을 검토하였다. Jeong et al.(2008)은 수리모형실험에 의한 사전 연구를 통하여, 부유 플랩형 고조방파제의 적용 가능성을 확인하였으며, 파랑 반사 및 전달특성도 검토한 바 있다. 이후 Jeong et al.(2009)은 부유 플랩형 고조방파제의 파랑응답 해석을 위한 수치모델을 수립하고 수리실험결과와의 비교를 통하여 타당성을 입증하였다.

2. 고조방파제의 타당성 평가

고조방파제의 수리학적인 기능에 대한 타당성 평가시 만내의 조위가 고조에 의하여 일정한 조위이하로 저하되도록 방파제가 역할을 수행하는 지 여부를 평가한다. Fig. 2는 고조방파제의 타당성을 평가하는 순서도이다.
Fig. 2

Storm surge barrier feasibility evaluation flow chart

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고조 시뮬레이션의 수리모델에는 평면 2차원모델, 준3차원 모델, 3차원모델이 있다. 고조 등과 같이 해면에 작용하는 전단응력에 의해 발생하는 흐름은 연직방향으로 분포하기 때문에 3차원모델로서 취급하는 것이 바람직하다.
고조방파제의 경우에는 시설의 설치에 의해 고조의 전반적인 특성이 변화하여 주변 해안에 악영향을 미칠 가능성이 있다. 또 항상 파랑에 대한 반사파 등이 좋지 않은 영향을 미칠 가능성도 있고, 조류의 변화도 예상된다. 따라서 수치계산 및 수리모형실험 등을 통하여 그 영향을 미리 평가해 둘 필요가 있다. 그리고 방파제에 의해 제내의 해수교환이 저해될 가능성이 있으므로 수질에 관한 영향평가가 필요하다. 고조방파제는 일반적으로 규모가 크기 때문에 경관 및 생태계 등의 영향평가도 충분히 실시할 필요가 있다.
본 연구에서는 부유 플랩형 고조방파제를 마산만에 적용할 경우를 대상으로 고조차 및 파랑이 작용할 때의 고조방파제 거동특성을 3차원 유동해석프로그램인 FLOW-3D를 이용하여 방파제의 회전각도 및 내측 수위변화를 해석하였다. Oh et al.(2011)은 FLOW-3D 모형을 이용하여 용승류 흐름을 모의하였으며, Kim and Seo(2004), Hwang and Kim(2011)은 수중방류 온배수의 근역 동수역학 해석을 수행하였다.

3. 모형의 구성

3.1 마산만의 특성

대상 해역인 마산만은 기상조건과 지형 등이 항만 건설에 적합하여, 마산항은 고려시대 이후 우리나라 중요 천연항만의 하나이다. 1800년대 말까지 근대적인 항만시설을 갖추지 못하다가, 1900년대 초 일본인에 의하여 근대화 항만시설의 건설과정에서 마산만의 매립이 시작되었으며, 해방 후 1978년 마산자유무역지역과 제3부두의 완공을 시작으로 꾸준히 매립사업이 진행되어 오늘날의 변화된 해안선을 갖게 되었다. Fig. 3에 마산만의 변화된 지형 및 조석표를 도시하였다. Fig. 3의 둥근 원은 마산만에 방재 계획을 수립할 경우, 개방구간이 짧아(874 m) 고조방파제 설치 후보지로 유력한 곳이다.
Fig. 3

Location of Masan bay and tide level.

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3.2 모형의 제원 및 격자 구성

부유하면서 능동적으로 고조에 대응할 수 있는 부유 플랩형 고조방파제의 동수역학적 특성을 파악하기 위하여 3차원상용 전산유체역학 코드인 FLOW-3D를 사용하였다. FLOW-3D의 해석방법은 기본적으로 비정상 유동 상태이며, 연속방정식, 3차원 운동량 보존(Navier-Stokes) 방정식 및 에너지 방정식을 유체 및 열유동 해석 그리고 유체로부터 열전달에 의한 고체 내의 온도는 열전도에 의한 에너지 교환을 에너지 방정식 생성항(Source Term)으로 사용하여 해석하고 있다. 자유표면 해석을 위해서는 VOF(Volume of Fluid) 방정식이 사용되고 있다. 직각형상 격자계 사용시 일반 형상 기술을 보다 정확히 하기 위해 FAVOR(Fractional Area/Volume Ratio)기법을 각 방정식에 적용하고 있으며 비압축성 및 압축성의 계산시 해석 속도를 증진시키기 위하여 별도의 보조방정식 등을 사용하고 있다. 일반적인 이동 물체를 재현하는 GMO(General Moving Object)모듈을 적용하여 고정점이나 고정축을 기준으로 하는 운동(x, y, z 방향)과 6-자유도(Degree of Freedom) 운동에 의한 유체해석이 가능하다(Flow science, 2007).
Fig. 4는 마산만에 적용하고자 하는 부유 플랩형 고조방파제의 모식도이다. 각 절점의 위치를 명기하였으며, 5 cm 강판으로 제작하는 것으로 하여 높이는 40m이며 길이는 지형, 공사비, 재료등 여건에 따라 결정할 수 있다. 강판의 비중은 7.87을 사용하였다.
X-Z평면의 격자망을 Fig. 5에 도시하였으며, 3차원 격자망도는 Fig. 6에 도시하였다.
Fig. 4

Buoyant flap typed storm surge barriers developed.

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Fig. 5

X-Z plane grid.

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Fig. 6

3 dimensional grid.

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3.3 초기조건 및 경계조건

고조방파제의 거동 특성을 파악하기 위해 수심은 21.967 m로 하여 외해와 내해의 고조차는 0.1 m/s 속도로 상승하여 2 m인 상태에서 수치 모의를 실시하였다. 고조차가 없는 경우는 내·외해의 경계조건을 Outflow 조건을 부여하였으며, 고조차가 2 m인 경우는 외해 경계조건으로 특정 압력 값을 부여하여 정적평형상태를 재현하였다. 그 밖의 경우에는 외해 및 내해에 파랑 경계조건을 부여하였고, 나머지 면에는 대칭(Symmetry) 조건을 부여하였다. 그 외 물성치는 중력 가속도 9.81 m/s2, 유체의 밀도 1,025 kg/m3로 선택하였으며, 모의시간은 300초로 하였다.

4. 수치모형 실험 결과

부유 플랩형 고조방파제의 성능을 평가하기 위하여 마산만 입구지형을 대상으로 수치모의를 실시하였다. 수치모형 실험 경우는 1) Case 1: 고조차가 없는 경우, 2) Case 2: 고조차가 2.0m일 경우, 3) Case 3: 방파제의 설치 위치를 검토하여 결정한 설계조건인 고조차 2.0m, 입사파고 3 m, 주기 15 s인 경우, 4) Case 4: 입사파고 3 m, 주기가 5가지(8, 10, 15, 20, 30 s)인 경우 총 4종류에 대한 고조방파제의 회전응답으로 구분하여 실험을 실시하였다. 이상과 같은 결과를 정리하면 Table 1과 같다.
Table 1

4 Conditions for numerical calculation

Case Water level difference(m) Offshore wave condition Results Remarks
Case 1 0 - Velocity magnitude and vectors, rotation angle Fig. 7, 8
Case 2 2 - Velocity magnitude and vectors, rotation angle Fig. 9, 10
Case 3 2 H*= 3 m, T** = 15 sec Velocity magnitude and vectors, rotation angle Fig. 11, 12, 13
Case 4 2 H*= 3 m, T**= 8, 10, 15, 20 s Rotation angle and periodogram Fig. 14, 15, 16

* : Wave height, ** : Wave period

4.1 Case 1

Case 1은 외해수위 21.967 m, 내해수위 21.967 m로 고조차가 0.0 m인 경우이다. 고조방파제 중앙부 수위와 유속분포도는 Fig. 7에 도시하였고, 계산시간에 따른 회전각은 Fig. 8에 도시하였다. 고조방파제는 부력에 의해 점진적으로 부상하며 100 s 이후 회전각(해저면에서 반시계 방향)의 평균은 57.18o로 나타나고 있다. 이 값은 임의 단면의 부유 플랩형 고조방파제의 정적 평형위치를 계산할 수 있는 프로그램(Jeong et al., 2009)에 의하여 산정한 결과와 유사하다.
Fig. 7

Velocity magnitude and vectors around storm surge barrier(Case 1).

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Fig. 8

Rotation angle around storm surge barrier(Case 1)

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4.2 Case 2

Case 2는 외해수위를 0.1 m/s 속도로 23.967 m까지 상승시키고, 내해수위는 21.967 m, 고조차가 2.0 m인 경우이다. 고조방파제 중앙부 수위와 유속분포도는 Fig. 9에 도시하였고, 계산시간에 따른 회전각은 Fig. 10에 도시하였다. 고조방파제는 부력에 의해 시간에 따라 부상하며 100 s 이후 회전각의 평균은 42.05o로 나타나고 있다.
Fig. 9

Velocity magnitude and vectors around storm surge barrier(Case 2)

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Fig. 10

Rotation angle around storm surge barrier(Case 2).

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4.3 Case 3

Case 3은 Case 2의 조건에 입사파고 3 m, 주기 15 s인 파랑이 외해에서 발생하는 경우이다. 고조방파제 중앙부 수위와 유속 분포도는 Fig. 11에 도시하였고, 계산시간에 따른 회전각은 Fig. 12에 도시하였다. 고조방파제는 부력에 의해 시간에 따라 부상하며 100 s 이후 회전각의 평균은 37.63o로 고조방파제로서 기능을 발휘할 수 있는 것으로 평가되었다(Fig. 13 참조).
Fig. 11

Velocity magnitude and vectors around storm surge barrier(Case 3).

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Fig. 12

Rotation angle around storm surge barrier(Case 3).

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Fig. 13

3D view of storm surge barrier(Case 3).

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Fig. 14

Periodogram of rotation angle(Case 4, H = 3 m, T = 8 s).

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4.4 Case 4

입사파고 3 m, 수위차 2 m이고, 주기를 8, 10, 15, 20 s로 주기를 변화시켰을 때의 고조방파제의 회전각의 주기를 FFT(Fast Fourier Transform)로 분석하였다. 고조방파제의 회전각은 입사파의 주기에 대응하여 응답을 보였으며, 입사파의 주기가 8, 10, 15, 20 s일 경우 각각 회전각 주기가 7.9, 10.1, 15, 20.1 s로 나타나고 있다(Fig. 14, 15, 16 참조). 즉, 입사파의 주기와 유사한 형태로 고조방파제의 회전각 주기도 반응하고 있다는 것을 알 수 있다.
Fig. 15

Periodogram of rotation angle(Case 4, H = 3 m, T = 15 s).

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Fig. 16

Periodogram of rotation angle(Case 4, H = 3 m, T = 20 s).

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5. 결론 및 토의

마산만을 대상으로 고조방파제가 설치되었을 때 고조방파제의 거동을 파악하기 위해 3차원 전산유체역학 코드인 FLOW-3D를 이용하여 수치모의를 실시하였다. 내해 및 외해수위차 2 m, 외해 입사파고 3 m, 주기가 15 s 일 경우(마산만 설계조건) 부유플랩형 고조방파제는 해저면에서 반시계방향으로 회전각이 37.63o를 나타내고 있다.
전술한 계산 결과를 정리하면 Table 2와 같다.
고조방파제 주변의 유속장을 보면 Fig. 7, 9, 11에 도시된바와 같이 고조방파제의 부유 및 반복되는 회전의 영향으로 내해 쪽에 비교적 큰 유속의 와류가 발생하므로 구조물 주변의 토사 퇴적 및 침식, 구조물의 안전 점검시 고려하여할 환경요소로 판단된다. 또한 내해 및 외해의 수위 차가 없는 경우보다 수위 차가 있는 경우 및 파랑이 없는 경우보다 파랑이 존재하는 경우 평균 회전각이 작으므로, 고조방파제 월파가능성이 커진다. 따라서 고조방파제의 설계시 내·외해의 고조차 및 외해 파랑조건을 고려하여 충분한 여유를 갖도록 설계하는 것이 필요하다.
입사파의 주기 변화에 따른 고조방파제의 회전각 주기를 나타낸 Fig. 14~16의 결과에서는 입사파의 주기와 유사한 형태로 고조방파제의 회전각 주기도 반응하고 있다는 것을 알 수 있다.
Table 2에서 고조방파제를 설치한 경우(Case 3, 4), 내해쪽의 파고는 무시할 수 있는 것으로 판단되어 고조방파제를 전단면에 걸쳐서 설치하는 경우, 고조방파제 역할을 충실히 수행할 수 있고, 또한 수위 상승에 의한 범람 및 침수 피해 등도 예방할 수 있을 것으로 사료된다. 파랑이 없고, 내해 및 외해의 수위차가 없는 경우(Case 1)가 수위차 2 m가 발생한 경우(Case 2)에 비하여 고조방파제의 회전각이 크게 나타나는 것은 Case 2의 경우 외해쪽 정수압의 합력이 Case 1에 비하여 크기 때문으로, 타당한 결과를 보이고 있다. 수위차 2 m가 발생한 경우, 파랑이 작용하는 경우(Case 3, 4)는 파랑이 작용하지 않는 경우(Case 2)에 비하여 회전각이 작게 나타나 파랑의 작용이 잘 표현된 것으로 판단된다.
Table 2

The result of numerical model test

Case Offshore Water level difference(m) Onshore Rotation angle(deg)
Height(m) Period(s) Height(m) Period(s) Mean S.D. Max. Min.
1 - 0 - 57.18 0.988 58.71 53.95
2 - 2 - 42.05 1.152 44.39 38.46
3, 4 3 15 2 0.002 1 37.63 7.589 53.02 26.97
4 3 8 2 0.002 1 35.11 2.115 39.38 31.55
4 3 10 2 0.002 1 40.27 1.661 43.45 35.31
4 3 20 2 0.002 1 39.08 6.398 49.92 30.00

Remarks : Rotation angle is measured counterclockwise

단면설계시 검토할 사항으로는 최대 동적응답은 입사파의 주기가 길어질수록 거의 선형적으로 증가하며, 파랑 차단 성능은 일반 부유식 방파제와 유사하게 단주기 조건에서는 효과를 보이나 장주기로 갈수록 미미하므로 장주기파에 대한 상세 검토가 필요하다. 또, 부력변화가 크게 발생할 수 있는 단면을 갖도록 설계하면 동적응답을 감소시킬 수 있으며, 파랑차단성능도 제고할 수 있다. 추가적으로 월파 미 발생 한계 조건 및 월파 발생시 구조물 주변 동수역학적 특성, 구조물 기초부에 작용하는 수평 및 연직 변동하중에 관한 검토가 필요하다.
향후, 파랑의 반사 및 전달 특성의 정량적인 분석과 추가적인 수치 및 수리실험이 수행된다면 고조방파제의 성능향상과 경제적이고 안정적인 설계를 할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 고조방파제의 구조적인 특성 분석과 고조발생에 대한 사전 경보시스템의 개발이 병행된다면 고조방파제 성능을 향상시킬 수 있을 것으로 사료된다.

ACKNOWLEDGEMENTS

이 논문은 2012학년도 원광대학교의 교비 지원에 의해서 수행되었습니다. 연구비 지원에 감사드립니다.

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