1. 서 론
전편의 연구(Lee et al., 2020)에서는 기존의 공진장치(Nakamura et al., 1985)를 동해안의 묵호항과 임원항에 1983년에 내습한 동해중부지진해일과 1993년에 내습한 북해도남서외해지진해일을 작용시켜 항내에서 지진해일고의 저감율을 COMCOT(Cornell multigrid coupled tsunami model) 모델(Liu et al., 1998)에 의한 수치해석으로부터 검토하였다. 결과에 따르면 묵호항에서는 최대 40%~50% 정도, 임원항에서는 최대 21% 정도의 저감율을 각각 나타내었고, 이로부터 실해역에서 공진장치의 유용성을 확인할 수 있었다.
한편, 최근 Latt and Nakamura(2011a, 2011b)는 Fig. 1에 나타내는 새로운 형상의 신형공진장치를 고안하여, 지진해일파를 초장주기파로 근사시킨 일정수심의 파동장에 적용하여 평면 Green 함수에 기초한 경계적분법으로 그의 제어효능을 입증하였으며, 또한 실해역에로 적용성을 논의·검토하였다. 그러나, 실해역은 일정수심이 아닌 변동수심역이며, 또한 실제의 지진해일파는 초장주기파와는 수리특성이 상이한 것은 주지의 사실이다.
따라서, 본 연구에서는 Latt and Nakamura(2011a, 2011b)에 의해 개발된 Fig. 1의 신형공진장치 I과 II를 변동수심역의 실해역과 실제의 지진해일파동장에 적용하여 지진해일파의 제어특성과 그의 유용성 등을 수치적으로 검토한다. 대상의 실해역은 동해안의 삼척항이고, 대상으로 한 실제 지진해일파는 1993년에 발생한 북해도남서외해지진해일이다.
수치모의에는 전편과 일관성을 유지하기 위하여 COMCOT 모델(Liu et al., 1998)을 적용하며, 이로부터 신형공진장치의 부착유무 및 그의 크기와 설치위치에 따른 지진해일고의 저감율을 중심으로 지진해일고의 시·공간분포 등에 관하여 신형공진장치의 유용성을 검토한다.
2. 실해역에서 지진해일파의 제어에 대한 신형공진장치의 유효성 검토
2.1 삼척항 주변에서 수심과 지형 및 1993년 북해도남서외해지진해일
삼척항은 1983년의 동해중부지진해일 시와 1993년의 북해도남서외해지진해일 시에 큰 피해를 입지는 않았지만, 향후 예상되는 큰 지진해일파의 내습에 따른 피해를 예방하기 위하여 다음의 Fig. 2에 나타내는 바와 같이 기존방파제를 연장(이의 경우를 현상태로 칭함)하는 안을 고려였다(그림에서 파란색 부분). 삼척항 인근 해역에서 수심과 주변지형의 표고는 최신의 수치해도와 Google earth pro로부터 각각 획득되었고, 1993년 북해도남서외해지진해일의 전파과정을 해석하기 위하여 적용된 계산영역 및 단층파라미터(Takahashi et al., 1994)는 Tables 1과 2에 제시된 바와 같다.
2.2 신형공진장치 I과 II의 형상과 크기
Latt and Nakamura(2011a, 2011b)에 의해 개발된 신형공진장치 I을 동해안 삼착항의 기존방파제에 부착한 경우를 Fig. 5에 제시하며, 본 계산에서는 신형공진장치 I의 길이를 L = 50 m, 100 m, 150 m로 변화시킨다. 다음으로, Latt and Nakamura(2011a, 2011b)에 의해 제시된 또 다른 신형공진장치 II도 동일하게 Fig. 6에 제시하며, Fig. 6(a)는 II-1로 Bw = 50 m, la = 50 m를 고정하고 lw = 100 m, 135 m, 170 m로 변화시켰고, 반면에 Fig. 6(b)는 II-2로 Bw = 50 m, lw = 170 m를 고정하고 la = 50 m, 70 m, 90 m로 변화시켰다. 여기서, 신형공진장치 I의 제원은 현장조건 등을 고려하여 Fig. 5에서와 같이 d1 = 9.2 m, d2 = 9.4 m, l = 83 m, B(2B' + l) = 183 m로 각각 규정되었다.
이하에서는 현상태의 경우와 신형공진장치 I에서 길이 L의 변화 및 신형공진장치 II-1과 II-2에서 lw와 la의 변화에 따른 지진해일고의 제어효과를 검토함으로서 Latt and Nakamura(2011a, 2011b)에서는 수행되지 않은 실해역의 지진해일파 작용 하에서 신형공진장치 I과 II의 유용성을 논의한다.
2.3 수치해석결과
2.3.1 신형공진장치 I
(1) 최고수위의 공간분포
Fig. 7은 지진해일파의 내습 시 삼척항내 및 주변 해역에서 최고수위의 공간분포를 나타낸 것으로, Fig. 7(a)는 현상태의 경우이고, Fig. 7(b)는 항입구부에 신형공진장치 I이 부착된 경우이다. 본 계산에 적용된 신형공진장치 I의 크기는 Fig. 5에 제시된 바와 같이 B = 183 m, B' = 50 m, L = 50 m 이다. 그림을 살펴보면 우측 외곽방파제에 의해 지진해일파의 대부분이 차단되어 항내는 지진해일파로부터 직접적인 영향을 받지 않고, 주로 항입구부에서 지진해일파의 반사와 회절로 인하여 항내의 수위변동이 발생된다. 검토된 두 경우 모두 우측 외곽방파제 중앙부에서 3.0 m 이상의 최고수위가 발생되며, 항내측의 경우는 신형공진장치 I에 의해 최대지진해일고가 전체적으로 0.2~0.3 m 정도 저감되는 것을 볼 수 있다.
Fig. 8은 신형공진장치 I에서 길이를 L = 100m, 150 m로 변화시킨 경우의 삼척항내 및 주변 해역에서 최고수위의 공간분포를 나타낸 것으로, 동일한 조건에서 L = 50 m의 경우에 대한 Fig. 7(b)의 결과도 포함시켜 논의한다. 그림을 살펴보면 신형공진장치 I에서 길이 L의 변화에 따른 유의한 차이는 거의 없는 것을 알 수 있다. 이 결과로부터 본 계산조건 하에서 신형공진장치 I의 합리적인 길이는 L = 50m로 판정되지만, 신형공진장치 I에서 길이변화에 따른 차이가 없다는 것은 공진장치 내에서 공진현상이 충분히 발휘되었다고는 볼 수 없다. 실제로, 신형공진장치 I을 초장주기파(검토된 주기가 600 s~1,800 s)에 대해 그의 유용성을 검토한 Latt and Nakamura(2011a)에 따르면 리아스식 해안을 따라 세장형으로 발달된 만내에서 길이 L을 2 km 정도로 고려하고 있는 점을 감안하면 전체적으로 삼척항에 적용된 신형공진장치 I의 길이가 짧게 적용된 결과로 판단된다.
(2) 수위의 시간변동
Fig. 9는 그림 중의 삽도에 표기된 항의 내측 7과 9번 위치에서 수위변동의 시계열을 나타낸 것으로, 파란 실선은 삼척항에서 현상태의 경우를, 빨간 파선은 신형공진장치 I을 부착한 경우이다. 그림으로부터 신형공진장치 I이 부착된 경우가 7번 위치에서 130 min에 0.25 m, 148 min에 0.2 m 정도로 수위가 저감되는 것을 확인할 수 있고, 이는 현상태의 수위 0.9 m에서 각각 30% 정도 저감된 결과이다. 9번 위치의 경우도 150 min에 0.25 m, 163 min에서 0.3 m 정도로 수위가 저감되며, 이는 현상태의 수위 1.0 m에서 각각 30% 정도 저감된 결과를 나타낸다. 결과적으로, 삼척항에서 현상태의 경우보다 신형공진장치 I을 설치하는 것이 지진해일파의 저감 대책으로 유용하다는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 10은 Fig. 9와 동일하게 항내측 7과 9번 위치에서 신형공진장치 I의 길이 L의 변화에 따른 수위변동의 시계열을 나타낸 것으로, 파란 실선은 L = 50 m의 경우를, 빨간 파선은 L = 100 m의 경우를, 녹색의 파선은 L = 150 m의 경우를 각각 나타낸다. 전술한 바와 같이 그림으로부터 신형공진장치 I에서 L = 150 m의 경우가 L = 50 m보다 국부적으로 지진해일수위를 최대 0.1 m~0.15 m 정도로 저감시키며, 저감율로는 15%~22%이지만, L의 변화에 따른 값의 차이가 거의 없고, 또한 전체적으로도 값의 변화가 크지 않은 것으로 판단된다.
이상의 계산에서는 신형공진장치 I의 길이에 관해 한정된 케이스로 검토되었지만, 공진장치의 크기를 최적화시키기 위해서는 보다 많은 경우의 수에 대해 계산이 수행될 필요가 있을 것이다.
2.3.2 신형공진장치 II
(1) 최고수위의 공간분포
Figs. 11과 12는 신형공진장치 II를 설치한 경우 1993년에 발생된 북해도남서외해지진해일의 내습 시 삼척항내 및 주변 해역에서 지진해일파의 최고수위 공간분포를 나타낸 것으로, Fig. 11은 Fig. 6(a)의 신형공진장치 II-1에서 길이를 lw = 100 m, 135 m, 170 m로 변화시킨 경우이고, Fig. 12는 Fig. 6(b)의 신형공진장치 II-2에서 길이를 lw = 70 m, 90 m로 변화시킨 경우이다.
먼저, 신형공진장치 II-1에서 lw의 변화에 따른 지진해일파의 저감 효과를 살펴보면 lw = 100 m와 135 m에서는 항내의 최고수위분포에 유의한 차이를 볼 수 없고, lw = 170 m의 경우는 lw = 100m, 135 m보다 항내 중앙부에서 0.1 m~0.15 m 정도 약간 감소하는 결과를 나타내지만, 그 차이가 그다지 크지 않다. 다음으로, 신형공진장치 II-2에서 la의 변화에 따른 지진해일파의 저감효과를 검토한다. 이의 경우는 Fig. 11(c) 의 경우도 포함하여 고찰한다. 그림으로부터 la가 증가할수록 항의 최내측과 중앙부에서 미소한 최고수위의 감소가 인정되지만, 그 차이는 역시 작다.
이상의 해석결과로부터 삼척항의 입구부에 본 연구와 같은 신형공진장치 II를 설치하였을 때 지진해일고를 저감시킬 수는 있지만, 크기의 차이, 즉 지진해일수위에서 la와 lw의 변화에 따른 유의한 차이가 크게 나타나지 않았다. 이로부터 동해안 삼척항과 같은 해역조건에서 Latt and Nakamura(2011a, 2011b)에 의해 제시된 신형공진장치 II는 내부에 충분한 공진현상이 발생되지 않는 것으로 판단되고, 단지 공진장치라는 구조물의 적용에 따른 반사 영향으로 항내로 유입되는 많은 부분의 지진해일에너지가 줄어든 요인에 의한 것으로 판단된다.
(2) 수위의 시간변동
Fig. 13은 그림 중의 삽도에 표기된 항내측 7과 9번 위치에서 신형공진장치 II-1에 의한 수위변동의 시계열을 나타낸 것으로, 파란 실선은 Fig. 6(a)에서 lw = 100 m의 경우를, 빨간 파선은 lw = 135 m의 경우를, 그리고 초록 파선은 lw = 170 m의 경우를 각각 나타내고 있다. 그림으로부터 7번 위치에서 lw = 135 m의 경우는 lw = 100 m의 경우보다 149 min에서 0.16 m의 수위저감을 나타내며, 이는 수위가 lw = 100 m의 0.75 m에서 20% 정도 저감된 결과이다. 동일하게 9번 위치에서 lw = 135 m의 경우는 lw = 100 m의 경우보다 150 min에서 0.1 m의 수위저감을 나타내며, 이는 수위가 lw = 100 m의 0.9 m에서 10% 정도 저감된 결과이다. 또한, lw가 증가함에 따라 수위가 감소하기 때문에 길이 lw를 길게 한 lw = 135 m의 경우가 상대적으로 지진해일파의 저감에 가장 유용하지만, 전술한 공간분포에서 지적한 바와 같이 저감율이 그다지 크지 않은 것으로 판단된다.
Fig. 14는 Fig. 13과 동일하게 항내측 7과 9번 위치에서 신형공진장치 II-2에 의한 수위변동의 시계열을 나타낸 것으로, 파란 실선은 Fig. 6(b)에서 la = 50 m의 경우를, 빨간 파선은 la = 70 m의 경우를, 초록 파선은 la = 90 m의 경우를 각각 나타내고 있다. 그림을 살펴보면 국부적으로 미미한 차이는 인정되지만, 전반적으로는 차이가 없는 것을 알 수 있다. 결과적으로, 길이 la의 변화는 수위저감에 크게 영향을 미치지 않으므로 길이 la의 값을 최소로 하는 것이 합리적이다.
이상으로부터 신형공진장치 II-1과 II-2에서 각각 lw와 la의 변화에 따른 지진해일파의 최고수위에 대한 공간분포와 특정 위치에서 시간변동을 고찰하였으며, lw의 변화에 따른 약간의 차이는 나타나지만, 전술한 바와 같이 그 값의 변화는 작다. 또한, la의 변화에 대해서는 거의 차이가 없는 것으로 나타났으며, 전술한 신형공진장치 I의 경우보다 공진형상에 의한 수위의 저감효과가 상대적으로 떨어지는 것으로 판단된다. 이러한 사실로부터 신형공진장치 II에 대해 초장주기파동장 하에서 Latt and Nakamura(2011a, 2011b)에 의해 제시된 신형공진장치 II의 적절한 길이 2 km 정도와 비교하면 본 연구의 경우가 매우 짧은 길이를 적용하였기 때문에 신형공진장치 II의 내부에서 공진현상이 충분히 발생되지 않는 것으로 판단된다. 따라서, 신형공진장치 II에서 공진현상을 충분히 발휘되기 위해서는 내습하는 지진해일파의 특성을 고려하여 길이 lw와 la를 적절히 적용될 수 있는 세장형의 만이 필요하지만, 지진해일파가 우려되는 동해안에서는 이에 합당한 조건이 구비된 적절한 해역은 없는 것으로 판단된다.
(3) 현상태에 대한 신형공진장치 II의 적용 여부에 따른 지진해일고의 저감
Fig. 15는은 항내측 7과 9번 위치에서 삼척항에서 현상태의 경우(파란 실선)와 신형공진장치 II-1에서 lw = 170 m의 경우(빨간 파선) 및 신형공진장치 II-2에서 la = 90 m인 경우(초록 파선)에 지진해일고의 시간변동을 비교하고 있다. 그림을 살펴보면 7번 위치에서 약 149 min에 신형공진장치 II-1과 II2의 경우가 현상태의 경우보다 0.36 m 정도로 수위가 저감되고, 이는 현상태의 수위 0.9 m에서 40% 정도의 저감율을 나타낸다. 또한, 9번 위치에서 신형공진장치 II-1과 II-2의 경우가 현상태의 경우보다 약 150 min에 0.19m, 약 163 min에 0.27 m의 수위가 각각 저감되며, 현상태의 수위 0.9 m, 1.0 m에서 20%~30% 정도 저감된 결과를 나타낸다. 결과적으로, 본 계산에서는 전술한 신형공진장치 I의 경우(30%의 저감율을 나타냄)보다 신형공진장치 II의 경우가 지진해일파의 제어에 보다 효과적이라는 것을 알 수 있다.
3. 결 론
본 연구에서는 실제의 지진해일파가 존재하는 실해역에서 지진해일파의 제어에 관한 신형공진장치 I, II-1 및 II-2의 유용성을 확인할 목적으로 타당성이 널리 입증된 COMCOT 모델(Liu et al., 1998)을 적용하여 동해안의 삼척항에서 신형공진장치 I과 II의 부착여부, 신형공진장치 내에서 길이의 변화에 따른 최대지진해일고의 공간분포와 수위의 시간변화 및 공진 장치의 유용성 등을 논의하였다. 여기서, 적용된 실제의 지진해일파는 1993년의 북해도남서외해지진해일이었다. 이로부터 얻어진 중요한 사항을 본 연구의 결론으로 이하에 기술한다.
(1) 삼척항에서 기존방파제를 연장한 현상태에 신형공진장치 I을 부착한 경우 국부적으로 지진해일고를 최대 30% 정도로 저감시킬 수 있다.
(2) 삼척항에서 신형공진장치 I의 길이를 변화시킨 경우 본 계산의 범위 내에서 국부적으로 지진해일수위를 최대 0.1 m~0.15 m 정도로 저감시킬 수 있으며, 저감율로는 15%~22%이지만, 전반적으로 길이의 변화에 따른 값의 변화가 크지 않다.
(3) 신형공진장치 II-1에서 lw로 정의되는 길이가 길수록 본 계산 범위 내에서 지진해일고가 줄어들고, 항내 중앙부에서 국부적으로 0.1 m~0.15 m 정도 작아지지만, 저감율은 크지 않다. 신형공진장치 II-2에서 la로 정의되는 길이가 길수록 항의 최내측과 중앙부에서 지진해일고가 미소하게 감소되지만, 역시 저감율은 작다.
(4) 신형공진장치 II-1 및 II-2에서 지진해일고의 최대저감율을 나타낸 각 길이에 대한 경우와 삼척항에서 현상태의 경우를 비교하면 국부적으로 현상태의 경우보다 최대 0.36 m 정도로 수위가 저감되고, 이는 40% 정도의 저감율을 나타낸다. 따라서, 신형공진장치 I의 경우보다는 신형공진장치 II-1과 II-2가 국부적으로 지진해일파의 제어에 보다 효과적인 것으로 나타나지만, 전반적인 수위의 저감효과, 현장조건 및 경제적인 부분을 충분히 감안할 필요가 있다.
(5) 삼척항에 신형공진장치 I, II-1 및 II-2를 적용하면 지진해일고에 대해 공진장치의 효과를 얻을 수 있지만, 공진장치에서 길이변화에 따른 효과가 충분히 나타나지 않았다. 이러한 결과는 적용한 공진장치 내에서 충분한 공진현상이 발생되지 않은 것으로 판단된다.
한편, 신형공진장치 I과 II를 초장주기파에 대해 실해역에서 공진장치의 유용성을 검토한 Latt and Nakamura(2011b)에 의하면 리아스식 해안을 따라 세장형으로 발달된 만내에서 공진장치의 길이를 2 km 정도로 고려하고 있는 점을 감안하면 신형공진장치 I과 II에 짧은 길이가 적용된 것으로 판단된다. 따라서, 현장 여건과 지진해일파의 특성에 부합되는 신형공진장치 I과 II의 최적화를 위해서는 공진장치의 형상, 배치 및 크기에 관한 보다 많은 경우의 수에 대한 검토가 수행될 필요가 있다.
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