파랑의 변형에 대한 고려

여러분~이번시간에는 파랑의 변형에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

작성될 내용을 좀 더 자세히 알아보고 싶으신 분들은 관련 설계기준을 다운 및 확인할 수 있는 아래 사이트를 확인하시기 바랍니다.!!

 

항만기술기준 정보시스템 (portcals.go.kr)

 

 

항마시설 설계 시의 파랑은 굴절, 회절, 반사, 천수 및 쇄파 변형 등과 같은 전파변형을 고려하여 산정하여야 합니다.

파랑변형은 수심과 흐름의 변화 및 구조물 등에 의해 발생됩니다. 수심이 파장의 1/2 이하인 수역에서는 파랑은 해저의 영향을 받아 파속은 느려지고 파장이 짧아지며 파고도 변하게 됩니다. 따라서 수심이 파장의 1/2 이상인 해역을 심해역이라 하고, 이보다 얕은 해역을 천해역이라 칭합니다.

항만 전경

불규칙파에 대한 심해역과 천해역의 구분은 심해파의 유의파 주기로부터 구한 파장과 이에 대한 수심으로 해역을 구분합니다. 천해역에서는 굴절, 회절, 천수 변형 및 쇄파 등의 영향을 받아서 스펙트럼 형태와 파고분포가 심해파의 상태와 다른 점을 고려해야 합니다.

외국의 항만 모습

파랑이 천해역을 진행할 때에는 수심변화에 따른 굴절, 회절 변형 뿐 만 아니라 천수변형도 고려하여야 합니다. 수심이 얕은 지역에서의 천수계수 산정 시에는 파랑의 비선형성을 고려하여야 합니다.

산정식

두 지점을 통과하는 단위폭당 에너지 수송량은 마찰 등과 같은 손실을 고려한 에너지보존식으로부터 천수계수가 계산됩니다. 수심이 변하면 파속과 군속도는 일정하게 변하지 않고 파랑 분산식에 의해 복잡한 변화를 보입니다.

천수계수 산정도

파랑이 천해역을 진행할 때에는 평면적인 수심변화에 따른 파속의 변화로 인해 굴절현상이 발생하므로 굴절에 의한 파향 및 파고 변화를 고려하여야 합니다. 자세한 식은 항만 및 어항 설계기준을 참고하시기 바랍니다.

항만의 보트 모습

방파제, 섬 등과 같은 구조물(지장물)에 의해 회절파의 영향을 크게 받을 것으로 예상되는 영역 내의 파고는 회절도, 회절계산 또는 수리모형실험으로 산정하여야 합니다.

방파제의 선단부 뒤편에도 파랑에 의한 수면의 진동이 발생됩니다. 이는 파랑 에너지가 큰 쪽에서 작은 쪽(방파제로 인한 차폐구역)으로 이동되는 회절현상에 의해 나타납니다. 회절은 항내 파고를 산정하는 경우에 가장 중요한 현상이며, 회절계산시 파랑의 불규칙성을 고려해야 합니다. 항내 수심이 일정하다고 가정하면 반 무한방파제나 단일개구부를 갖는 직선배치방파제에 대해서는 불규칙파의 회절도가 요구됩니다. 회절에 의해 변화하는 파고의 비율을 회절계수 라 하며, 회절계수 는 다음 식으로 나타낼 수 있습니다.

회절계수 산정식

회절도 및 회절계산법은 항내 측 수심이 일정하다고 가정하고 있습니다. 따라서 항내의 수심변화가 큰 경우에는 오차가 크게 발생하기 때문에 수리모형실험이나 굴절을 동시에 고려할 수 있는 수치계산법으로 항내 파고를 검토하는 것이 바람직합니다.

 

수심변화 등으로 인해 파고의 공간적인 변화가 상당히 클 경우에는 굴절・회절 변형을 동시에 고려해야 합니다.

방파제 또는 이안제 및 해안측의 수심이 변하는 경우는 굴절․회절 변형이 동시에 발생됩니다. 이와 같은 경우의 파고 및 파향은 근사적으로 다음의 순서에 따라서 추정할 수 있습니다.

① 방파제 및 이안제까지의 굴절도를 작성합니다.

② 이 점에서 해안쪽으로 3〜4 파장 정도의 연속파봉을 가진 회절도를 작성합니다.

③ 이 회절도에서 결정한 해안쪽의 파봉선에서 구할 파향에 의해서 연안 지점까지 또는 쇄파 지점까지 새로운 굴절도를 작성합니다.

④ 해안에 가장 가까운 파봉선의 파향 및 파고, 그리고 이에 연결되는 굴절도에서 연안 지점 또는 쇄파 지점의 파고와 파향을 산정합니다.

 

굴절․회절 변형을 동시에 나타내는 완경사 파랑식을 이용하여 수치계산법에 의해 파랑을 계산할 수 있습니다. 그러나 완경사 파랑식에 의한 방법은 정확하나 넓은 해역에 적용하는 데에는 계산 시간이 비교적 많이 소요됩니다. 이에 비해 계산 속도가 빠르고 쇄파 지역의 경계조건 설정이 용이한 포물형 완경사 파랑식이 파랑 추정에 많이 이용됩니다.

파랑 변형의 수치모형 결과는 수리실험 또는 실측값과 비교하여 신뢰도를 검증해야 한다. 수치모형은 각기 다른 특성을 가지고 있기 때문에 결과의 해석에 세심한 주의가 필요하며, 특히 모형의 장‧단점 및 포함된 가정을 이해하지 못하는 경우에는 수치해석결과를 잘못 해석하지 않도록 주의합니다.

 

지금까지 파랑의 변형에 대해 간략히 알아보았습니다. 파랑의 변형은 항만설계에 있어 아주 중요한 부분입니다. 따라서 전문적인 서적을 통해 이 부분을 꼭 이해하는 것이 좋을 것 같습니다. 저도 꼭 이해하고 넘어가도록 하겠습니다. ^^