부산 연안 소파블록(테트라포드)의 한계 파고 추정

2.1 부산 연안 테트라포드 현장 선정

본 연구에서는 부산 연안(기장∼부산항~가덕도) 소규모 어항의 방파제 또는 호안에 시설된 소파블록(테트라포드, Tetrapod/T.T.P)에 대해 현장조사를 실시하였다.

Fig. 3(A)는 본 연구대상인 부산 연안의 방파제 또는 호안 구조물의 총 34개 조사 정점의 공간 분포를 나타내었다. 연구 조사 영역은 전체 해역을 3개의 해역으로 구분하여 자연해안에 분포하는 I 구역(11개 지점), 도시 및 항만이 위치하는 II 구역(9개 지점), 도심 대하천 및 기타 부산항계 외부에 위치하는 III 구역(5개 지점)으로 구분하여 해석하고자 하였다. 현장 조사는 2019년 05월 11일부터 25일까지 수행하였으며 군사시설 및 외부인 출입금지 구역에 위치하는 경우이거나 테트라포드 피복재가 없는 연안 시설물은 조사에서 제외하였다.

Fig. 3.

Location of breakwater and revetment in this study area.

일반적으로 방파제 설계 시 방파제 배후 시설의 중요도, 이용목적, 부두시설 유무, 입사파 진행 방향 등의 다양한 조건에 따라 제간부 내측/외측, 제두부의 케이슨(제체)의 높이 그리고 피복석(테트라포드)의 중량을 다르게 설계한다.

따라서 본 연구에서는 방파제의 경우 Fig. 3(B)에서와 같이 육지에서 방파제의 첫번째 굴절이 있는 부분까지 직선 구간(c)을 제간부 내측(Inside), 두번째 굴절 지점까지 직선 구간(b)을 제간부 외측(Outside), (b)의 제간부를 제외한 바다쪽 단부(a)를 제두부(Head of breakwater)로 구간별 구분하여 조사하였다. 현장조사 시 제간부의 내측/외측과 제두부의 테트라포드의 중량을 모두 측정하였다. 또한 본 연구에서는 현장조사를 통해 테트라포드의 형태 치수 및 시설배치(정적 또는 난적 여부), 방파제 시설 방향(주 파향과의 상관성 비교 자료)등을 측정하고 기록하였다.

2.2 테트라포드 중량 측정

한국항만협회(Korea Ports & Harbours Association[1985])의 시공메뉴얼에 해당하는「Tetrapod 설계 및 시공」은 일반적인 테트라포드의 형태와 치수를 상세히 제시하고 있다. Fig. 4는 방파제 또는 호안 공사에 사용되는 테트라포드의 치수를 나타낸 그림이며 특별한 조건이 있는 경우를 제외하고는 이 형태를 따른다. Table 1은 Fig. 4에 상응하는 각 규격에 따른 테트라포드의 실제 중량, 체적, 거푸집 크기를 나타내고 있다.

Fig. 4.

Dimensions and specifications of tetrapod (KPHA, 1985).

Table 1.

Weight list for characteristic values of tetrapod (KPHA, 1985)

따라서 본 연구에서는 Fig. 4와 Table 1을 이용하여 주어진 테트라포드의 수치 중 측정하기에 용이한 D3 길이를 실측하여 각 방파제 또는 호안에 시설된 테트라포드의 중량을 추정하고자 하였다. Fig. 5는 현장에서 줄자를 이용하여 소파블록인 테트라포드의 크기(D3)를 측정하는 장면을 보여주고 있다.

Fig. 5.

Scene measuring D3 size of the wave dissipation block.

2.3 한계 파고 역산

일반적으로 방파제 및 호안의 소파블록(테트라포드)은 기본적으로 설계파, 설계조위, 해저 토질 등을 고려하여 제작되며, 그 중량을 산정하는 방식으로는 우리나라의 항만 및 어항 설계기준·해설(MOF[2014])에 Hudson 식 (Hudson[1959]) 및 van der Meer 식(van der Meer[1987])이 제시되어 있다. 하지만 우리나라는 과거부터 아래 식 (1)과 같은 Hudson 식을 소요 중량산정에 사용해 왔다.

위 식 (1)에서 W는 피복재 중량, γ_γ는 피복재 비중, S_γ은 피복재의 해수에 대한 상대 비중, K_D는 안정계수, H는 설계파고, α는 비탈면과 해수면과의 각도이며, 소파블록의 경우 1.3~1.5를 사용한다(MOF[2014]).

Shore Protection Manual(USACE[1984])의 개정판인 Coastal Engineering Manual(USACE[2005])에는 Hudson 식을 근간으로 Tetrapod의 경우에 사면 경사 1:1.5인 경사제에 대해 제간부 구간의 중량산정을 위해 쇄파와 비쇄파 조건에서 각각 K_D= 7과 K_D= 8을 제시하고 있으며, 제두부 구간에는 K_D= 5와 K_D= 6을 제시하였다(Kim and Lee[2017]).

실제 구조물 시공에 있어서, 현장 여건이나 공사비 등의 이유로 안전율을 고려하여 소요 중량 산정 값보다 큰 소파블록을 사용하기도 하므로 식 (1)을 통해 설계 파고를 역으로 정확히 추정하기에는 무리가 있으나, 현재 시설되어 있는 소파블록의 불안정 한계 파고(Limiting wave height)를 추정해낼 수는 있다. 한계 파고란 일정 수심에서 쇄파가 발생하기 시작하는 파고의 의미를 가지나, 본 연구에서는 소파블록이 불안정함(한계)을 가지는 파고의 크기의 의미로 사용하고자 한다.

따라서 본 연구에서는 피복재의 중량(관측값) 및 사면경사 α, 각종 설계된 계수(K_D) 값을 가정한 Hudson 식을 적용하여 한계 파고를 산정하였다. 여기서, 사면경사는 MOF[2014]와 USACE[2005]의 문헌을 통해 결정하였으며, 34개의 모든 정점에 대해 α=1.5의 값을 적용하였고 그에 따른 K_D 값을 이용하였다.

3.1 테트라포드 현장조사 결과

현장 조사를 통해 부산 연안에 위치한 총 34개 조사 정점의 방파제 또는 호안에 시설된 테트라포드의 현황을 조사하였다. Table 2는 각 조사 정점의 위치, 방파제 또는 호안의 종류, 시설물의 설치방향, 피복석의 정적 또는 난적의 상태, 테트라포드의 D3 측정값을 정리한 결과이다. 아울러 D3 값을 이용하여 산정된 중량 값을 위 식(1)의 Hudson 식에 대입하여 비쇄파조건(non-breaking condition)과 쇄파조건(breaking condition)에 따라 나누어 한계 파고를 산출하여 정리하였다.

Table 2.

Estimation of the weight and limiting wave height of the tetrapod D3 size in the study area

상술한 총 34개의 조사 정점 중에서 방파제인 경우는 24개소, 호안은 10개소이며 피복석이 정적(uniform)인 경우는 12개소, 난적(random)인 경우는 22개소에 해당하였다. 또한 시설물의 설치 방향(구조물의 설계파 입사 파향)은 다소 차이가 있으나 대체적으로 SW~E계열이었다.

3.2 테트라포드 중량의 공간 분포

현장 조사를 통해 얻은 부산 연안의 방파제 또는 호안의 테트라포드의 중량을 분석한 결과를 그림으로 제시하면 Fig. 6과 같다.

Fig. 6.

Comparison of wave dissipation block (TTP) weights of small fishing ports and revetment in Busan coast.

일반적인 사항이지만 제두부의 테트라포드 중량이 제간부에 비해 큰 값을 나타냈으며, 중량이 가장 큰 정점은 대변항 방파제(No.5)로 40 ton이었다. 다음으로 청사포 방파제(No.17) 32 ton, 민락동어항 방파제(No.22) 32 ton, 동암항 방파제(No.10) 25 ton 순이었으며, 가장 작은 정점은 명지(No.31)와 녹산(No.32) 호안으로 3.2 ton이었다. 기장 연안(I구역)의 테트라포드 제두부 평균 중량은 16.01 ton, 해운대 및 부산항 주변 연안(II구역)은 18.86 ton, 낙동강 하구역 및 가덕도 연안(III구역)은 10.1 ton이었으며 전체 평균은 16.14 ton으로 조사되었다.

조사 지역별로 살펴보면 기장 연안(I구역)의 방파제에서는 제간부 내측의 테트라포드 중량이 제간부 외측의 테트라포드 중량보다 큰 지역이 다수 관측되었다. 부산 기장 연안은 어업이 주로 행해지는 소규모 어항 지역으로서 어선이 정박하고 있는 경우가 많고, 어선은 대체로 항 입구부로부터 먼 제간부 내측에 계류한다. 이는 월파가 발생할 때의 피해를 예측했을 때 제간부 내측의 피해가 더 크다고 예상하여 소파블록의 중량을 크게 설계한 결과로 해석할 수 있다.

해운대 및 남구 연안(II구역)의 테트라포드는 다른 지역의 경우보다 월등히 큰 중량을 보이는데 이는 방파제 및 호안 배후가 주거시설과 맞닿아 있는 지리적 조건에 의한 결과로 보인다. 부산항 주변(II구역)의 테트라포드 중량은 항만시설과 관련이 없는 경우 작게 나타났으며, 항만과 밀접한 관계를 가지는 경우 중량이 크게 나타났다. 이는 항만을 보호하고 항내 정온도를 향상시키기 위한 목적을 확인할 수 있다. 이에 반해 낙동강 하구역 및 가덕도 연안(III구역)에 시설된 테트라포드는 다른 지역의 경우보다 월등히 작은 중량을 보였다.

일반적으로 제두부를 제간부 중량의 1.5배로 설계하는 지침이 있지만, 조사한 자료에 따르면 부산 연안에 위치한 방파제의 20%만이 조건을 만족하고 있었으며 나머지 80%의 방파제는 두 구간이 동일하거나 오히려 반대의 결과를 나타냈다.

3.3 구간별 테트라포드 중량 분석

현장 조사를 통해 획득한 방파제의 제간부(내측/외측) 및 제두부의 테트라포드 중량을 나타내보면 다음과 같다.

방파제의 경우, 임랑(No.1), 서암(No.8), 이기대(No.24)에서 제간부와 제두부의 테트라포드 중량이 같음을 확인하였다. 세 지역 모두 큰 중량을 사용하지 않았으며 배후지가 항만이 아니기 때문에 허용 월파량이 높게 산정되었을 것으로 추측된다.

전반적으로 제간부 내측, 제간부 외측, 제두부 순으로 중량이 증가하는 경향을 보이며, 이동(No.2), 민락동(No.22), 남천동(No.23) 방파제의 경우 제간부 외측과 제두부의 중량이 같게 산정된 것을 확인할 수 있다. 다만, 예외적인 경우로 이동 방파제(No.2)와 죽성 방파제(No.4)에서는 제간부 내측의 중량이 제간부 외측과 제두부에 비해 높은 것으로 나타났다. 이는 앞서 언급한 이유로, 어선이 제간부 내측에 대부분 계류되어 있는 영향으로 판단된다.

방파제 인근에 위치한 호안에서의 테트라포드 중량은 일반적으로 해당 방파제보다 조금 낮게 산정된 것으로 보이나, 낫개(No.29) 정점의 경우 호안에서 더 높은 중량의 테트라포드가 관측되었다. 이는 호안 배후에 학교 및 주택가를 포함한 주거지가 위치하고 있어, 배후지의 중요도를 높게 평가하여 허용 월파량을 낮게 산정했기 때문으로 추측된다. 마찬가지로 해운대 마린시티(No.19) 호안의 테트라포드 역시 해당 지역의 파고나 기후 조건, 배후지의 중요성을 고려하여 중량이 높게 산정된 것으로 추측된다.

또한 동일 지점의 방파제 및 호안에 시설된 테트라포드의 중량이 일정할 것으로 예측되었으나, 실제 현장 조사를 수행한 결과에서는 그렇지 않았다. 즉, 대부분 두 개 이상의 중량의 테트라포드가 혼용되어 시설되었으며, 상단부 또는 특정 구역에서 다른 중량의 테트라포드로 보강한 것으로 추측되는 곳이 관찰되었다. 임랑 방파제, 서암 젖병 등대 부근, 청사포 방파제 근처의 호안, 수영만 매립지호안, 민락동 방파제 근처의 호안, 이기대 방파제, 중리항 호안을 제외한 모든 조사 정점에서 중량이 다른 2가지 종류 이상의 테트라포드를 사용한 것이 확인되었다.

정적과 난적의 소파블록 시설 형태에 따른 특징을 분석한 결과, 방파제의 경우 정적 7 정점, 난적 17 정점, 호안의 경우 정적 5 정점, 난적 5 정점으로 시설되어 있는 것을 확인하였으며, 해안 구조물의 종류나 시설 위치에 따른 정적/난적의 규칙성은 발견하지 못했다.

정적과 난적의 시설 형태에 따른 테트라포드 중량 특징을 살펴 보고자 두 시설 형태를 혼용한 구덕포 방파제를 적용하였다. 정적의 구덕포1(No.13) 정점의 경우 방파제 전체에 동일한 중량의 테트라포드로 시설되어 있었으며, 난적의 구덕포2(No.14) 정점의 경우, 제간부 내측과 제두부는 18 ton의 동일한 테트라포드가 시설되어 있으나, 제간부 외측에 12.5 ton의 테트라포드가 시설되어 있었다. 즉, 난적으로 시설된 구덕포2 정점의 제간부 내측이 외측보다 중량이 큰 테트라포드가 시설되어 있으며, 이는 보강한 것으로 추측할 수 있다. 따라서 보수, 보강 등의 추가 공사로 정적에서 난적으로 시설 형태가 변한 것으로 추측되며, 그 외 정적과 난적으로 인한 테트라포드 중량의 다른 특징은 발견하지 못했다.

3.4 부산 연안의 한계 파고 분포

현장 조사를 통해 얻은 부산 연안의 방파제 또는 호안의 테트라포드의 중량을 이용한 비쇄파 및 쇄파 조건에서의 한계 파고를 산정한 결과는 각각 Fig. 7 및 Fig. 8과 같다.

Fig. 7.

Estimation of limiting wave height using wave dissipation block (TTP) weight under non-breaking condition.

Fig. 8.

Estimation of limiting wave height using wave dissipation block (TTP) weight under breaking condition.

테트라포드 중량을 통해 역산출한 결과, 조사 정점별 비쇄파 조건에서의 한계 파고가 가장 큰 정점은 대변항 방파제(No.5)로 6.79 m였으며, 다음으로 청사포 호안(No.16) 6.25 m, 민락동 어항 방파제(No.22) 6.25 m, 공수항(No.11) 5.8 m 순이었다. 한계 파고가 가장 작은 정점은 명지(No.31)와 녹산(No.32) 호안으로 3.15 m이었다. 방파제 제간부 외측에서 평균 한계 파고가 가장 높게 나타났으며, 기장 연안(I구역)의 제간부 외측 한계 파고는 5.10 m, 해운대 및 부산항 주변 연안(II구역)은 5.28 m, 낙동강 하구역 및 가덕도 연안(III구역)은 4.28 m이었으며 전체 평균은 5.09 m로 조사되었다.

또한 조사 정점별 쇄파 조건에서의 한계 파고가 가장 큰 정점은 대변항 방파제(No.5)로 6.49 m였으며, 다음으로 청사포 호안(No.16) 5.98 m, 민락동 어항 방파제(No.22) 5.98 m, 공수항(No.11) 5.55 m 순이었다. 한계 파고가 가장 작은 정점은 명지(No.31)와 녹산(No.32) 호안으로 3.01 m이었다. 방파제 제간부 외측에서 평균 한계 파고가 가장 높게 나타났으며, 기장 연안(I구역)의 제간부 외측 한계 파고는 4.88 m, 해운대 및 부산항 주변 연안(II구역)은 5.05 m, 낙동강 하구역 및 가덕도 연안(III구역)은 4.09 m이었으며 전체 평균은 4.87 m로 조사되었다.