KR20000018384A - 반원형 매트를 이용한 공기 부양식 방파제 - Google Patents

Abstract

본 발명은 항만내 계류된 선박 및 연안 시설물을 보호하기 위하여 파를 막는 방파제의 구조물로 특히, 반원형 매트를 이용한 공기 부양식 방파제에 관한 것이다.

종래의 천을 이용한 방파제는 토사에 의하여 매몰되거나 침하되지 않도록 콘크리트 기초가 필요하며, 방파제를 해저면에 단단히 고정시키기 위하여 고정파일(22) 작업이 요구되거 백(20) 안으로 해수(21)를 공급하거나 빼낼 수 있는 대형 펌프와 급·배수시설(23)이 필수적으로 요구되는 단점과 함께 이러한 방파제는 물에 잠겨있어 해양경관 보호에는 유리하지만, 잠긴 깊이가 얕아 선박운항에 지장을 주는 단점과, 수평매트(30)를 고정시키기 위하여 고정파일(30)작업이 필요하며 길이방향으로 파일사이의 간격이 너무 길면 매트 양단이 완전히 고정되지 않아 소파 효과가 떨어지는 단점을 가지고 있다.

본 발명은 상기한 단점을 개선하여 방파제가 갖추어야 할 기능, 자연경관을 해치지 않고, 방파제 설치가 선박의 운항에 지장을 주지 않아야 하고, 방파제를 통하여 해수교환이 가능해야 하고, 설치장소가 해저지형에 영향을 받지 않아야 하고, 약한 지반에서도 시공이 가능해야 하고, 건설비가 비교적 싸고, 설치기간이 짧아야되는 조건을 이루도록 한 발명이다.

Description

반원형 매트를 이용한 공기 부양식 방파제

본 발명은 항만내 계류된 선박 및 연안 시설물을 보호하기 위하여 파를 막는 방파제 구조물로 특히, 반원형 매트를 이용한 공기 부양식 방파제에 관한 것이다.

좀더 세분화하여 분류하면 파를 완전히 차단하는 구조물을 방파제이며, 파의 에너지를 감소시켜 투과된 파를 줄이는 구조물은 소파제라 한다. 그러나 넓은 의미에서 둘다 방파제로 부르고 있다.

이러한 방파제들은 돌이나 콘크리트 블록을 쌓아 올린 고정식이 대부분이다. 그러나 이러한 형식은 설치 수심에 한계가 있으며, 해저경사가 급한 해안이나 약한 지반 위에서는 설치할 수 없는 단점을 가지고 있다.

또한 구조물의 높이가 해수면 보다 높은 경우에는 자연경관을 해칠 수 있고, 파도 뿐만 아니라 해수의 흐름을 완전히 차단하므로 해수교환 기능이 없는 단점을 가지고 있다. 따라서 해양레져 시설물이나 수산양식 시설물 보호를 위하여 설치하는 데에는 많은 문제점이 있다.

특히 고정식 방파제는 제작·설치비가 비싸 소규모 항구에 설치하기가 현실적으로 불가능하고, 이러한 이유로 미 구축됨에 따라 소규모의 어항에서는 태풍이 도래할 때에 소형선박들은 육지나 방파제 시설을 갖춘 큰 항구로 이동, 대피를 하고 있다.

대피 후 다시 조업을 시작하는데 걸리는 시간은 약 7-10일 정도로서 이로 인한 시간과 노력은 경제적으로 볼때에 막대한 비용이 소요된다.

이에 따라 상기한 고정식 방파제가 갖는 단점들을 보완하는 새로운 형식의 방파제에 대한 연구가 일본을 중심으로 최근 활발히 진행중에 있다.

신형 방파제가 갖추어야 할 기능들로는 첫째, 자연경관을 해치지 않고 둘째, 방파제 설치가 선박의 운항에 지장을 주지 않아야 하고 셋째, 방파제를 통하여 해수교환이 가능해야 하고 넷째, 설치장소가 해저지형에 영향을 받지 않아야하고 다섯째, 약한 지반에서도 시공이 가능해야 하고 여섯째, 건설비가 비교적 싸고, 설치기간이 짧아야 한다.

이에 따라 최근에 폴리에스터(Polyester)천이나 나일론(Nylon)천 위에 PU(Polyurethane), PVC를 코팅한 화학섬유나 네오프렌(Neoprene, 합성고무의 일종), Hypalon과 같은 고무를 코팅한 천이 개발되고 그 수명과 강도가 향상됨에 따라 이러한 유연한 천을 이용하는 방파제에 관한 연구가 시작된바 있다.

상기의 유연한 천을 이용한 방파제는 기존의 콘크리트나 사석 방파제와 같은 강체 구조물에 비하여 가격면에서 월등히 유리하고, 가볍기 때문에 제작이 쉽고, 다루기가 손쉬워 설치 및 이동이 용이하며, 공장에서 미리 제작이 가능하므로 설치기간이 짧은 특징, 또한 고정식 구조물은 파도나 흐름에 의한 힘을 내부에서 저항하므로 응력(Stress)이 큰 반면에 유연성이 있는 천은 힘을 받으면 쉽게 변형을 하기 때문에 응력이 상대적으로 작아 태풍시 파손될 위험이 적다.

상기 유연한 천을 이용하여 제작·설치되 방파제중, 일본에서 개발된 몰수형 유연막 방파제(Submerged Flexible Mound Breakwater)가 도 4에 도시된 바 있다. (이하 편의상 SFMB로 칭함)

상기 방파제는 고무 코팅천(Neoprene)으로 일체의 반원형 백(20)을 만들어 백(20) 내부에 해수(21)를 주입시켜 해저면에 설치하고 파도가 심하지 않을 때에는 백(20) 안에 해수(21)를 밖으로 빼내어 해저면에 가라앉히게 되었다.

즉, 파도가 심할 때는 백 안으로 해수를 주입하여 반원형 방파제 형상을 유지하도록 함으로서 배 안에 해수가 채워진 반원 형태의 방파제는 입사파(Incident Waves)를 차단하여 항만내의 정온도를 유지시킨다.

이 SFMB의 장점들은 기존의 콘크리트나 사석 방파제에 비하여 가격이 저렴하고, 설치시간이 짧고 해양경관을 해치지 않고, 선박운항에 지장을 주지 않는 장점, 또한 방파제 상단과 해수면 사이로 해수의 교환을 일부 허용함으로 항내 수질개선 측면에서도 유리한 특징을 가지고 있다.

그러나 방파제가 토사에 의하여 매몰되거나 침하되지 않도록 콘크리트 기초가 필요하며, 방파제를 해저면에 단단히 고정시키기 위하여 고정파일(22) 작업이 요구되고 백(20)안으로 해수(21)를 공급하거나 빼낼 수 있는 대형 펌프와 급·배수시설(23)이 필수적으로 요구되는 단점이 있다.

이와 달리하여 본 출원인은 대한민국 특허출원 1997년 제68967호에 물과 공기가 채워진 수평형 매트로 만든 유연막 방파제를 특허 출원하였다.

이 선발명은 도 3에 도시된 바와같이 물과 공기가 채워진 수평매트(30)를 제작하여 수면하 일정한 지점에 고정파일(32)에 고정시켜 파를 막는 방파제이다.

이러한 구성에서 파도중 수평매트(30)의 운동특성은 수평매트(30)에 걸리는 초기장력에 따라 달라지며, 원하는 초기장력을 주기 위하여 수평매트(30) 안에 압축공기를 불어넣는다. 즉, 수평매트(30)를 이용한 방파제의 기본원리는 다음과 같다. 입사파(Incident Waves)는 고정된 수평매트(30)에 의해 일부는 투과(Trans mission)되고 일부는 반사(Reflection)된다. 또한 입사파에 의해 수평매트(30)는 운동을 하며, 이러한 운동에 의하여 수평매트(30)로부터 방사파(Radiated Waves)가 발생한다. 중첩원리에 의하여 방파제를 통과하는 파는 투과파(Transmitted Waves)와 방사파의 합으로 표현된다. 방사파의 위상이 투과파의 위상에 반대가 되도록 수평형 매트의 형상과 잠긴깊이 그리고 초기장력을 조정하여 투과파의 파고를 감소시키게 되는 것이다.

그러나 이러한 방파제는 물에 잠겨있어 해양경관 보호에는 유리하지만, 잠긴 깊이가 얕아 선박운항에 지장을 주는 단점과, 수평매트(30)를 고정시키기 위하여 고정파일(30)작업이 필요하며 길이방향으로 파일사이의 간격이 너무 길면 매트 양단이 완전히 고정되지 않아 소파 효과가 떨어지는 단점을 가지고 있다.

본 발명은 전술한 6가지 요구사항들을 거의 모두 충족시키는 새로운 형식의 방파제를 제안하였다.

본 발명은 파도를 막아 연안에 설치된 해양시설물과 수산양식시설물 그리고 계류된 선박을 보호하는 새로운 형태의 방파제로서 특히 콘크리트나 사석과 같은 강재를 사용하지 않고 유연한 천을 만든 반원형 매트를 이용하도록 된 것이다.

본 발명의 특징은 파를 막을 필요가 없는 평상시에는 매트 안에 공기를 빼내어 콘크리트 기초 위에 가라앉히고, 태풍이 올때에는 매트 안으로 공기를 주입하여 반원형 형상을 갖는 방파제로 형성시키고 또는 공기주입으로 과도한 수직방향의 부력을 줄이기 위하여 매트내에 물을 채운후 공기를 주입할 수 있다.

즉, 특별한 경우에만 방파제의 기능을 수행하고 평상시에는 해저면 바닥에 가라 앉히는 것이다. 따라서 평상시에는 방파제 설치 지점위로 선박이 자유롭게 지나 갈 수 있으며, 또한 방파제 설치로 인한 해양환경에 미치는 영향이 전혀 나타나지 않도록 함을 목적으로 한 발명이다.

도 1은 본 발명의 반원형 매트의 공기부양 상태의 사시도.

도 2는 도 1의 사용상태 단면도로

(가)는 공기가 주입된 상태의 측면도

(나)는 공기를 뺀 상태의 측면도.

도 3은 종래의 몰수형 유연막 방파제 사용예시도.

도 4는 종래의 또다른 몰수형 방파제로

(가)는 물을 주입한 사용상태의 단면도.

(나)는 물을 뺀상태의 단면도.

도면의 주요 부분에 대한 설명

1 : 매트 2 : 파일 3 : 공기주입구

4 : 호스 5 : 와이어 로프 6 : 콘크리트 기초

7 : 컴프레셔 8 : 해저면 9 : 해수면

10 : 공기 11 : 돌핀 12 : 부력재

본 발명은 해양시설물이나 수산양식시설물 그리고 계류된 선박을 보호하는 방파제로서 특히, 방파제의 재질을 유연한 천으로 만든 매트를 이용한 반원형 매트를 해저면 위에 설치된 착저식 콘크리트 기초 위에 고정시켜 태풍이 올때에는 매트 안으로 공기를 주입하여 반원형태의 방파제로 활용하고,

평상시에는 공기를 빼내어 매트를 콘크리트 기초 위에 가라 앉혀 그 상부측으로 해수교환을 촉진시키고, 선박운항을 가능케 함과, 매트에 공기를 주입하는데 컴프레셔와 적당한 길이의 호스의 간단한 구성으로 그 구성을 간단히 할수 있도록 한 것으로서 매트에 작용하는 파도나 흐름에 의한 수평 하중은 콘크리트 기초 바닥 해저면 사이의 마찰력으로 지지되며, 매트의 부력과 파도나 흐름에 의한 수직력은 콘크리트 기초의 자중에 의해 지지되도록 하고 필요에 따라서는 해저면에 파일을 박아 콘크리트 기초를 고정시켜 수평력과 수직력을 안정되게 지지하도록 하였다.

이하 본 발명을 첨부도면에 의하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 반원형 매트의 공기부양 상태의 사시도이고 도 2는 도 1의 사용상태 단면도로 (가)는 공기가 주입된 상태의 측면도이고 (나)는 공기를 뺀 상태의 측면도를 도시한 것이다.

상기 도면에 도시된 바와 같이 본 발명은 반원형 매트(1)을 해저면에 고정하는 파일(2)과 함께 콘크리트 기초(6)을 형성하고 상기 매트(1)에 공기를 주입하는 컴프레셔(7)와 호스(4) 및 공기주입구(3)등으로 구성되어 있고 매트(1)를 구부려 와이어 로프(5)로 양 끝단을 연결시켜 반원형을 유지하도록 하였다.

이에 따라 평상시에는 매트(1)안의 공기를 빼내어 콘크리트 기초(6)위에 가라앉치고 이때 매트(1)안의 공기(10)는 수압에 의하여 쉽게 빠진다.

태풍시에는 컴프레셔(7)를 작동시켜 호스(4)를 통하여 공기(10)를 매트(1)에 공급함으로서 매트( )의 공기압력으로 매트(1)가 반원형으로 부풀게 한다.

매트(1)에는 압력센서를 설치하여 메트(1)내 압력이 정해진 압력 이상이 되면 공기 공급을 차단하도록 하였다.

이는 매트(1)안의 공기압은 매트 방파제 성능에 영향을 주므로서 일정한 압을 유지하는 것이 바람직하다.

이러한 반원형 매트(1)는 양 끝단에 설치된 고리를 이용하여 콘크리트 기초(6)위에 고정되고 설치될 방파제의 길이에 맞게 일정한 크기의 여러개로 분리 제작하여 설치하되, 이때 매트(1)와 매트(1)사이에는 일정한 간격을 두어 해수 및 어패류가 이동가능하도록 하는 공간을 형성한다.

컴프레셔(7)는 매트 방파제 주위에 설치하는 것이 바람직하다. 즉, 방파제 설치지점이 육지와 가까우면 컴프레셔(7)를 육지에 설치하여 컴프레셔(7)와 매트(1)의 공기주입구(3)를 호스(4)로 연결한다.

또는 설치지점이 육지와 멀리 떨어져 있으면 돌핀(11)을 설치하여 그 위에 컴프례셔(7)를 설치하여 안전성과 보관성 제작과 설치의 편리성에 의해 그 장소를 변경가능함은 물론이다.

호스(4)에 부력재(12)나 고정장치를 설치하여 압축공기 주입으로 발생하는 호스의 동요를 구속시켜 호스(4)의 파손을 방지하도록 하였다.

이와같이 구성된 본 발명의 작용효과를 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 반원형 매트의 공기부양 상태의 사시도이며 도 2는 도 1의 사용상태 단면도로 (가)는 공기가 주입된 상태의 측면도이고 (나)는 공기를 뺀 상태의 측면도를 도시한 것으로서, 이에 도시된 바와같이 본 발명은 유연한 천으로 구성된 공기 매트(1)를 활 모양(반원형)으로 구부려 양 끝단을 와이어 로프(5)로 묶어 반원형태로 구성한 각각의 매트(1)를 일정한 간격으로 여러개를 해저면위에 설치된 콘크리트 기초(Base)위에 고정시키되, 매트와 매트사이에 간격을 일정하게 형성시키고 이에 컴프레셔(7)과 매트(1)의 공기주입구(3)를 호스(4)로 연결구성한다.

파랑에 의한 반원형 매트(1)에 작용하는 수평력과 수직력은 콘크리트 기초와 해저면 사이의 마찰력과 자중에 의하여 지지되며 파랑에 의한 하중이 지지력보다 크면 콘크리트 기초 양 끝단에 파일(2)을 박아 지지력을 높인다. 파도가 높지 않는 평상시에는 방파제가 전혀 필요치 않다.

이와같이 설치된 본 발명의 방파제는 보통 파랑이 적고 정온상태에서는 도 2(나)에서와 같이 상기 매트(1)의 공기를 빼내어 해저면에 가라앉힌다.

이러한 경우 소형 선박은 방파제 설치 지점 위(매트위)를 자유롭게 지나갈 수 있으며, 항만의 내외가 개방됨으로서 항만내로 완전한 해수교환이 이루어져 항내의 해수교환으로 오염을 방지하고 또한 수생식물의 서식을 촉진하게 되는 것이다.

태풍시에는 항내의 해양시설물이나 계류된 선박을 보호하기 위하여 방파제가 필요하게 된다. 이때 컴프레셔(7)와 매트(1)의 공기주입구(3)를 호스(4)로 연결된 상태에서 컴프레셔(7)를 작동시켜 호스(4)와 매트의 공기주입구(3)에 의해 매트 안으로 공기를 주입하면 주입공기에 의해 매트가 해수면까지 부양되고 도 1에지 도 2(가)에서와 같이 반원형태의 방파제가 구성된다.

즉, 육상이나 돌핀(Dolphin)에 설치된 컴프레셔(7)를 작동시켜 호스를 통하여 압축공기를 매트에 공급하면 반원형 매트 방파제의 소파원리는 3가지로 설명할 수 있다.

첫째 반원형 매트 방파제 설치로 갑작스런 수심의 변화가 생긴다. 특히 수심이 깊은 지역에서 얕은 지역으로 파가 통과할 때 파고는 높아지고 파장이 짧아지는 현상(Shoaling)이 발생한다. 그 결과 파는 안정성을 잃어 깨지면서 에너지가 감소된다. 파가 매트와 매트 사이의 뚫린 부분을 통과할 때 박리(Separation)현상이 발생하여 에너지가 소멸되는 것이다.

둘째 공기에 의하여 해수면 근처까지 부양된 매트는 해역의 대부분을 차단하므로 입사파의 에너지중 많은 부분이 반사되고 일부의 에너지만 반원형 매트를 통과하여 투과된다. 그리고 매트는 유연한 천으로 제작되었기 때문에 파도에 의하여 운동을 하고 이로 인해 파가 발생한다. 매트의 운동으로 생기는 파의 특성은 매트 내의 공기압력과 반원형 매트의 형상(폭과 높이) 그리고 입사파의 주파수에 따라 달라진다. 가장 우수한 방파제는 매트의 운동에 의하여 발생하는 파의 위상과 입사파의 위상을 반대로 하여 투과된 파의 높이를 감소시키는 것이다.

매트를 필요에 따라서 부양시키지 않고 영구적으로 사용할 경우, 어류는 매트와 매트사이의 개방된 부분을 통하여 매트 아래의 빈 공간으로 이동하여 포식자로부터 보호를 받을 수 있다. 다시 말하여 방파제로의 기능뿐만 아니라 어초의 기능을 함께 가지고 있어 다목적인 해양시설물로 활용할 수 있는 특징과 해수에 잠긴 매트는 파도나 조류와 같은 해양 하중에 노출되어 있어 반복하중에 의한 천의 손상과, 날카로운 해양 부유물에 의하여 천의 손상을 받을 위험이 있다. 이에 따라 매트의 손상여부를 수시로 점검하여 필요한 양만큼 매트를 교체해 주어야 한다.

이상의 본 발명은 해양 환경측면에서 바람직한 방파제이며 또 해양조건에 따라 방파제를 부양시키고 가라앉히는 개념이 선 개발된 SFMB와 유사하나 부양 방법에서 매우 큰 차이와 그 특징적 효과에서 현격한 차이점이 있다.

SFMB는 매트 대신 천으로 만든 백을 사용하였고, 백을 부풀리기 위하여 공기 대신 해수를 사용하나.

본 발명에서 백 대신 매트를 사용하여 적은 공기량으로 원하는 방파제의 형태를 효과적으로 만들 수 있어 짧은 시간내에 방파제로의 변환이 가능하고 SFMB는 대형 펌프와 급·배수관이 필요하지만, 매트 방파제는 단지 컴퓨레셔와 호스만의 구성으로 작동되므로 부가적인 시설비가 적게드는 경제적 장점과 또 SFMB는 일체형 백을 사용하여 방파제를 만들기 때문에 어느 한 부분이 손상을 받아 찢어지면 백안에 해수가 유출되어 방파제의 기능을 상실한다.

따라서 방파제를 보수하기 위하여 백 전체를 교체해야 하므로 교체작업에 따른 비용이 많이 소모되는 폐단이 있다.

반면에 본 발명은 일정한 길이를 갖는 여러개의 반원형 매트를 제작하여 연결한 구성이므로 손상을 받은 매트만 교체할 수 있기 때문에 보수·유지비가 적게 드는 특징과, 매트와 매트를 연결할 때 적당한 간격을 두어 해수가 통과하도록 하여 파가 개방된 부분을 통과할 때 박리(Separation)현상이 발생하여 파 에너지가 소멸되는 부가적인 이점 및 매트를 이용한 본 발명는 해상상태에 따라 부양시키거나 가라앉히는 방파제이지만, 장기간 동안 매트 안에 공기가 새지 않으면 부양시킨 상태로 영구적으로 사용할 수도 있고 또 영구적으로 매트 방파제를 설치할 때 발생하는 해수교환의 문제점은 매트와 매트사이에 뚫린 개방부분이나 매트 방파제의 상부를 수면하에 잠기게 하여 열린 부분을 통하여 해수교환이 되도록 하면 해결되는 특징과 함께 매트와 매트사이의 뚫린 부분을 통하여 어류가 자유롭게 매트 아래의 공간으로 이동하여 포식자로부터 보호를 받을 수 있는 어초로의 기능도 가지고 있다.

본 발명은 반원형 매트를 이용한 공기 부양식 방파제로 태풍시에는 매트에 공기를 주입하여 반원형태의 방파제로 구성시켜 항내의 계류선박이나 해양시설물을 보호하고, 평상시에는 매트에서 공기를 빼내어 해저면에 가라앉혀 그 상부로 이동되는 해수에의한 해수교환을 촉진시키도록 함으로서 방파제가 설치된 지점 위로 자유롭게 선박이 통과할 수 있는 특징과 함께 부양된 상태로 영구적으로 설치할 경우 물고기가 모이는 어초의 기능도 가지고 있어 다목적 해양시설물로 활용이 가능하도록 함과 특히 본 발명의 방파제는 해양환경보전 측면에서 유리하며, 제작비가 저렴하고, 설치가 간편하며, 매트만 교체할 수 있어 반영구적특징 및 대형 방파제 입구에 설치하여 방파제 입구에 통과하는 파를 차단하거나 소형어항, 해양 레져 시설물, 수산 양식시설물 보호용으로 설치하면 큰 효과가 증대될 수 있는 유용한 발명이다.

Claims (4)

1. 매트를 반원형으로 구성시켜 콘크리트 기초 위에 설치함과 함께, 평상시에는 매트 안에 공기를 빼내어 콘크리트 기초 위에 가라앉게 하고, 태풍시에는 매트안으로 공기를 주입하여 매트를 해수면까지 부양시켜 해양시설물과 계류선박을 보호하도록 함을 특징으로 하는 반원형 매트를 이용한 공기 부양식 방파제.
2. 제 1항에 있어서,

   매트에 압력 센서를 구성하여 매트 안의 압력이 원하는 값이 되도록 조절하는 기능을 구성함을 특징으로 한 반원형 매트를 이용한 공기 부양식 방파제.
3. 제 1항에 있어서,

   일정한 길이를 갖는 매트를 여러개로 구성시켜 방파제 길이에 맞게 연결하되, 매트와 매트사이에 일정한 간격을 두어 해수교환기능, 소파기능, 집어(集魚)기능을 할 수 있도록 함을 특징으로 한 반원형 매트를 이용한 공기 부양식 방파제.
4. 제 1항에 있어서,

   매트를 부양한 상태로 영구 설치시켜 매트 아래의 빈 공간이 포식자로부터 보호를 받을 수 있는 물고기의 서식지로 이용될 수 있는 어초 기능을 특징으로 한 반원형 매트를 이용한 공기 부양식 방파제.