Hot Tech - XA형태 유공 블록구조를 이용한 소파 구조 기술
Hot Tech는 기술을 선도하는 혁신기업으로부터 듣는 최신 기술동향입니다.
▲ 김상훈 대표이사(주)새누리산업
기술개발 배경
전 세계 평균기온의 변화와 해수면 상승으로 인하여 3m 이상의 유의파고는 2008년 이후 14배 증가하였으며, 동해안 월별 최대 유의파고는 2010년 이후 2배로 급격히 증가하는 추이를 보이고 있다.
동해안은 매년 이상 고파랑의 잦은 내습으로 인한 연안 시설물 피해가 발생하고 있으며, 동시에 연안표사 이동량(Kamphuis, 1991)은 파고 10% 증가 시 모래 이동량이 21% 증가되어 매년 지속적 연안침식으로 인해 축구장 7개 이상의 국토가 유실되고 있는 실정이다.
이러한 연안의 환경 변화는 기후뿐만이 아닌 항만시설, 해안도로 및 연안 구조물로 인해 해류의 변동과 동시에 표사 차단에 따른 연안침식이 발생되고 있다.
전국 침식현황은 침식 우심 비율(C, D등급)이 기후 변화 및 태풍 등의 영향으로 점차 증가 추세에 있으며, 2008년 43%에서 2013년 63%로 지속적인 증가 추이를 보이고 있다.
그러나 국내의 자연 해양 복원기술은 미국 대비 54.4%로 기술격차 12.4년, 연안정비기술은 53.8%로 기술격차 11.2년으로 나타나, 매년 우심 등급 비율이 증가하는 추세를 보이고 있으나 국내 기술의 발전은 크게 이루어지지 않고 있는 실정이다.
이에 (주)새누리산업은 방파기능 구조물의 개발, 해안생태계 보호, 안정적 연안개발의 필요성을 느끼게 되었고 국제사회 경쟁력 확보를 위한 시장성 높은 기술개발, 선진 기술국과의 격차 해소를 위한 취약요소 강화, 국내기술 및 산업 발전을 위한 추동력 마련을 위하여 XA형태 유공 블록구조를 이용한 소파 구조기술을 개발하게 되었다.
국내 기술 상황
항만 건설에서 파랑에너지를 소산(消散)시키는 것을 목적으로 이형블록(TTP, Tetrapod)을 보편적으로 사용하고 있으며 방파제(防波堤), 호안(護岸), 안벽(岸壁) 등은 반사율이 적은 소파블록 및 소파 구조물을 이용하는 것이 일반적이다.
TTP는 1948년 프랑스의 NEYRPIC사가 개발하여 현재까지 가장 일반적으로 사용되는 소파블록으로 국내에는 1963년 여수항 동방파제에 처음 사용되어, 현재 국내외에 다양한 형태의 이형 블록으로 개발되었다.
TTP는 중력식 구조로 방향, 위치에 관계없이 구조안정성이 확보되지만, 지반 세굴시 순응성 미확보, 작업시 안정성 미확보, 추락 등에 따른 재해 발생 위험 등이 있으며, 시공 비용, 유지 보수, 기능성(해양생태계 조성), 환경성 등에 있어 미흡한 부분이 많은 것으로 평가되고 있다.
TTP의 유사제품은 지속적으로 변형되고 있으나 이러한 본래의 구조적 취약점은 개선이 이루어지지 않고 있으며, 해외 기술에 의존하여 지속적인 해외 로열티 지불과 동시에 국내 해양구조물 관련 개발이 이루어 지지 않고 있는 실정이다.
기술 상세내용
기존 TTP 소파블록은 중력식 구조물로서 파랑에너지를 쇄파하는 목적 구조물이며, 매년 고파랑이 증가함에 따라 설계소요 중량이 함께 증가하는 현상을 보이고 있다.
본 기술은 직립식 구조물로서 XA형태 유공블록 구조를 이용하여 파랑에너지의 단계별 저감 및 반사율 등의 소파 성능을 강화한 기술로 소파블록을 구성하는 구성물을 단순화하여 일체형으로 구성함으로써 설치 및 해체작업이 간편하다.
X자 형상으로 다수의 유수공을 형성함으로써 유로를 다변화시킴에 따라 유공에 의해 유도되는 파랑의 굴절, 간섭, 교란에 따른 파도 에너지의 단계별 저감 및 상호 상쇄 작용으로 파랑에너지를 저감시켜 파랑 제어기능이 현저히 향상되었으며, 해빈의 장기적 안정을 꾀하는 표사제어 기능이 개선된 기술이다.
또한, 소파블록 중앙부에 마름모형의 해저 통로를 형성, 해양 동식물이 단기간에 번식할 수 있어 이를 활용한 레저 및 체험장의 용도로 활용할 수 있도록 하기 위해 고안되었다.
기술의 차별성
항만구조물인 방파제 보호 피복석으로 개발된 TTP는 인터록킹(Interlocking), 연파 및 반사파 방지로 가장 이상적인 구조물이라 볼 수 있다.
그러나, 연안정비를 위한 소파 구조물로는 부적절하지만 현재까지 TTP 외에 대안이 없는 실정이다.
연안정비를 위한 소파 구조물로 부적합한 이유로는 항만구조 설계 시 파압 분산을 위해 사면경사식으로 설계를 하는 것이 일반적이나 연안침식방지용 구조물 설계 시 사면경사가 아닌 지면과 수평설계가 되므로 실질적인 경사 부재인 법면이 존재하지 않아 파압 분산의 기능이 상실된다.
나아가 TTP 적용은 평면 시공 2층 거치함에 따라 중력에 의한 무너짐 및 흩어짐이 발생되는 등 다양한 문제를 가지고 있었다.
이를 보안하여 XA형태 소파 구조물은 직립식 블록으로 구성되어 있으며 전면에 경사 부재를 적용하여 파압 분산과 유공 구조를 이용한 파랑 제어가 기존 기술 대비 효과가 우수한 것으로 시험되었다.
(1) 성능 및 기능 향상
XA 소파블록은 직립식 경사 부재 구성으로 파랑에너지 상쇄 및 반사파를 저감하여 기존 TTP 전달률(KT) 0.5 대비 전달률(KT) 0.33(속초해수욕장 50년 빈도 최대파고 4.9m, 13.22sec)으로 파랑 저감 기능이 현저히 향상되었으며 전도, 이탈, 슬라이딩 및 거동, 세굴이 발생되지 않아 설계 파랑에 대한 안정성이 확보되었다.
파고 전달률(KT) 0은 파랑에너지를 100% 저감하는 값으로 항내 정온도를 예로 들 수 있으나 해수 소통이 불가능하여 해수 오염 및 이안류(Return Flow)로 안전사고 발생 우려가 있다.
파고 전달률(KT) 0.5이상은 파랑 제어의 효과가 미미하여 KT 0.3이 가장 이상적인 값으로 보고되고 있으며 XA 소파블록은 0.33으로 이에 가장 근접한 성능을 보이고 있다.
또한 투과율, 전달률이 뛰어나 잠제의 경우 개구부를 통하여 유도된 잠제 배후 수질 개선 및 배후 수면 상승으로 인한 이안류 제어 효과가 있다.
(2)우수한 시공성 및 비용 절감
XA 소파블록 구조물의 모래층 즉시침하는 2.64㎝로 추정허용잔류침하량 기준(Sr=10㎝)을 만족하였으며, TTP 유형은 2층적 시공방식으로 인한 무너짐 및 흩어짐이 발생하는 반면 XA 소파블록은 직립식 구조물로서 수평적 결속을 통한 내진, 거동 발생 시 상호지지를 통한 안정성을 확보하였다.
기존 TTP 시공 시사석 및 피복석이 다량으로 사용되는 구조로 재료원의 공급이 원활하지 못하여 공사가 중단되거나 공사비 상승의 원인이 되고 있다.
XA 소파블록은 기초부 부착으로 시공 시 소요되는 사석 및 피복석의 사용량 50% 이상 감소로 시공이 유리하며 직립식 경사 부재로 인해 법면 설계가 필요 없어 터파기, 채우기 및 거치 등 공기 및 공사비에 있어 최대 47.5%의 국가예산 절감 효과를 보이고 있다.
(3) 유지 보수의 용이성
기존 TTP는 2층적(2-Layer) 시공으로 자중에 의한 적층방식을 주로 사용하고 있으며 하단의 구조체가 파손/이탈될 경우 전면 재시공 방법 외 유지, 보수가 불가능하였으나 XA 소파 구조물은 단일 직립 구조체로 1단 시공 방식을 채용함으로써 크레인을 이용 분리추출이 가능하며, 유지보수가 용이한 이점을 가지고 있다.
(4) 해양생태환경 조성을 통한 어민 소득 증대
XA 소파블록은 TTP에 비해 평면으로 구성되어 해양식물 착생이 용이하며 구조체로의 체제 접근성이용이한 강점을 가지고 있어 수중 레저활동의 안전사고 방지에 효과적이다.
또한 형성 구조 자체가 만들어 내는 공간으로 인해 해중림초 형성이 용이하고, 해양동식물 이식이 가능하여 해양 생태환경 조성으로 수산 생산 및 어민 소득 증대로 연계될 수 있다.
기술의 파급효과
국내 연안정비 소파 구조 기술은 기존 수십 년간 TTP 기술에서 크게 벗어나지 않는 상태에 머물러 있었으며, 학계 및 업계에서 새로운 소파 구조기술에 대한 관심과 관련 기술 개발이 꾸준히 진행되고 있음에도 불구하고 TTP의 형상에서 벗어나지 못하고 있어 본 기술과 같이 다기능 구조물을 아직 실용화하지 못하고 있는 상태이다.
본 기술은 TTP 구조물을 대체할 소파 구조물 기술의 보급과 함께 잠제, 이안제, 돌제 등에서 파제 기능을 갖는 전반적인 소파 구조기술의 향상을 견인할 것으로 기대된다.
또한 시공이 간편하고 공사기간이 짧으며, 유지 보수에 따른 부담이 상대적으로 적어 해안개발에 소요되는 국가 및 지자체의 예산을 절감하는 효과가 있다.
해안침식, 인공어초, 레저관광 기능 등 복합기능 구조물로서 경제적 시너지 효과도 기대된다.
위에서 살펴본 바와 같이 본 기술은 해중림초 및 해양 동식물 이식을 통한 생태환경 조성으로 양식업 증산에 기여함으로써 어촌 어민들의 소득을 증가시킬 뿐만 아니라 구조체의 수중동굴 형성에 따른 해안레저산업, 해수 조망권, 바다 섬 조성 등 지역 관광산업 발전을 위한 요인을 제공한다.
이와 함께 국내 연안의 효과가 입증됨에 따라 국내와 비슷한 해안을 지닌 해외 유수의 나라에 국가 간 기술이전 및 연안재해 취약 개도국을 대상으로 한 유상자금, 무상자금, 기술협력 등 다양한 지원형태로 연안재해 국가개발원 조사업(KOICA) 등의 참여를 통해 수출 효과를 기대할 수 있다.