[요약]
· 토호쿠지방 태평양연안 지진해일에 의한 파력(波力)과 월류에 따른 방파제 배후의 침식(洗掘) 등에 따라 가마이시(釜石)항만 입구 방파제 등이 큰 피해를 받음.
· 본 논문에서는 해일에 의한 방파제의 재해 메커니즘을 분석함하여 방파제의 내(耐)해일 설계기법 및 통상(발생빈도가 빈번한 경우)보다 규모가 큰 해일이 내습하는 경우에도 꾸준히 견고성을 유지하면서 해일 피해저감 효과를 발휘하는 방파제에 대해 검토함.
· 해일로 피해를 입은 하치노헤(八?)항구 북쪽 방파제에 대해 지속적으로 내구성을 발현하는 구조 검토사례를 소개함.
· 본 논문의 검토사항을 참조하여 향후 신설 방파제와 기존 방파제가 지속적인 내구성을 발현하도록 설계하는 것이 가능함.

1. 머리말
(1) 토호쿠지방 태평양연안 지진해일에 의한 방파제 피해
· 토호쿠지방 태평양연안 지진과 그에 따른 해일(2011.3.11.)은 2만명의 사망자·행방불명자를 내고 연안에 위치한 주택과 기업에 큰 피해 초래. 해안지역의 해일대비 제방, 호안·수문, 갑문 등 많은 시설 파괴.
· 가마이시(釜石)항만 입구 방파제, 오오후나토(大船渡)항만 입구 방파제, 하치노헤(八?)항구 八太?지구 북방파제, 미야코(宮古)항구 후지와라(藤原)지구 방파제, 소마(相馬)항구 앞바다 방파제 등 해일에 의한 큰 피해가 있었으나 괴멸적 피해는 아니었음 - 외해의 격한 파랑에 대비한 설계로 큰 해일에도 일정부분 견디는 구조로, 가혹한 파랑조건에 의해 단면이 결정되는 경우, 어느 정도 규모의 지진해일에 저항할 수 있음을 보임.

(2) 논문의 목적
· 토호쿠지방 태평양 연안 지진해일로 피해를 입은 방파제 사례를 토대로 해일에 견딜 수 있는 새로운 방파제 설계방법에 대해 검토.
· 설계방법: 기존 방파제 기본단면(일정규모의 해일에 저항) + 추가단면 구조보강(일정규모 초과의 해일) = 지속적 저항력을 갖는 방파제 (기본 단면설계: 「항만시설 기술상의 기준 · 동해설」 기준)
· 연구대상: 항만기능을 유지하기 위해 지진해일 재해발생 직후부터 파랑에 대해 평온도 확보가 필요한 방파제, 해일저감효과가 기대되는 방파제 등.
· 구조형식: 혼성제(混成堤), 소파(消波)블록 피복(被覆) 방파제.

2. 해일에 대응하여 지속적 내구력을 갖는 방파제의 중요성
(1) 해일에 대비한 방파제의 효과
· 방파제는 항만수역의 평온 유지 목적으로 설치되나 배치에 따라 해일대비 효과발현. (예, 가마이시 항만 입구 방파제는 2011년 도호쿠지방 태평양 앞바다 지진해일에 대해 해일의 첫 번째 파도가 방조제를 넘는 시간을 6분 지연시키고, 만 안쪽 해일높이를 약 40% 감소)

(2) 해일대응에 강한 방파제의 중요성
a) 방파제 피해사례
· 오오후나토 항만 입구 방파제 : 해일의 영향으로 접지부를 제외한 대부분의 케이슨이 기초 마운드에서 항구 안쪽으로 움직여 붕괴. 칠레의 지진해일에 대응하여 설계되었으나 보다 큰 규모의 토호쿠지방 지진해일에 의해 피해발생. (그림-1)
· 가마이시항만 방파제 / 하치노헤항구 八太?지구 북쪽 방파제 : 파랑조건을 통해 기본단면이 정해진 방파제, 가마이시항만 방파제에서는 얕은 부분 케이슨 대부분 이동, 깊은 부분 케이슨은 움직이지 않는 곳이 있음. 하치노헤항구 방파제는 중앙부와 날개부에서 피해정도가 상이함.

b) 방파제 도괴원인
· 토호쿠지방 태평양연안 지진해일에 의한 방파제 재해원인 : 해일의 파력에 의한 방파제 자체의 이동으로 판단됨. (예, 가마이시항만 방파제에서 얕은 부분과 깊은 부분의 단면이 다르기 때문에 이동 저항에 차이가 있어, 각 부분 케이슨 피해정도에 차이가 발생. / 하치노헤항구 방파제에서 방향에 따라 파랑조건이 상이하여 날개부분에서 저항력이 더 작기 때문으로 판단됨.)
· 월류에 의한 항만 내측 기초마운드와 해저지반의 세굴에 의한 지지력 손실. (예, 하치노헤항구 八太?지구 북쪽 방파제 중앙부에서는 단순히 이동에 의한 피해보다는 해일이 방파제를 넘는 월류로 방파제 후면 기초지반에 세굴이 발생되어 지지력이 손실되어 붕괴) (그림-2)

[그림 부연]
가로축은 해일 규모, 세로축은 "발생빈도가 높은 지진해일에 대응하는 단면을 기준으로 한 경우“로 발생빈도가 높은 해일규모를 초과한 해일에 붕괴되지 않는 "지속적으로 내구력 있는 구조"확보를 위한 비용증가를 의미함.

5. 피해를 입은 방파제의 실험결과
· 토호쿠지방 지진해일의 피해를 입은 하치노헤항 방파제 중심부에서 복구단면 검토 진행중.

(1) 발생빈도가 높은 해일에 대한 내파설계
a) 직립부의 활동(滑動)·전도(？倒)·기초의 지지력 검토
· 발생빈도가 높은 지진해일에 메이지산리쿠(明治三陸) 지진(1896년) 상정. (해일높이: 4m)
· 시뮬레이션 실시결과, 둑 상부 월류 수심 0.5m, 월류 시간 155s, 파상단파(波？段波)가 미발생 → 수정 타미모토식(谷本式) 채택 불필요.
· 지진해일 파력모델의 직립부 이동·전도·기초의 지지력 등 조사 → 조사결과, 단면은 발생 빈도가 높은 지진해일에 의해 결정되는 것이 아니라 파랑으로 결정됨.
b) 기초의 안정성 조사(해일 월류 검토)
· 1/40축척의 수문학적 모형실험 실시: 해일의 방파제 월류에 대한 기초의 안정성 검토 → 방파제 배후 마운드의 유속이 작아 기초 마운드 피복석(1t/개) 피해없음 → 방파제의 안정성 검증.

(2) 발생빈도가 높은 해일을 초과하는 규모의 해일에 대응한 강도 검토
· 발생빈도가 높은 해일을 초과하는 규모의 해일은 토후쿠지방 지진해일로 상정.
· 실험조건: 동일본 대지진을 상정한 조위(潮位)의 해일 첫번째 파도의 항만외측 수위를 6.3m로 함. 월류량이 가장 커지는 조건으로서 HWL 해일 내습시 항만외측 수위를 8.5m로 하여 실험실시.
· 이 해일에 대응한 방파제의 지속적 내구성은 방파제의 둑마루 형상을 장방형과 상부 파라펫(파라펫 높이: 1.5m) 두 개로 하여 동일한 조건의 수리모형 실험실시. (그림-8)
· 실험결과: 방파제 둑마루 상단 파라펫공사를 통해, 방파제 상부 월류수의 수평유속을 크게 할 수 있음. 방파제 배후의 박아넣는 각도를 작게(수평에 가깝게) 할 수 있었음. (그림-9) → 월류수가 방파제 배후에 영향을 미치는 위치 방파제에서 분리시킬 수 있고 기초 마운드 피복재의 영향이 억제됨. (참고문헌 9) 참조)  

· 상단 파라펫 설치를 통해 세굴위치를 방파제 배후에서 멀리 하여 케이슨 안정성 유지 → 방파제의 지속적인 내구성 확보 가능.
· 한계: 본 논문에서 제시한 것은 두 가지 수위조건에 따른 실험결과로, 실제 시공에서는 다양한 수위조건 상정을 통해 상부 파라펫 설치검토필요.

6. 향후과제
· 본 논문은 토후쿠지방 지진의 경험을 통해 얻은 방파제 내해일 설계방법에 대한 새로운 연구결과의 일부로 향후 다음과 같은 연구가 필요.
a) 방파제(측벽, 바닥판, 둑마루 상부면)에 작용하는 지진해일 월류시 압력분포 특성.
b) 해일 수위차에 의한 사석(捨石) 마운드와 해저지반 침투류(浸透流) 및 기초의 지지력 특성.
c) 침투류에 의해 방파제 전체 안정성에 미치는 영향평가. (특히 심해 방파제에서 헤드 차가 커지는 경우에는 침투류에 의해 파이핑이 발생할 가능성이 커, 기초마운드 지지력에 영향을 미칠 수 있음)
d) 해일에 선행하는 지진이 방파제의 전체 안정성에 미치는 영향평가.
e) 월류에 대응한 방파제 배후 기초마운드와 해저지반 세굴방지 대책 구체화. (방파제 둑마루 형상 연구, 피복공사 연구, 추종성과 내구성이 확보된 피복공정 등)
f) 지진해일 파력에 대응하여 방파제가 지속적인 내구성을 발현하는 방법(구조) 구체화 (둑 옆붙임 대책, 기타 구조적인 대책 등)
g) 방파제의 전체 안정성 · 변형의 평가에 관한 확인방법의 고도화 · 효율화
h) 재활용 재료의 활용. (腹付工, 피복공정 등)
i) 개구부, 제방머리 양단에서 작용하는 빠른 흐름이 미치는 영향평가.
j) 모서리 부분의 해일파력 및 흐름이 미치는 영향평가.