해상풍력 기초 세굴, 조사선을 띄우기 전에 계산으로 먼저 보기

해상풍력 단지를 운영한다면, 조사선을 띄우기 전에 단지 전체를 가장 넓게 먼저 살피는 방법은 해양 자료로 계산해 보는 해상풍력 기초 세굴입니다.

기초 주변 해저면이 얼마나 깎였는지 알려면 보통 측량선을 띄워 멀티빔 음향측심기(MBES)로 재거나, 원격 조종 잠수정(ROV)을 내려 직접 봅니다. 둘 다 정확하지만 배와 장비, 인력이 함께 움직여야 해서 비용이 크고, 단지 전체를 자주 볼 수는 없습니다.

그 사이에도 바다는 쉬지 않습니다. 세굴은 폭풍이 지나가거나 대조기처럼 파랑과 조류가 함께 강해질 때 빠르게 깊어지고, 다음 정기 조사 때가 되어서야 알게 되는 경우가 많습니다. 기초가 수십 기씩 늘어선 단지라면 어느 기초가 먼저 깊어졌는지 고르는 일부터 쉽지 않습니다.

아래에서 세굴이 생기는 원리, 공개 해양 자료로 세굴을 추정하는 방법, 계산의 한계와 실측 보정, TIDEWATCH가 이를 조사 순위로 바꾸는 과정을 차례로 설명합니다. 다음 해저 조사를 어디부터 할지 고민 중이라면 참고해 보세요.

분류: 세굴·기초

해상풍력 기초 세굴은 흐름이 기초를 돌아 나가며 바닥을 깎는 현상입니다

조류나 파랑이 기초를 만나면 흐름이 기초 옆으로 몰리며 빨라집니다. 기초 앞쪽 바닥에는 말굽 모양의 소용돌이가 생기고, 뒤쪽에는 떨어져 나간 소용돌이가 이어집니다. 이 흐름들이 바닥 모래를 들어 올려 기초 주변에 깔때기 모양의 구멍을 만드는데, 이것이 세굴입니다.

세굴이 깊어지면 기초를 옆에서 받치는 흙이 줄어듭니다. 구조물이 덜 단단해지면 고유 진동 특성이 바뀌고, 오랜 시간 반복되는 하중을 견디는 피로 수명에도 영향을 줍니다. 그래서 설계 단계에서 허용 세굴을 정하고, 필요하면 사석 같은 세굴 보호공을 깝니다.

세굴의 크기와 속도는 기초 지름, 수심, 흐름 세기, 파랑, 모래 알갱이 크기에 따라 달라집니다. 이 관계는 해안공학에서 오래 연구되어 정리된 식이 있고, 대표적인 정리가 Sumer와 Fredsøe의 The Mechanics of Scour in the Marine Environment(2002)입니다. 모노파일처럼 지름이 큰 기초와 재킷처럼 가는 부재가 여러 개인 기초는 세굴이 생기는 모양도 다릅니다.

모래가 언제 움직이는지는 바닥 전단과 Shields 수로 판단합니다

모래가 움직이려면 흐름이 바닥을 미는 힘, 곧 바닥 전단응력이 알갱이를 붙잡아 두는 힘보다 커야 합니다. 이 두 힘의 비율을 나타내는 값이 Shields 수이고, 모래가 움직이기 시작하는 기준값을 임계 Shields 수라고 합니다. 알갱이가 작을수록 더 약한 흐름에도 움직입니다.

바다에서는 조류와 파랑이 함께 작용합니다. 둘이 겹치면 바닥 전단은 각각을 따로 더한 것보다 커질 수 있는데, 이 결합 효과를 계산하는 대표적인 방법이 Soulsby(1997)의 식입니다. TIDEWATCH는 이 식과 Soulsby–Whitehouse의 임계값으로 매시간 모래가 움직이는지 판단합니다.

입력은 공개 자료로 시작합니다. 파랑·해류·조위는 Open-Meteo Marine에서 1년치 시간별 자료와 7일 예보를 받고, 수심은 GEBCO와 멀티빔 자료를 합친 GMRT 자료를 씁니다. 기초 하나당 1년에 8,760번을 계산하는 셈입니다.

이렇게 1년을 시간 단위로 계산하면 어느 계절, 어느 조석 조건에서 모래가 가장 많이 움직이는지가 보입니다. 7일 예보까지 더하면 다가오는 폭풍이 어느 기초에 더 큰 부담을 줄지도 미리 가늠할 수 있습니다.

해상풍력 기초 세굴 계산은 실측으로 보정해야 쓸 수 있습니다

Sumer와 Fredsøe의 식은 파랑 왕복 거리와 기초 지름의 비인 KC 수, 그리고 흐름 조건으로 평형 세굴 깊이와 그 깊이에 이르는 시간을 줍니다. TIDEWATCH는 이 깊이를 허용 세굴과 비교해 몇 %인지로 기초마다 순위를 매깁니다.

하지만 이것은 어디까지나 추정입니다. 실제 퇴적물은 깊이마다 다르고, 세굴 보호공이 깔린 기초는 계산보다 덜 깎입니다. 공개 해양 자료의 해상도는 약 5–8km라서 단지 안의 세세한 흐름 차이를 모두 담지 못합니다.

그래서 과거 MBES·ROV 조사 결과를 넣어 보정하는 단계가 중요합니다. 실측 세굴 깊이와 계산값의 차이를 맞추면 같은 단지의 다음 계산이 현장 값에 가까워지고, 조사할 기초의 순위도 그만큼 믿을 만해집니다.

보정이 쌓이면 계산은 단순한 추정에서 우리 단지에 맞춘 판단 근거로 바뀝니다. 조사 결과를 버리지 않고 다음 계산에 다시 쓰는 것, 이것이 계산을 현장에서 쓸 수 있게 만드는 핵심입니다.

TIDEWATCH는 세굴 순위로 먼저 조사할 기초를 고릅니다

공개 정보로 만든 서남해 실증단지 데모(재킷 기초 20기, 기초 지름 1.8m, 퇴적물 입경 0.12mm 가정)를 스캔했을 때, 허용치의 70% 이상으로 추정된 기초가 19기, 가장 높은 기초는 80%로 나왔습니다. 기본값으로 만든 시범 계산이므로 실제 상태를 뜻하지는 않습니다.

기초마다 순위가 나오면 다음 조사에서 어느 기초를 먼저, 더 자세히 볼지 정할 수 있습니다. 폭풍이 지나간 뒤에는 다시 스캔해 순위가 어떻게 바뀌었는지 보고, 긴급 점검 대상을 고릅니다.

순위가 결함을 확정하는 것은 아닙니다. 마지막 판단은 여전히 측량과 잠수정이 하고, TIDEWATCH는 그 배와 장비를 맞는 곳으로 보내는 역할을 합니다.

여기까지 해상풍력 기초 세굴이 생기는 원리와 공개 해양 자료로 추정하고 보정하는 방법을 설명드렸고, TIDEWATCH의 세굴 계산 입력과 산출물은 기초 세굴 추정 안내에서 자세히 확인하실 수 있습니다.

자주 묻는 질문

위성으로 세굴을 볼 수 있나요?

아니요. 위성은 수면 아래를 보지 못합니다. 세굴은 해양 외력으로 계산하고, 위성은 기초 하류 흙탕물 같은 간접 신호를 더합니다.

재킷 기초에도 쓸 수 있나요?

네. 기초 형식과 부재 지름을 넣어 계산합니다. 형식에 따라 식의 적용 방식이 달라 실측 보정이 더 중요합니다.

세굴 보호공이 있으면 의미가 없나요?

보호공이 있어도 가장자리 세굴이나 보호공 이동을 살필 필요가 있습니다. 보호공 정보와 과거 조사 결과로 보정해 씁니다.

편집 및 답변 모멘트큐브 TIDEWATCH팀 / james@momentcube.com · 032-212-1011