• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2019년도 학술발표회
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• pp.279-279
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• 2019

본 연구는 안동 하천실증연구센터에서 수행된 RIED 실험의 일환으로 실험수로내 식재된 버드나무 식생패치의 밀도에 따른 표면흐름의 특성을 검토하는 실험이다. 실험의 목적은 식생의 침수수위에 따른 식생주변 및 하도의 흐름특성을 검토하는 것으로 침수 수위조건은 유량공급조건의 변화를 통해 재현하였다. 본 연구에 사용된 LSPIV 기법은 하도내 입자투여를 통해 영상을 이용하여 입자간 이동속도를 분석하여 흐름장을 분석하는 것으로 본 연구에서 사용된 입자는 강랭이를 사용하였으며, 영상촬영은 크레인을 이용하여 캠코더를 이용하여 수로 상부에서 흐름영상을 취득하였다. 실험수로는 저면폭 3m, 만제폭 11m 사면경사 1:2의 구조로 이루어진 사다리꼴 형태의 직선수로로 이루어져 있다. 식생패치는 동일수로내 상부기준 32m 간격으로 설치되어 있으며 패치의 크기는 $4{\times}1.5m$의 크기로 이루어져 있다. 그림 1은 상공에서 촬영된 영상을 나타낸 그림으로 실험수로 및 LSPIV 분석을 위해 투하된 입자를 나타내는 그림이다. PIV 분석프로그램을 이용하여 분석된 식생대 및 하도영역에서의 유속장은 그림 2와 같다. 영상분석은 30초영상(900 frame)을 이용하여 분석하였다. 실험결과 식생패치 설치지점에서는 주흐름이 발생하는 우안측에서 높은 유속이 발생하고 약간의 편향된 흐름이 나타나는 것으로 확인되었다. 식생후면에서는 식생으로 인한 흐름의 차단 및 스크린효과로 인해 유속의 저감되는 것을 확인할 수 있다. 밀도에 따른 패치 후면부에서는 높은 밀도를 갖는 첫 번째 패치에서 유속의 저감효과가 높게 나타났으나 유량조건에 차이가 발생하는 것으로 나타났는데 이는 수위상승으로 인한 식생의 침수면적과 관계가 있는 것으로 판단된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2016년도 학술발표회
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• pp.465-465
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• 2016

관거시설은 관거, 맨홀(manhole), 우수토실, 물받이, 연결관, 침투시설, 저류시설, 펌프장 등을 포함하는 시설들로 구성되어 있다. 여기서 맨홀은 배수시설의 유지와 관리를 위하여 일정거리마다 설치되고 있으며, 관거의 기점, 방향, 경사 및 관경이 변하는 곳, 단차가 발생하는 곳, 관거가 합류하는 곳에는 반드시 설치한다(환경부, 2011). 그러나 하수도시설기준(환경부, 2011)에서 합류맨홀의 설치에 관한 사항은 T형 합류맨홀에 관한 개략적인 표만 제시되어 있을 뿐, 4방향 합류맨홀에 대한 구체적인 설치 기준이 제시되어 있지 않은 실정이다. 또한 에너지 손실의 저감 및 배수능력을 증대시키기 위하여 맨홀내 설치되는 인버트는 미국의 형태 및 기준을 그대로 적용하고 있으므로 관거시설의 시설의 합리적인 설계기준을 제시하기 위하여 인버트가 설치된 4방향 합류맨홀에서의 흐름특성 및 수두 손실을 분석할 필요가 있다. 본 연구에서는 인버트가 설치된 4방향 합류맨홀 손실계수 산정 및 흐름특성을 분석하기 위하여 문헌조사 및 현장조사를 실시하여 수리실험 장치를 제작하였다. 실험에 사용된 맨홀은 하수도시설기준(환경부, 2011)의 표준 1호 맨홀을 1/5로 축소하였고, 인버트는 설치되지 않은 조건(CASE A), 반원형 인버트(CASE B), U형 인버트(CASE C)를 각각 실험하였으며, 실험유량으로 총 유출량 (Qout)은 $2{\sim}5{\ell}/sec$, 총 유출량에 대한 측면 유입량($Q_{Lat}$)의 비($Q_{Lat}/Q_{out}$)는 0~1 조건으로 변화시키면서 흐름특성 및 손실계수를 산정하였다. 실험결과 측면유량비가 증가함에 따라 CASE B와 CASE C는 CASE A보다 맨홀 내 수심이 약 3~7%정도 증가되는 경향을 나타내고 있었으며, 측면유량비의 증가에 따른 손실계수 산정 결과, CASE B는 CASE A 보다 약 30%정도 손실계수가 증가하였으며, CASE C는 CASE A보다 약 35%정도 손실계수가 증가하는 것으로 나타났다. 이는 기존에 사용되고 있는 인버트의 형상이 4방향 합류맨홀에서의 손실 저감 및 배수능력을 증대시키기 보다는 오히려 맨홀 내 통수능력을 저하시켜 4방향 합류맨홀에서의 배수능력을 저감시키는 것으로 분석되었다. 그러므로 기 사용되는 인버트의 개선이 필요하며 관거시설의 배수능력을 증대하기 위하여 지속적인 연구를 통한 개선된 인버트의 형상 제시가 필요할 것으로 판단된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2016년도 학술발표회
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• pp.338-338
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• 2016

준설은 흙 또는 모래, 자갈을 파내는 작업을 말하는 것으로, 준설의 목적은 수로, 하천, 항만공사에서 수심의 증가 및 수심을 유지하기 위함이다(산업안전대사전, 2004). 이러한 준설은 하천의 흐름 특성 및 제반 여건 변화를 수반하기도 한다. 준설 직후 낮아진 하상으로 인하여 수위가 감소되는 경우가 있으며, 반면에 수위 저하를 동반하지 않는 경우(저수지와 연결된 준설), 준설 부근에 퇴적이 발생하며 이는 하천의 수위 상승으로 연결될 수 있다. 이러한 수위 상승은 홍수 시 제방의 월류 가능성을 높이는 등 하천의 치수 안전성에 문제를 야기할 수 있다. 본 연구에서는 준설로 인한 하천의 수위 상승에 초점을 맞추었다. 기존 연구에서는 대부분 이러한 현상분석을 위해 수치해석을 이용하였으며, HEC-6, CCHE2D, GSTARS 등의 1, 2차원 수치해석 프로그램을 이용하였다. 그러나 1, 2 차원 수치모형은 수심에 따른 흐름특성을 충분히 반영하지 못하는 한계점을 가진다. 이에 본 연구에서는 3차원 수치해석 모형인 SCHISM을 이용하였다. SCHISM은 하구역의 흐름특성을 분석하기 위해 개발된 프로그램으로, 본 연구와 같이 단면의 급 확대부의 수치해석에 적합한 프로그램이라고 판단된다. 기존연구를 바탕으로 하상변동에 영향을 주는 인자를 산정하여 무차원화 하였으며, 하상 변동량 및 수위상승 영향의 민감도 분석을 수행하였다. 무차원인자는 준설깊이/상류수심(H/hu), 하류하폭/상류하폭($W_d/W_u$), 하류수심/상류수심($h_d/h_u$), 유량(Q)으로 결정하였다. 수치해석에 이용된 지형은 1: 2 경사의 제방을 가진 직선수로이며, 준설 구간을 기준으로 상 하류 각각 1,000 m의 길이를 확보하였다. SCHISM 수치모의를 통하여 민감도 분석을 수행한 결과 모든 수치해석 case에서 퇴적으로 인한 상류수위의 증가를 확인 할 수 있었다. 또한 하류수심/상류수심은 준설부 퇴적 및 상류 수위 상승에 가장 큰 영향을 주는 인자로 나타났다. 본 연구는 하천 준설 계획 시 참고자료로 활용이 가능할 것이며, 준설로 인한 하천수리특성 변화의 선행연구로써 의미가 있다고 판단된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2017년도 학술발표회
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• pp.464-464
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• 2017

경사가 급한 산지하천은 대부분 전석이 산재한 자갈하상으로 되어 있다. 전석은 계곡이나 사면에서 발생한 토석류의 일부로 하천에 유입하여 하류로 이송되는 중에 하상에 퇴적된다. 이후 발생하는 홍수에 따라서 거대 전석은 단속적 이동하기 때문에 하천 흐름을 방해하는 돌출장애물로서 기능하는 경우가 많다. 본 연구에서는 개수로 흐름의 장애를 유발하는 돌출물이 경계층 높이에 어떤 영향을 미치는 지를 파악하기 위하여 장애물 돌출높이의 변화가 경계층고에 미치는 영향을 수리실험으로 조사하였다. 본 연구인 경계층분포 실험은 폭 0.6m, 길이 9m인 순환식 유량공급 개수로에서 진행하였으며 실제 경계층 측정 길이는 폭 0.6m, 최대 길이 1.2m, 수심 0.2m이다. 개수로에 돌출장애물을 부착 후 3차원 유속계를 이용하여 유속을 측정하였다. 유속계의 측정간격은 수로 방향, 폭 방향, 수심방향으로 각각 1cm씩 이동하며 유속 u, v, w를 측정하였으며 이때 흐름의 평균유속은 0.51m/s이다. 실험에 사용된 돌출 장애물의 크기는 가로와 세로는 6cm, 길이 6~10cm인 직육면체 콘크리트이다. 포설된 하상재료의 평균입경은 20.5mm의 강자갈이며 포설된 높이는 평균 20.5mm이다. 실험방법은 개수로 바닥에 돌출장애물을 부착 후 그 하류에서 수심, 유량, 유속, 수온을 측정한다. 또한 하상재료를 포설하고 위와 같은 방법으로 실험을 진행 후 결과를 비교, 분석한다. 본 연구는 결과를 정리하면, 동일한 높이의 돌출장애물이 있을 경우 개수로 유속분포는 자갈하상에서 기울기가 더 급하였다. 돌출 장애물에서 하류로 갈수록 무차원 경계층 두께는 감소하는 경향을 보였으나 자갈하상인 경우에는 진동을 나타내고 있어서 하상의 조도가 경계층 안정에 영향을 미치는 것으로 판단된다. 따라서 자갈하상과 같이 하상의 조도고가 클 때 경계층 변화에 미치는 기구를 파악하는 연구가 필요하다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2019년도 학술발표회
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• pp.50-50
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• 2019

최근 국지성 호우 및 하천 제방의 노후화로 인한 제방 붕괴 피해가 빈번히 발생하면서 제방의 안정성 및 표면 보강을 위한 다양한 연구가 시도되고 있다. 본 연구에서는 제방 붕괴에 따른 피해 최소화 및 대책을 수립하기 위한 방법으로 시멘트와 같은 지구온난화를 야기시키는 물질이 아닌 친환경 신소재 바이오폴리머를 흙과 혼합한 재료를 활용하여 제방의 내구성을 강화하기 위한 연구가 수행되고 있다. 이에 안동하천실증연구센터에서는 현장토를 사용하여 높이 1 m, 폭 3 m, 사면경사 1 : 2, 총 길이 5 m 의 중규모 제방모형을 제작하였으며, 공동연구기관인 카이스트에서 개발된 바이오폴리머와 흙을 적정 비율로 혼합한 바이오-소일을 제방 전면에 일정 두께로 피복하여 월류 발생에 따른 제방 안정성 평가 실험을 수행하였다. 1차 실험은 흙 제방 조건이며, 2 3차 실험은 제방 표면에 5 cm 두께로 신소재가 피복된 조건으로 안정된 결과 도출을 위해 반복 실험을 수행하였다. 제방 천단면 및 사면에서의 유속분포를 측정하기 위해 드론 및 비디오카메라를 활용한 LSPIV 기법을 적용하여 실험조건에 따른 표면유속과 월류 흐름이 제방 붕괴에 미치는 영향에 대해 비교분석하였다. 또한 그래픽 소프트웨어를 이용한 픽셀기반 영상분석 기법을 적용하여 시간에 따른 제방사면의 붕괴면적을 산정하여 신소재 피복에 따른 붕괴 지연효과 분석을 통한 신소재 활용 제방의 현장 적용가능성 및 안정성을 평가하였다. 본 연구결과, 흙 제방의 경우 월류 흐름 발생 직후 침식현상이 전개되어 유속분포가 집중되고 있었으며, 이후 발생하는 강한 수직흐름으로 인해 입자추적을 통한 분석이 더 이상 불가능하였다. 신소재 제방의 경우 월류 흐름 발생 직후 침식은 발생하지 않았으며 일정시간동안 유속분포가 유지되었다. 지속적인 월류 흐름으로 인해 제방 끝단에서 침식이 발생하였으며 이때 최대 유속은 3.3 m/s 로 나타났다. 또한 픽셀기반 분석을 통해 30초 단위로 표면손실률을 산정한 결과, 신소재 활용 제방(2, 3차)의 경우 같은 실험조건에도 불구하고 최종 붕괴시간은 약 3배의 차이를 보였으며, 양생 과정에서의 크랙 발생을 최소화한다면 월류 발생 시 상당한 붕괴지연효과가 있는 것으로 판단된다.

• 한국해안·해양공학회논문집
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• 제33권3호
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• pp.131-138
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• 2021

소파블록은 제체의 보호와 파랑에너지 소산을 목적으로 사용되므로 피복된 블록의 안정성을 평가하는 것은 매우 중요하다. 소파블록의 안정성은 주로 수리모형실험으로부터 산정되는 안정계수를 통해 평가되어 왔다. 본 연구에서는 새로운 형태의 소파블록인 K-블록을 활용하여 블록의 맞물림 효과를 포함한 안정성 평가를 위해 인발력에 기반한 새로운 안정성 실험방법을 제시하였다. 소파블록의 인발 실험은 일정 경사면 소파블록을 설치하고 수직 및 수평 방향으로 인장력을 작용시켜 사면 상의 피복층으로부터 블록이 분리되는데 필요한 힘을 직접 계측하는 방법이다. 제안된 실험방법은 소파블록의 맞물림 효과를 정량적으로 평가할 수 있음을 확인하였으며, 맞물림 영향에 의한 단층 피복블록(K-블록)의 높은 안정성을 검증하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2023년도 학술발표회
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• pp.127-127
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• 2023

지표수와 하상 경계층에서 발생하는 흐름 교환은 하천, 호소, 연안, 해안 등 자연계에 존재하는 수환경시스템에서 일반적으로 나타나는 수리학적 특성으로서, 흐름 교환이 발생하는 경계층 아래 하상층 영역을 혼합대(hyporheic zone)라 부른다. 수질오염사고 등에 의해 외부의 오염물질이 하천 내 유입될 경우, 혼합대 흐름에 의해 하상층으로 침투되고 지표수 대비 유속이 느린 하상 내 공극 흐름에 의해 거동함에 따라 이들의 하천 내 체류시간이 증가하게 된다. 따라서, 본 연구에서는 지표수와 하상 흐름을 연계한 수치해석 방법을 적용하여 혼합대가 지표수 내 용질 체류시간에 미치는 영향을 분석하였다. 먼저 연직 2차원 Reynolds 평균 Navier-Stokes(RANS) 방정식과 Darcy 방정식을 연계하여 지표수와 하상 내 흐름을 해석하였다. 지표수 영역은 RANS 방정식을 이용하여 모의하였고, 지표수 흐름해석에서 얻어진 하상의 압력장을 경계조건으로 하여 Darcy 방정식과 함께 하상 내 흐름을 모의하였다. 여기서 하상의 형태는 자연계 하천에서 일반적으로 관찰되는 사련하상(Ripple bed)으로 모사하였다. 이후, 지표수-하상 연계모의를 통해 얻어진 흐름 결과를 바탕으로 지표수-하상 경계층에서 용질거동을 모의하였다. 흐름 모의결과를 과거 실험자료와 비교한 결과, 지표수 영역 내연직흐름 분포를 정확하게 재현하였고, 동시에 혼합대 흐름 구조에 큰 영향을 미치는 지표수-하상 경계층 압력 분포 역시 관측값과 유사하게 나타났다. 용질거동 해석을 통해 얻어진 용질의 체류시간을 분석한 결과, 혼합대 흐름이 고려된 경우(투수성 하상)와 고려되지 않은 경우(불투수성 하상)를 비교했을 때 전자에서 체류시간 분포의 감수곡선이 길어지고 첨두농도가 감소하는 것으로 나타났다. 아울러, 지표수 영역의 유입부 경계의 평균 유속이 증가함에 따라 최대 체류시간이 감소하는 것으로 나타났는데, 이는 지표수-하상 경계층에서의 압력 경사가 커져 혼합대 내 유속이 증가함에 기인하는 것으로 분석되었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2021년도 학술발표회
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• pp.220-220
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• 2021

2020년 장마는 6월 중순부터 8월 중순까지 전국적으로 평균 687 mm의 강수가 내려, 1973년 이후 역대 2위 강수량을 기록하였으며, 연이은 태풍으로 큰 인명 및 재산 피해가 발생하였다. 특히, 섬진강 및 한탄천 등에서 계획홍수위를 초과하는 홍수로 인해 상당수의 제방이 월류로 인해 붕괴된 것으로 나타났다. 따라서, 향후 기후변화에 따른 연평균 강수량이 증가할 것으로 전망되는 가운데 집중호우로 인한 제방 붕괴 피해를 최소화하기 위한 고도화된 기술 개발을 통한 선제적 재발 방지대책이 필요한 시점이다. 한국건설기술연구원은 바이오폴리머라는 새로운 친환경 신소재를 이용하여 제방의 안정성 평가 기술 개발 연구를 수행하고 있다. 이에 안동하천연구센터에서는 실규모에 준하는 제방모형(높이 3 m, 사면경사 1:2, 길이 10 m 이상)을 제작하고, 제방 표면에 바이오폴리머 신소재를 처리하여 전방 월류 흐름 유도에 따른 실규모 제방붕괴실험을 수행하였다. 또한, 신소재 보강 및 무보강 조건에 따른 영상분석 기반 붕괴지연효과를 정량적으로 분석하여 신소재의 성능을 평가하였다. 하지만, 기존에 수행된 실험은 댐 붕괴 흐름과 같이 홍수파가 발생하여 제내지로 퍼져 나가는 형태로 진행되어, 보강공법의 검증에 있어 실제 하천에서 발생하는 횡월류 흐름을 재현하지 못한다는 한계를 가지고 있다. 본 연구에서는 횡월류 흐름(0.6 m³/s 이상)을 발생시켜 수리실험에 따른 축척효과(scale effect)를 최소화하고, 현장에 대한 충분한 자연성을 재현하는 것을 목표로 하여 실험을 수행하였다. 실험 조건은 1) 신소재가 처리된 식생 제방, 2) 신소재가 처리되지 않은 식생 제방으로 각각의 조건에 따른 횡월류 흐름 및 제방 붕괴를 유도하여 영상분석 기법(이미지 픽셀분석 및 3D 포인트 클라우드 모델링)을 통한 침식 저항에 관한 분석결과를 제시하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2021년도 학술발표회
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• pp.5-5
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• 2021

최근 기후변화로 인해 예측이 어려운 국지성 호우가 빈번하게 발생하고 있다. 국지성 호우는 대량의 홍수를 일으키고 산사태와 유송잡물을 동반한 흐름을 야기할 수 있으며 이로 말미암아 인근의 초목과 식생들로부터 유목(driftwood)이 발생하기도 한다. 유목이 흐름과 함께 떠내려 오게 되면 그로 인한 운동에너지가 크게 발생하게 되며, 수공구조물과 주택가옥 등에 충돌시, 순수한 수류의 충돌보다 훨씬 큰 손상을 주기도 한다. 또한 유목이 수공구조물 인근 하상에 군집하면 통수능을 저하시키기도 하며 식생효과와 마찬가지로 유목주변으로 유속이 증가하면서 세굴현상이 발생하게 되는데, 이는 하상저하를 일으키며 수공구조물의 안정성에 지속적으로 피해를 줄 수 있다. 특히 군집된 유목들이 교각에 충격을 주면 흐름방향으로 교각에 작용하는 외력을 증가시키게 되고 군집된 유목들이 다른 유목들을 연쇄적으로 포착하는 동시에 흐름을 지속적으로 방해하여 수위상승을 야기하게 된다. 이는 유목주변으로 세굴을 발생시켜 교량의 붕괴를 촉진시킬 수 있다. 일본의 경우에는 대부분의 하천유역의 경사가 매우 급하기 때문에 홍수발생시 산사태와 유송잡물들이 빈번하게 발생하고 있다. 그에 따라 대량의 유목들이 하천으로 유입되어 하천의 수공구조물과 주거지역에 심각한 피해를 주는 경우도 많다. 따라서 유목의 거동과 군집현상을 이해하여 사전에 유목거동의 예측과 유목과 하상변동의 상호작용 분석을 통해 유목에 의한 수리구조물 피해를 예측하는 연구들이 필요할 것으로 판단된다. 본 연구는 유목의 거동과 군집양상을 예측분석하기 위해 유목과 흐름의 이동상 실내실험과 수치해석을 수행하여 유목유입량에 따른 하상변동과 유목의 하상퇴적양상 및 다양한 거동을 관측분석 하였다. 특히, 유목간의 상호충돌과 측벽충돌을 고려하는 수치모듈을 유목동역학모형에 적용하여 수치해석을 수행하였다. 이를 통해 이동상 하상에서의 유목의 군집과정을 분석하고 수치해석의 한계와 개선사항들을 논의하였다.

• 대한토목학회논문집
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• 제30권3B호
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• pp.325-335
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• 2010

본 연구에서는 투수층 매설에 따른 해빈안정화의 효과를 논의하기 위하여, 파 투과성구조물 해빈/해저지반의 상호간섭을 직접해석 할 수 있는 3D-수치모델(LES-WASS-3D; 허동수와 이우동, 2007)을 이용하였다. 이 모델은 투과성구조물 내부의 유체저항으로서 층류저항, 난류저항, 관성저항을 포함하고 있으며 격자 크기보다 작은 와류를 고려하기 위하여 LES기법을 도입하고 있다. 먼저, 기존의 수리모형 실험치와 본 연구의 계산치를 비교 검토하여 이용한 수치모델의 타당성 및 유효성을 검증한 후, 해빈 내부에 투수층을 설치하여 수치시뮬레이션을 실시하였다. 수치실험결과를 통하여 투수층 매설에 따른 평균지하수위의 하강, 이안류 강도의 저하 등, 배수의 메커니즘을 파악한 후, 투수층의 배치형태(평균입경, 두께, 매설깊이, 경사) 및 입사파조건(파고, 주기)에 따른 해빈 내부의 평균지하수위분포에 대하여 고찰하였다.