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문제 정의
- 터널굴진 작업은 주민들의 집단 민원으로 인하여 약 5개월 동안 일 시 중단되기도 하였다. 본 연구는 도수로터널 굴착이 완료되고 라이닝과 그라우팅이 완전히 끝난 후, 하강 되었던 지하수위의 회복정도 및 회복시기를 모델링하 는데 그 목적이 있다. 모델링은 터널 굴착 후, 라이닝 전.
- 터널 굴착으로 인하여 하강되었던 지하수위 회복을 예측하기 위하여 이 연구에서는 라이닝 전. 후를 기준으로 하여 먼저 라이닝전의 터널 내 배출량과 측정된 지하 수위를 이용하여 모델보정을 수행하였다.
제안 방법
- 지하수 모델을 통해 수직 흐름을 모사하기 위해 격자는 3개의 층으로 구분하였다. 격자의 최고 고도는 연구지역의 전자지형도(DEM)를 이용하여 결정하였고, 최저 고도는 흐름이 수평으로 예상되는 곳, 즉 해발고도 OmS. 설계하였다.
- 그리고 3사갱은 13774 m/day 이다(Table 1). 굴착하는 동안 지하수 유입과 터널 벽의 컨덕턴스를 감소시키기 위해 그 라우팅을 하였다.
- 먼저 라이닝과 그라우팅 이 전의 모든 관측공들에 대한 평균 지하 수위를 구하고, 각 사갱의 평균 터널 배출량을 계산한 후, 정상류 상태에서 평균 지하수위와 평균 배출량을 일치시키는 보정을 반복 실시하였다. 그다음 터널 컨덕턴스를 25%, 50%, 75%, 90% 감소시키면서 각각의 경우에 대해서 배출량과 지하수위 예측 모델링을 하였다.
- 그러나 Table 4에서 컨덕턴스가 완전히 100% 감소될 경우에는 지하수위 회복 역시, 100%로 회복되어 굴착 이전의 자연상태를 유지하는 것으로 나타났다. 그러나 도수로터널의 특성상 컨덕턴스가 100% 감소한다는 것은 불가능하므로 컨덕턴스 감소율을 최고 90% 수준으로 모델링하였다.
- 연구지역과 같이 넓은 지역에 대해서 개개 단 열들에 대한 충분한 자료없이 추계론적 분리단열모델과 같은 불연속체 모델을 적용할 때는 해석이 어려울 뿐만 아니라 오히려 오차가 더 커질 수도 있다. 그런 관점에서 원칙적으로 다공성매질 환경에서 사용되어지는 Visual MODFLOW를 연구지역에 적용하였다.
- 연구지역내의 터널 굴착 공사로 인하여 주변 지하수 공들의 수위가 하강하였으며, 시간이 경과함에 따라 연구지역 일대의 지하수 흐름 체계의 변화를 일으켰다. 도수로터널 굴착으로 인하여 하강되었던 터널 주변 지역의 지하수위가 터널 굴착이 완료되고 라이닝과 그라우팅이 완료된 이후, 하강되었던 지하수위의 회복정도 및 회복시기를 모델링하였다.
- 터널 라이닝과 그라우팅이 완료된 후 터널 굴착으로 인하여 하강되었던 지하수위의 회복을 평가하기 위하여 예측 모델링을 하였다. 먼저 라이닝과 그라우팅 이 전의 모든 관측공들에 대한 평균 지하 수위를 구하고, 각 사갱의 평균 터널 배출량을 계산한 후, 정상류 상태에서 평균 지하수위와 평균 배출량을 일치시키는 보정을 반복 실시하였다. 그다음 터널 컨덕턴스를 25%, 50%, 75%, 90% 감소시키면서 각각의 경우에 대해서 배출량과 지하수위 예측 모델링을 하였다.
- 터널 굴착으로 인하여 하강되었던 지하수위 회복시기를 예측하기 위하여 부정류 상태의 모델링이 수행되었다. 모델 수행은 기존에 시공한 그라우팅 효과로 이미 컨덕턴스가 50% 이상 감소된 관계로 인하여 터널 컨덕턴스를 75%, 90% 감소시키면서 각각의 경우에 대해서 모델링하였다. 그 결과, 컨덕턴스가 75% 감소시, 연구지역의 평균 지하수위 회복시기는 터널로부터 lkm 내외 혹은 그 이상 떨어져 있고, 라이닝전 평균 지하수위가 지표하 20~40m인 관측공들은 10년 이내에 회복되는 것으로 예측되었다.
- 본 연구에서 수리상수 값은 야외에서 수행한 수리시험을 기초로 결정하였다. 수리시험을 통해 얻어진 연구지역의 각 암석에 따른 수리전도도, 공극율, 저류 계수의 분포는 각각 퇴적암지역이 2E-6~2E-9 nVs, 0.
- SCS- CN 방법은 직접유출량의 크기에 직접적으로 영향을 미치는 인자로서, 유역을 형성하고 있는 토양의 종류, 토 지이용상태, 식생의 피복상태, 온도, 강우강도 및 토양의 수문학적 조건 등을 고려하여 이들 인자들이 직접 유출에 미치는 복합적인 영향을 양적으로 표시하는 것이다. 연구지역의 함양율을 구하기 위하여 안동기상대의 1989년에서 1999년까지 11년간의 일별 강수량자료를 이용하여 CN값 변화에 대응하는 연도별 침투량을 계산하여 함양율을 산정하였다. 이 방법을 이용하여 산정된 연구지역의 함양량은 11년간 평균 강수량의 7.
- 터널 내 지하수 유입량과 함께 터널을 따라서 발달하고 있는 단열정도는 모델 영 역내 컨덕턴스를 정의하는데 유용한 정보이다. 이 연구에서는 라이닝과 그라우팅에 의한 차수효과를 이용하여 컨덕턴스 감소에 따른 배출량을 예측하였다.
- 연구지역에서 지하수위 하강 양상이 다양한 것은 불균질한 단열체계 때문이다. 이 연구의 모델링에서 터널 내 지하수 유출량에 대한 보정시 단열의 규모에 따라서 수리전도도 영역을 달리 적용하였다. 그리고 주요 단층들은 IE-3, lE-4m/s 등의 증가된 수리전도도 값으로 모델에 반영하였다.
- 격자 블럭이 이루어졌다. 지하수 모델을 통해 수직 흐름을 모사하기 위해 격자는 3개의 층으로 구분하였다. 격자의 최고 고도는 연구지역의 전자지형도(DEM)를 이용하여 결정하였고, 최저 고도는 흐름이 수평으로 예상되는 곳, 즉 해발고도 OmS.
- 지하수위 회복을 모델링하기 위하여 터널 좌,우측에 굴착된 180여 개의 지하수공들을 대상으로 정기적인 지하수위 관측을 하였다. 연구기간동안 측정된 관측공들의 지하 수위는 지표하수에서 234.
- 9는 각각 컨덕턴스 75% 감소시와 90% 감소시의 지하수위 등고선도를 도시한 그림이다. 컨덕턴스 감소에 따른 지하수위 회복 정도를 파악하기 위하여 이 그림들과 터널 굴착전의 지하수위 등고선도인 Fig. 5를 비교하였다. 그 결과, Fig.
- 터널 굴착으로 인하여 하강되었던 지하수위 회복시기를 예측하기 위하여 부정류 상태의 모델링이 수행되었다. 모델 수행은 기존에 시공한 그라우팅 효과로 이미 컨덕턴스가 50% 이상 감소된 관계로 인하여 터널 컨덕턴스를 75%, 90% 감소시키면서 각각의 경우에 대해서 모델링하였다.
- 터널 라이닝과 그라우팅이 완료된 후 터널 굴착으로 인하여 하강되었던 지하수위의 회복을 평가하기 위하여 예측 모델링을 하였다. 먼저 라이닝과 그라우팅 이 전의 모든 관측공들에 대한 평균 지하 수위를 구하고, 각 사갱의 평균 터널 배출량을 계산한 후, 정상류 상태에서 평균 지하수위와 평균 배출량을 일치시키는 보정을 반복 실시하였다.
- 함양율은 지하수 수치 모델링에서 중요한 입력자료로서, 이 연구에서는 미국의 토양보전국에서 개발하여 단위유역의 직접유출량 산정에 사용하고 있는 SCS-CN 방법을 적용하여 지하수 함양율을 산정하였다. SCS- CN 방법은 직접유출량의 크기에 직접적으로 영향을 미치는 인자로서, 유역을 형성하고 있는 토양의 종류, 토 지이용상태, 식생의 피복상태, 온도, 강우강도 및 토양의 수문학적 조건 등을 고려하여 이들 인자들이 직접 유출에 미치는 복합적인 영향을 양적으로 표시하는 것이다.
- 터널 굴착 후, 라이닝 전.후를 기준으로 먼저 정류상태에서 라이닝전의 배출량에 대해 보정하였다. 라이닝전의 실제 관측된 배출량과 보정을 통해 예측된 터널 배출량은 각각 터널 입구에서는 2687 m3/day과 2564 m3/ day 1사갱은 15652m%day과 15907 m3/day 2사갱은 9157m3/day과 11603 m3/day 그리고 3사갱은 13774 m3/day과 12003 m3/day이다(Table 2).
- 모델링은 터널 굴착 후, 라이닝 전. 후를 기준으로 먼저 정상류상태에서 라이닝전의 배 줄량과 지하 수위를 보정하고, 그 다음 부정류상태에서 라이닝과 그라우팅후 터널 내 배출량을 점차적으로 줄여가면서 모델링 하였다. 모델링에서 배출량의 감소는 터널 컨덕턴스(Waterloo hydrogeologic, 2000)를 라이닝전의 25%, 50%, 75%, 그리고 90% 감소하는 경우를 고려하였다.
- 터널 굴착으로 인하여 하강되었던 지하수위 회복을 예측하기 위하여 이 연구에서는 라이닝 전. 후를 기준으로 하여 먼저 라이닝전의 터널 내 배출량과 측정된 지하 수위를 이용하여 모델보정을 수행하였다.
대상 데이터
- 모델 격자는 318열, 187행으로 구성되고, 각 모델 층에 대해 59,466 개의 격자 블럭으로 나뉘어졌다. 격자 블럭은 모델 경계 부근에서 250mx250m의 큰 격자 블럭을, 그리고 터널 인접 지역에서는 125 mxl25 m3. 격자 블럭이 이루어졌다.
- 이다. 모델 격자는 318열, 187행으로 구성되고, 각 모델 층에 대해 59,466 개의 격자 블럭으로 나뉘어졌다. 격자 블럭은 모델 경계 부근에서 250mx250m의 큰 격자 블럭을, 그리고 터널 인접 지역에서는 125 mxl25 m3.
- 남쪽 경계는 영천댐으로 고정수두 경계 (constant head boundary), 소하천 및 터널은 배출경계(drain boundary)로 설정되었다. 수계의 컨덕턴스 값은 연구지역의 강과 하천의 폭을 이용하여 5 m, 10 m, 15 m, 20 m의 폭을 가진 강과 하천을 대상으로 구하였다.
- 연구지역은 경상퇴적분지 하양층군의 퇴적암류와 유천층군의 화산암류 및 이를 관입한 불국사 관입암류들이 분포한다(Fig. 2). 퇴적암류는 사암과 셰일의 호층이며 접촉변성작용을 받아 대부분이 호온펠스화 되어 있다.
- 연구지역은 영천댐 도수로터널 구간으로(Fig. 1), 이 도수로터널은 금호강의 수질을 향상시키고 이 지역에 충분한 용수를 공급하기 위해 임하댐에서 영천댐까지 건설되었다. 터널의 길이는 32.
- 도수로터널은 일반적으로 물을 도수할 목적으로 설치하는 터널로서 내수압의 작용 유무에 따라 자유수면 터널(무압터널)과 압력터널로 구분한다. 연구지역의 터널은 내수압이 작용하지 않는 자유수면 터널이다. 압 력터널은 물을 송수할 때 터널 내부가 수압을 받게 되지만 자유수면 터널은 건설 후 물을 송수할 때에도 터널 내부는 대기압 상태를 유지하게 된다.
- 전체 모델 범위는 1500km2의 지역에 해당되며 모델에 이용된 격자 지역은 775km2이다. 모델 격자는 318열, 187행으로 구성되고, 각 모델 층에 대해 59,466 개의 격자 블럭으로 나뉘어졌다.
- 지하수위 자료는 연구지역의 178개의 관측공으로부터(Fig. 1) 측정된 매월 지하수위 자료를 평균하여 이용하였다. Fig.
- 1), 이 도수로터널은 금호강의 수질을 향상시키고 이 지역에 충분한 용수를 공급하기 위해 임하댐에서 영천댐까지 건설되었다. 터널의 길이는 32.97km에 달하는 장대터널로 본 터널과 3개의 사갱 (access tunnel)으로 형성 되어 있으며, 경사는 약 0.06%이다. 이 도수로터널 굴착 중 터널 주변지역의 지하수가 터널 내로 유입되면 서 연구지역 내에 농업 및 생활용수의 고갈 현상이 발생하였고, 주민들의 민원이 제기되었다.
데이터처리
- 터널 굴착 후에는 터널 내 지하수 유출로 인하여 연구지역의 지하수 흐름이 터널쪽으로 향하는 흐름임을 알 수 있다. 관측된 지하수위 값과 보정된 지하수위 값에 대한 신뢰도를 평가하기 위하여 정량적 민감도 분석을 하였 다(Fig. 7). 민감도 분석은 관측치와 모델링 결과치와의 오차를 보여주는 RMS 오차(Root Mean Square Error)를 사용하였으며 연구지역의 전체적인 RMS 오 차는 8%이다.
- 7). 민감도 분석은 관측치와 모델링 결과치와의 오차를 보여주는 RMS 오차(Root Mean Square Error)를 사용하였으며 연구지역의 전체적인 RMS 오 차는 8%이다. 이 값은 연구지역의 지하수위 하강폭의 다양^과 지질의 불균질성과 연구지역에 많이 발달되어 있는 단층 및 절리 등의 단열 특성을 고려하면 오 차가 미미함을 의미한다.
이론/모형
- 단열암반에서 지하수 흐름을 묘사하는 수치모델로서, Long et <zZ(1982, 1985), Smith and Schwartz (1984), Schwartz et al(1983)은 분리단열모델을 이용하였다. Kitterod et al(2000)은 단열암반 대수층에서 터널내로의 지하수 유출을 모델링하기 위하여 지구통계학적인 방법을 이용하였다.
- 연구지역에서 하강되었던 지하수위 회복을 모델링하기 위하여 유한차분 모델인 Visual MODFLOW* 이용하였다(Waterloo hydrogeologic, 2000). MODFLOW는 다공질 포화매체내에서 2차원 또는 3차원의 지하수 흐름을 모사하기 위해 미국지질조사소에서 개발된 프로그램이며, 유한 차분법으로 지하수 유동 평형 방정식의 해를 구한다.
성능/효과
- 1%이다. 75% 감소에 따른 평균 지하수위 회복은 37.40m이고 회복 율은 51.6%이며, 터널 컨덕턴스 90% 감소에 따른 평균 지하수위 회복은 52.5 m, 회복율은 72.4%이다. Fig.
- 모델 수행은 기존에 시공한 그라우팅 효과로 이미 컨덕턴스가 50% 이상 감소된 관계로 인하여 터널 컨덕턴스를 75%, 90% 감소시키면서 각각의 경우에 대해서 모델링하였다. 그 결과, 컨덕턴스가 75% 감소시, 연구지역의 평균 지하수위 회복시기는 터널로부터 lkm 내외 혹은 그 이상 떨어져 있고, 라이닝전 평균 지하수위가 지표하 20~40m인 관측공들은 10년 이내에 회복되는 것으로 예측되었다. 그리고 터널로부터 1km 이내의 거리에 위치하면서 평균 지하수위가 지표 하 50 m에서 60 m 정도의 분포를 보이는 관측공들은 20년 이상이 걸리는 것으로 예측되었다.
- 자유수면 터널의 경우 라이닝 콘크리트에 작용하는 외수압을 경감 시키기 위해 배출공(weep hole)을 설치하여 지하수를 항상 배출시키기 때문에 100%의 컨덕턴스 감소는 불가능하다. 그러나 터널 내 그라우팅의 효과로 상기한 바와 같이 터널 컨덕턴스가 90% 이상 줄어들 경우, 터 널내 배출량과 지하수위 회복은 라이닝과 그라우팅전에 비하여 각각 82.7%의 배출 감소율과 72.4%의 회 복율을 보여주고 있어, 터널 주변의 지하수환경 시스템이 거의 터널 굴착전의 상태에 가까워지는 것으로 해석되었다. 부정류 상태의 모델링에서 예측된 지하수 위 회복시기는 관측공이 위치한 지역에 따라 많은 차이가 있었다.
- 3% 이다. 그리고 터널 컨덕턴스 50% 감소에 따른 평균 지하수위 회복은 17.5m, 회복율은 24.1%이다. 75% 감소에 따른 평균 지하수위 회복은 37.
- 그 결과, 컨덕턴스가 75% 감소시, 연구지역의 평균 지하수위 회복시기는 터널로부터 lkm 내외 혹은 그 이상 떨어져 있고, 라이닝전 평균 지하수위가 지표하 20~40m인 관측공들은 10년 이내에 회복되는 것으로 예측되었다. 그리고 터널로부터 1km 이내의 거리에 위치하면서 평균 지하수위가 지표 하 50 m에서 60 m 정도의 분포를 보이는 관측공들은 20년 이상이 걸리는 것으로 예측되었다. 터널로부터 300m 이내의 아주 가까운 거리에 위치하고 평균 지하 수위가 지표하 70 m 이상인 관측공들은 지하수위가 회 복되지 않는 것으로 예측되었다.
- 컨덕턴스 90% 감소 시 예측된 회복시기는 터널로부터 1km 내외 혹은 그 이상 떨어져 있고, 라이닝전 평균 지하수위가 지표하 20~40 m인 관측공들의 경우는 3년 이내에 수위가 회 복되는 것으로 예측되었다. 그리고 터널로부터 1km 이내의 거리에 위치하면서 평균 지하수위가 지표하 50 m에서 60 m 정도의 분포를 보이는 관측공들은 10년 이내로 예측되었고, 터널로부터 300 m 이내의 아주 가까운 거리에 위치하고 평균 지하수위가 지표하 70 m 이상인 관측공들의 경우는 하강되었던 지하수위가 회복되는데 최소 15년 정도의 시간이 걸리는 것으로 예 측되었다.
- 라이닝과 그라우팅이 시작되는 시점을 기준으로 터널 컨덕턴스가 25%, 50%, 75%, 그리고 90% 감소될경우, 각각의 경우에서 터널 전체구간에서의 배출량은 첫째의 경우 42, 080 nF/day에서 39, 747 nF/day로, 둘째 42, 080 nW/day에서 35, 378 nF/day로, 셋째 42, 080 nf/day에서 26, 083 nf/day로, 넷째 42, 080 irF/day에서 7, 264m3/day로 감소되었다(Table 3).
- 본 연구에서 수리상수 값은 야외에서 수행한 수리시험을 기초로 결정하였다. 수리시험을 통해 얻어진 연구지역의 각 암석에 따른 수리전도도, 공극율, 저류 계수의 분포는 각각 퇴적암지역이 2E-6~2E-9 nVs, 0.03, 1E-3, 화산암지역 1E-7~ IE-9 m/s, 0.01, 1E-3이고, 화강암지역은 1E-7~lE-9nVs, 0.01, 1E-3이다. 연구지역에서 지하수위 하강 양상이 다양한 것은 불균질한 단열체계 때문이다.
- Kitterod et al(2000)은 단열암반 대수층에서 터널내로의 지하수 유출을 모델링하기 위하여 지구통계학적인 방법을 이용하였다. 이 연구결과에 의하면 터널 굴착시 단열 대가 터널과 수리적으로 연결되어 있어, 많은 양의 지하수가 터널 내로 유입되었다. 국내에서도 함세영과 성익환(1999), 함세영과 임정웅(1994)은 프랙탈모델을, Park and Lee(1995)는 분리단열모델을 이용하여 단열암반대 수층에서의 지하수 흐름 모델을 연구하였다.
- 라이닝전의 실제 관측된 배출량과 보정을 통해 예측된 터널 배출량은 각각 터널 입구에서는 2687 m3/day과 2564 m3/ day 1사갱은 15652m%day과 15907 m3/day 2사갱은 9157m3/day과 11603 m3/day 그리고 3사갱은 13774 m3/day과 12003 m3/day이다(Table 2). 이 표에서 각 사 갱별로 측정치와 예측치의 차이는 입구는 -123m7dayS 측정치와 비교하여 4.6% 감소하는 것으로 보정되었다. 1사갱은 +255m3/day로 1.
- 정상류 상태의 모델링에서 터널 컨덕턴스가 25~ 90% 감소될 경우, 배출량은 5.5-82.7% 감소되는 것으로 예측되었고, 지하수위는 8-72.4% 회복되는 것으로 예측되어 터널 굴착 이전의 자연상태로 회복되는 것은 불가능하였다. 그러나 Table 4에서 컨덕턴스가 완전히 100% 감소될 경우에는 지하수위 회복 역시, 100%로 회복되어 굴착 이전의 자연상태를 유지하는 것으로 나타났다.
- 터널로부터 300m 이내의 아주 가까운 거리에 위치하고 평균 지하 수위가 지표하 70 m 이상인 관측공들은 지하수위가 회 복되지 않는 것으로 예측되었다. 컨덕턴스 90% 감소 시 예측된 회복시기는 터널로부터 1km 내외 혹은 그 이상 떨어져 있고, 라이닝전 평균 지하수위가 지표하 20~40 m인 관측공들의 경우는 3년 이내에 수위가 회 복되는 것으로 예측되었다. 그리고 터널로부터 1km 이내의 거리에 위치하면서 평균 지하수위가 지표하 50 m에서 60 m 정도의 분포를 보이는 관측공들은 10년 이내로 예측되었고, 터널로부터 300 m 이내의 아주 가까운 거리에 위치하고 평균 지하수위가 지표하 70 m 이상인 관측공들의 경우는 하강되었던 지하수위가 회복되는데 최소 15년 정도의 시간이 걸리는 것으로 예 측되었다.
- 지표하에 터널이 굴착되면 지하에서 수두차가 거의 없는 느린 유동상태에서 터널 굴착으로 야기되는 터널 주변과의 급격한 수두차로 인하여 주로 단열대를 따라서 지하수가 빠른 속도로 터널 내로 유입된다. 터널 내 지하수 유입은 터널 굴착 과정에서 유입형태가 다양하 고, 터널을 굴착할수록 유입량이 증가하였다. 터널 유입량은 입구, 1사갱, 2사갱, 그리고 X사갱의 침전지에서 측정되었다.
- 9% 감소하는 것으로 보정되었다. 터널 전구간을 통해 배출되는 측정치와 예측치의 차이는 810m3/dayS 전 구간의 측정치에 비해 2% 증가하는 것으로 보정되었다.
- Table 4는 컨덕턴스의 감소에 따른 지하수위의 회복 율을 나타낸 것이다. 터널 컨덕턴스 25% 감소에 따른 평균 지하수위 회복은 6.0 m이고 회복율은 평균 8.3% 이다. 그리고 터널 컨덕턴스 50% 감소에 따른 평균 지하수위 회복은 17.
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