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문제 정의
- 본 연구는 터널 굴착에 관한 지하수 모델링을 수행할 경우 개념 모델 설정에 따른 모델링 결과를 비교하여 현실에 보다 적합하고 효율적인 개념모델 구성에 대해 고찰하였다.
제안 방법
- 격자망 구성은 기본적으로 가로와 세로 모두 50 이로 설정하였고, 유역내 터널 주변은 가로 및 세로 25 m로 더욱 세분하여 입력하였다. 모델의 유역 경계 및 경계조건은 연구지역의 동쪽과 남서쪽의 산능선을 지하수 분수령 (groundwater divide)으로 고려하여 불투수 경 계로, 유역내 큰 하천 및 지류는 하천경계로 설정하였다. 하천경계조건에서 하천의 고도는 지형의 고도를 이용하였고, 하천의 수심은 0.
- 2c). 복잡한 지질특성을 합리적으로 반영하기 위해 모의 영역내 수리지질학적 층서는 흑운모 화강암층, 석회암 및 백운모암층, 셰일, 사암, 역암 및 석회암이 협재된 층으로 구분하였으며, 각각의 수리상수값은 현장시험 결과 및 문헌자료를 참조하여 모형보정을통해 입력하였다(Table 1).
- 01 n?/day로 입 력하였다. 터널 굴착 진행에 따라 배수 경계 조건의 기간을 고려하여 입력하였다(Fig.3).
- 터널 굴착에 따른 지하수 유동계에 대한 영향을 알아보기 위해 2가지 다른 개념모델을 설정하였다. Type 1은 터널 모형 구성시 대수층을 3개의 층으로 구분하여 1층의 고도는 터 널 바닥고를, 나머지 층을 둘로 나누어 2층과 3층으로 입력한 후 터널을 최상부층에 입력 한 경우이다.
- 4). 대수층 설정은 최상부층을 자유면 대수층으로 입력하고, 자유면 대수 층이 하의 대수층은 피압/자유면 변환 대수층으로 입력하여 각각 지하수 유동 모델 링을 수행하였다.
- 본연구에서는 MODFLOW 모형 구성시 초기 수두 값에 따른 모델링의 수렴여부 및 계산결과인 지하수위 분포를 또한 비교하였다.
- 모형 구성시 초기수두값에 따라 모델의 정 류모의 결과를 비교하였다. 일반적으로 지하수 수두도 지형구배를 따라 존재하는 경우가 많으므로 지형구배를 따라 모형의 초기수두를 입력한 경우 수치해의 수렴도 잘 이루어졌으며 모의 결과 보다 현실적인 수두분포를 나타냈다(Fig.
대상 데이터
- 연구지역은 관심대상 터널이 위치할 지점을 중심으로 충청북도 제천시와 강원도 영원군의 경계부근이다 (Fig. 2a). 모델링을 위한 모의 영역 설정은 터널을 중심으로 8, 000 m X 8, 000 m가 되도록 설정 하였다.
- 2a). 모델링을 위한 모의 영역 설정은 터널을 중심으로 8, 000 m X 8, 000 m가 되도록 설정 하였다. 격자망 구성은 기본적으로 가로와 세로 모두 50 이로 설정하였고, 유역내 터널 주변은 가로 및 세로 25 m로 더욱 세분하여 입력하였다.
- 연구지역의 지질 분포는 흑운모 화강암과 조선계대석회암통인 삼태산층, 영홍층, 홍월리층 및 갑산층으로 구성되어 있다(정창희 외 1979; 김기환 외, 1%7; 원종관 외, 1974)(Fig. 2c). 복잡한 지질특성을 합리적으로 반영하기 위해 모의 영역내 수리지질학적 층서는 흑운모 화강암층, 석회암 및 백운모암층, 셰일, 사암, 역암 및 석회암이 협재된 층으로 구분하였으며, 각각의 수리상수값은 현장시험 결과 및 문헌자료를 참조하여 모형보정을통해 입력하였다(Table 1).
이론/모형
- 본 연구에서는 터널 굴착에 따른 지하수 유동 변화를 모의 하기 위해 캐 나다의 Waterloo Hydrogeologic, Inc (WHI) 에서 판매하는 3차원 유한 차분 모형인 Visual MODFLOW Ver.3.0.0 을 이용하였다 (McDonald and Harbaugh, 1988).
성능/효과
- 두 개념모델 설정에 따른 지하수 유동 모의를 수행한 결과 터 널굴착에 따라 굴착된 터 널을 중심으로 주변 지하수가 배수되면서 수위강하가 일어났다. 터널을 최상부층의 자유면 대수층에 설정한 Type 1의 경우 지하수위는 터널 굴착기간 동안 터널 고도까지 하강하는 것으로 나타났으나, 터 널 공사 종료 후에는 지하 수위 가 빠르게 회복되는 것으로 나타났다(Fig.
- 지하수가 배수되면서 수위강하가 일어났다. 터널을 최상부층의 자유면 대수층에 설정한 Type 1의 경우 지하수위는 터널 굴착기간 동안 터널 고도까지 하강하는 것으로 나타났으나, 터 널 공사 종료 후에는 지하 수위 가 빠르게 회복되는 것으로 나타났다(Fig. 5).
- 7). 반면 Type 2의 경우 각관측정 지점에서 터널 굴착이 이루어지면 최상부층의 지하 수위는 크게 하강하지 않고 터널 굴착이 종료된 후 다시 회복되는 양상을 보였으며, 터널이 입력된 2 층에서의 수리 수두(head potential)는 터 널 굴착시 터널 바닥고도까지 하강하는 것으로 나타났다.
- 9a). 그러나 MODFLOW를 이용한터널 모델링시 초기수두값을 초기 평균 고도값으로 정해진(default) 수두값을 전체에 동일하게 설정하여 모의한 결과 모의 수렴 기간을 아주 길게 하여도 모형수렴이 잘 이루어지지 않았다(Fig. 9b). 따라서 터널 모델링에서 초기수두값은 수치해의 수렴 여부 및 계산된 지하 수위 값에도 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
- 9b). 따라서 터널 모델링에서 초기수두값은 수치해의 수렴 여부 및 계산된 지하 수위 값에도 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
- 개념모델 설정시 터널 입력층의 대수층 종류에 따라 지하수위 변화 및 터널 내로의 지하수 유출량 예측에 큰 차이를 보였다. 우리나라의 경우 터널은 대부분 균열 암반대수층을 통과하고, 이러한 암반 대수층은 자유면 대수층의 특성을 보이는 경우도 있으나 대부분 피압대수층의 특성을 보인다.
- 따라서 지질 로깅 및 지하 수위 자료를 분석하여 대수층의 종류를 먼저 결정한 후 지하수 모델링을 위한 개념모델을 설정해야 할 것이다. MODFLOW를 이용한 터널 모델링시 초기수두 값에 따라 수치해의 수렴 여부에 큰 영향을 미치고, 계산된 지하수위 값에도 큰 차이를 보였다. 일반적으로 지하수 수두는 지형구배를 따라 존재하는 경우가 많으므로 지형구배를 따라 모형의 초기수두를 입력하는 경우 수치해의 수렴이 잘 이루어졌으며, 모의결과 보다 현실적 인 수두분포를 나타냈다.
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