굴착손상영역(EDZ)은 굴착으로 인해 현지 암반이 역학적으로 손상을 입게 되어 응력상태, 변위상태, 암반의 안정성, 지하수의 흐름상태 등에 변화가 일어나는 영역을 의미한다. EDZ의 역학적 특성과 관련한 많은 연구들이 수행되었지만, EDZ에서의 지하수 유동 특성에 관한 연구는 아직 부족한 수준이다. 본 연구에서는 굴착으로 인한 수리-역학 상호작용(coupling)에 의해 굴착면 주변의 수리적 간극값이 변하는 영역을 수리적 굴착 thstkdduddudr이라 정의하고, 이를 3차원 분리단열망(DFN)에 적용시켜 보았다. 이를 통해 수리적 간극변화가 3차원 불연속 망에서의 전반적인 지하수 유동에 미치는 영향을 파악하였다. 또한 3차원 DFN 지하수 유동 해석 시 주로 이용되는 수두 조건과 유량 조건의 적용성을 고찰하였다. 해석 결과 수리-역학적 상호거동에 의해 발생하는 굴착면 주변의 수리적 간극변화는 터널 내부로 유입되는 유량에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 또한 DFN 해석 시 다양한 경계조건에 따른 상이한 결과를 토대로 보다 합리적인 경계조건 설정에 대한 방향을 제시하였다. 마지막으로 실제 현장에서 수리해석을 실시한 자료를 바탕으로 수리적 간극 값의 변화를 고려할 때와 고려하지 않을 때의 유입유량 차이를 통해, 3차원 지하공동의 지하수 유동해석 시 수리적 간극 값의 변화를 고려하는 것이 보다 더 보수적인 결과를 나타내는 것을 확인하였다.
굴착손상영역(EDZ)은 굴착으로 인해 현지 암반이 역학적으로 손상을 입게 되어 응력상태, 변위상태, 암반의 안정성, 지하수의 흐름상태 등에 변화가 일어나는 영역을 의미한다. EDZ의 역학적 특성과 관련한 많은 연구들이 수행되었지만, EDZ에서의 지하수 유동 특성에 관한 연구는 아직 부족한 수준이다. 본 연구에서는 굴착으로 인한 수리-역학 상호작용(coupling)에 의해 굴착면 주변의 수리적 간극값이 변하는 영역을 수리적 굴착 thstkdduddudr이라 정의하고, 이를 3차원 분리단열망(DFN)에 적용시켜 보았다. 이를 통해 수리적 간극변화가 3차원 불연속 망에서의 전반적인 지하수 유동에 미치는 영향을 파악하였다. 또한 3차원 DFN 지하수 유동 해석 시 주로 이용되는 수두 조건과 유량 조건의 적용성을 고찰하였다. 해석 결과 수리-역학적 상호거동에 의해 발생하는 굴착면 주변의 수리적 간극변화는 터널 내부로 유입되는 유량에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 또한 DFN 해석 시 다양한 경계조건에 따른 상이한 결과를 토대로 보다 합리적인 경계조건 설정에 대한 방향을 제시하였다. 마지막으로 실제 현장에서 수리해석을 실시한 자료를 바탕으로 수리적 간극 값의 변화를 고려할 때와 고려하지 않을 때의 유입유량 차이를 통해, 3차원 지하공동의 지하수 유동해석 시 수리적 간극 값의 변화를 고려하는 것이 보다 더 보수적인 결과를 나타내는 것을 확인하였다.
The excavation damaged zone (EDZ) is an area around an excavation where in situ rock mass properties, stress condition. displacement. groundwater flow conditions have been altered due to the excavation. Various studies have been carried out on EDZ, but most studies have been focused on the mechanica...
The excavation damaged zone (EDZ) is an area around an excavation where in situ rock mass properties, stress condition. displacement. groundwater flow conditions have been altered due to the excavation. Various studies have been carried out on EDZ, but most studies have been focused on the mechanical bahavior of EDZ by in situ experiment. Even though the EDZ could potentially form a high permeable pathway of groundwater flow, only a few studies were performed on the analysis of groundwater flow in EDZ. In this study, the' hydraulic EDZ' was defined as the rock Lone adjacent to the excavation where the hydraulic aperture has been changed due to the excavation. And hydraulic EDZ (hydraulic aperture changed zone) estimated by two-dimensional DEM program was considered in three-dimensional DFN model. From this approach the groundwater flow characteristics corresponding to hydraulic aperture change were examined. Together. a parametric study was performed to examine the boundary conditions that frequently used in DFN analysis such as constant head or constant flux condition. According to the numerical analysis, hydraulic aperture change induced by the hydraulic-mechanical interaction becomes one of the most important factors Influencing the hydraulic behavior of jointed rock masses. And also from this study, we suggest the proper boundary condition in three-dimensional DFN model.
The excavation damaged zone (EDZ) is an area around an excavation where in situ rock mass properties, stress condition. displacement. groundwater flow conditions have been altered due to the excavation. Various studies have been carried out on EDZ, but most studies have been focused on the mechanical bahavior of EDZ by in situ experiment. Even though the EDZ could potentially form a high permeable pathway of groundwater flow, only a few studies were performed on the analysis of groundwater flow in EDZ. In this study, the' hydraulic EDZ' was defined as the rock Lone adjacent to the excavation where the hydraulic aperture has been changed due to the excavation. And hydraulic EDZ (hydraulic aperture changed zone) estimated by two-dimensional DEM program was considered in three-dimensional DFN model. From this approach the groundwater flow characteristics corresponding to hydraulic aperture change were examined. Together. a parametric study was performed to examine the boundary conditions that frequently used in DFN analysis such as constant head or constant flux condition. According to the numerical analysis, hydraulic aperture change induced by the hydraulic-mechanical interaction becomes one of the most important factors Influencing the hydraulic behavior of jointed rock masses. And also from this study, we suggest the proper boundary condition in three-dimensional DFN model.
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문제 정의
타원형으로 간극변화 영역을 정의하게 되면 불연속면 군의 방향과 타원의 장-단축의 길이, 타원의 중점 정보만 가지고도 수리적 EDZ를 표현할 수 있다는 장점이 있다. 본 논문에서는 이 선행연구를 바탕으로 DFN에 수리적 간극변화를 반영시켰다.
이 연구에서는 분리단열망(DFN) 모델을 이용하여 굴착 전후 굴착으로 인해 수리적 간극값이 변화된 영역을 모사하고 이 영역에서의 수리적 특성을 파악하였다. 이연구에서 얻어진 주요 결과들을 요약하면 다음과 같다.
가설 설정
Fracman/MAFIC 등의 불연속체 해석법을 이용한 지하수 해석은 일반적으로 쓰이는 연속체 모델링과는 달리 주변 매질을 불투수성이라 가정하고 불연속면의 투수특성만을 고려한다. 따라서 연속체 해석의 경우 터널의 축 방향에 따라 대체적으로 고르고 대칭적인 지하수유입량 결과가 나타나는 데 반해, MAFIC에서는 터널과만나는 불연속면의 개수와 방향에 따라 구간별로 지하수 유입량이 다르게 산정된다.
결과를 얻어내기 힘들다. 따라서 수리-역학적 상 호작용에 의해 발생하는 굴착면 주변의 간극변화 영역의 산정은, 불연속면 군을 연속이라 가정하고 그 방향과 분산정도를 단순화시켜 해석하였다. 현장에서 얻어진 불연속면군의 방향은 위경사로 변환하였고, 이를 통해 생성시킨 2차원 불연속 망은 Fig.
불연속면 군의 방향 분포는 Fisher분포를 따르고, 그 분산은 10으로 주었다. 불연속면의 크기 (fracture size)의 확률밀도함수(Probability density function)는 평균 30 m, 표준편차 10 m인 로 그 정규분포로 가정하였다. 불연속면의 형태는 계산상의 편리함과 암반면에나타난 절리선(joint trace) 길이의 관찰 결과를 근거로 하여 원판형을 가정하는 경우가 많기 때문에, 원형에근접한 12각형의 다각형으로 설정하였다.
불연속면의 형태는 계산상의 편리함과 암반면에나타난 절리선(joint trace) 길이의 관찰 결과를 근거로 하여 원판형을 가정하는 경우가 많기 때문에, 원형에근접한 12각형의 다각형으로 설정하였다. 불연속면의밀도는 계산상의 효율성을 생각해 임의로 0.24로 가정하였다.
수치해석 결과를 실제 현장에 적용하기 위해서는 해석 결과를 실제 영역으로 외삽하는 과정이 포함되어야 한다. 하지만 삼광광산에서 단층과 같은 대규모 불연속면이 발견되지 않았고 또한 불연속체 해석 방법이 일반적으로 다소 많은지하수 유입량을 나타내기 때문에 해석 결과인 100 m 구간을 5200 m길이로 단순 연장되었다고 가정하였다. 이에 따라 유량 값을 52배 하게 되면 각각 269.
제안 방법
(1) DFN을 이용한 수치모델링에서 주로 적용하는 수두와 유량의 경계조건에 대하여 고찰하였다. 그 결과 경계부의 수두를 고정 값으로 사용하는 것은 실제 현장에서 입력 조건의 측정이 용이하지만, 해석 시 터널 내부로 유입되는 유량이 과도하게 산정될 가능성이 있다.
2차원 개별요소법 해석 프로 그램인 UDEC에서 계산된 수리 간극 변화를 MAFIC의 입력자료에 반영시키기위하여 Visual Basic 6.0을 이용하여 변환 프로 그램을 작성하였다. 굴착으로 인하여 불연속면의 수리적 간극이 변화호}는 영역은 Fig.
MAFIC 프로 그램을 통해 지하수유동 해석을 실시하였다. MAFIC 프로 그램은 지하수 유동 해석을 실시 할 때수리적 간극 값을 포함하여 계산된 투수량계수(transmissivity) 를 이용하기 때문에 간극의 변화치는 투수량계수를 역산한 뒤, 이 값을 변화시켜 반영하였다.
UDEC을 이용한 수리-역학 상호작용 해석 결과를 이용해, 프로 그램을 통해 갱도 주변의 수리적 간극의 변화를 3차원 불연속망 내에 적용시켰다.
굴착 후 30일 경과시까지 부정류 해석을 실시하였으며, 약 2~3시간이 경과되었을 때 전체 터널 내부로 유입되는 유량이 1.582x1023 m/sec로 수렴하면서 평형상태에 이르렀다.
굴착면 주변의 수리적 간극 변화를 적용하지 않은 상황에서 해석을 수행하였다. 시간에 따라 전체 터널 내부(100 m길이)로 유입되는 지하수의 유량은 Fig.
터널의 중심을 기준점으로 상부의자유면에 WO m의 수두 하부에 0 m 의 수두 경계값을 입력하고 동서남북 방향의 측면에도 깊이에 따라 동일한 수두 값이 입 력될 수 있도록 z축 방향의 gradient 값을 입력하였다. 그리고 터널 벽면에는 수두를 0 m로 두어, 터널 공동으로 지하수가 유입될 수 있도록 하였다.
따라서 이러한 점을 보완하기 위해 2차원 개별요소법해석법을 이용한 수리-역학적 상호작용 해석 결과로 얻어진 굴착면 주변의 간극변화 양상(박종성 외(2007))을 3차원 불연속망에서의 지하수 유동 해석이 가능한 DFN 에 연동시켜보았다.
5와 같이 타원형으로 모사하는 것이 합리적이다. 따라서 장축의 길이와 단축의 길이, 타원의 중점, 그리고 주 불연속면 군의 방향을 입력하면 불연속면 군의 방향에 수직인 방향으로 타원형 범위를 산정하고, MAFIC 해석의 입력파일의 불연속면간극치를 타원형의 범위내에서 원하는 값으로 변화시켜 주도록 프로 그래 밍 하였다.
본 연구에서 얻어진 결과를 검증하기 위해 실제 현장자료에 간극변화를 고려한 해석법을 적용해보았다. 이를 위해 충남 청양군 운곡면 소재 삼광탄굉에서의 자료를 이용하였다.
본 연구에서는 경계면의 조건을 고정수두 조건, 고정유량 조건으로 바꾸어가며 해석을 수행하였다. 현실적인 해석이 되기 위해서는 자유 지하수면을 모사하는 것이 바람직하지만, 본 해석에 사용한 DFN 해석 프로 그램인 Fracman/MAFIC의 경우 자유 지하수면을 모사하는 것이 힘들고, 경계조건의 입력방법이 제한적이다.
수리적 간극 값을 변화시키기 전의 상황에서 해석을 수행하였다. 시간이 지남에 따라 전체 터널 내부로 유입되는 유량의 변화는 Fig.
위 조건을 바탕으로 FracworksXP를 이용해 정상상태(steady stated해석을 실시하였다.
2 mm인 경우에 수리-역학 상호작용 해석에 의해 얻어진 수리적 간극의변화 범위는 Table 3과 같다. 이 결과를 토대로 불연속면의 수리간극 값을 변화시켰다.
하지만 이 경우 굴착으로 교란되는 지반의 응력상태를 현실적으로 모사하지 못하게 된다. 이러한 이유로 개별요소법의 상호작용해석을 통해 얻어진 굴착 이후 수리간극의 변화 값을 이용하여, 굴착면 주변에서의 수리적 간극 변화를 DFN 프로 그램에 반영시켜 수치실험을 수행하였다.
이를 토대로 100 mxlOO nv<100 m 규모의 암반 내에폭 2 m, 높이 2 m, 길이 100 이의 반원형 갱도를 설치하는 것으로 해당지역을 모델링 하였다. 경계조건은 X, y, z축을 따르는 수두의 선형 변화로 입 력하였으며, 이중공극모델인 TRAFRAP을 이용하여 다공성 매질개념하에 경계조건에 해당되는 지점의 potential head 및 수두경사를 추정하여 X, y, z축의 계수를 적용하였다(김계남 외, 1996).
이를 위해 충남 청양군 운곡면 소재 삼광탄굉에서의 자료를 이용하였다. 이번 해석은 지표 및 갱내 단열조사, 시추공 공내 Televiewer검층, 구간별 수리시험을 토대로 쓰여진 논문을 바탕으로 하였다(배대석 외, 1996).
2 mm이고 그 밖의 다른 조건은 앞 절에설명한 바와 같다. 터널의 중심을 기준점으로 상부의자유면에 WO m의 수두 하부에 0 m 의 수두 경계값을 입력하고 동서남북 방향의 측면에도 깊이에 따라 동일한 수두 값이 입 력될 수 있도록 z축 방향의 gradient 값을 입력하였다. 그리고 터널 벽면에는 수두를 0 m로 두어, 터널 공동으로 지하수가 유입될 수 있도록 하였다.
대상 데이터
이를 위해 충남 청양군 운곡면 소재 삼광탄굉에서의 자료를 이용하였다. 이번 해석은 지표 및 갱내 단열조사, 시추공 공내 Televiewer검층, 구간별 수리시험을 토대로 쓰여진 논문을 바탕으로 하였다(배대석 외, 1996).
이론/모형
것으로 해당지역을 모델링 하였다. 경계조건은 X, y, z축을 따르는 수두의 선형 변화로 입 력하였으며, 이중공극모델인 TRAFRAP을 이용하여 다공성 매질개념하에 경계조건에 해당되는 지점의 potential head 및 수두경사를 추정하여 X, y, z축의 계수를 적용하였다(김계남 외, 1996). 이에 따른 경계조건과 불연속면의 물성치는 각각 Table 5와 6에 정리하였다.
본 연구에서는 3차원 불연속망에서의 지하수 유동 해석이 가능한 분리단열망(discrete fracture network; DFN)을 이용하였다. DFN의 경우 Eulerian code를 사용하기 때문에 초기 균열망은 굴착 이후 응력의 변화나시간경과에 따라 변하지 않고, 격자변화가 없는 상태로 해석이 수행되기 때문에 지하수 유동해석의 단순 모니터링으로 만 이용된다는 단점을 갖고 있다.
불연속면망 생성모형은 Enhanced Baecher모형(uniform probability in space)을 이용하였고, 불연속면의 밀도는 면적으로 밀도를 표현(areal intensity)하는 Pj? 방법을 이용하였다. 불연속면 군의 방향 분포는 Fisher분포를 따르고, 그 분산은 10으로 주었다. 불연속면의 크기 (fracture size)의 확률밀도함수(Probability density function)는 평균 30 m, 표준편차 10 m인 로 그 정규분포로 가정하였다.
불연속면망 생성모형은 Enhanced Baecher모형(uniform probability in space)을 이용하였고, 불연속면의 밀도는 면적으로 밀도를 표현(areal intensity)하는 Pj? 방법을 이용하였다. 불연속면 군의 방향 분포는 Fisher분포를 따르고, 그 분산은 10으로 주었다.
간극(aperture)의 3가지이다. 이 값들은 수압시험이나 양수시험, BIPS 혹은 BHTV 등을 이용해 현장에서 파악해야 하지만, 본 연구에서는 실제현장 시험을 수행하지 않았기 때문에 이정호 외(2005), 한정상(1998) 등의 문헌을 참고해 아래의 Table 1과 같은 입력치를 이용하였다.
성능/효과
(2) 3차원 분리단열망(DFN)에 수리적 간극변화 영역을 적용시켜 지하수 유동해석을 실시한 결과, 굴착으로 인해 터널 주변에 발생하는 간극의 변화가 터널의 수리적 안정성에 상당한 영향을 미치는 요인이 될 수 있다는 사실을 관찰하였다. 수리적 간극변화 영역을 고려한 경우 수두 값을 고정시킨 경계조건에서는 공동 내부로 유입되는 유량이 증가하였고 유량 값을 고정시킨 경계조건에서는 공동 내부로 유입되는 유량이 평형에 이르는 시간이 단축됨을 확인하였다.
Table 3에 산정된 범위를 통해 Fracman/MAFIC 프로 그램의 3차원 불연속면 망에서 수리적 간극 값을 각각 0.22 mm, 0.25 mm, 0.3 mm, 0.35 mm의 순서로 변화시켜 주었고, Fig. 6에서와 같이 DFN에서 원하는 범위의 수리적 간극값 변화가 이루어졌음을 확인하였다. 위와 같이 수리-역학 상호작용에 의해 터널 주변에변화되는 수리적 간극 값을 DFN모형에서 모사한 뒤,
삼광터널에서의 각종 자료를 바탕으로 지하수 유동해석을 실시한 결과, 수리적 간극변화 모델을 이용한 경우 그렇지 않은 경우에 비해갱도 내부로 유입되는 유량이 약 14.48% 증가 하였으며, 이 값은 실제 유입되고 있는 지하수의 측정값과 큰 차이를 보이지 않았다. 보수적인 해석결과를 통하여 지하공동 설계의 안정성을 확보할수 있다는 점을 감안하면, 굴착으로 인한 공동 주변의 수리적 간극변화를 산정하는 방법은 실제현장에서도 이용할 수 있다.
수리적 간극변화 영역을 고려한 경우 수두 값을 고정시킨 경계조건에서는 공동 내부로 유입되는 유량이 증가하였고 유량 값을 고정시킨 경계조건에서는 공동 내부로 유입되는 유량이 평형에 이르는 시간이 단축됨을 확인하였다.
수리적 긴극 값의 변화를 모사한 경우와 그렇지 않은경우의 해석결과를 비교하여 보면, 수렴에 이르기까지의 시간별 유입량에서 차이를 보이는 것으로 나타냈다. 굴착 후 3일간, 간극변화 전후에 전체 터널 내부로 유입되는 유량을 비교하면 Fig.
전체 터널 면을 통해 유입되는 유량의 수렴값은 5.78x IO' m'/sec으로 수리 간극의 변화를 반영하지 않았던경우의 해석결과보다 약 3.7배 큰 값으로 나타났다. 유량이 수렴에 이르는 시간은 약 3시간 ~ 4시간으로 간극변화를 고려하지 않은 경우와 큰 차이가 발생하지 않았다.
해석 결과 굴착으로 인해 터 널 주변의 수리적 간극이증가하게 되면, 그렇지 않은 경우보다 유입유량이 3배이상 증가하여 터널의 수리적 불안정성이 더 커진다는 사실을 알려준다. 이는 DFN모형을 이용해 지하공동의지하수유동 해석을 실시할 때 수리-역학적 상호작용에의한 간극의 변화를 고려하지 않을 경우, 공동 내부로 유입되는 유량이 과소평가될 수 있음을 의미한다.
후속연구
(4) 이번 연구를 통해 얻어진 굴착면 주변의 간극변화 범위와, 수리적 특성에 대한 정보는 추후 불연속 균열 망을 통해 이동하는 특정 매질(mass)의이동 양상 해석에도 이용할 수 있을 것이다.
경계부에서 유입되는 유량을 고정 값으로 사용하면 실제 현장에서의 입력조건의 측정이 어렵고, 해석 결과는 현실을 정확하게 반영하지 못하였다. 그러므로 해석경계부에서 시간에 따른 유입 유량의 변화를 모사할 수 있는 해석 기법에 대한 연구가 차후 수반되어야 한다.
또한, 굴착면 주변의 미세한 간극 변화로 인하여 3배이상의 유입유량 변화를 나타내는 것으로 미루어 볼 때, 고정수두 경계조건 하에서는 경계부의 수두를 유지시키기 위해서 터널 내부로 유입되는 유량이 다소 크게 나타나도록 해석될 수 있으므로 수치해석 시 이 경계조건은 신중히 적용되어야 할 것이다.
수치해석을 이용한 설계와 해석은, 시공 시의 안정성을 보장하기 위해 되도록 보수적인 결과를 요구한다는 점을 고려하면, 굴착 후 수리적 간극변화를 고려한 모델은 지하공동이나 터널설계 시 실제 현장에 적용될 수있을 것이라 판단된다.
이는 , 경계조건을 고정수두로 할 경우 전체 해석영역의 경계부 수두가 고정되어있기 때문에 터널 굴착 이후, 경계부의 수두를 유지하기 위해 터널 안쪽으로 유입되는 유량이 다소 과도하게산정될 수 있기 때문이다. 이같이 고정수두 경계조건의경우 굴착 후 평형에 이르기까지 터널 내부로 유입되는 유량이 과다하게 산정될 수 있으므로 실제 현장에서는 이 경계 조건을 신중히 적용해야 할 것으로 판단된다.
참고문헌 (9)
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배대석, 송무영, 1996, 분리단열망개념의 지하수유동해석을 위한 단열투수량계수의 정량화 연구, 대한지질공학회지, Vol. 6, No. 1, 1-13
박종성, 류동우, 류창하, 이정인, 2007, 수리적 간극변화를 고려한 수리적EDZ의 정의에 관한 연구, 한국터널공학회 논문집(투고 중)
이정호, 이영준, 이수재, 2005, 터널로 인한 지하수 저감방안 연구, 한국환경정책 평가연구원, 연구보고서
정용훈, 2006, 발파에 의한 굴착손상영역의 수치해석적 산정, 공학박사학위논문, 서울대학교
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Attewell, P. B., Farmer, I. W., 1976, Principles of engineering geology, Chapman and Hall, 1045p
Kulatilake, P. H. S. W., 1993, Joint network modelling with a validation exercise in Stripa Mine, International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, Vol. 30, 503-526
Sato, T., 1998, In-situ experiment on an excavation disturbed zone induced by mechanical excavation in Neogene sedimentary rock at Tono Mine, Central Japan, Engineering Geology, Vol. 56, 97-108
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