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문제 정의
- 이러한 누수 방지를 위하여 시공되고 있는 일반적인 방법은 시멘트 그라우트를 이용한 그라우팅으로, 댐의 기초처리, 터널 주변의 보강 및 석회암 공동대 충전 등 암반에 대하여 암석의 강도와 내구력 증대를 통한 투수성 저하를 목적으로 적용되어 왔다. 그러나 휠댐과 같이 토사로 구성된 경우에는 물의 유동을 줄이거나 토사층의 지지력을 증대시켜 구조물의 침하를 방지하기 위해 실시한다. 특히 휠댐의 중심점토를 구성하는 점토나 실트층에 그라우트를 주입하는 경우에는 흙입자의 공극을 충전하기 보다는 약한 면을 따라 흙의 조직을 파괴하면서 관입하여 국부적인 전단을 발생시킨 후 흙의 입자를 재조정하고 주입재가 고결되는 할렬주입의 형태가 일반적으로 나타난다(Houlsby, 1990).
- 특히 저수지 제체와 같은 수리시설물의 누수 탐지 및 그라우팅 효과 검증을 위해서는 그라우트 물성을 대표하는 전기전도도(electrical conductivity)를 이용한 전기비저항 탐사가 효과적이다. 따라서이 연구에서는 1차원 및 2차원 지표탐사와 시추공을 이용한 토모그래피탐사를 병행 실시함으로서 탐사자료 해석의 신뢰도를 높이고자 하였다.
제안 방법
- R4 지점은 콜로이드 시멘트를 사용한 주입지점으로 이 지점에 대하여는 그라우트 주입 하루 전에 측정한 결과를 기초로, 그라우트 주입을 실시한 이후 1일 간격으로 동일지점에 대하여 3일 동안 슐럼버져 배열 전기비저항 수직탐사를 실시하였다. 그라우팅 이후 동일 심도의 전기비저항값은 1일 경과 후 부터 초기 값보다 심도에 따라 약 200 ~ 800 ohm-m 정도까지 매우 낮게 나타나며 이후부터 변화가 크지 않은 것으로 나타났다(Fig.
- R7 지점은 콜로이드 시멘트를 사용한 주입지점으로 이 지점에 대하여는 R4에서와 동일하게 그라우트 주입 하루 전에 측정한 결과를 기초로, 그라우트 주입을 실시한 이후 1일 간격으로 동일지점에 대하여 3일 동안 슐럼버져 배열 전기비저항 수직탐사를 실시하였다. 탐사결과 그라우팅 이후 동일 심도의 전기비저항값은 초기 값보다 약 200 ~ 400 ohm-m 정도까지 매우 낮아지며 이후부터 안정된 값을 보인다(Fig.
- 이 연구에서는 누수가 진행되고 있는 저수지의 보강 구간에 대하여, 분말도가 서로다른 콜로이드 시멘트와 보통 포틀랜드 시멘트를 이용한 그라우팅을 실시하였다. 또한 그라우팅의 효과 확인을 위한 기존의 변수위 투수시험 이외에 전기비저항 탐사 방법을 추가함으로써, 현장에서의 체계적인 보강 효과 검증 방법을 제시하였다.
- 먼저 F17 및 F23 지점에 대하여 그라우트 주입 3일 전, 주입 이후 1일 경과 후 및 약 3주 경과 후에 각각 슐럼버져 배열 전기비저항 수직탐사를 실시하였다. F17 지점은 그라우팅이후 1일 경과 시점에서 동일 심도의 전기비저항값이 초기 값보다 약 100 ~ 150 ohm-m 정도까지 낮아지는 것으로 나타났으며, 약 3주 이후에서도 큰 변화가 없는 것으로 나타났다(Fig.
- 본 저수지에 대한 쌍극자배열 전기비저항탐사는 2차원 분석을 통한 제체의 누수 구간 파악과 그라우팅의 개선 효과를 파악하기 위하여, 댐마루에서 그라우팅 전후에 각각 전극간격 5 m로 수행되었다(Fig. 1)
- 시추공을 이용한 전기비저항 토모그래피(Electrical Resistivity Tomography, ERT)는 그라우트 주입 구간에 대하여 주입 전후에 각각 실시하였다(Fig. 9). 본 연구에서는 시추공 간격을 당초 시추공 심도의 약 2/3로 설정하여, 시추공의 깊이가 약 9 m 내외인 점을 감안하여 6 m 간격의 시추공간 토모그래피를 실시하였으나, 전극 설치 시 시추공의 함몰로 전극의 설치가 불가능해짐에 따라 시추공 깊이에 비해 시추공 간격이 상대적으로 멀게 설정되어 탐사 결과 해석에 어려움이 많았다.
- 7 사이와 보통 포틀랜드 시멘트 주입 구간에 대하여 그라우팅 전후에 투수시험을 실시하여 상호결과를 비교하였다. 시험방법은 그라우팅 시공 전에 콜로이드 시멘트 주입 구간 5개 지점과 보통 포틀랜드 시멘트 주입 구간 3개 지점의 투수 계수를 각각 구하였으며, 시공 후에는 콜로이드 시멘트 주입구간 2개 지점과 보통 포틀랜드 시멘트 주입구간 2개 지점의 검사공에 대하여 각각 투수시험을 실시하여 시공 효과를 평가하였다(Fig. 3). 이때 수위변화는 매 5초 간격으로 자동 측정하여 자료처리 시 각 시간간격의 수위변화를 도시하였으며, 전체적인 변화폭에서 벗어나는 자료는 제거하여 평균값을 취하였다.
- 시멘트 그라우팅을 이용한 저수지 제체 보강과 누수구간 지수에 대한 효과 규명은 주로 검사공을 이용한 투수시험이 이용되어 왔지만, 검사공의 위치 선정과 시험 방법 등에 대한 객관적인 검토가 필요한 현실이다. 이 연구에서는 누수가 진행되고 있는 저수지의 보강 구간에 대하여, 분말도가 서로다른 콜로이드 시멘트와 보통 포틀랜드 시멘트를 이용한 그라우팅을 실시하였다. 또한 그라우팅의 효과 확인을 위한 기존의 변수위 투수시험 이외에 전기비저항 탐사 방법을 추가함으로써, 현장에서의 체계적인 보강 효과 검증 방법을 제시하였다.
- 이 연구에서는 서로 다른 구간에 대해 입자의 분말도가 다른 콜로이드 시멘트와 보통 포틀랜드 시멘트로 보강된 저수지 제체에 대하여, 주입구간 별로 그라우팅 효과를 검증하였다. 이를 위하여 그라우팅 전후에 시추공을 이용한 투수시험을 수행하였으며, 기존의 전기비저항탐사법과 더불어 검사공을 이용한 시추공간 전기비저항 토모그래피 탐사법을 추가하여 정량적인 해석을 실시하였다.
- 이 연구에서의 토모그래피의 전극간격은 50 cm, 전극배열은 변형된 단극-쌍극자배열법을 이용하였으며, 전극배열의 특성상 비대칭성을 극복하기 위하여 수신부 지점에 전류원을 위치시키는 역변형된 단극−쌍극자배열법과 동일 시추공 탐사법을 병행하여 실시하였다.
- 이 저수지의 경우는 변수위 투수시험법(tubecasing method)을 이용하여 콜로이드 시멘트 주입구간인 제체의 공번 No.3.5~ No.7 사이와 보통 포틀랜드 시멘트 주입 구간에 대하여 그라우팅 전후에 투수시험을 실시하여 상호결과를 비교하였다. 시험방법은 그라우팅 시공 전에 콜로이드 시멘트 주입 구간 5개 지점과 보통 포틀랜드 시멘트 주입 구간 3개 지점의 투수 계수를 각각 구하였으며, 시공 후에는 콜로이드 시멘트 주입구간 2개 지점과 보통 포틀랜드 시멘트 주입구간 2개 지점의 검사공에 대하여 각각 투수시험을 실시하여 시공 효과를 평가하였다(Fig.
- 이 저수지는 제체 양안부에 기반암과의 경계부가 나타나며, 이 중 콜로이드 시멘트가 주입된 부분은 여수토 구간의 시점부의 약 3 ~ 8 m 심도로 기반암인 퇴적암의 풍화대 구간이다. 이 풍화대 구간은 그라우트 주입을 위한 시추공 착정 시 굴진수가 완전히 빠져나감에 따라, 주입 방법은 제체 하부 기반암에 대하여 패커 주입 후 제체 구간에 대하여는 튜브를 이용한 주입을 실시하였다. 이때 주입된 그라우트의 배합비는 물-시멘트비를 약 3:1로 고정하였으며, 주입은 후열을 먼저 주입하고 전열을 주입하는 순서로 진행하였다.
- 3). 이때 수위변화는 매 5초 간격으로 자동 측정하여 자료처리 시 각 시간간격의 수위변화를 도시하였으며, 전체적인 변화폭에서 벗어나는 자료는 제거하여 평균값을 취하였다.
- 이 연구에서는 서로 다른 구간에 대해 입자의 분말도가 다른 콜로이드 시멘트와 보통 포틀랜드 시멘트로 보강된 저수지 제체에 대하여, 주입구간 별로 그라우팅 효과를 검증하였다. 이를 위하여 그라우팅 전후에 시추공을 이용한 투수시험을 수행하였으며, 기존의 전기비저항탐사법과 더불어 검사공을 이용한 시추공간 전기비저항 토모그래피 탐사법을 추가하여 정량적인 해석을 실시하였다.
대상 데이터
- 또한 점토와 같은 미세립지층이 포화된 경우에는 공극의 크기에 적합한 주입재를 사용해야 한다. 따라서 이 연구에서는 구조적으로 취약한 여수로 부근의 저수지 시점부로부터 약 9 m 구간에 대하여, 분말도가 약 6,000 cm2/g 정도인 콜로이드 시멘트를 구간별로 사용하였다. 또한 저수지 제체 중심부로부터 종점부까지 약 58 m 구간에 대해서는 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였다.
- 따라서 이 연구에서는 구조적으로 취약한 여수로 부근의 저수지 시점부로부터 약 9 m 구간에 대하여, 분말도가 약 6,000 cm2/g 정도인 콜로이드 시멘트를 구간별로 사용하였다. 또한 저수지 제체 중심부로부터 종점부까지 약 58 m 구간에 대해서는 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였다.
- 따라서 동일한 저수지 제체의 보강을 위한 효과적인 그라우트 주입을 위해서는, 주입재의 분말도가 상대적으로 작은 경우가 유리한 것으로 밝혀진 바 있다(송성호 등, 2003). 본 연구에서는 저수지 제체의 누수 보강을 위한 그라우트 주입재로 현장에서 제조된 콜로이드 시멘트와 보통 포틀랜드 시멘트를 이용하였다.
- 연구대상 저수지는 충남 청양군에 위치한 농업용 저수지로, 길이 92 m, 제체 높이 14.5 m, 폭 3m로, 제체 기울기는 내, 외측이 각각 2.5와 2.0인 소규모 휠댐이다(Fig. 1).
- 주입시험을 위해 사용된 시멘트는 콜로이드 시멘트와 보통 포틀랜드 시멘트 두 종류이다. 이 중 콜로이드 시멘트를 사용한 주입구간은 제체 시점부로부터 총 9m로, 주입공의 간격은 3 m, 전/후열 간격은 1m로 설정하였으며, 보통 포틀랜드 시멘트 주입 구간은 콜로이드 시멘트의 외곽부인 제체 중앙지점으로부터 제체 종점부까지 총 58 m로 주입공의 간격은 2 m, 전/후열 간격은 1m로 설정하였다(Fig. 2).
- 전기비저항 수직탐사는 그라우트 주입 이후 시간 경과에 따른 전기비저항 변화를 측정하기 위하여, 그라우트가 주입된 공번 R4, R7, F17 및 F23 지점을 대상으로 수행하였다(Fig. 1).
- 주입시험을 위해 사용된 시멘트는 콜로이드 시멘트와 보통 포틀랜드 시멘트 두 종류이다. 이 중 콜로이드 시멘트를 사용한 주입구간은 제체 시점부로부터 총 9m로, 주입공의 간격은 3 m, 전/후열 간격은 1m로 설정하였으며, 보통 포틀랜드 시멘트 주입 구간은 콜로이드 시멘트의 외곽부인 제체 중앙지점으로부터 제체 종점부까지 총 58 m로 주입공의 간격은 2 m, 전/후열 간격은 1m로 설정하였다(Fig.
이론/모형
- 10은 전기비저항 토모그래피에서 얻은 자료를 2차원 역산법을 이용하여 얻어진 결과이다. 본 연구에서 현장자료 처리 및 역산은 TomoDC (Kim, 1999) 프로그램을 이용하였으며, 역산기법은 모델변수와 측정자료의 특성에 따라 라그랑지 승수를 조절하여, 역산 결과의 분해능을 향상시킬 수 있는 ACB(Active Constraint Balancing) 방법을 이용하였다(Yi et al., 2003).
성능/효과
- 먼저 F17 및 F23 지점에 대하여 그라우트 주입 3일 전, 주입 이후 1일 경과 후 및 약 3주 경과 후에 각각 슐럼버져 배열 전기비저항 수직탐사를 실시하였다. F17 지점은 그라우팅이후 1일 경과 시점에서 동일 심도의 전기비저항값이 초기 값보다 약 100 ~ 150 ohm-m 정도까지 낮아지는 것으로 나타났으며, 약 3주 이후에서도 큰 변화가 없는 것으로 나타났다(Fig. 5(a)).
- 검사공을 이용한 투수시험 결과 그라우팅 이전의 투수계수는 성토부와 하부 풍화대에서 평균 3.67×10−3 cm/s와 1.87×10−4 cm/s로 각각 나타났지만, 그라우팅 이후의 투수계수는 평균 3.35×10−5 cm/s와 1.23×10−5 cm/s로 나타남에 따라 성토부는 약 100배, 풍화대는 약 10배 이상 투수계수가 낮아지는 것으로 분석되었다.
- 그라우팅 이전에 실시한 변수위 투수시험 결과 제체 전체 구간에서 측정된 투수계수는 성토부의 경우 평균 3.67×10−3 cm/s,제체 하부 풍화대의 경우 평균 1.87×10−4 cm/s로 나타났다(Table 3).
- R4 지점은 콜로이드 시멘트를 사용한 주입지점으로 이 지점에 대하여는 그라우트 주입 하루 전에 측정한 결과를 기초로, 그라우트 주입을 실시한 이후 1일 간격으로 동일지점에 대하여 3일 동안 슐럼버져 배열 전기비저항 수직탐사를 실시하였다. 그라우팅 이후 동일 심도의 전기비저항값은 1일 경과 후 부터 초기 값보다 심도에 따라 약 200 ~ 800 ohm-m 정도까지 매우 낮게 나타나며 이후부터 변화가 크지 않은 것으로 나타났다(Fig. 7(a)).
- 그러나 그라우팅 이후의 투수계수는 성토부의 경우 평균 3.35×10−5 cm/s, 제체하부 풍화대의 경우 평균 1.23×10−4 cm/s로 성토부는 약 100배, 풍화대는 약 10배 이상 투수계수가 낮아지는 것으로 분석되었지만, 그라우트 재질에 따른 차이는 크지 않은 것으로 나타났다.
- 이러한 결과는 R4 지점에 대한 전기비저항 수직탐사에서 그라우트 주입 이전에 약 500 ~ 1,400 ohm-m 범위의 비저항이 그라우트 주입 이후의 약 120 ~ 450 ohm-m 범위로 낮아진 결과와 일치된다. 따라서 전기비저항 토모그래피 결과를 이용하여 그라우트 주입공 및 공 주변의 콜로이드 시멘트 그라우트의 주입상태를 간접적으로 확인할 수 있었다.
- 특히 상대적으로 콜로이드 시멘트 주입구간은 보다 폭넓은 침투로 그라우팅에 의한 개선효과가 큰 것으로 판단된다. 또한 그라우트 주입구간에서 실시한 전기비저항 수직탐사 결과 주입 직후 겉보기 비저항이 급격하게 감소한 후 시간이 경과함에 따라 점차 안정된 결과가 나타남에 따라, 그라우트 주입 구간 판단에 적용성이 매우 높음을 알 수 있었다. 콜로이드 시멘트 그라우트 주입구간의 경우 시간 경과에 따라 전기비저항이 다시 높아지는 경향이 나타나는 것으로 나타남에 따라, 콜로이드 시멘트의 고결속도가 보통 포틀랜드 시멘트보다 빠른 것으로 추정된다.
- 9). 본 연구에서는 시추공 간격을 당초 시추공 심도의 약 2/3로 설정하여, 시추공의 깊이가 약 9 m 내외인 점을 감안하여 6 m 간격의 시추공간 토모그래피를 실시하였으나, 전극 설치 시 시추공의 함몰로 전극의 설치가 불가능해짐에 따라 시추공 깊이에 비해 시추공 간격이 상대적으로 멀게 설정되어 탐사 결과 해석에 어려움이 많았다. 이 연구에서의 토모그래피의 전극간격은 50 cm, 전극배열은 변형된 단극-쌍극자배열법을 이용하였으며, 전극배열의 특성상 비대칭성을 극복하기 위하여 수신부 지점에 전류원을 위치시키는 역변형된 단극−쌍극자배열법과 동일 시추공 탐사법을 병행하여 실시하였다.
- 쌍극자배열 전기비저항 탐사 결과 그라우팅 이후 전극 전개별로 겉보기 비저항 이상곡선이 양호한 연속성이 나타나는 것과 그라우팅 이전에 비해 주입구간이 전체적으로 수평적인 발달이 나타나는 결과 등은 그라우트의 주입에 의한 개선 결과로 판단된다. 특히 상대적으로 콜로이드 시멘트 주입구간은 보다 폭넓은 침투로 그라우팅에 의한 개선효과가 큰 것으로 판단된다.
- 7(a)). 이때 그라우트의 주입효과는 전체구간에서 나타나며, 앞서 제시한 보통 포틀랜드 시멘트 주입구간에 비해 전기비저항의 변화폭이 매우 크고, 1일 경과 후 급격히 전기비저항이 낮아지다가 2일, 3일이 지나면서 다소 증가하는 경향이 나타났다. 이는 콜로이드 시멘트가 제체 매질에 대한 침투효과가 상대적으로 큰 것으로 판단되며, 시멘트의 분말이 미세할수록 주변 매질과의 접촉 면적이 클 뿐만 아니라 수화작용이 빠르게 진행되어 보다 빠른 고결속도에 의한 원인으로 사료된다(Fig.
- 4(b)는 그라우팅 이후의 탐사 결과로 콜로이드 시멘트 그라우트가 주입된 구간인 시점부에서 비교적 균질한 비저항의 분포가 나타났다. 이러한 결과는 분말도가 비교적 높은 콜로이드 시멘트 그라우트가 일반 포틀랜드 시멘트에 비해 상대적으로 제체 중앙부까지 폭넓게 침투되어 고결된 결과로 해석이 가능하다. 그러나 단면 우측부의 수평거리 45 ~ 85 m 지점에서 약 5 m 심도에 100 ohm-m 내외의 낮은 비저항대가 나타나는데, 이 구간은 일반 포틀랜드 시멘트 그라우트가 주입된 구간으로 45 ~ 55 m 지점을 제외하고는 상대적으로 침투심도가 낮은 것을 의미하며, 45 ~ 55 m 지점은 상대적으로 연약한 부분임을 추정할 수 있다.
- 23×10−4 cm/s로 성토부는 약 100배, 풍화대는 약 10배 이상 투수계수가 낮아지는 것으로 분석되었지만, 그라우트 재질에 따른 차이는 크지 않은 것으로 나타났다. 전반적으로 성토부, 풍화대 모두 그라우팅을 통한 효과적인 지수가 확인되었으며, 특히, 성토부의 경우는 그라우트 충전율이 매우 높은 것으로 판단된다.
- 주입압은 먼저 주입한 후열에서는 토사층의 경우 평균 2~3 kgf/cm2, 암반층의 경우는 2 ~ 3 kgf/cm2이었지만, 나중에 주입한 전열의 경우는 토사층의 경우 평균 3 ~ 4 kgf/cm2 , 암반층의 경우는 4 ~ 5 kgf/cm2로 각각 나타났다(Table 1). 이러한 결과는 시험 구간에서 기반암 풍화대에 대한 후열의 주입의 효과가 전열을 주입하는 과정에서 주입압을 상승시키게 한 결과로 판단되며, 이러한 결과는 제체 토사층의 경우에서도 동일하게 나타났다.
- 탐사 결과 이 저수지는 시점인 여수토 주변부의 기반암인 퇴적암 풍화대의 영향으로 약 10 m 이하 깊이로부터 약 200 ohm-m 이하로 주변에 비해 낮은 비저항대 구간이 발달하는데, 이 구간은 주입공 시추 시 굴진수의 누수가 나타나는 구간과 일치된다(Fig. 4(a)).
- R7 지점은 콜로이드 시멘트를 사용한 주입지점으로 이 지점에 대하여는 R4에서와 동일하게 그라우트 주입 하루 전에 측정한 결과를 기초로, 그라우트 주입을 실시한 이후 1일 간격으로 동일지점에 대하여 3일 동안 슐럼버져 배열 전기비저항 수직탐사를 실시하였다. 탐사결과 그라우팅 이후 동일 심도의 전기비저항값은 초기 값보다 약 200 ~ 400 ohm-m 정도까지 매우 낮아지며 이후부터 안정된 값을 보인다(Fig. 8(a)).
- 콜로이드 시멘트 그라우트 주입구간의 경우 시간 경과에 따라 전기비저항이 다시 높아지는 경향이 나타나는 것으로 나타남에 따라, 콜로이드 시멘트의 고결속도가 보통 포틀랜드 시멘트보다 빠른 것으로 추정된다. 투수시험용 검사공을 이용하여 그라우트 주입 구간에 대한 시추공 전기비저항 토모그래피 탐사 결과, 앞서 제시한 전기비저항 수직탐사의 결과와 일치되는 것으로 나타났다. 따라서 시추공을 이용한 전기비저항 토모그래피 탐사 방법이 그라우트 주입 구간을 공간적으로 확인하는데 적합한 것으로 판단되며, 향후 그라우팅 효과 판정을 위해 설치하는 투수시험용 검사공을 이용하는 경우 시추비용 절감 효과가 있을 뿐만 아니라 검사공 주변의 공간적인 그라우팅 효과 판정에도 큰 역할을 할 것으로 기대된다.
후속연구
- 투수시험용 검사공을 이용하여 그라우트 주입 구간에 대한 시추공 전기비저항 토모그래피 탐사 결과, 앞서 제시한 전기비저항 수직탐사의 결과와 일치되는 것으로 나타났다. 따라서 시추공을 이용한 전기비저항 토모그래피 탐사 방법이 그라우트 주입 구간을 공간적으로 확인하는데 적합한 것으로 판단되며, 향후 그라우팅 효과 판정을 위해 설치하는 투수시험용 검사공을 이용하는 경우 시추비용 절감 효과가 있을 뿐만 아니라 검사공 주변의 공간적인 그라우팅 효과 판정에도 큰 역할을 할 것으로 기대된다.
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