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문제 정의
- 본 논문에서는 기존의 지질 모델의 이용된 분류 체계(단열대의 크기 및 방향성)(Fig. 7, Table 3)를 기준으로 수리전도도를 분리하여 그 분포를 확인하여 보았다. 단, 단열대의 크기 에 대한 수리전도도 분류는 현장 수리시험 결과 개수의 제한으로 인해 (S class 4개 , B class 4개), Andersson et.
- 이와 함께 연구 지역의 다수의 심부 시추공에서 현장 수리 시험을 통한 수리지질 특성 연구를 수행하였다⑸. 본 논문에서는 기존에 구축된 지질모델의 각 요소에 대한 수리 지질 특성을 수리지질모델의 요소로서 종합 평가하였고, 현장 수리시험 결과를 이용하여 수리지질모델로 구축하였다.
가설 설정
- 따라서, 현장 수리시험에서 단열의 공간적 분포 형태를 파악하고, 시간에 따라 시험 구간에 주입된 유량 변화 자료를 이용하는 부정류 상태의 차원분석법을 이용하여 수리전도도 값을 해석하는 방법 이 실제 단열의 지하수 유동특성을 반영할 수 있다[7L 그러나, 차원 분석법을 이용하여 수리전도도 값을 구할 때 수리시험의 기간 및 초기 유입되는 유량 자료의 부족 등의 한계가 있으며, 차원 해석에서 많은 불확실성을 내포하고 있기 때문에 해석에 유의해야 한다⑻. 본 논문에서는 균질등방성 매질에 수직인 시험공에서의 흐름이 방사상 층류 (radial laminar flow)로 가정하였으며, 현장 수리시험 결과 투수량 계수 산출을 위해 사용된 해석법은 1967년에 제안된 Moye의 해석해에 따랐다.
- 수리지질모델 구축을 위해 먼저 지질모델에 근거하여 각 요소를 구성하였다. 이에 대한 수리 지질학적 특성이 일반적으로 고려되는 성질을 갖는다고 가정하여 각 지질모델의 요소에 대한 수리지질모델의 개념을 설정하였다. 일반적으로 수리지 질모델의 요소는 수리토양대 (Hydraulic Soil Domain, HSD), 수리투수대(Hydraulic Conductor Domain, HCD), 수리암반대 (Hydraulic Rock Domain, HRD)로 구성된다[6].
제안 방법
- KURT 주변 지역에 대한 수리지질 특성 조사를 위해 총 9 개의 시추공에서 이 중 패커를 이용하여 일정 구간별 정압주입시험을 실시하였다. 현장 수리시험은 주입단계에서 20분 내외로 정압주입 후 일정 유량이 매질로 유입될 때까지 시험을 실시하였는데 , 주입수로 연구지역의 지표수를 이용하였으며, 주입 압력의 안정화를 위하여 약 20-40 m의 정압이 걸리도록 상부 표고에 물탱크를 임시로 설치하거나, 물탱크 설치가 어려운 곳은 주입 펌프를 사용하여 일정 압력으로 물을 주입하였다.
- KURT 주변 지역의 지질모델 요소에 대응된 수리 지질 모델의 수리적 특성을 판단하기 위해 연구용 시추공에서 정압주입시험을 통해 구간별로 산출된 투수량계수를 이용하였으며, 지질모델을 구축하는 과정에서 시추공별로 관측되는 단열대의 크기를 활용하여 각 단열대에 대한 수리전도도를 도출하였다.
- KURT 주변 지역의 지질모델에서 제시한 바와 같이, 연구지역에서 지표 지질조사 및 시추공 지질조사를 통해 상부 토양층 및 풍화대, 저경사단열대, 단열대, 기반암의 4개의 지질 모델에 대한 요소를 분류하였다. 수리지질모델 구축을 위해 먼저 지질모델에 근거하여 각 요소를 구성하였다.
- IO*~[。庭 m/sec의 범위에서 최고점을 갖는 양봉분포(bimodal distribution)# 보이고 있기 때문에 지질 모델에서 단열대를 분류한 기준인 단열대의 크기, 방향성에 따라 수리전도도의 대수값을 구분하여 수리전도도를 분석하였으며, 그 통계적인 특성값을 제시하였다.
- 기초하여, 제반 지표지질조사결과를 종합 분석하여 최종 7개의 단열대를 도출하였다. 각 단열대는 주단열(msjor fracture)과 단열 손상대로 이루어져 있으며, 주 단열을 분석하여 단열대의 방향성을 제시하고, 시추공 별로 존재하는 주단 열의 단열 손상대(damaged zone)의 크기를 분석하여 단열대의 규모를 판단하였다. 또한, 단열대의 분류 기준에 따라 연구지역에서 심부 영역에 존재하는 단열대의 분류 결과를 제시하였다(Table 2).
- 단열대의 크기에 따른 수리전도도를 같은 방법으로 분석하였다. 분석결과 국지규모 주요 단열대(local major fracture zone)로 분류되는 단열의 경우, 10。" m/sec의 평균값(표준편차를 이용한 분포 : 10-811~10-6-13 m/sec)을 보이며 분포하고 있으며, 국지규모 단열대(local fracture zone)으로 분류되는 단열대는 10-7.
- 특히 , YS-6, YS-1, YS-7 시추공에서 지하 400 m 이하의 깊이에서 심부 영역임에도 불구하고 비교적 큰 수리전도도 값을 보이는 현상은 심부 영역에서도 투수성 구조에 의해 지하수의 유동이 결정적으로 지배받을 수 있음을 의미한다. 따라서 본 논문에서는 지하 매질을 하나의 요소로 고려하여 수리지질특성을 해석하기 보다는 연구 지역에서 구축된 지질모델에 근거하여 풍화대 영역, 저경사단열대영역, 단열대 영역, 기반암 영역으로 구분하여 수리지질모델을 구성하였다.
- 각 단열대는 주단열(msjor fracture)과 단열 손상대로 이루어져 있으며, 주 단열을 분석하여 단열대의 방향성을 제시하고, 시추공 별로 존재하는 주단 열의 단열 손상대(damaged zone)의 크기를 분석하여 단열대의 규모를 판단하였다. 또한, 단열대의 분류 기준에 따라 연구지역에서 심부 영역에 존재하는 단열대의 분류 결과를 제시하였다(Table 2).
- 이와 함께 연구 지역의 다수의 심부 시추공에서 현장 수리 시험을 통한 수리지질 특성 연구를 수행하였다⑸. 본 논문에서는 기존에 구축된 지질모델의 각 요소에 대한 수리 지질 특성을 수리지질모델의 요소로서 종합 평가하였고, 현장 수리시험 결과를 이용하여 수리지질모델로 구축하였다.
- 본 연구에서는 KURT 주변 지역의 총 9개의 연구용 시추공에서 현장 수리시험을 이용하여 지하 매질의 수리 지질 특성을 분석하였다. 현장 수리시험으로 구간별 정압주입시험을 이용하였으며, 시험 결과 도출된 투수량계수로서 매질에 대한 수리전도도를 도출하였다.
- 대한 요소를 분류하였다. 수리지질모델 구축을 위해 먼저 지질모델에 근거하여 각 요소를 구성하였다. 이에 대한 수리 지질학적 특성이 일반적으로 고려되는 성질을 갖는다고 가정하여 각 지질모델의 요소에 대한 수리지질모델의 개념을 설정하였다.
- 2). 연구지역에 굴착된 시추공은 위치 및 심도에 따라 BH (BoreHole)와 YS (Yuseong), KP (KURT Portal) 관정군 및 DB (Deep Borehole)관정으로 분류하였는데, BH 관정군(BH2~6)은 2(X)0년 이전에 천부 영역의 수리특성 조사를 위해 지하 100 m 이내의 깊이로 굴착되었고, YS 관정군(YS-1~7)은 심부 영역의 지질 특성 및 수리특성 조사를 위해 지하 200-500 이의 깊이로 굴착되었다. KURT 건설 전부지 특성 조사의 일환으로 KURT의 입구 지역에서 KURT와 나란한 방향의 KP-1 시추공이 굴착되었고, 수직 방향으로 KP-2 시추공이 굴착되었다.
- 일반적으로 수리지 질모델의 요소는 수리토양대 (Hydraulic Soil Domain, HSD), 수리투수대(Hydraulic Conductor Domain, HCD), 수리암반대 (Hydraulic Rock Domain, HRD)로 구성된다[6]. 이와 함께 KURT 주변 지역의 지질 모델에서 저경사단열대가 추가 되었으므로 저 경사 단열대 (low angle fracture domain)의 요소를 수리지 질모델에 추가하여 기본 개념 모델을 구성하였다.
- 현장 수리시험은 주입단계에서 20분 내외로 정압주입 후 일정 유량이 매질로 유입될 때까지 시험을 실시하였는데 , 주입수로 연구지역의 지표수를 이용하였으며, 주입 압력의 안정화를 위하여 약 20-40 m의 정압이 걸리도록 상부 표고에 물탱크를 임시로 설치하거나, 물탱크 설치가 어려운 곳은 주입 펌프를 사용하여 일정 압력으로 물을 주입하였다. 주입 호스 선상에 설치되는 압력계는 0.1 蛇/cnf까지 판독 가능한 유압 압력계를 사용하였고, 주입 량의정밀한 계즉에 가장 중요한 유량계는 Gilmont Instruments 사의 rotameter를 계측 범위별로 중첩하도록 자체 제작하였다(Fig. 3).
- 분석하였다. 현장 수리시험으로 구간별 정압주입시험을 이용하였으며, 시험 결과 도출된 투수량계수로서 매질에 대한 수리전도도를 도출하였다. 구간별 투수량계수는 투수성 구조가 존재하는 구간을 제외하고 10-75~ rnVsec 의 범위 화강암 지역에서의 전형적인 값을 보였다.
- 실시하였다. 현장 수리시험은 주입단계에서 20분 내외로 정압주입 후 일정 유량이 매질로 유입될 때까지 시험을 실시하였는데 , 주입수로 연구지역의 지표수를 이용하였으며, 주입 압력의 안정화를 위하여 약 20-40 m의 정압이 걸리도록 상부 표고에 물탱크를 임시로 설치하거나, 물탱크 설치가 어려운 곳은 주입 펌프를 사용하여 일정 압력으로 물을 주입하였다. 주입 호스 선상에 설치되는 압력계는 0.
대상 데이터
- KURT 건설 전부지 특성 조사의 일환으로 KURT의 입구 지역에서 KURT와 나란한 방향의 KP-1 시추공이 굴착되었고, 수직 방향으로 KP-2 시추공이 굴착되었다. KURT의 심부지역에 대한 지질, 수리지질 및 지화학 특성을 파악하기 위해 KURT 내부에 장심도 시추공인 DB-1(심도 500 m)와 KURT에서 남쪽으로 150 m 이격된 지점에 DB®(심도 1,000 m)시추공을 2(X)8년과 2009년에 각각 굴착하였디' 본 논문에서 분석된 수리 지질자료는 2009년 구축된 지질모델에서 이용된 시추공을 대상으로 한다. [4L
- Locations map of the boreholes. Total 16 boreholes were drilled at the study area and grouped into 4 well fields (YS, BH, KP, DB well fields). In this study, YS1¢¶YS7 borehole and KP1, 2 borehole data were used for construction of geological model[4].
- 고준위 방사성폐기물 처분을 위한 부지특성조사의 일환으로 한국원자력연구원내 연구 지역에서 16개의 시추공을 굴착하였다(Fig. 2). 연구지역에 굴착된 시추공은 위치 및 심도에 따라 BH (BoreHole)와 YS (Yuseong), KP (KURT Portal) 관정군 및 DB (Deep Borehole)관정으로 분류하였는데, BH 관정군(BH2~6)은 2(X)0년 이전에 천부 영역의 수리특성 조사를 위해 지하 100 m 이내의 깊이로 굴착되었고, YS 관정군(YS-1~7)은 심부 영역의 지질 특성 및 수리특성 조사를 위해 지하 200-500 이의 깊이로 굴착되었다.
데이터처리
- 8). 각 방향의 단열대가 갖는 수리전도도의 통계적 분포 특성을 확인하기 위해도출 된 수리전도도의 대수값을 이용하여 정규성 검정을 실시하였다. 정규성 검정 방법으로 Ryan-Joiner의 검정 방법을 이용하였다[10L 정규성 검정 결과, 단열대의 방향성으로 구분한 수리전도도 분포가 정규성을 갖는 것으로 분석된다.
- 심부 영역에 존재하는 기반암의 경우, 평균 10 01 m/sec(표준편차를 이용한 분포 : 101123~10&79 m/sec)로 저경사단열대와 단열대에 비해 낮은 값으로 산출된다. 각 수리지질모델 요소의 수리전도도의 통계적 분포 특성을 확인하기 위해 지질모델의 요소별 도출된 수리전도도의 대수 값을 이용하여 정규성검정을 실시하였다. 정규성검정 방법으로 현장시험을 통해 산출된 수리전도도 자료가 적은 저 경사 단열대 및 단열대에 대해 Ryan-Joiner의 상관성 검정 방법을 [10], 수리전도도가 50개 이상인 기반암에 대해 Anderson- Darling 검정 방법을 이용하였다[11].
- 9). 각 크기의 단열대가 갖는 수리전도도의 통계적 분포 특성을 확인하기 위해 도출된 수리전도도의 대수 값을 이용하여 정규성 검정을 실시하였다. 정규성 검정 방법으로 마찬가지로 Ryan-Joiner의 검정 방법을 이용하였다[1。].
- 연구 지역에서 수행한 일정 구간별 정압주입시험의 결과는 정상류 해석방법으로 계산되었다. 일반적으로 수리시험을 수행할 때, 단열 암반에서 지하수 유동의 경향은 단열의 공간적인 분포 형태에 따라 선형유동, 방사상 유동, 구상 유동의 세 가지 형태를 나타내며, 이는 시간에 따라 두 가지 이상의 유동 양상을 보이며 변하기도 한다.
이론/모형
- 각 크기의 단열대가 갖는 수리전도도의 통계적 분포 특성을 확인하기 위해 도출된 수리전도도의 대수 값을 이용하여 정규성 검정을 실시하였다. 정규성 검정 방법으로 마찬가지로 Ryan-Joiner의 검정 방법을 이용하였다[1。]. 정규성 검정 결과 단열대의 크기로 구분한 수리전도도 분포는 정규성을 갖는 것으로 분석 된다.
- 각 수리지질모델 요소의 수리전도도의 통계적 분포 특성을 확인하기 위해 지질모델의 요소별 도출된 수리전도도의 대수 값을 이용하여 정규성검정을 실시하였다. 정규성검정 방법으로 현장시험을 통해 산출된 수리전도도 자료가 적은 저 경사 단열대 및 단열대에 대해 Ryan-Joiner의 상관성 검정 방법을 [10], 수리전도도가 50개 이상인 기반암에 대해 Anderson- Darling 검정 방법을 이용하였다[11]. 정규성 검정 결과, 저 경사 단열대와 심부 단열대의 수리전도도의 대수값은 정규성을 갖는 것으로 분석되지만, 기반암의 수리전도도 대수값은 정규성을 갖지 않는 것으로 분석 된다.
성능/효과
- 특이한 점은 기반암의 단열대가 갖는 수리전도도는 10-6~ 10-6.5 m/sec, io-s-IO"8-5 m/sec의 범위에서 최고점을 갖는 양봉분포(bimodal distribution)를 보이고 있다는 것이다(Fig. 6(b)).
- 기반암에 존재하는 단열대는 10-U6 m/sec의 값을 보였으며, 심부 영역에 존재하는 기반암은 1(尸°皿 m/sec을 보여 저 경사 단열대와 단열대에 비해 현저히 낮은 투수성을 갖는 것으로 분석 된다. 각 수리지질모델 요소의 수리전도도의 통계적 분포 특성을 확인하기 위해 정규성 검정을 실시한 결과, 저 경사 단열대와 심부 단열대의 수리전도도의 대수값은 정규성을 갖는 것으로 분석되지만, 기반암의 수리전도도 대수 값은 정규성을 갖지 않는 것으로 분석된다. 이는 10」° m/sec 이하의 저투수성의 기반암에서 수행한 현장수리시험이 정확한 자료를 제시하지 못하고 있거나, 정압주입시험결과 물이 전혀 주입되지 않는 구간에서 10客 m/sec로 수리전도도를 가정하였기 때문으로 분석 된다.
- 현장 수리시험으로 구간별 정압주입시험을 이용하였으며, 시험 결과 도출된 투수량계수로서 매질에 대한 수리전도도를 도출하였다. 구간별 투수량계수는 투수성 구조가 존재하는 구간을 제외하고 10-75~ rnVsec 의 범위 화강암 지역에서의 전형적인 값을 보였다.
- 지표 물리 탐사와 시추 코어 분석 결과, 상부 토양층과 풍화대는 지표에서 10 ~38 m의 깊이를 갖고 분포하는 것으로 확인된다. 그리고 시추공 단열 검층에서 관측되는 개개 단열의 방향성을 분석한 결과, KURT (KAERI Underground Research Tunnel) 주변 지역에서 저경사 단열대가 지표에서 22.5-84.2 이의 깊이 분포를 보이고 있으며, 풍화대와 하부 기반암 사이에 위치한다. (Table 1).
- 그러나 투수량계수의 대수 값을 이용해 Anderson-Darling의 정규성 검정을 수행한 결과 정규 분포를 따르지 않는 것으로 분석되었다9. 따라서 연구 지역의 평균 투수량계수는 5.94 X 10-9 nWsec이며, 1.49xlO-lo~2.36xiO-7 nWsec의 편차를 갖지만, 정규분포를 따르지 않아 평균 및 표준편차로 제시되는 기본적인 통계값으로 투수량계수의 대푯값을 산출할 수 없다. 이는 본 분석에 이용된 전체 투수량계수가 연구 지역의 심지층에 대한 수리지질특성을 조사하기 위해 9개의 시추공에서 10 m 의 일정한 간격으로 수리시험을 수행하여 도출된 결과이기 때문에, 천부의 풍화대 영역과 저경사단열대 영역, 심부의 기반암과 단열대 및 단층에 대한 수리지 질특성이 구분 없이 전체 구간에 대한 수리특성으로 분석되었기 때문이다.
- 연구지역의 시추공에서 확인되는 개개 단열의 통계 분석 결과에 기초하여, 제반 지표지질조사결과를 종합 분석하여 최종 7개의 단열대를 도출하였다. 각 단열대는 주단열(msjor fracture)과 단열 손상대로 이루어져 있으며, 주 단열을 분석하여 단열대의 방향성을 제시하고, 시추공 별로 존재하는 주단 열의 단열 손상대(damaged zone)의 크기를 분석하여 단열대의 규모를 판단하였다.
- 요약하면 본 연구 지 역은 나공 상태의 관측공에서 수행한 현장 수리시험 결과를 그대로 적용한다던지, 일정 구간별 현장 수리시험 결과의 평균값을 적용하여 해석할 수 없는 수리 지질 특성을 가진다. 이러한 수리지질학적 특성은 비단 본 연구 지역의 뿐만 아니라 단열대가 존재하는 대부분의 단열 암반의 수리지질특성으로 해석할 수 있다.
- 정규성 검정 방법으로 마찬가지로 Ryan-Joiner의 검정 방법을 이용하였다[1。]. 정규성 검정 결과 단열대의 크기로 구분한 수리전도도 분포는 정규성을 갖는 것으로 분석 된다.
- 정규성검정 방법으로 현장시험을 통해 산출된 수리전도도 자료가 적은 저 경사 단열대 및 단열대에 대해 Ryan-Joiner의 상관성 검정 방법을 [10], 수리전도도가 50개 이상인 기반암에 대해 Anderson- Darling 검정 방법을 이용하였다[11]. 정규성 검정 결과, 저 경사 단열대와 심부 단열대의 수리전도도의 대수값은 정규성을 갖는 것으로 분석되지만, 기반암의 수리전도도 대수값은 정규성을 갖지 않는 것으로 분석 된다. 이는 10'10 m/sec 이하의 저 투수성의 기반암에서 수행한 현장수리시험이 정확한 자료를 제시하지 못하고 있거나, 정압주입시험결과 물이 전혀 주입되지 않는 구간에서 1012 m/sec로 수리전도도를 가정하였기 때문으로 분석 된다.
- 각 방향의 단열대가 갖는 수리전도도의 통계적 분포 특성을 확인하기 위해도출 된 수리전도도의 대수값을 이용하여 정규성 검정을 실시하였다. 정규성 검정 방법으로 Ryan-Joiner의 검정 방법을 이용하였다[10L 정규성 검정 결과, 단열대의 방향성으로 구분한 수리전도도 분포가 정규성을 갖는 것으로 분석된다. 하지만, 북서 방향과 동서 방향의 단열대 의 경우, 도출된 결과의 개수기- 10개 미만으로 적기 때문에, 그 통계적 의미는 연구지 역에서 추가적인 수리시험 결과가 도출되어야 할 것으로 판단된다.
- 1). 지표 물리 탐사와 시추 코어 분석 결과, 상부 토양층과 풍화대는 지표에서 10 ~38 m의 깊이를 갖고 분포하는 것으로 확인된다. 그리고 시추공 단열 검층에서 관측되는 개개 단열의 방향성을 분석한 결과, KURT (KAERI Underground Research Tunnel) 주변 지역에서 저경사 단열대가 지표에서 22.
- 지표 지질조사 및 시추공 지질조사를 통해 구분된 상부 토양층 및 풍화대, 저경사단열대, 단열대, 기반암의 4개의 지질 모델에 대하여 시추공에서 구간별 도출된 투수량 계수를 이용하여 매질의 수리전도도를 산출한 결과, 상부토양 층 및 풍화대의 수리전도도는 1.5X10-7 m/sec의 값을 보였으며, 저경사단열대는 10'7-00 m/sec의 평균값으로 산출되었다. 기반암에 존재하는 단열대는 10-U6 m/sec의 값을 보였으며, 심부 영역에 존재하는 기반암은 1(尸°皿 m/sec을 보여 저 경사 단열대와 단열대에 비해 현저히 낮은 투수성을 갖는 것으로 분석 된다.
후속연구
- 이러한 특성은 단열대의 경우에도 마찬가지로 적용할 수 있다. 단열대가 형성된 방향성에 따라 현장 수리시험에서 도출되는 수리전도도는 2차원의 방사상 유동 양상을 보일 것으로 예측되며, 따라서 저경사단열대뿐만 아니라 단열대에 대해서도 수리지질모델을 구성할 때 수리 지질학적 이방성을 고려해야 할 것으로 판단된다.
- 예측된다. 따라서 현장 수리시험 에서 도출되는 수리전도도가 지하수의 2차원적 방사상유동을 가정하여 해석되고 있으므로 저경사 단열이 우세하게 분포하는 영역에 대한 현장 수리시험 결과는 수직 방향의 특성이라기보다는 수평 방향의 수리지질학적 특성으로 해석하는 것이 바람직 할 것이다. 이러한 특성은 단열대의 경우에도 마찬가지로 적용할 수 있다.
- 정규성 검정 방법으로 Ryan-Joiner의 검정 방법을 이용하였다[10L 정규성 검정 결과, 단열대의 방향성으로 구분한 수리전도도 분포가 정규성을 갖는 것으로 분석된다. 하지만, 북서 방향과 동서 방향의 단열대 의 경우, 도출된 결과의 개수기- 10개 미만으로 적기 때문에, 그 통계적 의미는 연구지 역에서 추가적인 수리시험 결과가 도출되어야 할 것으로 판단된다. 그러나 동서 방향을 갖는 단열대가 다른 단열대에 비해 투수성이 양호할 것으로 분석 된다.
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