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[국내논문] 지반굴착 시나리오 기반의 다공성 매질에 대한 3차원 유동해석모델 구축
Development of 3-D Flow Model for Porous Media with Scenario-based Ground Excavation 원문보기

한국방재안전학회논문집 = Journal of Korean Society of Disaster and Security, v.10 no.1, 2017년, pp.19 - 27  

차장환 ((주)인시티 인프라연구소) ,  이재영 ((주)인시티 인프라연구소) ,  김우석 (한국건설기술연구원 지반연구소)

초록
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최근 도심지에서 상하수도 등의 지중매설관 노후 및 접합 불량에 따른 누수에 의해 일어나거나, 터널굴착 및 지하구조물 시공 시 부실시공 또는 관리 부실로 인한 지하수의 유입으로 지중공동이 발생하고 이로 인하여 지반침하가 빈번하게 발생하고 있다. 이에 본 연구에서는 포화-불포화 다공성 매질에 대한 지하수 변동을 예측할 수 있는 수치모델(SEEFLOW3D)을 개발하였으며 개착식 및 비개착식 굴착 시나리오를 구성하여 지반굴착에 따른 영향을 모사하였다. 또한, 개발모델의 검증을 위해 범용수치해석 프로그램(Visual MODFLOW)과 비교 분석을 수행하였다. 그 결과 평균 오차는 -3.95~5.72%이며 정규화 된 RMSE는 0.56~4.62%로 나타났다. 향후 본 연구의 개발모델은 지반굴착 공사 시 지하수 유출량을 예측하고 이에 따른 차수벽의 최적 설계 등을 위한 해석툴로 활용 가능할 것으로 기대된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In recent years, ground subsidence has been frequently occurred by underground cavities due to the excessive groundwater inflow, caused by poor construction and management, during tunnel excavation and underground structure construction. In this study, a numerical model (SEEFLOW3D) was developed to ...

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구는 지반굴착에 의한 지하수-지반변형 3차원 복합해석 모델개발의 일환으로 지반굴착 시 지하수 흐름의 영향 예측하기 위해서 포화-불포화 다공성 매질에 대한 지하수 유동해석 모델을 구축하고 이를 이용하여 개착식 및 비개착식 굴착에 따른 시나리오별 영향을 모사하고자 한다. 또한, 범용프로그램을 활용하여 개발모델의 검증을 수행하고자 한다.
  • 본 연구에서는 지반굴착 시 지하수 흐름의 영향을 복합적으로 예측하기 위해서 포화-불포화 변동성 지반에서의 3차원 지하수 거동을 모의할 수 있는 모델링 기법을 개발(SEEFLOW3D: SEEpage FLOW model for 3D saturated-unsaturated porous media)하였다. 개발된 모델의 적용성 평가를 위해 지질특성별 지반굴착에 따른 시나리오를 가정하여 모델링을 수행하였다.
  • 본 연구에서는 지하수-지반변형 예측모델 개발의 일환으로 포화-불포화 다공성 매질에 대한 지하수 변동을 예측할 수 있는 수치모델(SEEFLOW3D)을 개발하였으며 개착식 및 비개착식 굴착 시나리오를 구성하여 지반굴착에 따른 영향을 모사하였다.

가설 설정

  • 본 연구에서는 지반굴착 시 지하수 흐름의 영향을 복합적으로 예측하기 위해서 포화-불포화 변동성 지반에서의 3차원 지하수 거동을 모의할 수 있는 모델링 기법을 개발(SEEFLOW3D: SEEpage FLOW model for 3D saturated-unsaturated porous media)하였다. 개발된 모델의 적용성 평가를 위해 지질특성별 지반굴착에 따른 시나리오를 가정하여 모델링을 수행하였다.
  • 또한, 굴착면의 경우 굴착 시 굴착심도를 고려하여 고정수두를 설정하였으며 굴착 후 일정 시간이 흐르면 완전차수 개념을 적용하였다. 즉, 굴착 전은 정류상태, 굴착 후의 경우 굴착면에서 지하수 유출이 발생하며 일정시간 후 굴착면을 차수하여 지하수 유출이 발생하지 않도록 가정하였다.
  • Case 2의 지하공동 굴착(EL. -15∼-5 m 기준)의 경우지하수유동 모델링은 굴착영역의 절점과 요소를 제거한 모델영역을 대상으로 수행하였으며 지하공동 굴착공사 기간은 100일 정도 소요되는 것으로 가정하였다.
  • 15 m 기준)의 경우 굴착영역의 절점과 요소를 제거한 모델영역을 대상으로 수행하였다. 10 m 굴착의 공사 기간은 50일 정도 소요되는 것으로 가정하였으며 이에 따른 단계별 모사시간은 굴착 전은 정류상태, 굴착 후는 50일, 차수단계는 1,000일로 가정하였다. 또한, 20 m 굴착의 공사 기간은 100일 정도 소요 되는 것으로 가정하였으며 단계별 모사시간은 굴착 전은 정류상태, 굴착 후는 100일, 차수단계는 1,000일로 가정하였다.
  • 10 m 굴착의 공사 기간은 50일 정도 소요되는 것으로 가정하였으며 이에 따른 단계별 모사시간은 굴착 전은 정류상태, 굴착 후는 50일, 차수단계는 1,000일로 가정하였다. 또한, 20 m 굴착의 공사 기간은 100일 정도 소요 되는 것으로 가정하였으며 단계별 모사시간은 굴착 전은 정류상태, 굴착 후는 100일, 차수단계는 1,000일로 가정하였다. Case 2의 지하공동 굴착(EL.
  • 단계별 모사시간은 굴착 전은 정류상태, 굴착 후는 100일, 차수단계는 1,000일로 설정하였으며 굴착 후 전수두는 지하공동 상부 EL. 0 m로 가정하였다.
  • 개발된 모델의 검증은 두 가지 프로그램에 의한 지하수유동 모사결과를 24개의 관측정에서 계산된 지하수 수두를 비교하여 평가하였다. 특히, 두 가지 프로그램에서 입력변수에 의한 영향을 최소화하기 위해 강수량( 또는 함양량)은 없는 것으로 가정하여 모사하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
개념모델 구축에서 고려하는 것은? 개념모델 구축은 지반굴착 시나리오를 바탕으로 지질특성, 지질구조, 하천 등을 고려하여 설정하였다. Case 1의 모델영역은 1,000 m(동서방향) × 1,000 m(남북방향) × 50 m(두께)이며 높이는 EL.
수치모델을 실제 복잡한 상황에 적용하기 전에 해야하는 것은? 개발된 수치모델은 실제의 복잡한 상황에 적용하기 전에분석해가 존재하는 간단한 조건의 문제나 이미 연구된 사례 등에 적용하여 그 정확성과 일반성을 검증해야 한다. 또한, 기존의 상용 프로그램을 활용한 모사결과와 비교하거나 단순화된 실내실험 결과와 비교분석을 통해 검증하는방법이 있다.
범용수치해석 프로그램을 이용해 개발모델을 검증한 결과는? 개발모델의 검증은 범용수치해석 프로그램(Visual MODFLOW)을 활용하여 동일한 모델영역, 입력자료 및경계조건을 설정하여 비교 분석을 수행하였다. 그 결과Case 1의 10 m(EL. 25 m) 굴착에 따른 굴착 전, 후 및 차수 시 평균 오차는 각각 2.26∼5.72%, 1.60∼4.88%, -0.85∼0.63%로 나타났으며 정규화된 RMSE는 0.56∼4.62%로 나타났다. Case 1의 20 m(EL. 15 m) 굴착의 경우 단계별 평균 오차는 각각 2.27∼5.68%, -1.07∼4.01% 및 -3.26∼-1.68%를 나타냈으며 정규화된 RMSE는 2.29∼4.61%를 보였다. 단층대가존재하는 영역에서 지하공동 굴착(Case 2)의 경우 굴착 전, 후 및 차수 시 평균 오차는 각각 0.55∼2.33%, -3.95∼0.52%및 -1.63∼-0.24%로 나타났으며 정규화된 RMSE는 1.18∼ 1.59%로 분석되었다.
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참고문헌 (9)

  1. 김중휘, 박재용, 이성호, 이용일, 김준모 (2016), COMSOL Multiphysics 소프트웨어를 이용한 도시 지역 강우에 의한 포화-불포화 지하수 유동 및 지반 변형 통합 수치 모델링, 대한지질공학회 추계학술대회, pp. 73-74. 

  2. 박재용, 이성호, 이용일, 김준모, 김중휘 (2016), 충적 대수층 내 지하 공동 형성에 의한 지하수 유동 및 지반 변형에 대한 초기 지하수면 위치의 영향 통합적 수치 모델링, 대한지질공학회 춘계학술대회, pp. 43-44. 

  3. 전선금, 구민호, 김용제, 강인옥 (2005), 국가지하수 관측망의 양수시험 자료를 이용한 국내 대수층 특성의 통계적 분석, 한국지하수토양환경학회, 10(6), pp. 32-44. 

  4. 차장환, 장호준, 안현석, 주정웅, 이명재 (2014), 강변여과수의 수리지질 및 지화학적 특성 연구: 안성천지역, 춘계 지질과학기술 공동학술대회, 356. 

  5. Carsel, R. F. and Parrish, R. S. (1998), Developing joint probability distributions of soil water retention characteristics, Water Resources Research, 24(5), pp. 755-769. 

  6. Lin H. C., D. R. Richards, G. T. Yeh, J. R. Cheng, H. P. Cheng, and N. L. Jones (1997), FEMWATER: A Three-Dimensional Finite Element Computer Model for Simulating Density-Dependent Flow and Transport in Variably Saturated Media. Report CHL-97-12, U. S. Army Corps of Engineers, 3909 halls Ferry Road, Vicksburg, MS39180-6199. 

  7. van Genuchten, M. T. (1980), A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Science Society of America Journal, 44, 892-898. 

  8. Yeh, G. T. (1987), 3DFEMWATER: A Three-Dimensional Finite Element Model of Water Flow through Saturated-Unsaturated Porous Media. Report 2904, Oak Ridge National Laboratory, U.S.A. 

  9. Yeh, G. T., J. R. Chang, J. P. Gwo, H. C. Lin, W. Martin, and D. Richards (1994), 3DSALT: A Three-dimensional Salt Intrusion Model in Saturated-Unsaturated Media. Instruction Report HL-94-1. Waterway Experiment Station, U.S. Army Corps of Engineers, Vicksburg, MS. 

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