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.
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.
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 ...
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 estimate groundwater fluctuations for saturated-unsaturated poros media, evaluates the impact on ground excavation with open cut and non-open cut scenarios. In addition, the visual MODFLOW was applied to demonstrate the verification of the model compared with both results. Our results indicated that the RMSE and NRMSE was obtained to range over -3.95~5.7% and 0.56~4.62%, respectively. The developed model was expected to estimate groundwater discharges and apply analysis tool for optimum design of waterproof wall in future.
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 estimate groundwater fluctuations for saturated-unsaturated poros media, evaluates the impact on ground excavation with open cut and non-open cut scenarios. In addition, the visual MODFLOW was applied to demonstrate the verification of the model compared with both results. Our results indicated that the RMSE and NRMSE was obtained to range over -3.95~5.7% and 0.56~4.62%, respectively. The developed model was expected to estimate groundwater discharges and apply analysis tool for optimum design of waterproof wall in future.
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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.
제안 방법
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.
토양의 경우 통일분류법(USCS, Unified Soil Classification System) 및 USDA(United States Department of Agriculture) 토양분류 시스템 등에 의해 다양하게 분류된다. 또한 지질구조(geological structure)는 단층, 습곡, 부정합, 선구조 등으로 분류되며 본 연구에서는 굴착에 의한 지하수 유동 예측에 주요 고려대상으로 판단되는 암반, 토양(지질특성)과 단층대(지질구조)를 주요 특성인자로 고려하였다. 지반굴착에 따른 시나리오는 개착식굴착인 굴착심도(10 m, 20 m)에 따른 지반굴착(Case 1)과 비개착식 굴착인 단층대가 존재하는 지역에서 지하공동굴착(Case 2)으로 구분하였으며(그림 1) 이때의 지하수 유동 및 토양함수비 해석 결과를 검토하였다.
또한 지질구조(geological structure)는 단층, 습곡, 부정합, 선구조 등으로 분류되며 본 연구에서는 굴착에 의한 지하수 유동 예측에 주요 고려대상으로 판단되는 암반, 토양(지질특성)과 단층대(지질구조)를 주요 특성인자로 고려하였다. 지반굴착에 따른 시나리오는 개착식굴착인 굴착심도(10 m, 20 m)에 따른 지반굴착(Case 1)과 비개착식 굴착인 단층대가 존재하는 지역에서 지하공동굴착(Case 2)으로 구분하였으며(그림 1) 이때의 지하수 유동 및 토양함수비 해석 결과를 검토하였다.
개념모델 구축은 지반굴착 시나리오를 바탕으로 지질특성, 지질구조, 하천 등을 고려하여 설정하였다. Case 1의 모델 영역은 1,000 m(동서방향) × 1,000 m(남북방향) × 50 m(두께)이며 높이는 EL.
굴착영역은 모델의 중앙부에 80 m(동서방향) × 80 m(남북방향) × 10 m (두께)와 80 m(동서방향) × 80 m(남북방향) × 20 m(두께) 규모로 각각 10 m 및 20 m 굴착시의 영역을 다르게 설정하였다(그림 2). 또한, 지층은 10개의 층으로 구분하였으며 Case 1 경우 주로 토양층을 고려대상으로 하였으며 실트질 모래층, 자갈질 모래층, 암반으로 지질특성을 반영하였다. Case 1의 격자망은 굴착 전 총 47,776개의 절점(node)과 87,474개의 삼각기둥(prism) 요소로 이산화 하였으며 지반 굴착에 따른 영향을 묘사하기 위해 굴착영역의 절점과 요소를 제거하였다.
지층은 지하공동 굴착(Case 2)을 가정하여 암반층을 고려대상으로 하였으며 실트질 모래층, 암반으로 지질특성을 반영하였다. 또한, 지하공동에서 북동쪽으로 100 m 이격된 부분에 폭 10 m의 수직 단층대를 사선으로 설정하였다. Case 2의 격자망은 굴착 전 총 32,425개의 절점과 57,514개의 삼각기둥 요소로 이산화 하였으며 지하 공동 굴착에 따른 영향을 묘사하기 위해 굴착영역의 절점과 요소를 제거하였다.
경계조건은 Case 1과 Case 2 동일하게 모사영역의 남쪽과 북쪽은 하천 등을 고려하여 고정수두(Dirichlet) 경계를 설정하였으며 모사영역의 동쪽과 서쪽은 무흐름(no-flow) 경계로 설정하였다(그림 2b, 그림 3b). 모델에서 지하수의 흐름을 유도하게 위해 북쪽은 EL.
24 m의 수두를 적용하였다. 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.
본 연구에서는 개발된 모델(SEEFLOW3D)을 통해 지질 특성을 반영하여 지반굴착 시나리오별로 지하수 유동해석을 실시하였다. Case 1에 대한 지하수유동 모델링은 10 m 굴착(EL.
굴착영역은 모델의 중앙부에 80 m(동서방향) × 80 m(남북방향) × 10 m (두께)와 80 m(동서방향) × 80 m(남북방향) × 20 m(두께) 규모로 각각 10 m 및 20 m 굴착시의 영역을 다르게 설정하였다(그림 2).
굴착영역은 모델의 중앙부에 80 m(동서방향) × 80 m(남북방향) ×10 m(두께)와 80 m(동서방향) × 80 m(남북방향) × 20 m(두께) 규모로 각각 10 m 및 20 m 굴착시의 영역을 다르게 설정하였다(그림 10).
경계조건은 Case 1과 Case 2 동일하게 모사영역의 남쪽과 북쪽은 하천 등을 고려하여 고정수두(Dirichlet) 경계를 설정하였으며 모사영역의 동쪽과 서쪽은 무흐름(no-flow) 경계로 설정하였다. 모델에서 지하수의 흐름을 유도하게 위해 북쪽은 EL.
특히, 개발모델(SEEFLOW3D)의 경우 토양함수비 등을 통해 포화-불포화 영역에서의 침투능 계산이 가능하나 이는 Visual MODFLOW 내의 RCH(함양량) 패키지와 차이가 있어 두가지 프로그램에서 강우에 의한 영향은 없도록 하여 모사 결과의 오차발생을 최소화하였다. 또한, 굴착영역에 DRN (배수경계) 패키지를 설정하였으며 이때 전도계수는 지층의 수리전도도를 반영하였다. 이후 HFB(차수벽) 패키지를 활용하여 완전 차수를 적용하였다.
또한, 굴착영역에 DRN (배수경계) 패키지를 설정하였으며 이때 전도계수는 지층의 수리전도도를 반영하였다. 이후 HFB(차수벽) 패키지를 활용하여 완전 차수를 적용하였다.
본 연구에서는 지하수 유동해석 결과 분석을 위해 모델 영역 내 가상의 관측정을 설치하였으며 각 시나리오의 단계별 지하수 수두를 비교 하였다. 관측정은 굴착면에서 각각 50, 150, 250 m 이격하여 24개소를 등분포로 배치하였으며 개발모델(SEEFLOW3D)과 Visual MODFLOW에서 동일하게 설치하였다.
본 연구에서는 지하수 유동해석 결과 분석을 위해 모델 영역 내 가상의 관측정을 설치하였으며 각 시나리오의 단계별 지하수 수두를 비교 하였다. 관측정은 굴착면에서 각각 50, 150, 250 m 이격하여 24개소를 등분포로 배치하였으며 개발모델(SEEFLOW3D)과 Visual MODFLOW에서 동일하게 설치하였다.
또한, 지층은 10개의 층으로 구분하였으며 Case 1 경우 주로 토양층을 고려대상으로 하였으며 실트질 모래층, 자갈질 모래층, 암반으로 지질특성을 반영하였다. Case 1의 격자망은 굴착 전 총 47,776개의 절점(node)과 87,474개의 삼각기둥(prism) 요소로 이산화 하였으며 지반 굴착에 따른 영향을 묘사하기 위해 굴착영역의 절점과 요소를 제거하였다. 이에 따라 10 m 굴착의 경우 총 47,242개의 절점과 86,178개의 삼각기둥 요소로 구성되고 20 m 굴착의 경우 총 46,886개 절점과 85,314개 요소를 갖는다.
대상 데이터
굴착영역은 모델의 중앙부, 지하 40 m 심도에 80 m(동서방향) × 80 m(남북방향) × 10 m(두께) 규모로 설정하였다(그림 3).
굴착영역은 모델의 중앙부, 지하 40 m 심도에 80 m(동서방향) × 80 m(남북방향) × 10 m(두께) 규모로 설정하였다(그림 3). 지층은 지하공동 굴착(Case 2)을 가정하여 암반층을 고려대상으로 하였으며 실트질 모래층, 암반으로 지질특성을 반영하였다. 또한, 지하공동에서 북동쪽으로 100 m 이격된 부분에 폭 10 m의 수직 단층대를 사선으로 설정하였다.
Case 2의 격자망은 굴착 전 총 32,425개의 절점과 57,514개의 삼각기둥 요소로 이산화 하였으며 지하 공동 굴착에 따른 영향을 묘사하기 위해 굴착영역의 절점과 요소를 제거하였다. 이에 따라 굴착 후 격자는 총 32,425개 절점과 57,298개 요소로 구성되었다.
34 m, 남쪽은 EL. 24 m의 수두를 적용하였다. 또한, 굴착면의 경우 굴착 시 굴착심도를 고려하여 고정수두를 설정하였으며 굴착 후 일정 시간이 흐르면 완전차수 개념을 적용하였다.
지하수 유동해석에 있어 모델의 입력변수인 수리상수는 대수층의 수리지질학적 특성을 반영하는 것으로 매우 중요하다. 본 연구에서 사용된 수리전도도 및 토양 변수는 기존 연구결과 자료를 활용하였으며 입력값은 표 1과 같다 (Carsel and Parrish, 1988; 전선금 등, 2005; 차장환 등, 2014). 그 결과 Case 1의 경우 지층별 수리전도도는 실트질 모래 층의 경우 2.
본 연구에서는 개발된 모델(SEEFLOW3D)을 통해 지질 특성을 반영하여 지반굴착 시나리오별로 지하수 유동해석을 실시하였다. Case 1에 대한 지하수유동 모델링은 10 m 굴착(EL. 25 m 기준)과 20 m 굴착(EL. 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.
굴착영역은 모델의 중앙부, 지하 40 m 심도에 80 m(동서방향) × 80 m(남북방향) × 10 m(두께) 규모로 설정하였다.
굴착영역은 모델의 중앙부에 80 m(동서방향) × 80 m(남북방향) ×10 m(두께)와 80 m(동서방향) × 80 m(남북방향) × 20 m(두께) 규모로 각각 10 m 및 20 m 굴착시의 영역을 다르게 설정하였다(그림 10). 또한, Case 1의 지층은 주로 토양층을 고려대상으로 하였으며 실트질 모래, 자갈질 모래, 암반으로 구성하였다. Case 1의 격자망은 136열×138행×12층으로 구성하였으며 격자 간격은 10 m이며 굴착영역에서는 2 m 간격으로 세분하였다.
굴착영역은 모델의 중앙부, 지하 40 m 심도에 80 m(동서방향) × 80 m(남북방향) × 10 m(두께) 규모로 설정하였다. 지층은 지하공동 굴착을 가정하여 암반층을 고려대상으로 하였으며 실트질 모래, 암반으로 구성하였다. 또한, 지하공동에서 북동쪽으로 100 m 이격된 부분에 폭 10 m의 수직 단층대를 사선으로 설정하였다.
데이터처리
본 연구에서 개발된 모델(SEEFLOW3D)은 지하수 유동 해석 검증을 위해 대표적 인상용 프로그램인 Visual MODFLOW (Waterloo Hydrogeologic 사)를 이용하여 모사결과를 비교 하였다.
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.
개발모델의 검증은 범용수치해석 프로그램(Visual MODFLOW)을 활용하여 동일한 모델영역, 입력자료 및 경계조건을 설정하여 비교 분석을 수행하였다. 그 결과 Case 1의 10 m(EL.
이론/모형
김중휘 등(2016)은 도시 지역 강우에 의한 포화-불포화 지하수 유동 및 지반변형을 통합적으로 예측하기 위해 다중물리현상 모델링 프로그램인 COMSOL Multiphysics (COMSOL사)를 활용하여 지하수 유동 및 지반변형에 대한 강우량과 지표 피복 특성의 영향을 정량적으로 평가하였다. 또한, 지하공동 형성에 의한 지하수 유동 및 지반 변형에 대한 초기 지하수면 위치의 영향을 정량적으로 평가하기 위해 COWADE123D를 이용하여 수치모델링을 수행하였다(박재용 등, 2016).
00×10-5 m/s)을 적용하였다. 토양의 포화-불포화 영역에 대한 영향을 반영하기 위해 불포화 영역의 토양함수비(moisture content), 상대전도도(relative conductivity), 수분함량(water capacity) 등 토양 특성값은 van Genuchten 방정식에 의해 산정된 값을 적용하였다.
성능/효과
굴착 후 전수두는 24∼34 m로 분포하나 굴착영역의 경우 공사기간(50일) 동안 굴착면에서 지하수 유출이 발생하여 지하수위가 낮아지는 것으로 나타났으며 수위강하량은 약 6.6 m로 모사되었다.
그림 9은 Case 2의 굴착 후 모사결과를 지하공동 layer에서의 압력수두 분포와 지하공동 중앙부에서 압력수두 및 유동벡터 분포로 나타낸 것이다. 그 결과 굴착 후 압력수두는 굴착영역 상부에 존재하는 단층대의 영향으로 굴곡되어 나타나는 것을 알 수 있다. 또한, 굴착영역 중앙부의 수직단면에서 보는 것과 같이 지하공동 내로 지하수가 유출 되는 것으로 나타났으며 지하공동 상부의 경우 수위강하는 발생하나 지하공동까지 수위저하가 발생하지 않음을 알 수 있다.
그 결과 굴착 후 압력수두는 굴착영역 상부에 존재하는 단층대의 영향으로 굴곡되어 나타나는 것을 알 수 있다. 또한, 굴착영역 중앙부의 수직단면에서 보는 것과 같이 지하공동 내로 지하수가 유출 되는 것으로 나타났으며 지하공동 상부의 경우 수위강하는 발생하나 지하공동까지 수위저하가 발생하지 않음을 알 수 있다.
또한, 통계분석 결과굴착 전, 후및 차수 시 평균 오차는 각각 2.27∼5.68%, -1.07∼4.01%및 -3.26∼-1.68%로 나타냈으며 RMSE는 각각 1.42, 0.55, 0.79 m로 나타났다.
또한굴착전, 후 및 차수 시 평균 오차는 각각 2.26∼5.72%, 1.60∼4.88%, -0.85∼0.63%로 나타났으며 평균제곱근오차(RMSE)는 각각 1.43, 0.95, 0.16 m이로 정규화된 RMSE는 0.56∼4.62%로 나타났다(그림 11a).
비교분석 결과 Case 1의 10 m(EL. 25 m) 굴착 시의 경우 전수두는 굴착 전 26.8∼32.9 m이며 굴착 후와 차수 시에는 각각 25.7∼32.2 m, 26.7∼32.2 m의 값을 보였다.
24 m의 수두를 적용하였다. 특히, 개발모델(SEEFLOW3D)의 경우 토양함수비 등을 통해 포화-불포화 영역에서의 침투능 계산이 가능하나 이는 Visual MODFLOW 내의 RCH(함양량) 패키지와 차이가 있어 두가지 프로그램에서 강우에 의한 영향은 없도록 하여 모사 결과의 오차발생을 최소화하였다. 또한, 굴착영역에 DRN (배수경계) 패키지를 설정하였으며 이때 전도계수는 지층의 수리전도도를 반영하였다.
그 결과 Case 1의 10 m 굴착 시 굴착 후 전수두는 24∼34 m 로 분포하나 굴착영역의 경우 공사기간 동안 굴착면에서 지하수 유출이 발생하여 지하수위가 낮아지는 것으로 나타났으며 수위강하량은 약 6.6 m로 모사되었다.
그 결과 Case 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%로나타났으며 정규화된 RMSE는 0.56∼4.62%로 나타났다.
굴착 후 전수두는 0∼34 m로 분포하며 굴착영역의 경우 공사기간 동안 굴착면에서 지하수 유출이 발생하여 지하수위(전수두)는 약 0 m로 수위강하량은 30.4 m로 모사되었다.
이상과 같이 심도별 지반굴착(Case 1)과 단층대가 존재 하는 지하공동 굴착(Case 2)에 대한 지하수 유동해석 결과는 적합한 것으로 판단된다. 또한, 개발된 모델을 활용하여 포화-불포화 변동영역에서의 토양함수비 변화 및 침투능 (infiltration, 또는 seepage)과 관련하여 다양한 해석과 예측이 가능할 것으로 판단된다.
그 결과 Case 1의 경우 지층별 수리전도도는 실트질 모래 층의 경우 2.01×10-4 m/s이며 자갈질 모래층 및 암반은 각각 4.39×10-4 m/s, 1.27×10-6 m/s이다.
또한, 통계분석결과 굴착 전, 후 및 차수 시 평균 오차는 각각 0.55∼2.33%, -3.95∼0.52% 및 -1.63∼-0.24%를 나타냈으며 RMSE는 각각 0.42, 0.45, 0.34 m로 나타났다.
후속연구
이후 차수을 실시함에 따라 지하수 유출이 일어나지 않으며 지하수위가 회복되는 것으로 모사되었다. 이와 같이 굴착면에서의 유출량 평가를 통해 굴착공사 시 차수벽의 투수성에 대한 정보제공이 가능할 것으로 판단된다.
개발된 수치모델은 실제의 복잡한 상황에 적용하기 전에 분석해가 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 검증하는 방법이 있다.
이상과 같이 심도별 지반굴착(Case 1)과 단층대가 존재 하는 지하공동 굴착(Case 2)에 대한 지하수 유동해석 결과는 적합한 것으로 판단된다. 또한, 개발된 모델을 활용하여 포화-불포화 변동영역에서의 토양함수비 변화 및 침투능 (infiltration, 또는 seepage)과 관련하여 다양한 해석과 예측이 가능할 것으로 판단된다.
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.
참고문헌 (9)
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.
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.
전선금, 구민호, 김용제, 강인옥 (2005), 국가지하수 관측망의 양수시험 자료를 이용한 국내 대수층 특성의 통계적 분석, 한국지하수토양환경학회, 10(6), pp. 32-44.
차장환, 장호준, 안현석, 주정웅, 이명재 (2014), 강변여과수의 수리지질 및 지화학적 특성 연구: 안성천지역, 춘계 지질과학기술 공동학술대회, 356.
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.
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.
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.
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.
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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