[논문]굴착 및 열응력을 고려한 절리암반 내 처분공동 주변에서의 전단영역 및 균열간극 변화 분석

홍수연; 권새하; 민기복; 지성훈

doi:10.7474/tus.2021.31.2.125

굴착 및 열응력을 고려한 절리암반 내 처분공동 주변에서의 전단영역 및 균열간극 변화 분석
Effect of Excavation and Thermal Stress on Slip Zone and Aperture Change Around Disposal Hole and Tunnel in Fractured Rock 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.31 no.2, 2021년, pp.125 - 144

홍수연 (한국원자력안전기술원 원자력안전연구실) , 권새하 (서울대학교 에너지자원신기술연구소) , 민기복 (서울대학교 에너지시스템공학부) , 지성훈 (한국원자력연구원 방사성폐기물처분연구부)

초록
AI-Helper

원자력발전으로 발생되는 고준위방사성폐기물의 영구처분 방법의 방안들 중 심층처분 방법은 가장 유력한 방법으로 제시된다. 처분시스템의 성능을 평가하기 위해서는 시스템 내에서의 열-수리-역학적인 복합거동을 고려한 연구가 필요하다. 특히 암반의 물성 및 절리의 기하학적 구조에 따른 일반적인 분석의 필요성이 대두된다. 따라서 본 연구에서는 2차원 개별요소법 시뮬레이터를 이용하여 균열이 존재하는 암반에 굴착된 처분터널 및 처분공 주변에서의 절리각, 마찰각, 응력비에 따른 전단영역 및 균열간극에 대한 영향을 정량적으로 분석하였다. 굴착 이후 응력 모델링의 결과, 마찰각이 작아질수록 전단팽창에 의한 영향이 급격히 증가하였다. 균열간극 변화량이 초기간극의 1.5배가 되는 영역은 절리각에 따라서는 공동 반경의 2.8배에서 4.8배, 마찰각에 따라서는 4.3배에서 10.7배, 응력비에 따라서는 2.6배에서 4.2배까지 변하였다. 암반균열망 모델에서도 유사한 결과를 얻었으며, 전단영역은 마찰각이 30도인 경우, 모든 모델에서 공동 반경의 3배를 넘지 않는 영역에서 발생하였다. 열응력을 고려한 처분공 모델에서의 해석 결과, 열응력 적용 이후 모든 모델에서 간극이 닫히고, 굴착으로 인해 발생했던 전단영역이 대부분 소멸되었다. 본 연구는 고준위방사성폐기물 처분장의 부지 선정 가이드라인에 기초 자료로 활용될 수 있으며, 처분장의 성능평가에 활용될 수 있을 것으로 전망한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Deep geological disposal is one of the most prominent option for the permanent disposal of high-level radioactive waste(HLW) generated from nuclear power. There is a need for studies considering coupled thermo-hydro-mechanical behavior to assess the performance of the repository. In particular, the comprehensive analysis considering rock fracture properties and geometry is necessary. Therefore, in this study, sensitivity analyses are conducted using two-dimensional distinct element method simulator to quantitatively analyze the effects of joint angle, friction angle and stress ratio on slip zone and aperture around the disposal tunnel and hole in the fractured rocks. As a result of stress modeling after excavation, the effect of shear dilation dramatically increased as the friction angle decreased. The area where the aperture change was about 1.5 times of the initial aperture varied from 2.8 to 4.8 times, 4.3 to 10.7 times and 2.6 times to 4.2 times for the variation of joint angle, friction angle and stress ratio, respectively. The results obtained in the discrete fracture network model were similar to the uniformly jointed model, and the slip zone occurred within the region not exceeding three times of the opening radius in all models at the friction angle of 30°. As a result of modeling considering thermal stress in the disposal hole model, the aperture was closed in all models and most of the slip zone disappeared which had been caused by the excavation. This study can be used as basic data in the site selection guidelines for HLW disposal repository, and can be used for performance assessment of geological repository for HLW.

주제어

표/그림 (23)

그림 Fig. 1. Disposal tunnel model
그림 Fig. 2. Disposal hole geometry
표 Table 1. Time constants and coefficients of exponential power expression for canister power at the time of deposition, 1700 W (Hökmark et al., 2009)
그림 Fig. 3. COMSOL models for heat source calibration
표 Table 2. Thermo-mechanical properties of rock (Lee et al., 2019)
표 Table 3. Thermo-mechanical properties of bentonite buffer (Lee et al., 2019)
표 Table 4. Thermo-mechanical properties of canister (Kim and Bae, 2003)
그림 Fig. 4. Generated DFN and sampling window in 3 dimension
표 Table 5. Mechanical properties of joint (Kwon et al., 2018)
그림 Fig. 5. Generated DFN models for disposal tunnel
그림 Fig. 6. Aperture change ratio in uniformly distributed joint set disposal tunnel model when friction angle (ϕ) is 30°, joint angle (θ) is 30° and stress ratio (K) is 2
그림 Fig. 7. Slip zones and normal stress (σ_n) acting on joints with different joint angles when friction angle (ϕ) is 30° and stress ratio (K) is 2
그림 Fig. 8. Slip zones and shear stress (σ_s) acting on joints with different joint angles when friction angle (ϕ) is 30° and stress ratio (K) is 2
그림 Fig. 9. Slip zones with contour of normal stress (σ_n) acting on joints with different friction angles when joint angle (θ) is 30° and stress ratio (K) is 2
그림 Fig. 10. Slip zones with contour of shear stress (σ_s) acting on joints with different friction angles when joint angle (θ) is 30° and stress ratio (K) is 2
그림 Fig. 11. Slip zones and normal stress (σ_n) acting on joints under different stress ratios when friction angle (ϕ) is 30° and joint angle (θ) is 30°
그림 Fig. 12. Slip zones and shear stress (σ_s) acting on joints under different stress ratios when friction angle (ϕ) is 30° and joint angle (θ) is 30°
그림 Fig. 13. Range of total aperture change area expressed in multiples of the disposal tunnel radius according to different factors
$Fig. 14. Aperture change ratio in DFN model when number of fractures in domain (N) is 800, Fisher constant (F) is 10 and stress ratio (K) is 2$ 그림 Fig. 14. Aperture change ratio in DFN model when number of fractures in domain (N) is 800, Fisher constant (F) is 10 and stress ratio (K) is 2
그림 Fig. 15. Ratio of aperture change to initial aperture in DFN model with different friction angles
그림 Fig. 16. Slip zone range expressed in multiples of the disposal tunnel radius(R) with different stress ratio in 3 DFN models
그림 Fig. 17. Total aperture change ratio to initial aperture in DFN hole model when friction angle (ϕ) is 30° and stress ratio (K) is 2
그림 Fig. 18. Comparison of range of total aperture change in multiples of the opening radius between disposal hole models with uniformly distributed joints and DFN

참고문헌 (25)

Cho, W.J., S.K. Kwon, J.H. Park, and J.W. Choi, 2007, KAERI Underground Research Tunnel (KURT), J. Korean Radioact. Waste Soc. 5(3), 239-255.
COMSOL Inc., 2019, Introduction to COMSOL Multiphysics, MA, USA.
Daemen, J.J.K., 1983, Slip zones for discontinuities parallel to circular tunnels or shafts, Int. J. Rock Mech. Min. Sci & Geomech. Abstr. 20(3), 135-148.

상세보기
Hokmark, H and B. Falth, 2003, Thermal dimensioning of the deep repository, TR-03-09, SKB, Stockholm, Sweden.
Hokmark, H., M. Lonnqvist, and O. Kristensson, 2009, Strategy for thermal dimensioning of the final repository for spent nuclear fuel, R-09-04, SKB, Stockholm, Sweden.
Hudson, J.A., O. Stephansson, J. Andersson, C.F. Tsang and L. Jing, 2001, Coupled T-H-M issues relating to radioactive waste repository design and performance, Int. J. Rock Mech. & Min. Sci. 38, 143-161.

상세보기
IAEA, 2021, https://pris.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/CountryDetails.aspx?currentKR(visited on 9 February 2021).
IEA, 2016, https://www.iea.org/statistics/electricity/(visited on 19 August 2019).
Itasca Consulting Group Inc., 2014, UDEC (Universal Distinct Element Code) manual, Version 6.0, Minneapolis, Minnesota.
Jaeger, J.C., N.G. Cook and R. Zimmerman, 2009, Fundamentals of Rock Mechanics, John Wiley & Sons.
Jo, Y., C.D. Chang, K.W. Park, S.H. Ji, and C.S. Lee, 2017, In situ stress estimation in KURT site, J. Geol. Soc. Korea 53(5), 689-701.

상세보기
KAERI, 2009, Analysis of the Data from the Geophysical Borehole Logging on the KURT Site, KAERI/TR-3810/2009.
Kim, J.W. and D.S. Bae , 2003, Thermohydromechanical Behavior Study on the Joints in the Vicinity of an Underground Disposal Cavern, The J. Eng. Geol. 13(2), 171-191.
Kwon, S.H., S.H. Ji, K.W. Park, and K.B. Min, 2018, Hydromechanical simulations of the injection tests on the fractured rock in KURT, 2019 IAH Congress, Korea.
Lee, C., S. Yoon, W.J. Cho, Y. Jo, S.D. Lee, S.W. Jeon, and G.Y. Kim, 2019, Study on Thermal, Hydraulic, and Mechanical Properties of KURT Granite and Gyeongju Bentonite, J. Nucl. Fuel Cycle Waste Technol. 17(S), 65-80.
Min, K.B., J. Rutqvist, and C.F. Tsang, 2004, Stress-dependent permeability of fractured rock masses: A numerical study, Int. J. Rock Mech. & Min. Sci. 41(7), 1191-1210.

상세보기
Min, K.B., J. Rutqvist, C.F. Tsang, and L. Jing. 2005, Thermally induced mechanical and permeability changes around a nuclear waste repository - A far-field study based on equivalent properties determined by a discrete approach, Int. J. Rock Mech. & Min. Sci. 42(5-6), 765-780.

상세보기
Park, J.S., D.W. Ryu, C.H. Ryu, and C.I. Lee, 2007a, Groundwater Flow Analysis around Hydraulic Excavation Damaged Zone, Tunn Undergr Space 17(2), 109-118.
Park, J.S., D.W. Ryu, C.H. Ryu, and C.I. Lee, 2007b, Defining the hydraulic excavation damaged zone considering hydraulic aperture change, J. of Korean Tunn Undergr Sp. Assoc. 9(2), 133-141.
Park, S., S. Kwon, H. Yoo, L. Xie, K.B. Min, and K.Y. Kim, 2018, Development of a hydraulic stimulation simulator toolbox for enhanced geothermal system design, Renewable Energy 118, 879-895.

상세보기
Ranjith, P.G. and D.R. Viete, 2011, Applicability of the 'cubic law' for non-Darcian fracture flow, J. Petro. Sci. Eng. 78(2), 321-327.

상세보기
Renshaw, C.E., 1999, Connectivity of joint networks with power law length distributions, Water Resour. Res. 35(9), 2661-2670.

상세보기
Rutqvist, J., D. Barr, J.T. Birkholzer, K. Fujisaki, O. Kolditz, Q.S. Liu, T. Fujita, W. Wang, and C.Y. Zhang, 2009, A comparative simulation study of coupled THM processes and their effect on fractured rock permeability around nuclear waste repositories, Environ. Geol. 57(6), 1347-1360.

상세보기
Shen, B. and N. Barton, 1997, The disturbed zone around tunnels in jointed rock masses, Int. J. Rock Mech. & Min. Sci. 34(1), 111-125.
SKB, 1999, Deep repository for spent nuclear fuel. SR 97 Post-closure safety, Main Report I, TR-99-06, SKB, Stockholm, Sweden.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증