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문제 정의
- EDZ의 역학적 특성과 관련한 많은 연구들이 수행되었지만, EDZ에서의 지하수 유동 특성에 관한 연구는 아직 부족한 수준이다. 따라서 본 연구에서는 굴착으로 인해 굴착면 주변의 수리적 간극이 늘어나는 영역을 산정하여 '수리적 굴착손상영역'이라 정의하고 이를 위해 수리-역학적 상호작용(coupling)해석을 수행하였다. 이는 개별 불연속면 망의 생성을 통한 역학적, 수리적 변화의 모사가 가능한 개별요소법(discrete element method; DEM)을 통해 수행하였다.
- 상호작용으로 인한 수리적 간극의 변화 양상을 확인할 때, 이에 영향을 미칠 수 있는 요인들은 매우 다양하다. 이번 연구에서는 측압비, 불연속면의 초기간극, 불연속면 군의 각도, 불연속면의 간격, 이렇게 네 가지 변수에 따른 수리적 간극의 변화양상에 대해 고찰하였다. 수리적 간극의 변화 양상은 그림 2와 같이 불연속면 군의 방향에 수직인 방향으로 분포하는 특성을 갖기 때문에, 간극의 변화가 발생하는 영역을 가장 합리적으로 표현할 수 있는 타원형의 영역으로 이를 모델링하였다.
가설 설정
- 이를 위해 그림 1과 같이 100m x 100m의 2차원 해석영역에, 60m깊이에서 터널이 지나간다고 가정하였다. 60m 깊이에서의 암반의 자중이 터널에 수직응력으로 작용하고, 수평방향의 응력은 K값을 변화시켜가며 측압비에 따른 수리적 간극의 변화 양상을 파악하였다.
- 불연속면은 해석영역 내에서 무한하며, 절리각은 15도, 30도, 45도, 60도로 대칭절리를 생성하였다. 지하수위는 지표면과 평행한 상태라고 가정하였고, 수리해석의 알고리즘은 능률적인 계산을 위해 정상상태(steady-state) 해석을 실시하였다. 터널과 같은 구조물이 설계될 때에, 지하수위에 변동을 줄 만큼 투수성이 큰 다공질 암반이나, 대규모 불연속면을 포함하지 않은 경우는 지하수의 흐름 상태를 정상상태라 가정해도 무방하다.
- 불연속면의 크기(fracture size)는 확률밀도함수(probability density function)중 로그 정규 분포를 이용하였고, 평균크기는 30m, 표준편차는 10으로 결정하였다. 불연속면의 밀도는 계산상의 효율을 위해 0.24로 가정하였다. MAFIC 프로그램을 이용한 해석에서는 부정류(transient) 해석을 실시하였는데, 이유는 MAFIC 프로그램은 역학적 거동에 대한 상호작용의 고려가 없는 프로그램이기 때문에 계산상 효율이 높고, 또한 굴착 후 시간에 따른 터널 내부로 흘러드는 유량의 변화양상이나 지하수위의 변화 등에 대한 결과치는 정상상태로는 얻을 수 없기 때문이다.
- Fracman/MAFIC 등의 불연속체 해석법을 이용한 지하수 해석은 일반적으로 쓰이는 연속체 모델링과는 달리 주변 매질을 불투수성이라 가정하고 불연속면의 투수특성만을 고려한다. 따라서 연속체 해석의 경우 터널의 축 방향에 따라 대체적으로 고르고 대칭적인 지하수 유입량 결과가 나타나는데 반해, MAFIC에서는 터널과 만나는 불연속면의 개수와 방향에 따라 구간별로 지하수 유입량이 다르게 산정된다.
- 이번 해석에서 이용한 100m x 100m x 100m의 해석 영역에서 계산된 100m 길이의 갱도 내로 유입된 유량은 간극 변화를 고려하기 전의 5.18 m3/sec, 간극변화를 고려한 후의 5.93 m3/sec 로, 5200m길이로 단순 연장되었다고 가정하여 유량값을 52배 하게 되면 각각 52 269.3 m3/sec, 308.3 m3/sec 가 된다. 이는 실제로 전체 갱도로 유입되는 250~300 m3/sec와 비교했을 때 큰 차이가 없는 값이다.
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