1. 서 론
2. 연구 지역
3. 현장시험장비, 절차 및 해석방법
3.1 현장시험장비
3.2 현장시험 절차
3.3 자료 처리 및 해석
4. 현장수리시험 결과
4.1 현장 측정자료 검토
4.2 굴착 공동 주변 투수특성 결과
4.3 EDZ 투수특성 선행연구 비교분석
5. 결론 및 제언
1. 서 론
지하연구사업 관련 터널과 같은 지하시설 건설 시, 발파나 굴착 등의 작업으로 인해 시설 인접 영역의 암반 물성이 원래 상태로부터 교란되어 변화될 수 있다. 특히 처분시설이 건설되는 지하 500 m 이하의 고심도 지하에서는 지하공동 주변 열-수리-역학적인 암반 물성 변화 정도가 저심도 터널에 비해 보다 심하게 나타난다(Malmgren et al., 2007). 이 같은 굴착교란영역(Excavation Disturbed Zone, EDZ) 또는 굴착영향영역(Excavation Influence Zone, EIZ)에서는 응력 재분배와 집중으로 인한 새로운 암반균열의 생성 및 기존 균열의 연결성 증가로 인해 암반의 투수도가 2~3 orders(수백~수천 배) 이상 증가된다(Tsang et al., 2005). 이러한 투수도 증가변화는 지하 처분시설 주변 지하수 유동에 영향을 주고 유출 성분의 이동을 촉진하는 등 처분시스템의 안전성을 저해하는 잠재적 위험 요인이 될 가능성이 있다(Huo, 2003, Baechler et al., 2011).
굴착 공동 주변 EDZ의 수리적 특성을 파악하기 위한 간접적인 조사 방법으로는, 물리탐사기법에 의한 추정(Rubin and Hubbard, 2005), 주입재 주입을 통한 시추 코어 관측(Bossart et al., 2002), 공동 주변 암석 코어를 활용한 실내 암석물성 실험으로부터 추정(Davy et al., 2007) 등이 있다. 물리탐사의 경우 암반의 구조적 정보를 반영하고 있지만 이들 지질학적 구조적 특성이 수리특성과 일치하지 않는 한계가 있고, 주입재 시험의 경우에는 주입재 선정과 주입 조건 결정 및 현장 관측에 기술적 어려움이 있다. 또한, 시추 코어 실내실험을 통한 암석물성 값으로부터의 EDZ 투수성 추정도 변환과정에서 여러 오차를 수반하게 된다. 결론적으로 현장시험을 통해 직접적으로 굴착 공동 주변의 투수특성을 측정하는 것이 가장 정확하며, 해외 기술선도국을 중심으로 최근까지 다양한 현장주입시험을 통해 각국 지하연구시설 내 EDZ의 수리특성을 평가하는 연구가 활발하게 수행되어 왔다(Bossart et al., 2004, Baechler et al., 2011, Armand et al., 2014, Aoyagi and Ishii, 2019, Hata et al., 2024). 이들은 자체적으로 구축한 현장시험장비를 이용해, 시험 구간을 패커로 고립하여 물 또는 가스를 주입함으로써 암반 매질의 압력과 유량 변화를 측정하고 구간별 수리전도도를 도출하여 지하연구터널 인접영역의 투수특성 분포와 변화양상을 평가하였다.
국내에서는 지하 연구터널 내 암반시추공에서 EDZ 투수특성을 평가하기 위한 현장수리시험 연구가 소수 수행된 바 있다(Kim et al., 2008, Park et al., 2024). 그러나 정밀한 수리특성측정시스템이 온전히 갖춰져 있지 않은 실정이며 시험방법과 절차가 표준화되어 있지 않은 상태이기 때문에, 획득한 수리특성의 정확도와 신뢰도를 보장하기에는 한계점이 있다. 따라서 자체적인 수리시험장비 구축과, 이를 활용하여 EDZ 현장수리시험 자료를 명확하게 획득하고 제시하는 과정이 필요하다. 아울러 다양한 국내 EDZ에서 현장적용을 통해 얻은 수행결과와의 피드백을 통해, 구축한 측정시스템의 지속적인 성능보완과 개선 노력도 중요하다.
본 논문에서는 지하 연구터널 내부에 위치한 굴착 공동 주변의 균열암반 투수특성 분포양상을 평가하는 연구를 수행하였다. 이를 위해, 지하 터널 벽면에 위치한 수평 시추공 내부에 자체 개발한 고정밀 수리시험장비를 투입하여, 현지 압력과 유량 자료를 실시간으로 획득 및 모니터링 하였다. 획득한 현장 자료를 다양한 정상류/비정상류 해석방법에 적용하여, 각 시험 구간의 수리전도도값을 도출하였다. 이를 바탕으로 굴착교란영역 내 터널 벽면으로부터의 거리에 따른 심도별 수리전도도값 분포 및 변화양상을 파악하였고, 기존에 수행되었던 수리적 EDZ 현장시험연구들의 투수특성 결과들과의 비교검토에 관해서도 논의하였다.
2. 연구 지역
본 연구를 수행한 지하연구시설 내 터널은 5 m 폭과 6 m 높이의 마제형 단면으로 이루어져 있고, 하향 경사를 주어 향후 심도를 추가적으로 확보할 수 있도록 설계되어 있다(Fig. 1). 지하터널의 총 수평 길이는 약 90 m 정도이며, 터널이 위치한 수직 심도는 지표면으로부터 약 16 m 지하에 해당한다. 또한 환기 및 배기 시설이 설치되어 있으며, 터널로 유입되는 지하수를 모아 외부로 배출하는 저수조도 갖추어져 있다. 본 지하 터널은 편마암반 내에 위치하고 있으며 전체적으로 풍화와 균열 발달로 인해 암질이 좋지 않은 편이므로, 터널 입구 구간은 콘크리트 라이닝이 설치되어 있고, 터널 안쪽 내부 구간은 숏크리트와 록볼트로 벽면이 보강되어 있는 상태이다. 현장수리시험이 수행된 시추공은 총 2개이며, 터널 옆 벽면에 상방 3° 이하 경사로 거의 수평하게 굴착되었다. 시추공 내부는 완전 나공상태(open hole)로 케이싱 설치나 보강 등을 따로 하지 않았다. 두 시추공의 직경은 모두 76 mm의 NX size이며, BBH-1 시추공은 평면상에서 보았을 때 벽면에 수직 방향으로 총 17 m 심도이고, BBH-2 시추공은 벽면에서 78° 방향으로 총 18 m의 심도를 나타냈다. 두 시추공 사이의 거리는 벽면상에서는 6.9 m이고, BBH-2 시추공이 기울어진 관계로 벽면 안쪽으로 들어갈수록 두 시추공 사이 거리가 가까워지는 형태를 가진다.
본 연구는 두 수평 시추공 사이에 추가적인 기계화 굴착이 진행되기 이전의 원래 기존 터널 굴착 공동 주변의 투수특성을 평가하기 위해 수행되었기 때문에, 본 수리시험이 진행된 현 시점에서는 두 시추공 사이에 새로운 굴착 공동은 없이 기존 암반으로 채워져 있는 초기 상태이다. 향후 본 연구의 후속 확장성격으로써, 두개의 시추공 사이 공간에 굴착 작업을 통해 새롭게 발생하는 굴착손상 또는 교란영역으로 인한 암반 투수특성의 변화양상을 관찰할 예정이다. 또한, 굴착 직후와 일정 시간이 경과된 후의 투수성을 비교분석하여, EDZ 수리적 특성의 시간에 따른 변화(가역/비가역) 또는 유지 여부에 관해서도 장기적으로 평가할 계획이다.
3. 현장시험장비, 절차 및 해석방법
3.1 현장시험장비
본 연구에서는 굴착 공동 주변 수리특성을 파악하기 위해 기존에 자체적으로 구축한 심부 암반용 수리시험장비를 활용하였고(Lee et al., 2023), 시스템 내 일부 장치를 개량하여 현장시험에 적용하였다(Fig. 2). 본 시스템을 이용하여 측정 가능한 수리전도도 범위는 10-12~10-5 m/s로, 수행 가능한 수리시험은 정압주입시험(constant pressure injection test)과 펄스시험(pulse test)이 있다. 전체 시스템은 시스템 제어 및 자료 획득 장치/가압 장치/압력-유량 측정 장치로 구성된 지상 부분과 수압전달장치/연결봉/패커로 구성된 공내 부분으로 나뉜다. 지상에 위치한 일체형 메인 프레임은 여러 기능이 동시에 구동 및 제어가 가능하며, 무게와 부피를 최소화하여 현장에서 이동성과 작업의 효율성을 높일 수 있게 제작되었다. 가압 장치 부분은 고정밀 가압 펌프와 압력-유량 제어밸브/감압시스템을 이용한 2단계 압력 조절을 통하여, 압력 주입 시 변동(fluctuation)의 최소화와 3 bar 이하 초정밀 가압의 안정적 유지를 가능하게 하였다. 고품질 현장시험자료 획득을 위해, 지상 시스템 내 압력 및 유량 센서들은 현 시점에서 가장 높은 정밀도의 연구용 제품들을 사용하였다. 패커 모니터링용 압력 센서는 0~200 bar, 시험 구간 압력 센서는 0~200 bar, 시험 구간 유량 센서는 0.005~6 L/min 범위에서 사용이 가능하다. 본 시험 시스템의 저유량 측정 한계는 5 mL/min으로써 이보다 낮은 유량으로 주입될 경우(극저투수성의 시험 구간 사례)에는 정압주입시험이 불가하며, 펄스시험으로 대체하여 수리시험이 수행되어야 한다. 또한 시험 전체를 조절하는 컨트롤러 장치가 복잡하지 않게 직관적으로 설계되어 있고 실시간 압력-유량 자료 변화를 육안으로도 쉽게 모니터링 할 수 있기 때문에, 시험의 일관된 반복수행이 가능하여 취득하는 결과 자료의 정확도와 신뢰도를 보장할 수 있게 하였다.
공내 삽입 부분의 경우, 일단 시험 구간을 수리적으로 고립시키기 위해 고무 멀티 패커를 사용하였고, 각 패커의 길이는 1 m로써 패커 고무 부분의 길이가 너무 짧으면 팽창을 통한 시험 구간의 완전 고립이 어려우며, 시추공벽면 틈으로의 누수 흐름 등이 발생할 수도 있다. 실제 시험수가 주입되는 시험 구간인 인터벌(interval)의 길이는 1 m로서, 기존의 심부 시추공에서의 인터벌 길이인 3.2 m보다 짧게 수정되어 사용되었다. 수 백 미터 이하 심도에서는 투수성 균열의 존재나 분포가 미약하기에 오히려 인터벌 길이가 어느 정도 이상 길어야 투수성 균열을 효과적으로 포함시킬 수 있다. 그러나 본 연구에서처럼 터널 인접 지역의 얕은 시추공에서는 균열이 매우 많이 분포하기도 하고, 여러 시험 구간에서 터널 벽면으로부터의 거리 증가에 따른 심도별 수리전도도를 측정하기 위해서는 인터벌의 길이가 짧을 필요가 있다. 공내 장치의 시험 구간으로의 이동은 패커 상부에 길이 1 m인 스테인리스 스틸봉의 추가적인 연결을 통해 수행하였다(Fig. 2b). 패커 상부 연결봉 시작 지점에 줄자를 함께 부착하여 삽입함으로써 공내 장치가 목표 시험 구간의 깊이(심도)에 정확히 위치할 수 있도록 조치하였다. 패커에는 이 연결봉 라인과 더불어 시험 구간 주입 호스라인(직경 1/4 inch)과 패커 주입 호스라인(직경 3/16 inch)이 연결되며, 이 두개의 물 주입 라인들은 지상 제어부의 압력 및 유량 센서에 연결되고 전기신호로 변환되어 기록된다.
3.2 현장시험 절차
본 연구의 현장수리시험은 Fig. 3과 같은 순서로 수행되었다. 이 절차와 흐름도는 시험 수행에 관한 내용만 반영한 것으로써 기존의 심부 수리시험의 표준절차(Lee et al., 2023)와 유사하며, 장비의 사전 성능 점검/자료 해석/DB 구축 부분은 생략되었다. 구체적인 현장시험 절차는 아래에 나타나 있다.
① 시험 구간 선정 시 잠재적 위험 구간 제외(암석시추 코어와 시추공 영상검층 자료 활용)
② 조사 시스템 시추공 내부로 삽입
- 상하부 패커 및 인터벌로 구성된 공내 장치부에 연결봉과 수압 호스를 연결해 시추공 내부로 삽입 이동
- 연결봉 개수와 장착된 줄자의 길이 크로스 체크를 통해 목표 심도 위치 확인
③ 시험 구간 도달 후, 상하부 패커 가압 팽창
- 패커 팽창압력 및 주입 유량의 기록을 통해 가압 상태를 실시간 확인(15~20 bar 범위의 팽창압 유지)
④ 현장수리시험 수행(정압주입시험)
- 주입 압력 기준 3 bar 이내 수준에서 가압한 후에 15~20분 이상 압력 유지
- 시험 구간 내로 유입되는 유량과 주입 압력의 실시간 모니터링과 자료 기록 수행
⑤ 현장수리시험 수행(펄스시험)
- 시험 구간의 투수성이 너무 낮아 앞선 ④ 과정의 정압주입시험 수행이 불가능한 경우, 펄스시험으로 대체하여 수행하며 최대한 빠른 시간(1~2 분 이내)에 목표 펄스 압력(5 bar 이하)에 도달하도록 순간적으로 가압
- 목표 펄스 압력 도달 후 바로 가압을 멈춘 후 주입 압력의 감소 변화를 실시간으로 측정 및 기록
⑥ 시험이 끝나면 패커를 이완하여 다음 심도 구간 이동, ①~⑤와 동일한 과정으로 반복하여 현장수리시험 수행
본 연구 현장의 경우, 시험 심도와 구간은 시추공 OPTV (Optical Televiewer) 영상검층 자료와 암석시추코어를 기반으로(Fig. 4), BBH-1 시추공에서 총 5개 구간(4.0~5.0 m, 6.0~7.0 m, 8.0~9.0 m, 9.5~10.5 m, 11.5~12.5 m), BBH-2 시추공에서는 총 4개 구간(4.0~5.0 m, 6.0~7.0 m, 7.0~8.0 m, 15.3~16.3 m)이 선정되었다. 이 과정에서 암석 코어의 파쇄가 너무 심하거나 core loss가 존재하는 구간 또는 영상검층 자료에서 균열이 강하게 발생하는 부분 등은 사전에 검토하여 패커 장착 위치에서 제외되도록 하였다. 시추공벽이 불안정한 부분에 패커를 위치하고 팽창시킬 경우, 고무 패커가 터져 시험 미수행 및 시스템 손실의 위험이 있다. 또한 무리하게 시험이 진행되더라도 패커 압력이 안정적으로 유지되지 않을 가능성이 크며, 패커와 시추공벽면 틈새로의 누출 흐름과 공내 부피 변화 등으로 인해 정확하고 신뢰성 있는 수리시험 결과를 획득하기 어렵다.
3.3 자료 처리 및 해석
본 연구에서는 모든 시험 구간에서 정압주입시험이 수행되어 현지 압력-유량 변화 자료가 획득되었고, 펄스시험은 수행되지 않았다. 따라서 현장 측정자료에 대해 정압주입시험의 해석법에 관해서 적용하였으며, 이에 관한 자세한 원리와 관계식들에 관한 내용은 기존 연구 논문을 참고하도록 한다(Lee et al., 2023).
정압주입시험의 해석 방법은 정상류(steady-state flow) 해석과 비정상류(transient flow) 해석으로 나뉜다. 정상류 해석법은 특정 위치에서 경과 시간에 따라 유체의 속도가 변화하지 않는 일정한 상태라는 전제를 가지고 있다. 정압주입시험의 정상류 해석에서 가장 널리 이용되는 것은 Moye(1967) 계산식이며, 시험 시 가압 종료 직전의 마지막 측정 유량과 그 때의 주입 압력값을 이용해 투수량계수(Transmissivity, T)를 구할 수 있다(Moye, 1967). 이를 시험 구간의 길이인 interval로 나누면 최종적으로 수리전도도(Hydraulic Conductivity, K)를 얻게 된다.
실제 자연 환경 조건에서 암반 지하수 흐름양상은 시간에 따라 유체 속도가 변하는 비정상류인 경우가 많다. 정압주입시험 비정상류 해석으로는 Jacob and Lohman(1952) 해석방법이 전통적으로 널리 사용된다(Jacob and Lohman, 1952). 비정상류 해석에서는 유량의 변화 자료 중, 정압 상태에 도달하는 시점으로부터 가압 종료 구간까지의 측정자료를 이용한다. 여기서 시행착오적 방법을 이용한 표준곡선중첩(type curve matching)을 통해, 투수량계수를 산출하고 이를 시험 구간 길이로 나눠 수리전도도를 구한다. 이 해석법은 연속체 개념의 접근 방식인 동시에 방사상 형태 지하수 흐름을 전제로 하고 있다. 따라서 개별 균열을 통해 지하수 유동이 발생하는 암반 대수층에서 2차원 방사상 흐름이 아닌 1차원 선형 흐름 또는 3차원 구상 흐름이 발생할 경우에는 측정자료와 매칭이 어려울 수 있다.
이러한 다공성 매질 기반 해석법의 한계를 보완하기 위해, Barker(1988)는 지하수 흐름 양상을 비정수 유동 차원으로 근사 분석하는 GRFM (Generalized Radial Flow Model)법을 제시하였다(Barker, 1988). 이 방법에서는 로그-로그 형태의 head (m, 주입 압력의 길이 단위 수두로 변환)/flow rate (L/min, 시간경과에 따른 유입 유량) 그래프와 미분값 변화 자료(도함수, derivative)를 동시에 표준곡선중첩에 적용함으로써, 단순히 유량 자료만을 활용하는 것보다 매칭의 정확도(적합도)를 더 향상시킬 수 있다. 이 GRFM은 앞에서 언급한 Jacob and Lohman(1952)방법을 근거로 확장 응용된 이론이기 때문에 2차원 방사상 흐름 조건인 경우 이 두 가지 방법을 이용한 해석 결과가 일치할 가능이 높다. 단지 다양하고 복잡한 지하수 흐름 형태를 보이는 자연 상태 균열암반에서는 Jacob and Lohman(1952)법을 통해서는 매칭이 어려운 측정자료의 경우, 유동 차원을 고려하는 GRFM법을 이용해 보다 정확하게 매칭시킬 수 있다. 또한 이 GRFM법은 수리시험 초기에 시추공벽 근접 영역에서 발생하는 수리적 교란 현상인 스킨 효과도 반영하는 인자를 포함하고 있어 자료 매칭의 정확도와 신뢰도를 보다 높이는데 활용될 수 있다(Lee et al., 2024a).
4. 현장수리시험 결과
4.1 현장 측정자료 검토
본 연구에서 수행된 총 9개의 수리시험 자료 중(BBH-1시추공 5개, BBH-2시추공 4개), 총 3개소에서 정상류 흐름 특성의 자료가 획득되었고, 나머지 6개 자료들은 모두 비정상류 흐름 특성을 나타냈다. BBH-1 시추공에서는 5개 시험 구간에서 모두 시간에 따라 유량이 변하는 비정상류 흐름 패턴이 관찰되었고, BBH-2 시추공에서는 3개 구간에서 정상류 흐름이 나타났고 나머지 1개 구간에서 비정상류 흐름이 확인되었다.
Fig. 5는 본 연구 지역인 지하암반터널 내 수평시추공에서 정압주입시험을 통해 획득된 정상류 흐름 구간들의 압력 및 유량 변화 곡선을 보여준다. 해당 구간의 시험 전체 기간 동안 패커 압력(packer pressure), 주입 압력(interval injection pressure), 유입 유량(flow rate)이 신호 누락 없이 모두 모니터링 된 후 시스템에 기록 저장되었다. 먼저 더블 패커에 적용된 팽창 압력에 관한 실시간 모니터링 결과, 시험 시작부터 종료 시까지 15~18 bar 범위에서 팽창압의 불규칙한 변동(fluctuation)이나 급격한 감소 없이 안정적으로 잘 유지되었다(Fig. 5).
주입 압력과 유입 유량을 살펴보면, 세 시험 구간 자료가 약간의 차이는 있으나 공통적으로 정압이 형성되고 일정한 압력 조건에서 시간 경과에 따라 유입 유량이 거의 일정하게 유지되는 정상류 흐름 형태를 나타낸다. 전반적으로 주입 압력과 유량의 형태가 매우 규칙적인 유입 특성을 나타냈고, 이를 통해 시추공벽 인접 영역에서 불규칙한 수리적 교란은 없는 것으로 판단된다. 이처럼 주입과 동시에 유입 유량이 높은 값에서 빠르게 안정화되는 시험 구간에 존재하는 암반균열들은, 양호한 투수성을 가지는 고정수두경계와 같은 외부 지하수 환경으로의 유출입이 원활하고 상호 연결성이 좋은 고투수성 절리들로 추정할 수 있다. 실제 이 세 시험 구간의 OPTV 영상검층 이미지에서 뚜렷한 암반균열들이 여러 개 관찰되었으며, 암석 시추 코어 자료에서는 해당 구간의 파쇄가 심하고 육안상 코어의 깨진 틈이 다수 존재하는 것이 확인되었다.
Fig. 6은 본 연구 지역인 지하암반터널 내 수평시추공에서 정압주입시험을 통해 획득된 비정상류 흐름 구간들의 압력 및 유량 변화 곡선을 보여준다. 앞선 정상류 자료와는 달리, 가압 후 증가된 유입 유량이 시간이 경과하면서 감소하는 변화양상을 나타낸다. 시험 구간마다 약간씩 유량 곡선의 형태는 차이가 있지만, 공통적으로 시험이 시작되면서 유입 유량이 급격히 상승했다가 정압이 형성되면서 다시 급격히 감소한 후 서서히 감소하다가 일정 시간이 지나고 감소된 유량이 유지되어 최종 안정화되는 양상을 보였다.
6개의 비정상류 자료 모두에서 시험 시작인 가압 직후 유입 유량이 급격하게 높은 수준으로 증가하게 된다. 시험 초기 유입 유량의 급격한 증가는 해당 시험 구간이 완전히 지하수로 포화되어 있지 않은 상태인 경우 그 공간을 물로 채우기 위해서 많은 양의 시험수가 주입될 때 발생할 수 있다. 또한 시험 구간이 자연 상태 지하수에 의해 전체적으로 포화되어 있는 경우라 할지라도 시험 구간 내에 존재하는 물과 공기(air), 그리고 고무 패커 등을 압축하면서 주입 압력과 유량을 사용하기 때문에 이러한 초반 유량의 급격한 상승이 나타난다. 이러한 현상을 공내저류효과(wellbore storage effect)라고 명명한다.
이 후 주입 압력이 상승해 정압을 형성하면서 급격히 상승했던 유입 유량은 다시 감소하게 되며, 이 때 유량이 감소하는 상황에서 압력과 함께 유량 곡선의 불규칙한 형태가 나타나는 경우가 있는데, 이를 스킨 효과(skin effect)라 한다. 스킨 효과는 시추공벽 부근에서 투수성이 국부적으로 변화하는 현상을 말하는데, 이 중 음(-) 스킨 효과는 시추공벽 근접 영역의 국부적 투수성 증가를 의미한다(Follin et al., 2011). 이렇게 음의 스킨 효과가 발생하는 이유는 시추 진행 시 드릴 비트의 회전과 굴진으로 인해 시추공벽이 물리적으로 교란되면서 새로운 인위적인 균열이 형성되거나 또는 시추공벽면에 분포하는 기존 균열의 확장을 통한 수리연결성이 높아지기 때문이다. 음의 스킨 효과가 존재하는 시추공 조건에서는 시추 중 교란으로 인한 공간의 생성과 확장 때문에 국부적인 투수성이 증가하는 것이므로, Fig. 6(e)에 보이는 것처럼 정압주입시험 가압 개시 후 초반 정압 상태에 도달하는 과정에서 유입 유량과 주입 압력이 상당히 불규칙한 형태로 변동할 수 있다(Lee et al., 2024a). 음의 스킨효과와는 반대로 양(+)의 스킨효과가 발생하면 시추공 인접 영역의 투수성이 감소하게 된다. 양의 스킨효과도 균열암반 시추공에서 많이 관찰되는데, 시추공과 균열 사이에 난류(turbulent flow) 형성으로 인해 유체 압력손실이 증가하거나, 굴착 시 이수(점토) 침투 등으로 공벽이 막히고 균열이 메워지는 경우에 주로 발생한다(Lee et al., 2002, Choi, 2007). 이처럼 주입시험 초기에 공벽 인접 수리적 교란으로 인하여 유입 유량과 압력의 불규칙한 변동이 나타나는 현장자료의 경우에는, 스킨효과를 고려할 수 있는 인자 반영 여부에 따라서 자료분석에 적용하는 비정상류 해석법들 간에 도출되는 수리전도도 값의 차이가 생길 수 있다.
시험 시간이 보다 경과하면, 급격히 증가했던 유량이 불규칙한 감소 부분을 벗어나게 되고 이후 서서히 감소 또는 유지되다가 시험이 종료되고 가압이 멈추는 시점에 최종적으로 안정화된다. 본 연구의 현장 비정상류 자료들은 모두 시험 초중반 이후 감소된 유량이 일정한 값에 수렴하였으며, 그대로 잘 유지되다가 최종 안정화되었다. 시험 초중반시점까지, 즉 시추공 근접 영역에서는 일정 압력 조건하 시간경과에 따라 유량이 변하는 비정상류 흐름 패턴을 보이다가 시험 중반부터 가압이 종료되는 후반 시점, 즉 시추공 바깥쪽 원거리 영역에서는 시간에 따라 압력과 유량이 일정하게 유지되는 정상류 상태에 근접한다고 볼 수 있다. 본 연구에서 관찰된 비정상류 구간 자료들은 모두 시험 종료 시점에 감소하여 안정화된 유량이 잘 유지되었기 때문에 Barker(1988)가 제안한 유동차원 기준으로 2의 값인 2차원 방사상 흐름을 가진다고 볼 수 있다(Barker, 1988). 본 연구에서는 2차원 방사상 흐름의 유동차원만이 관찰되었지만 실제 자연 균열암반 환경에서는 0~3 범위의 다양한 유동차원과 그에 따른 복잡한 지하수 흐름들이 존재한다. 특히 다양한 지역과 암종의 심부 대수층에서 수리시험을 수행한 결과를 살펴보면 1에서 2사이의 유동차원 값이 다수 관측되었는데, 현장자료상 유입 유량이 일정한 값으로 완전히 안정화되어 유지되지 않고 미세하게 지속적으로 감소하는 변화곡선을 나타냈다. 이는 해당 시험 구간에 존재하는 암반균열들이 시추공에서 멀어짐에 따라 연결성이 좋지 않고, 투수성이 높은 다른 외부 균열들과 교차 분포할 가능성이 낮다는 것을 암시한다. 이처럼 일반적인 2차원 방사상 정상류 흐름을 벗어나는 경우에, 유동차원을 상세히 고려하지 않고 기존에 전통적으로 가장 널리 활용되는 Jacob and Lohman(1952)해석법과 같은 비정상류 방법으로 자료를 해석하게 되면, 수리전도도와 같은 투수특성 값 산출의 정확도와 신뢰도가 낮아질 수 있다(Lee et al., 2024b).
본 연구의 모든 시험 구간에서 정압주입 수리시험의 가장 중요한 요건인 패커압력의 안정적 유지에 관한 모니터링, 그리고 주입 압력의 안정적 유지 및 변동(fluctuation) 최소화를 성공적으로 수행했으며, 그에 따라 수리특성 해석에 필요한 현지 압력-유량 원시자료를 명확하게 획득하였다. 특히 주입 압력의 변동성이 3% 이내로 거의 변동이 없었고 유입 유량도 큰 떨림 없이 매끄러운 자료 형태를 나타내었는데, 이는 관련 분야의 세계 최고 기술선진국(스웨덴 등)이 가지고 있는 정압유지기능에 상응하는 성능결과로 판단된다(Enachescu and Rahm, 2007, Ludvigson et al., 2007, Follin et al., 2011, Hjerne et al., 2013). 이와 같이 표준시험법과 절차에 근거하여 합리적으로 획득한 압력-유량 현장자료를 단순히 수치적으로 해석과 투수특성 값 도출에만 사용하는데 그치지 않고, 원시 자료의 형태와 변화 양상에 대한 면밀한 사전 검토를 통해 최적의 해석방법을 선택하고 이를 분석에 활용함으로써 최종 산출되는 수리정보의 정확도와 신뢰도 제고에 도움이 될 수 있다.
4.2 굴착 공동 주변 투수특성 결과
앞서 검토한 현장수리시험 자료를 이론 해석해에 근거한 표준곡선과 매칭하여 투수특성인 수리전도도값을 도출하였다. 이를 위해 검증된 수리시험 해석프로그램인 AQTESOLV를 활용하여 자료분석을 수행하였다(Duffield, 2007). 이 프로그램은 표준곡선의 수동 분석 및 비선형 회귀 기법을 이용한 자동 매칭을 모두 수행할 수 있기 때문에, 신속하고 정확하게 수리상수를 산정하기에 유리하고 또한 여러 다양한 해석해 적용을 통한 결과비교도 용이하여 전 세계적으로 수리특성 평가의 정확도와 신뢰도를 향상하는데 널리 활용되어 왔다(Kuusela-Lahtinen and Poteri, 2010, Zhang et al., 2018).
정상류 흐름에서는 Moye(1967)방법을 이용해 구한 수리전도도를 시험 구간의 대표값으로 선정하였다. 비정상류 흐름에서는 Jacob and Lohman(1952)방법과 Barker(1988)방법을 통해 도출된 수리전도도값을 비교검토한 후, 유동차원과 스킨효과 등을 종합적으로 고려하여 표준곡선과 가장 최적매칭을 이룬 해석법의 수리전도도를 해당 시험 구간의 대표 투수특성 값으로 선정하였다. 이를 바탕으로 BBH-1 시추공과 BBH-2 시추공 내 수리전도도 분포를 포함한 전반적인 수리특성을 다음과 같이 평가하였다.
4.2.1 BBH-1 시추공 수리전도도 분포
Fig. 7은 BBH-1 시추공에서 터널 벽면으로부터 거리(심도)에 따른 수리전도도 분포 결과를 나타낸다. 터널 벽면에서 가장 가까운 시험 구간인 4.0~5.0 m에서 수리전도도가 2.09×10-7 m/s로 산정되었고, 그보다 멀리 떨어진 나머지 네 개의 시험 구간에서는 약 10배(1 order) 정도 낮은 수준인 2.80×10-8~3.69×10-8 m/s의 수리전도도가 도출되었다. 굴착 공동 근계 영역에서는 응력의 재분배와 집중과 같은 교란 영향으로 새로운 암반균열이 형성되거나 혹은 기존 균열의 교차성과 연결성이 증가하여, 상대적으로 높은 투수성을 보이는 경우가 많다. BBH-1 시추공은 굴착교란영역 또는 굴착교란영역에서 거리 증가에 따른 투수성 감소경향을 보이고 있으며, 이는 기존에 EDZ 현장수리시험을 수행한 여러 선행연구의 투수특성 유사한 변화양상을 나타내는 것으로 확인된다(Bossart et al., 2004, Baechler et al., 2011, Armand et al., 2014, Aoyagi and Ishii, 2019, Hata et al., 2024).
본 연구에서 BBH-1 시추공 내 벽면에서 가장 가까운 심도인 입구부 0~4 m에서의 수리전도도값은 획득하지 못하였다. 이는 0~4 m 사이 구간에 암석 시추 코어의 파쇄가 매우 심하고 core loss도 존재하는 것으로 관찰되었고, 물리검층 영상자료 검토에서도 큰 균열이 많고 시추공벽이 불안정하여 패커의 안정적 장착과 팽창이 불가능했기 때문이다. 향후 시추공에서 이격 거리 3 m 이내의 새로운 수평굴착이 진행되면, 추가적인 수리시험 수행 및 결과 비교분석을 통해, 암반의 물성이 더 강하고 비가역적으로 바뀌는 공간인 굴착손상영역(Excavation Damaged Zone)에서의 투수특성 변화양상을 보다 정밀하게 평가할 수 있을 것으로 예상된다.
4.2.2 BBH-2 시추공 수리전도도 분포
Fig. 8은 BBH-2 시추공에서 터널 벽면으로부터 거리(심도)에 따른 수리전도도 분포 결과를 나타낸다. 시험이 수행된 BBH-2 시추공 내 시험 구간 중에서 수리전도도가 가장 낮고 또한 높은 지점은 심도 6.5 m과 7.5 m 지점으로 수리전도도가 각각 2.99×10-8 m/s와 2.92×10-6 m/s로 산정되었으며, 약 100배(2 order) 정도 차이를 나타냈다. BBH-2 시추공은 전체적으로 평균 10-6 m/s 수준의 매우 높은 수리전도도를 나타내는 고투수성 균열암반 구간으로 평가할 수 있다. 대부분의 시험 구간에서 가압과 동시에 바로 정상류 흐름 상태에 도달했고 전반적인 수리전도도값이 매우 높다는 시험결과를 종합적으로 검토해 보았을 때, BBH-2 시추공은 공벽 가까운 곳에서부터 먼 곳에 이르기까지 분포하는 투수성 암반균열들의 분포 밀도가 매우 높은 편이며, 균열 간 교차성 및 연속성도 매우 높을 것으로 판단된다.
앞선 BBH-1 시추공과는 다르게, BBH-2공은 심도에 따른 수리전도도 감소 경향이 뚜렷하게 나타나지 않았으며 파쇄대의 존재 여부에 따라 불규칙하게 국부적인 투수성 차이를 보였다. 굴착에 의해 교란된 수리특성이 명확하게 관찰되기 위해서는 기존 암반의 암질이 단단하고 파쇄가 적은 환경조건인 이암(clay rock)이나 견고한 화강암(granite) 암반이 유리하다. 본 연구가 수행된 지하연구시설은 편마암반 내에 위치하고 있으며, 원래 암반의 풍화와 균열 발달이 강하게 나타나는 편이다. 따라서 BBH-2 시추공에서는 전형적인 EDZ 투수특성 변화양상과는 달리 경향성이 없는 불규칙한 수리전도도 분포를 보였다.
4.3 EDZ 투수특성 선행연구 비교분석
해외 지하연구사업 기술선도국들을 중심으로 최근에 이르기까지 다양한 지하연구시설 내 현장수리시험을 통해 EDZ 투수특성을 평가하는 연구가 수행되어 왔고, 이를 비교분석함으로써 본 논문에서 도출한 연구시험결과와의 유사점과 차이점에 대해 검토하였다.
Fig. 9는 여러 선행연구에서 EDZ 투수특성을 평가하고자 도출한 시추공벽면에서부터 거리(심도)에 따른 수리전도도 분포 결과를 나타낸다. 각기 다른 EDZ 현장에서 수행한 수리시험결과를 살펴보면, 암질이나 균열 발달에 따른 약간의 정도 차이는 있으나 공통적으로 굴착 공동 벽면 가까운 심도에서 투수성이 높게 산출되는 유사한 결과를 확인할 수 있다. 이들 결과에서 투수성이 매우 높게 나타나는 구간은 심도 2 ~3 m 이내로 시추공벽 최근접 공간이자 동시에 굴착손상영역 부분으로써, 전체 EDZ 내 수리전도도값 차이가 100배에서 많게는 10,000배(2~4 orders)까지도 발생하였다. 본 연구에서도 BBH-1 시추공에서 벽면 가까운 영역의 수리전도도가 상대적으로 높고, 거리가 멀어지면서 수리전도도가 감소하여, 기존 연구사례와 일부 부합하는 결과를 나타냈다. 그러나 BBH-2 시추공에서는 심도별 불규칙한 수리전도도 분포가 확인되었다. 전체적으로 본 연구의 EDZ 투수특성 결과가 기존 연구들에 비해, 투수성 감소 정도(1~2 orders)와 변화 경향성이 다소 약하게 나타나는 것으로 정리할 수 있다.
Fig. 9에 보이는 수리적 EDZ 관련 선행 연구들은 모두 투수성이 매우 낮은 이암이나 무결암 수준의 화강암 지역에서 수행되었기 때문에, 굴착 시 수리적 교란이 강하게 발생하는 시추공벽 부근의 급격한 투수성 증가로 인하여 벽면으로부터의 거리 증가에 따른 수리전도도값 차이가 매우 크게 나타났다. 반면에 본 연구 지역은 원래 기존 균열이 다수 발달해 있는 편마암반에 위치하고 있어서 심도가 깊은 구간이라 할지라도 국부적인 파쇄대 존재로 인해 불규칙하게 매우 높은 투수성을 보일 수 있고, 결과적으로 시추공벽 부근 굴착의 수리적 교란으로 인한 투수성 증가 효과 및 시추공 심도에 따른 투수성 차이가 상대적으로 작게 나타날 수 있다.
5. 결론 및 제언
본 연구에서 균열암반에 위치하고 있는 지하연구시설 내 굴착 공동 주변의 투수특성 분포양상을 평가하였다. 고정밀 수리시험장비를 자체적으로 개발하여 지하 터널 벽면의 수평시추공에 적용하였고 정압주입시험을 수행해 각 시험 구간의 압력 및 유량 자료를 직접 획득하였다. 현장시험자료를 검증된 정상류/비정상류 해석방법에 적용하는 방식으로 각 시험 구간의 수리전도도값을 산정하였다. 이를 근거로 굴착교란영역 내 터널 벽면으로부터의 거리에 따른 심도별 수리전도도 분포와 변화양상을 파악하였고, 기존에 수행된 EDZ 수리시험 연구들의 투수특성 결과들과의 비교검토를 통해 본 연구 시험결과와의 유사점 및 차이점을 분석하였다.
연구 결과, 고성능 수리시험장비를 활용한 정밀 가압과 유지를 통해 양질의 현지 압력 및 유량 관련 원시데이터를 획득하였다. 이와 같이 명확한 현장자료취득 여부는 투수특성 도출의 정확도와 신뢰도 확보에 가장 필수적인 전제 조건이지만 과거 현장시험 연구들에서는 이에 대한 중요성이 간과되는 경우가 많았다. 수리시험 현장자료의 품질향상을 위한 노력이 무엇보다 중요하며, 이 과정에서 수리시험장비의 성능 보완 및 개선이 지속적으로 이뤄져야 하고, 또한 표준화된 현장시험수행 및 자료해석 방법이 체계적으로 정립되어야 한다.
BBH-1 시추공의 경우 터널 벽면으로부터 멀어지면서 수리전도도가 10배(1 order) 정도 감소하였고, 기존 EDZ 연구들의 굴착교란영역 내 투수도 변화양상과 유사한 결과를 나타냈다. BBH-2 시추공에서는 일반적인 EDZ 투수특성 변화양상과는 다르게 심도별 수리전도도 감소 경향성이 뚜렷하게 나타나지 않았고, 국부적인 파쇄대의 존재 여부에 따라 불규칙한 투수성 차이와 분포를 보였다.
이처럼 굴착교란영역의 투수특성이 항상 일정한 패턴의 변화나 분포양상을 따르지는 않고, 암종과 암질 및 균열발달 등의 다양한 요인에 영향을 받기 때문에, 해외 사례 참고가 아닌 실제 암반환경에서의 직접적인 현장수리시험 수행을 통해 EDZ의 투수특성을 정확하게 평가하고, 관련 시험결과의 데이터베이스를 구축하는 실질적인 연구노력이 필요하다. 결론적으로 본 논문에서 제시한 자체 시험장비와 수행방법 및 분석과정, 그리고 산출된 투수도 결과들은 향후 굴착공동 주변 수리적 EDZ의 정밀 수리특성 평가를 위한 통합시스템 개발의 기초가 될 선행 연구로서 중요한 의의를 지니는 것으로 사료된다.
