1. 서 론

고준위방사성폐기물 처분부지 선정에 있어 처분된 방사성 물질의 일부가 처분 용기들의 결함 또는 부식 등으로 지하수를 통해 유출될 때도 1만 년 또는 10만 년 이상의 기간에 생태계까지 영향을 주지 않을 낮은 지하수 흐름을 갖는 부지를 선정해야 하기 때문에 부지의 수리지질학적 연구는 매우 중요하다. 고준위방사성폐기물 처분부지에 대한 수리지질학적 특성 연구는 지표 수문 특성, 처분 영역과 처분 심도의 지하수 유동 및 용질 이동과 관련된 특성을 포함한다. 또한 처분장 부지선정에 있어 생태계에 이르는 지하수의 잠재적인 이동통로가 될 수 있는 지질구조가 없고 가능한 지하수의 연령이 오래되어야 한다. 암반 내 지하수 흐름과 관련된 수리지질학적 인자로는 수리전도도와 저류계수 등이 대표적이다(SKB, 2000, Park et al., 2020, Lee et al., 2023, Lee et al., 2024). 특히, 심부 처분장의 대상 모암으로 고려되고 있는 암종 중 결정질암의 경우, 이암과 같은 퇴적암과 달리 균열을 통한 지하수 유동이 상대적으로 우세할 것으로 예상되기 때문에 균열을 통한 수리지질학적 인자를 파악하는 것은 부지선정 과정에서 중요한 요소이다.

한국지질자원연구원은 2019년 발간된 통합지질도와 암종에 따른 분포 면적 결과를 토대로, 2020년부터 우리나라를 지체구조와 암종별로 구분하여 해당 영역에서의 다양한 부지선정 관련 인자를 획득하는 부지연구(site study)를 수행 중에 있다(KIGAM, 2021). 통합지질도에 따르면 국내 분포 암종 중 화성암과 편마암 등 결정질암이 약 60%를 차지고 있으며, 이를 고려하여 한국지질자원연구원은 2020년에 화강암에 대한 750 m급 시추를 수행하였다. 시추 위치로 전국의 지체구조별, 시대별 화강암 분포를 나타내고 있는 Cheong and Kim(2012)에 제시한 Fig. 1을 토대로 경기육괴의 춘천과 옥천대의 원주를 선정하여 수행하였다. Fig. 1은 우리나라의 지체구조별, 시대별 화강암의 분포를 나타내는 것으로, 경기육괴에 29개, 옥천대 36개, 영남육괴 13개, 경상분지 20개 등으로 분포하고 있다.

본 논문은 옥천대에 속하는 원주 화강암지역에서 수행된 두 가지의 다른 현장수리시험 장비와 방법, 그리고 재해석과정을 통해 획득한 수리전도도의 결과를 비교, 분석하여 대상 화강암지역의 수리지질학적 특성을 평가한 내용을 소개한다.

Fig. 1.

Distribution of Phanerozoic granitoids in South Korea classified by emplacement ages (modified from Cheong and Kim, 2012)

2. 연구 지역의 일반 제원 및 지질 특성

2.1 연구 지역 위치 및 시추공 제원

연구 지역은 강원도 원주시 태장에 있는 한국지질자원연구원의 원주 지진관측소 내에 있다. 연구 지역 내 심부 시추는 총 753. 7 m까지 수행되었으며, 지표로부터 심도 51 m까지는 외경이 약 123 mm인 PQ로 굴진하였으며, 이후부터 외경이 약 76 mm인 NQ로 굴진하였다. 암층 불량 구간의 공벽 보호를 위해 케이싱은 5.4 m까지 설치되었다. 초기 PQ로 굴진한 이유는 심도 50 m 위치에 수리화학시험에서 밸브 실린더의 설치와 원활한 실린더 작동을 위한 것이었다. 본 연구용 심부 시추공은 고준위방사성폐기물 처분장 부지선정과 관련한 다양한 평가인자를 획득하기 위한 다목적 시추공으로, 시추 중 시추장비의 굴진 관련 자료의 계측과 함께 시추순환수 계측이 수행되었으며, 시추공을 활용한 지하수 채수, 물리검층, 수압파쇄시험 등이 수행되었다.

연구 지역의 시추에 대한 정보와 제원은 Table 1과 같다.

Table 1.

Specification of deep boreholes in Wonju (modified from Cheon et al., 2022)

Photo & schematic diagram of borehole
Address	1443-9 Taejang-dong, Wonju, Kangwon province
Coordinates	127°57‘31“E / 37°23’24“N
Elevation	175.0 m
Depth	757.3 m
Diameter	122.7 mm (0 ~ 51 m) / 76.0 mm (51 ~ 757.3 m)
Deviation	0.85°/ 2.47°(avg/max)

2.2 연구 지역의 지질 특성

연구 지역인 원주는 경기육괴 남동부 방향의 옥천대에 위치하며 중생대 쥐라기 화강암이 넓게 분포하고, 원주화강암과 섬록암, 백악기 화강반암 등이 관입하며 발달하였다. 이 지역에 분포하는 화강암은 구성 광물에 따라 각섬석-흑운모화강암과 흑운모화강암으로 구분되며, 중립질 내지 조립질의 각섬석-흑운모화강암이 우세하게 분포한다(KIGAM, 2020, Cheon et al., 2024).

시추 코어에서 관찰되는 균열은 상부에서는 저각이, 하부에서는 고각이 주로 발달하고 있으나, 시추공 전체에 걸쳐 저각에서 고각이 고르게 발달하고 있다고 볼 수 있다. 100 m 심도 이내 천부에서 대체로 낮은 RQD 값과 높은 균열 밀도를 보였다(Fig. 2). 시추 구간에서 관찰된 단층은 총 19개로, 3개의 정단층과 9개의 역단층 내지 드러스트 단층, 7개의 주향이동단층이 관찰되었다. 고각의 절리를 통한 지하수 유입으로 인해 변질된 부분이 존재하며 단층대나 변질대 주변의 균열 밀도는 높게 발달하였다(Cheon et al., 2024). Fig. 2는 신선암과 함께 변질된 부분과 균열 밀도가 높게 나타난 지역의 시추주상도와 시추코어 사진, 암상과 구조지질학적 분석이 수행된 그림이다. Fig. 3(a)의 시추주상도와 코어 사진에서 볼 수 있는 것과 같이 고각의 균열과 절리가 교차하며 변색 또는 탈색된 부분이 관찰되었다. 이를 구조지질학적 측면에서 상세하게 분석한 주상도에도 수리적으로 변질된 영역 또는 단층과 함께 절리가 변질된 것을 확인할 수 있다(Cheon et al., 2024). 절리면에서는 방해석이 관찰되어 지표의 지하수가 500 m의 심도까지 유동하여 반응을 일으킨 것이 확인되었다. Fig. 3에서도 500 m 전후에서 주변보다 낮은 RQD 값과 균열 밀도가 높게 나타남을 확인할 수 있었다.

Fig. 2.

Drill log(including core pictures, (a)) and detailed core logging (b) in Wonju (modified from Cheon et al., 2024)

Fig. 3.

RQD and fracture frequency observed in the Wonju borehole

3. 심부 현장수리시험 장비 및 방법

3.1 현장수리시험 장비 및 방법

원주 화강암지역의 심부 시추공에서 현장수리시험은 2020년과 2021년에 각각 다른 시험 장비를 활용하여 수행되었다. 2020년에 수행된 현장수리시험은 시추가 완료된 이후 한 달 이내에 A사에 의해 수행되었다. 2021년에는 1년 전에 굴진되었던 심부 시추공의 공 상태를 파악하기 위해 더미 장비를 통한 공내 상황을 확인한 후 B사에 의해 현장수리시험이 수행되었다. 2020년과 2021년에 사용된 현장수리시험은 사용된 장비, 시험자뿐 아니라 방법이나 시험 구간 등에서 차이가 일부 존재하였다. 다음은 각각 수행된 수리시험 장비의 사양, 특징, 방법 등에 관해 서술한 것이다.

3.1.1 A사 현장수리시험 장비 및 방법

2020년에 수행된 현장수리시험 장비는 A사의 ‘지하수 관정 자동 주입 시스템’을 적용하여 자동 제어 및 실시간 관측이 가능하며, 계획된 주입압 또는 주입량에 따라 주입시험이 자동으로 수행된다. Fig. 4는 2020년에 현장수리시험에 사용된 시험 장비와 시험 모식도이다. 시험 장비는 크게 자동 주입 시스템, 제어 컴퓨터 및 프로그램, 자동 수압 측정장치로 구성되어 있다. 자동 주입 시스템을 구성하는 구성품과 자동 수압 측정장치의 세부 사양은 아래와 같다.

⦁고정밀 기어식 모터 펌프

⦁압력센서 압력측정 센서 정밀도: 0.08 bar

⦁유량계 측정 가능 센서 정밀도 A: 0 ~ 1 L/min 범위에서 0.001 L/min ~ 0.002 L/min

⦁유량계 측정 가능 센서 정밀도 B: 0 ~ 10 L/min 범위에서 0.01 L/min ~ 0.02 L/min

⦁비례밸브 배관 열림 닫힘 조절: 0 ~ 100%

⦁배선 연결 상자 모터 및 센서 배선 연결 단자함

⦁자동 수압 측정장치(Level Troll 700): max. 693 m 수압측정, ± 0.005% 분해능

Fig. 4.

Auto pressure/flow injection system; photo of system (a), controlled window of system (b) and schematic diagram of field hydraulic test (c)

A사의 장비를 이용하여 총 13구간에 대한 루전시험(Lugeon Test)과 정압주입시험(Constant Pressure Injection Test, CPIT 또는 Constant Head Test)을 모두 같이 진행하였다. 특히 예비시험 방법으로 일반적인 루전시험을 수행한 후 예비시험을 통해 평가된 최적의 주입 압력을 활용하여 정압주입시험을 실시하였다. 시험 구간(또는 주입 구간)은 암반 내부의 절리 빈도와 분포 범위 등을 고려하여 4 m와 8 m의 두 가지 구간을 사용하였다. 최하부 구간부터 시험 구간의 길이가 8 m인 6개의 시험 심도에 대하여 상향식으로 진행하였으며 이후 4 m인 시험 구간으로 7개의 시험 심도에 대해 상향식으로 수행하였다. 루전시험의 주입 압력은 초기 주입 압력 1 bar를 기준으로 1 bar 간격으로 9 단계 (1 bar - 2bar - 3bar - 4bar - 5bar - 4bar - 3bar - 2bar - 1bar) 의 계단형으로 단계별 압력에서 10분씩 실시하였으며 정압주입시험의 주입 압력은 3 bar로 20분 ~ 30분 동안 실시하였다. 추가 해석으로 수리화학시험이 수행된 위치에 대해 수위 회복 자료를 바탕으로 슬러그시험(Slug Test)을 실시하였다. 수리전도도를 측정하기 위한 구체적인 시험 방법(절차)은 아래와 같다.

1) 시험 심도로 패커를 이동하고 패커를 설치한다.

2) 자동 주입시험 시스템을 설치한다.

3) 10분 이상 지하수위 안정화를 수행한다.

4) 1 bar 간격으로 9단계의 계단형 변화를 주면서 루전시험을 실시한다. 각 시험 단계 별 10분 동안 주입한다.

5) 주입률이 충분히 안정될 때까지 압력을 유지한다.

6) 가압 주입 압력을 유지하며, 가압 중지에 따른 압력 변화를 계측한다.

7) 루전시험을 종료한다.

8) 정압주입시험을 준비하며, 3 bar 압력으로 20분 ~ 30분 동안 진행한다.

9) 가압 주입 압력을 유지하며, 가압 중지에 따른 압력 변화를 계측한다.

10) 정압주입시험을 완료하고, 최종 시험 위치에서 최소 15분 이상 패커 압력을 이완한 후 충분히 이완되었을 때 패커를 회수한다.

11) 현장수리시험을 완료한다.

3.1.2. B사 현장수리시험 장비 및 방법

2021년에 수행된 현장수리시험 장비는 B사의 ‘ 대심도 수리특성 조사 시스템’으로, 순주입압력(net injection pressure)을 기준으로 증감량이 2 ∼ 3 bar 이하의 정밀한 가압과 압력 유지가 가능하고, 저투수성 암반에 적용할 수 있도록 미세 유량 조절과 주입이 가능하며 시추공 내 압력 변화량과 주입 유량 측정, 기록 및 계측을 할 수 있는 시스템이다. Fig. 5는 2021년에 현장수리시험에 사용된 시험장비와 모식도이며, 사용된 구성 장치의 사양은 Table 2와 같다. 수리전도도를 측정하기 위해 적용된 정압주입시험과 펄스시험(pulse test) 절차는 아래와 같다.

[정압 주입시험]

1) 공내 삽입부는 케이블 윈치를 사용하여 최하부 시험 심도로 이동시킨다. 이때 하강/상승 속도는 작업 안전성을 위해 가능한 한 6.0 m/sec 이하로 한다. 케이블은 자체 하중에 따른 늘어짐을 최소화하기 위해 사전에 인장 시킨 재질을 사용한다.

2) 패커 팽창을 위한 순팽창압(net working pressure)은 공벽 손상을 최소화하기 위해 17∼35 bar 범위에서 여러 단계로 나누어 팽창시킨다.

3) 패커의 불완전한 공벽 밀착이나 급격한 팽창압 변화는 누수의 원인이 되므로 시험 전 과정에서 실시간으로 측정, 계측 및 기록한다.

4) 최소 10∼15 분 이상 패커를 안정화시킨 후 순주입압력은 2∼3 bar 이하에서 가압한 후 20분 이상 유지한다. 정압주입 압력과 유량 외에 지상 구간 주입 압력도 함께 실시간으로 측정/기록/계측한다.

5) 암반 투수성이 낮아 펌프의 최저 토출량 이하로 유량을 감소시켜야 하는 경우 미세 유량 주입/조절장치(미소 유량계 포함)를 활성화시킨 후 시험을 진행한다.

6) 정압시험을 완료한 후에는 다음 심도로 이동한 후 같은 절차로 시험을 수행한다.

[펄스시험]

1) 주입 유량이 0.001∼0.003 l/min 미만인 시험 구간에서는 펄스(pulse) 시험을 시행한다.

2) 펄스형 압력(Pp, pulse pressure) 적용 시 가해지는 주입 압력은 규정화된 범위는 없으나 불연속면이나 암반의 잠재적으로 유발될 수 있는 비선형적 거동을 방지하기 위해 5 bar이하로 한다.

3) 지상 가압 펌프나 기타 가압 장치를 최적화시켜 시추공 내 초기 안정 수두에서 유체 주입 후 가능한 20∼30초 이내에 펄스 압력에 도달하도록 한다.

4) 펄스 압력에 도달하면 압력을 차단(shut-in)한 후 압력 변화를 실시간 측정, 기록 및 계측한다. 이때 측정 간격은 5초 이하로 하는 것이 바람직하다.

Fig. 5.

Deep borehole hydraulic testing system; photo of system (a), data acquisition system (b) and schematic diagram of field hydraulic test (c) (Bae et al., 2021)

3.2. 현장수리시험 심도와 구간

원주 심부 시추공에서의 수리시험의 심도와 구간은 ATV, 온도검층자료, 시추코어, 주상도 등을 토대로 산정하였으며, 기본적으로 균열대가 존재하여 지하수 흐름이 좋을 곳으로 예상되는 구간을 시험 대상으로 선정하였으며, 지하수 흐름 등에 의해 변질된 구간을 선정하기도 하였다. Fig. 6은 시험 심도와 구간을 산정하는 데 활용한 자료의 예시로, A사는 공내 시험 구간의 길이를 4 m와 8 m를 사용하는 반면, B사는 5.2 m의 길이를 사용하였다(Table 3과 Table 4). 시험 구간은 발주처인 한국지질자원연구원과 용역사 간의 협의로 총 13구간이 결정되었으며, 2021년 수행 시에는 2020년에 수행되었던 구간을 포함하여 더욱 깊은 심도에서의 현장수리시험을 수행하였다. Table 3과 Table 4에서 알 수 있는 바와 같이 각 시스템에서 사용하는 공내 삽입 장치의 특성에 따라 시험 구간은 일부 차이가 발생하였다. 공통 구간의 경우 시험 구간의 중심점이 거의 같은 구간을, 일부 중첩 구간은 의미 그대로 일부 시험 구간이 중첩된 구간을 뜻한다.

Fig. 6.

Fracture features in test interval for field hydraulic test (a) image of acoustic televiewer, (b) core photo

4. 심부 현장수리시험 결과 및 비교

4.1. A사 현장수리시험 결과

현장에서 수행된 여러 시험 방법에 대한 A사가 적용한 해석방법을 간략하게 제시하면 다음과 같다. 루전시험은 주입압력-주입량 곡선과 Houlsby(1992)의 해석방법을 이용하여 수리전도도를 산정하였고, 정압주입시험의 정상류 해석은 Moyer(1967)을, 비정상류 해석은 Jacob and Lohman(1952) 방법을 활용하였다. 순간수위변화시험인 슬러그시험은 Hvorslev(1951) 방법을 이용하여 해석하였으며, 상용 프로그램인 AQTESOLV를 이용하였다.

루전시험, 정압주입시험을 통해 획득한 총 13구간의 수리전도도는 Table 5와 같으며 총 13구간 중 5구간, 8구간, 12구간에서만 수리전도도를 확인할 수 있었다. 이는 자동 주입 장치의 안정유량이 0 L/min으로 장치의 한계치인 5E-10 m/s 미만으로 측정이 불가하였으며, 따라서 측정되지 않은 구간의 수리전도도는 5E-10 m/s 이하로 추정할 수 있다. 이외 수리화학시험을 위한 지하수 채수 중 수행된 슬러그시험으로부터 1구간, 8구간, 10구간, 12구간에서 수리전도도를 확인할 수 있었다. 측정된 구간의 수리전도도는 1.26E-9 ∼ 4.16E-8 m/s의 범위를 가졌다.

루전시험, 정압주입시험, 슬러그시험이 모두 수행된 구간은 8구간과 12구간이었으며, Figs. 7,8, 9는 12구간에서 얻어진 결과를 보여준다. 루전시험의 압력-주입량 관계도, 압력과 루전 형태로부터 Houlsby(1992)가 제시한 유형에서 유실(wash out)형태로, 균열의 열림이 비가역적이며 주입 압력에서의 승압 시보다 강압 시의 주입량이 더 많은 특징을 보인다. 정압주입시험에서 수리전도도의 산정은 초기 주입 압력이 요동치는 부분을 포함한 전체 구간에서 산정하였다. 슬러그시험에서 수리전도도가 두 개 구간으로 나뉘어졌는데, 이 중 수리전도도가 높은 구간인 처음 구간의 값을 선정하였다. 산정된 12구간의 수리전도도는 5.49E-9 ∼ 4.16E-8 m/s의 범위를 보였다.

Fig. 7.

Lugeon test results at 12 test interval (pressure vs. lugeon value (left), pressure-flow curve (right))

Fig. 8.

CPIT test results at 12 test interval

Fig. 9.

Slug test results at 12 test interval

4.2. B사 현장수리시험 결과

현장에서 수행된 여러 시험 방법에 대한 B사가 적용한 해석방법을 간략하게 제시하면 다음과 같다. 정압주입시험의 정상류 해석은 A사와 동일하게 Moyer(1967)의 제안식을 활용하였고, 비정상류 해석은 Jacob and Lohman(1952)해와 Barker(1988)가 제안한 GRFM방법을 적용한 diagnostic과 type curve 매칭 기법으로 분석하였다. GRFM 방법에서는 유동 차원을 1.5 ∼ 2 범위에서 변화시키면서 최적으로 매칭되는 type curve를 선정하였다. 정압주입시험이 수행되기 어려운 지점에서 수행된 펄스시험(PT, pulse test)은 Cooper-Bredehoef-Papadopulos(1967)법에 의해 해석이 수행되었다. 정압주입시험과 펄스시험에 의해 획득한 수리전도도는 Table 6과 같다. 12구간의 경우는 A사의 12구간 슬러그시험과 같이 두 구간으로 나뉘어졌으며, B구간의 수리전도도를 대푯값으로 사용하였다. 측정된 수리전도도는 1.6E-10 ∼ 2.06E-8 m/s의 범위를 보였다.

Fig. 10은 9구간(577.5 ∼ 582.7 m, A사의 12구간(577.5 ∼ 585.5 m).5과 중첩되는 구간)에서 정압주입시험에 의해 계산된 수리전도도로서 (a)는 Jacob and Lohman(1952)에 의한 type curve 매칭 결과로부터 획득한 것이며, (b)와 (c)는 각각 GRFM법에 의한 dignostic과 type curve 매칭에 의한 결과이다. 9구간에서 산정된 수리전도도는 1.83E-8 ∼ 2.02E-8 m/s의 범위를 보였으며, A사에 획득한 5.49E-9 ∼ 4.16E-8 m/s 범위 내에 있었다.

Fig. 10.

CPIT results at 9 test interval

4.3. A사 현장수리시험 결과 재해석

2020년부터 수행된 지체구도별 암종별 심부특성 연구에서 처음으로 시도된 2020년 A사의 정압수리시험의 검증을 위해 5구간, 8구간, 12구간의 결과를 1차적으로 초기 측정 변동의 에러를 제거한 후 AQTESOLV 프로그램을 이용하여 재해석한 후 비교·검증을 수행하였다(Fig. 11과 Table 7). 또한 한국지질자원연구원에서 자체적으로 프로그래밍하여 계산한 Type curve를 이용해 Type curve 매칭 방법으로 분석한 결과를 비교검증 하였다(Fig. 12와 Table 8).

Fig. 11.

Comparison of CPIT data analysis between A company and KIGAM using AQTESOLV program

Fig. 12.

Comparison of CPIT data analysis between AQTESOLV and KIGAM’s type curve matching method

A사에 의해서 에러를 제거하지 않은 채로 수행한 AQTESOLV 분석과 한국지질자원연구원에서 에러를 제거하고 수행한 AQTESOLV 결과에서, 투수량 계수는 7.01%, 저류계수는 6.34%의 차이를 보여, 대체적으로 에러에 의해서 크게 영향을 받지 않음을 알 수 있다. AQTESOLV를 사용한 검증 방법에서의 8구간의 투수량 계수는 14.36%의 오차율을, 저류계수에서는 36.56%의 오차율을 보였고, 12구간의 투수량 계수는 62%, 저류계수에서는 98.82%에 해당하는 오차율을 보였다. 이는 A사와 한국지질자원연구원에서 분석한 결과가 상호 일정 부분 신뢰할 수 있다는 것을 시사하고, 마지막으로 자료의 앞에 존재하는 에러는 순전히 압력센서 제어장치의 부정확함으로 인한 불가피하게 생긴 문제이므로 이 영향을 파악하거나 줄일 수 있는 추가적인 현장수리시험의 필요성이 제기되었다. 이러한 이유로 2021년 B사의 다른 현장수리시험 장비를 이용한 시험이 계획되고 수행되었다. Jacob and Lohman 방법은 투수량계수를 구하는 방법으로 수리전도도를 직접 구하지는 못하기 때문에, 투수량계수를 직접 제시하고 비교하였다. 여기서 구한 투수량계수에 구간 길이를 나누면 수리전도도가 된다. 예로 12구간에서 구간길이는 820 cm이므로, 투수량계수 4.45E-4 m/s를 820 cm 나누게 되면 5.43E-9 m/s가 된다.)

Fig. 12에서 사용한 Type curve fitting 방법은 Jacob-Lohman의 Type curve와 현장 자료를 중첩시켜서 가장 잘 들어맞는 지점을 찾는 것에서 시작한다. 그에 상응하는 y축으로 Q와 G(α)값을 읽어서, 투수량 계수(T)를 구하고, 또 다시 상응하는 x축으로 시간 t와 α값을 읽고, 투수량 계수(T)와 t를 α에 대입하여 저류계수를 계산한다. T값과 S값을 안정적으로 산출하기 위한 시행 횟수가 정해진 것은 없으나, 정확도와 신뢰도를 위해 이번 검증에서는 5개의 점에서의 T와 S값을 구하였다. 위와 같은 Type curve fitting 방법을 사용하여 5구간(423.5 m ~ 427.5 m)의 수리적 특성을 계산한 결과, 투수량 계수와 저류계수 모두 order가 일치하는 결과를 얻었으며, A사에서 계산한 투수량 계수 값과는 오차율 19%를 보였고, 저류계수 값은 60%에 달하는 오차율을 얻었다. 저류계수에서 나타나는 오차율이 큰 이유는 저류계수가 투수량 계수보다 Type curve fitting에 더 민감하여 추세선의 일부 변화에 따라 오차가 크게 발생할 수 있기 때문이다. 그러나 대체로 order내에서 일치하기 때문에 A사에서 수행한 결과가 신뢰할 만하다고 볼 수 있다.

Type curve fitting 방법을 사용하여 8구간(488.0 m ~ 496.0 m)과 12구간(577.5 m ~ 585.5 m)에 시행한 정압수리시험의 자료를 바탕으로 수리적 특성을 계산한 결과 8구간과 12구간의 투수량 계수와 저류계수 중 12구간의 저류계수를 제외하고 모두 order가 일치하는 결과를 얻었다. 또한 A사에서 계산한 투수량 계수 값과는 8구간과 12구간에서 각각 오차율 12%, 오차율 45%의 일치도를 보였다. 이때 저류계수 값은 8구간과 12구간에서 각각 60%에 달하는 오차율을 얻었고, 가장 잘 맞지 않는 값인 12구간의 저류계수에서 나타나는 오차율은 약 90,000%를 초과하였다. 저류계수의 커다란 오차 원인은 지하수 흐름 방정식을 나타내는 편미분방정식의 저류계수항에 대해서 본질적으로 존재하는 민감도가 필요 이상으로 높게 나타나는 현상으로서, 상기에서 언급한 오차율은 물리적으로 의미를 갖는 추정이라고 볼 수 없으므로, 실질적으로 무시하기도 한다(Cooper et al., 1967).

4.4. 결과 요약 및 비교

2020년 A사의 ‘지하수 관정 자동 주입 시스템’에 의해 총 13개 시험 구간에 대해 루전시험, 정압주입시험, 슬러그시험이 수행되었으며, 이 중 5개 구간에서만 수리전도도를 획득할 수 있었다. 획득한 수리전도도는 1.26E-9 ∼ 4.16E-8 m/s의 범위를 보여 전반적으로 낮은 ∼ 매우 낮은 범위의 수리전도도를 갖는 것으로 조사되었으며, 8개 구간에서는 측정 장비의 한계로 인해 획득할 수 없었다. 심도에 따른 수리전도도의 뚜렷한 차이는 관찰할 수 없었고 전체 심도에서 수리전도도의 최대와 최소 차이는 약 33배로 나타났다. 루전시험과 정압주입시험으로 5구간(423.5 ∼ 427.5 m), 8구간(488.0 ∼ 496.0 m), 12구간(577.5 ∼ 585.5 m)의 총 3구간의 수리전도도가 산정되었다. 5구간의 시험 방법과 해석방법 사이의 최대와 최소의 차이는 약 1.24배 , 8구간에서는 약 1.23배와 12구간에서는 약 1.18배로 나타나 수리전도도가 획득된 구간에서 시험 방법과 해석방법 사이의 차이는 거의 없는 것으로 나타났다. 수리화학시험을 위해 지하수 채수를 하면서 수행된 슬러그시험에서 산정한 수리전도도는 3.05E-9 ∼ 4.16E-8 m/s 범위를 보였다. 8구간과 12구간은 루전시험과 정압수리시험으로부터 수리전도도가 획득된 구간으로 슬러그시험에서 획득한 수리전도도는 다른 시험 방법에 비해 5배에서 7배 정도의 높은 값을 보였다. 그리고 A사의 자료 검증을 위해 초기 에러 제거 후 AQTESOLV 프로그램 재해석 결과 및 한국지질자원연구원에서 자체 개발 프로그래밍으로 분석한 결과 비교에서 수리전도도가 같은 order 내에 존재하기에, 초기에 나타나는 압력 변동값은 커다란 영향을 미치지 못하고 A사의 자료가 일정 부분 신뢰할 수 있다고 판단되었다.

2021년 B사의 ‘대심도 수리특성 조사 시스템’에 의해 총 13개 시험 구간에 대해 정압주입시험과 펄스시험이 수행되었으며, 3구간(305.4 ∼ 310.6 m)을 제외한 12개 구간에서 수리전도도가 획득되었다. 획득한 수리전도도는 1.60E-10 ∽ 2.05E-8 m/s으로 분석되어 최대와 최소 차이는 약 130배 정도로 나타났다. 정압주입시험의 비정상류 해석 결과는 정상류 해석법에 비해 1.02 ~ 2.8 배 정도 낮은 범위의 수리전도도 값을 보였다. 심도에 따라 암반 투수성이 뚜렷하게 변화하는 특성은 관찰되지 않았으나 심도 600 m 하부 영역에서 상부 영역에 비해 다소 감소하는 경향을 나타내었다. A사에서 획득한 결과와 같이 전반적으로 낮은 또는 매우 낮은 수리전도도 즉, 암반투수성을 갖는 것으로 조사되었다.

A사와 B사의 시험 심도가 거의 중복되는 구간은 1구간(126.0 ∼ 131.2 m), 2구간(213.0 ∼ 218.2 m)이었으며, 일부가 겹친 구간은 5구간(468.3 ∼ 473.5 m), 6구간(476.0 ∼ 481.2 m), 9구간(577.5 ∼ 473.5 m), 10구간(598.5 ∼ 603.7 m) 등 총 6개 구간이었다. 중복되거나 겹친 구간에서 획득된 A사의 수리전도도는 1구간과 12구간이었고, 각각 3.5E-9 m/s(슬러그시험)와 5.49E-9 m/s(정압주입시험의 비정상류해석)의 수리전도도 값을 보였다. 이에 상응하는 B사의 1구간과 9구간의 비정상류해석에 의한 수리전도도는 4.67E-9 m/s와 1.83E-8 m/s로 A사가 측정한 수리전도도보다 1.33 ~ 3.33배 높게 산정되었다. Fig. 13은 A사와 B사에서 획득한 수리전도도를 같이 도시한 것으로 대부분 E-8과 E-9 m/s의 수리전도도를 보이는 것을 알 수 있다. A사의 슬러그시험에서 구한 10구간(513.0 ~ 521.0 m)의 수리전도도 값을 제외한 유사 구간에서의 수리전도도는 B사의 값이 보다 높게 측정되었다. A사의 경우 장비 한계로 인해 5E-10 m/s이하의 수리전도도는 산출하지 못한 반면에 B사에서는 펄스시험을 통해 1.60E-10 m/s의 수리전도도를 산정하였다.

Fig. 13.

Comparison of hydraulic conductivity between A and B company

5. 결 론

한반도를 4개의 지체구조와 4개의 암종으로 구분하여 심부 암반의 특성을 연구 중인 한국지질자원연구원(2021)은 고준위방사성폐기물 심층처분에 중요한 역할을 하는 심부 암반의 수리특성을 파악하고자, 강원도 원주시 태장동 일원의 중생대 흑운모 화강암반 분포 지역에서 두 가지 다른 현장수리장비를 활용한 수리시험을 수행하였으며, 그 결과를 정리하면 다음과 같다.

A사의 ‘지하수 관정 자동 주입 시스템’을 활용하여 심부 시추공에 대해 루전시험, 정압주입시험, 슬러그시험 등 3가지 방식의 현장수리시험을 수행하였다. 수행된 최대 심도는 602.0 m였으며, 총 13개 구간 중 장비 한계 등으로 인해 5개 구간의 수리전도도를 획득하였다. 획득된 구간에서의 수리전도도 범위는 1.26E-9 ∼ 4.16E-8 m/s를 보였다. 전체 심도에서 수리전도도의 최대와 최소 차이는 약 33배로 나타났으며, 동일 시험 구간에서 시험 방법이나 해석방법에 의한 차이는 1.13 ∼ 8.25배로 나타났다.

A사의 장비 측정 한계와 압력센서 제어장치의 한계 등을 고려하여 시험 결과의 검증을 두 가지 방법으로 수행하였다. 하나는 시험 결과의 재해석이고 다른 하나는 다른 장비(B사의 ‘대심도 수리특성 조사 시스템’)를 활용한 추가 시험이었다. A사와 한국지질자원연구원의 재해석 결과로부터 두 결과의 차이는 존재하지만 투수량계수와 저류계수가 모두 order가 일치하였음을 알 수 있었다. B사의 ‘대심도 수리특성 조사 시스템’을 활용하여 정압주입시험, 펄스시험 등 2가지 방식의 현장수리시험을 수행하였다. 최대 시험 심도는 705.1 m 였으며, 정압주입시험이 가능하지 않은 투수성이 매우 낮은 구간에서 펄스시험이 적용되었다. 총 13개 구간에서 12개 구간에 대한 수리전도도를 획득하였다. 획득한 수리전도도는 1.60E-10 ∽ 2.05E-8 m/s으로 분석되어 최대와 최소 차이는 약 130배 정도로 나타났다. 정압주입시험에서 해석방법에 따른 차이는 1.02 ~ 2.8 배 로 나타났다.

A사와 B사에서 산정한 수리전도도는 하나의 특정 구간(B사의 10구간으로 수리전도도는 1.60E-10 m/s)을 제외하고 E-9와 E-8 m/s로 유사한 범위를 보였으며, 심도에 따른 뚜렷한 경향은 관찰되지 않았다. 결과적으로 현장수리시험이 수행된 원주지역 화강암반은 낮은 또는 매우 낮은 암반투수성을 보임을 알 수 있었으며, 적용된 시험 장치와 시험 방법에 따라 측정할 수 있는 수리전도도 범위나 적용 심도 등의 차이가 있으나 대체로 신뢰할 수 있는 결과를 제시한 것으로 판단된다.