1. 서 론
2. 완충재와 뒤채움재의 성능요건 및 요구조건
2.1 완충재의 성능요건과 요구조건
2.2 뒤채움재의 성능요건과 요구조건
3. 완충재와 뒤채움재의 현장시공 사례
3.1 완충재 설계 사양
3.2 완충재 현장시공 순서 및 방법
3.3 설치된 완충재의 기하학적 형태 및 밀도
3.4 뒤채움재 주요 설계 사양
3.5 뒤채움재 현장시공 순서 및 방법
3.6 뒤채움재 설치밀도 검사
3.7 완충재 및 뒤채움재의 품질관리 요소 및 방안
4. 뒤채움재 시공과정에서의 유입 지하수 처리 현장실험 사례 분석
4.1 유입 지하수 수처리 실험
4.2 유입 지하수 처리 방법
5. 결 론
1. 서 론
고준위방사성폐기물을 처분하기 위해 고려되고 있는 심층처분장에서는 처분용기로부터 유출된 방사성 핵종이 생태계로 이동하는 것을 지연시키기 위해 공학적방벽과 천연방벽으로 구성된 다중방벽 개념을 채택하고 있다. 공학적방벽(Engineered barrier system, EBS)은 처분용기, 완충재(buffer), 뒤채움재(backfill)로 구성되는데, 이들은 고준위 폐기물에서 방출하는 열, 심층처분장으로부터 침투되는 지하수, 지층 하중 등의 영향을 받고 있다(Park, 2011).
뒤채움재는 심층처분장 처분터널에 굴착된 처분공이 모두 처분용기와 완충재로 채워지면, 처분터널을 메우기 위해 사용되는 물질로 장기간에 걸쳐 방사성 물질이 누출되는 것을 방지하는 데 필수적인 구성 요소이다. 심층처분장 폐쇄 후 시간이 경과함에 따라 주변 지하수가 뒤채움재로 유입되면, 뒤채움재 내부의 물리적 구조와 공극률에 변화가 생긴다. 특히, 뒤채움재의 주요 구성 재료인 벤토나이트는 물을 흡수하면서 팽창하게 되고 내부 공극 구조가 재배치되어 뒤채움재의 성능 특성이 변화될 수 있다. 뒤채움재의 흡수 및 팽창에 의한 팽윤압이 증가하고 과도하게 팽창하거나 포화 상태에 이르게 되면 뒤채움재의 안정성의 저하로 이어질 수 있으며 지속적으로 지하수가 유입되면, 장기적으로 팽윤압이 감소하게 되고 이는 뒤채움재가 주변 암반으로부터 분리되어 심층처분장의 방사성핵종 격리 기능이 약화되는 결과를 초래할 수 있다(Sandén et al., 2017).
스웨덴의 Forsmark 지역과 핀란드의 Olkiluoto 지역은 비교적 건조한 것으로 평가되지만, 예비 수리지질 모델링에 따르면 계획된 일부 처분터널들은 분당 5리터 이상의 지하수의 유입률을 보일 것이며, 일부 터널에서는 분당 30리터 이상의 유입이 발생할 수 있는 것으로 예상되었다. 이는 예상되는 지하수의 유입을 처리하기 위한 방법과 기술의 개발이 필수적이라는 것을 시사하며(Joyce et al., 2013, Hartley et al., 2010) SKB와 Posiva는 심층처분장 폐쇄 후 완충재 및 뒤채움재에의 지하수의 유입을 효과적으로 제어하기 위한 다양한 실험실 및 현장 테스트를 진행한 바 있다(Sandén and Börgesson, 2014, Sandén and Börgesson, 2008). 국내에서는 Hong et al.(2022)이 지하수 유입 압력과 벤토나이트 완충재 내 팽윤압의 대소 관계에 따라 발생하는 완충재의 침식 및 파이프 현상 관련 연구 현황을 분석하고 주요 영향인자로 지하수 압력과 유량, 지하수 조성 및 농도, 완충재 조성, 초기 건조밀도, 초기 함수비 등이 있음을 확인한 바 있으며, 국내 완충재 후보재료를 대상으로 다양한 지하수 침투시나리오를 고려하여 완충재 건전성 평가 관련한 실내실험 및 수치해석 연구를 수행할 계획인 것으로 파악되었다.
Table 1은 벤토나이트 혼합물에의 지하수 유입 및 재료 특성 변화에 관한 실험실 규모 실험들을 정리한 것으로 이들 테스트를 통해 파악된 뒤채움재의 수분 흡수에 따른 주요 물성변화 양상은 아래와 같다.
•뒤채움재 펠렛의 지하수 유입에 대한 반응과 뒤채움재와 모래 혼합물 내 미세입자의 존재가 지하수 침투 및 뒤채움재의 수분 분포에 미치는 영향을 평가하기 위해 실시되었음
•스멕타이트 함량이 높은 재료는 더 나은 수분 보유 능력을 보였으며, 이는 뒤채움재의 물리적 특성에 결정적인 영향을 미치는 요소임
•특정한 구성을 가진 뒤채움재가 파이핑 채널 형성에 더 취약한 경향을 보였으며, 이는 뒤채움재의 균일성이 파이핑 채널 발달의 위험을 줄이는 데 중요하다는 점을 시사함
•높은 밀도와 점토 함량이 높은 재료는 장기간에 걸친 안정성이 더 우수한 것으로 관찰되었으며, 이는 장기적인 처분장의 안정성을 확보하기 위해서는 뒤채움재의 재료 선택이 중요하다는 것을 의미함
Table 1.
Laboratory-scale tests of water inflow into a bentonite mixture
| Test | Objectives | Reference |
| Large scale slot tests |
To evaluate the water storage capacity and the effect of fines in pellet fillings in tests | Sandén et al., 2017, Sandén and Jensen, 2016 |
|
Laboratory-scale tests focusing on effects of water inflow |
To understand the impact of water infiltration on the properties of backfill material | Keto et al., 2009 |
|
Piping Channel Formation and Saturation Observation Tests |
To investigate the effect of saturation on the development of piping channels and its implications for backfill stability | Keto et al., 2009 |
|
Laboratory-Scale Erosion Observation Tests |
To evaluate the erosion resistance of various backfill materials under flowing water conditions | Keto et al., 2009 |
실험실 실험뿐만 아니라 핀란드와 스웨덴에서는 지하수의 유입량과 특성에 따라 현장규모의 다양한 유입 지하수 처리 방법을 제안했으며, 이러한 지하수의 처리기술을 실증하기 위한 처분터널 1/2 규모의 대규모 Steel Tunnel Test가 스웨덴 Äspö Hard Rock Laboratory에서 수행된 바 있다. 이 현장실험에서는 벤토나이트 펠렛 채움 내의 지하수 저장 특성과 지하수 제어 방안으로서의 토목섬유(geotextile)의 사용 효과들을 실증하였다.
본 고에서는 완충재 및 뒤채움재의 현장실험 사례를 통해 실제 처분장 환경에서의 포화도 관리 기술의 효과와 적용 가능성에 대해 분석해 보고자 한다. 2장에서는 처분시스템 구성요소로서의 완충재와 뒤채움재에 요구되는 안전기능 및 설계요건을 소개하고, 3장에서는 완충재와 뒤채움재의 설계 및 시공사례와 품질관리 요소들을 정리하였다. 마지막으로 뒤채움재 시공 과정에서 유입되는 지하수 처리와 관련한 현장실험 사례 분석 결과를 4장에 수록하였다.
2. 완충재와 뒤채움재의 성능요건 및 요구조건
완충재와 뒤채움재는 공학적방벽의 핵심 구성요소로서 심층처분장 주변 암반으로부터 과도한 지하수가 처분장으로 유입되어 처분용기와 접촉되는 것을 방지하고 처분장 폐쇄 후 오랜 시간 경과 시 처분용기의 부식에 의해 방사성 핵종이 누출된 경우, 심층처분장 밖으로 방사성핵종이 유출되는 것을 지연시키는 역할을 함께 수행한다. 따라서, 완충재와 뒤채움재는 방사성핵종이 이류(advection)에 의해 유출되는 것을 방지할 수 있어야 하며 뒤채움재는 완충재의 위치를 고정하는 기능도 필요하다. 완충재 및 뒤채움재가 갖춰야 할 일반적인 사항으로는 낮은 수리전도도, 높은 핵종저지 능력, 높은 팽윤성, 낮은 팽윤압, 양호한 역학적 특성, 높은 열전도도, 양호한 장기건전성 및 낮은 유기물 함량이 있다.
2.1 완충재의 성능요건과 요구조건
완충재는 유입된 지하수가 처분용기와 접촉하는 것을 방지하고 부식성 물질의 이동을 제한함으로써 방사성핵종을 격리해야 하며 처분용기가 파손될 경우 완충재는 방사성핵종의 누출을 지연시켜야 한다. 이를 위해 완충재가 공학적방벽으로서의 성능을 충족시키기 위해서는 아래와 같은 성능요건이 요구된다.
이류로 인한 핵종이동의 제한: 완충재는 수리전도도가 충분히 낮고 팽윤압이 높아, 심층처분장 주위 암반에 존재하는 지하수가 처분용기와 접촉하는 것을 제한하고, 완충재 내부에서 핵종 이동의 주요 메커니즘이 이류(advection)가 아닌 확산(diffusion)이 되도록 하여야 함. 이를 통해 처분용기로부터 누출된 방사성핵종들이 주위 암반으로 유출되는 것을 지연시킬 수 있음
역학적 하중으로부터 처분용기 보호: 완충재는 팽윤성이 커야 하나, 팽윤에 의해 발생된 팽윤압이 처분용기나 근계암반에 과도한 압력을 가하지 않아야 함. 따라서, 완충재의 밀도는 포화완충재의 팽윤압과 지하수압의 합계가 처분용기에 설정된 등방하중(isostatic load)의 한계를 초과하지 않도록 결정해야 함. 또한, 완충재는 지진 혹은 단층거동으로 인해 처분공에서 발생할 수 있는 암반의 전단운동으로 인한 응력이 처분용기의 허용하중한계를 초과하지 않도록 하는 전단강도를 가져야 함
처분용기 위치 고정: 완충재의 중요한 기능 중의 하나는 처분용기와 처분공 내벽 사이의 공간을 메워, 처분용기가 처분공 내에서 처음 설치된 위치에 계속 머물러 있도록 하는 것임
완충재의 침식 방지: 과도한 지하수 유입으로 인해 처분공에 설치된 완충재에서 벤토나이트가 손실되면, 완충재의 밀도가 감소하여 완충재의 성능이 저하될 수 있음. 완충재에서 장기간에 걸쳐 벤토나이트의 손실을 초래할 수 있는 가장 중요한 공정은 화학침식(chemical erosion)이므로 심층처분장의주변 암반으로부터 유입되는 지하수와 접촉하여 화학침식되지 않아야 함
완충재 변성 방지: 완충재는 사용후핵연료에서 발생되는 방사성붕괴열에 의해 변성을 일으키지 않아야 함. 완충재의 높은 팽윤압과 낮은 수리전도도 같은 주요 밀봉 특성들은 모두 벤토나이트의 주 구성광물인 몬모릴로나이트에 의해 결정되는데, 몬모릴로나이트는 고온과 특정 조건에서 팽윤성이 낮은 다른 광물로 변성될 수 있으므로 심층처분장의 운영기간 중에 화학적 변성이 일어나지 않아야 함
미생물 활동의 제한: 완충재의 재료인 벤토나이트에는 상당량의 활동성 미생물이 존재하는데, 이러한 미생물들에 의해, 구리의 부식을 촉진시키는 화학종이 생성될 수 있음. 미생물의 성장이 제한되도록 완충재는 공극수의 활동성이 낮아야 하며, 공극 크기는 작아야 함. 벤토나이트에 존재하는 활동성 미생물 중, 가장 중요한 미생물은 황산염(sulphate)으로부터 황화물(sulphide)을 생성시키는 황산염환원박테리아(SRB)로 황화물은 구리 외부용기를 부식시키는 주요 인자이기 때문에 심층처분장 내에서 황화물의 생성은 엄격히 규제되어야 함
콜로이드의 여과: 콜로이드는 직경이 10-9 ∼ 10-10 m 수준인 작은 입자를 말하며, 핵연료가 용해되어 생성되거나, 완충재나 뒤채움재 재료인 벤토나이트로부터 생성됨. 콜로이드는 입자 크기가 작아 중력이나 관성력의 영향을 받지 않으므로, 지하수를 따라 지하 다공성매질(porous media) 내를 상대적으로 빠르게 이동할 수 있기 때문에 완충재는 공극의 크기가 충분히 작아, 완충재를 통한 콜로이드의 이동이 방지될 수 있도록 건조밀도가 높아야 함
이와 같은 완충재의 안전기능을 수행하기 위한 주요 설계요건은 아래와 같다(Table 2).
•완충재에서 이류에 의한 핵종이동이 일어나는 것을 방지하고, 확산이 지배적인 물질이동이 되도록 완충재의 수리전도도는 10-12 m/s 미만이어야 한다.
•완충재에서의 방사성핵종 겉보기확산계수는 양이온의 경우는 10-11 m2/s 미만, 음이온의 경우는 10-9 m2/s 미만이어야 한다.
•완충재를 통한 콜로이드의 이동이 방지되도록 완충재의 건조밀도는 1.0 Mg/m3를 초과하여야 한다.
•완충재의 팽윤압은 미생물의 활동을 제한하기 위해 2 MPa을 초과하여야 하며, 주변 압력하중으로부터 처분용기를 보호하기 위해 10 MPa 미만이어야 한다.
•완충재는 1 m/s의 속도로 5 cm의 변위를 초래하는 처분공의 전단운동이 처분용기에 과도한 전단변형을 일으키지 않도록 하여야 한다.
•처분공 내에서 처분용기를 처음 정치된 위치에 유지하기 위해 완충재의 팽윤압이 0.2 MPa을 초과하여야 한다.
•완충재는 4 mM의 양이온 농도를 가진 지하수와 접촉하여 화학침식이 일어나지 않아야 한다.
•완충재의 두께는 처분용기와 처분공 벽 사이에서 30 cm 이상, 처분용기 바닥 하부와 처분용기 상부에서는 50 cm 이상이어야 한다.
•완충재는 심층처분장에서 예상되는 환경에서, 광물 변성이 일어나지 않도록 온도가 100°C 미만으로 유지되어야 한다.
•완충재 중의 유기탄소의 함량은 0.5 wt% 미만이어야 한다.
•완충재 중의 황화물(sulphide) 함량은 0.5 wt%(황철광(pyrite) 약 1 wt%에 해당), 황의 총량(황화물 포함)은 1 wt%를 초과하지 않아야 한다.
•포화 조건에서 완충재의 열전도도는 1.0 W/mK 이상이어야 하며, 주어진 사용후핵연료 붕괴열, 처분용기 및 암반의 열적 물성, 처분터널 및 처분공 사이의 간격 등의 조건에서 완충재의 온도가 100°C 미만으로 유지되어야 한다.
Table 2.
Requirements for safety functions of buffer (Posiva and SKB, 2017)
2.2 뒤채움재의 성능요건과 요구조건
뒤채움재는 완충재에 비해 상대적으로 덜 엄격한 설계사항이 적용되나 처분장 건설에 소요되는 사용량이 많은 특징이 있다. 뒤채움재의 성능요건과 주요 설계요건을 정리하면 Table 3과 같다.
이류로 인한 핵종이동 방지: 심층처분장의 처분터널에 설치된 뒤채움재는 낮은 수리전도도와 높은 팽윤압을 가지며, 이로 인해 물질 전달 메커니즘은 이류가 아닌 확산에 의해 이루어져야 함. 이를 통해 심층처분장 주변 암반에 존재하는 지하수 속 유해 물질이 완충재 및 처분 용기에 접촉하는 것을 최소화하고 처분용기의 부식을 억제하고, 사용후핵연료로부터 누출된 방사성 핵종이 지하수를 통해 심층처분장 밖으로 유출되는 것을 지연시키거나 감소시킬 수 있음
완충재의 위치고정: 뒤채움재는 처분공에 설치된 완충재가 처분터널 내로 팽윤하여 융기하는 것을 방지하고, 처분공 내의 원래 설치된 위치에 머물러 있도록 함으로써, 완충재가 밀봉성능을 유지하도록 해야 함.
•뒤채움재에서 이류에 의한 핵종이동이 일어나는 것을 방지하고 확산이 지배적인 물질이동이 되도록, 뒤채움재의 수리전도도는 10-10 m/s 미만이어야 한다.
•뒤채움재의 팽윤압은 이류 물질전달이 일어나는 것을 방지하기 위해, 0.1 MPa을 초과하여야 하나, 뒤채움재로 고밀도의 벤토나이트 블록과 저밀도의 벤토나이트 펠렛이 함께 사용될 경우에는, 벤토나이트 블록의 팽윤압이 1 MPa을 초과하여야 한다.
•뒤채움재는 처분공 내에 설치된 완충재가 처분터널 내로 팽윤하여 융기하는 것을 방지하여, 완충재가 처분공 내의 본래의 위치에 머물러 있도록 함으로써, 완충재의 밀봉기능이 유지되도록 하여야 한다.
•뒤채움재의 불순물 함량 제한에 대한 정량적 기준은 아직 설정되어 있지 않으나, 임시로 완충재의 불순물(유기물, 황 및 황화물) 제한기준을 뒤채움재에도 적용할 수 있다.
Table 3.
Requirements for safety functions of backfill (SKB, 2009, Posiva, 2012, Posiva and SKB, 2017)
3. 완충재와 뒤채움재의 현장시공 사례
3.1 완충재 설계 사양
완충재는 벤토나이트를 고밀도의 블록 형태로 압축 성형시켜 설치하는데, 압축 성형된 벤토나이트 블록은 처분용기 상부와 하부에 설치되는 원통형 블록과 처분용기와 처분공 내벽 사이에 설치되는 환형(ring) 블록의 두 종류가 있다(SKB, 2010). 처분공의 모든 구간에서 완충재의 밀도를 균일하게 하기 위해서는 처분용기를 둘러싸고 있는 환형 블록과 처분용기 상부 및 하부에 위치한 원통형 블록의 밀도를 다르게 하여야 한다. 완충재 블록의 치수는 설계요건에 주어진 치수와 처분공 및 처분용기의 치수 그리고 완충재의 설치에 사용되는 장비에 필요한 공간 등을 고려하여 결정한다. 스웨덴 SKB에서 제안한 완충재 블록의 설계사양을 Fig. 1 및 Table 4에 나타내었다.
Fig. 1.
Reference geometry of the installed buffer and the nominal dimensions given as design premises (SKB, 2010)
Table 4.
Design specifications of buffer blocks in Sweden (SKB, 2010)
처분공에 정치되는 처분용기의 덮개와 바닥판은 평탄하지 않고 공동과 모서리가 있는데, 이 부분도 벤토나이트로 채워야 하므로 특수 가공된 원통형 블록이 사용된다. 처분용기 하부의 완충재 블록은 정치된 처분용기 바닥판의 중앙 부분이 완충재 블록의 상부 표면에 안정하게 위치할 수 있도록 특수 가공되며, 처분용기 상부에 위치하는 완충재 블록은 처분용기 덮개에 존재하는 공동 부분을 메울 수 있도록 특수 가공된다. 또한, 환형 완충재 블록 중 가장 위에 위치하는 블록은 높이를 약간 작게 하여, 처분용기 상부의 원통형 완충재 블록이 최상층 환형 완충재 블록 위에 정확히 놓이도록 한다.
핀란드 Posiva에서 제안된 완충재 블록의 설계사양은 SKB와 매우 유사하다(Juvankoski, 2012).
심층처분장의 처분공에서 내벽과 벤토나이트 완충재 블록 사이에 존재하는 갭을 채우기 위한 갭 채움 벤토나이트 펠렛은 충전에 용이한 치수를 가져야 하며, 밀도는 충분히 높아야 한다. 벤토나이트 펠렛의 부피밀도(bulk density)의 범위는 1.97 ∼ 2.11 Mg/m3으로, 충전된 후에 처분공 갭에서 예상되는 벤토나이트 부피밀도는 1.10 ∼ 1.30 Mg/m3이다. 스웨덴 SKB에서 제안된 벤토나이트 펠렛의 설계사양에 따르면, 펠렛의 크기는 16 × 16 × 8 mm, 수분함량은 17%이며, 충전된 후의 부피밀도는 1.04 Mg/m3이다. 완충재는 하나의 하부 원통형 압축벤토나이트 블록, 처분용기를 둘러싸는 여섯 개의 환형 압축벤토나이트 블록 및 처분용기 상부에 설치되는 세 개의 원통형 압축벤토나이트 블록으로 구성된다. 완충재 블록의 중심선은 처분공의 중심선과 일치하여야 한다. 완충재 블록을 손상 없이 처분공에 설치하기 위해서는, 처분공 내벽과 완충재 블록 사이에는 갭이 존재하여야 하는데, 이 갭은 처분용기 설치 후 압축벤토나이트로 제조된 펠렛으로 채운다.
3.2 완충재 현장시공 순서 및 방법
처분터널 완충재의 현장시공은 습기방지시스템 설치, 완충재 블록 설치 및 갭 채움 설치의 순서로 진행되며, 갭 채움 설치가 완료되면 즉시 처분터널을 뒤채움한다.
3.2.1 습기방지시스템 설치
처분공 내에 완충재를 설치하는 동안에 완충재가 공기 중에 함유된 수분이나 처분공 벽이나 바닥에 존재하는 물을 흡수하여 팽윤하면 완충재의 설치가 불가능해질 수 있다. 이러한 현상을 방지하기 위해, 완충재 블록을 설치하기 전에 처분공 내에 습기방지시스템이 설치된다(Fig. 2). 습기방지시스템은 구리판, 내구성을 가진 탄성 방수막 및 배수시스템과 경보시스템으로 구성된다(SKB, 2010, Juvankoski et al., 2012, Ritola and Peura, 2012). 습기방지시스템의 설치작업 과정은 다음과 같고 완충재 블록 설치 후에 제거되어야 하며, 완충재의 구성 요소 배치를 방해하지 않아야 한다.
•습기방지시스템을 설치하기 전에 처분공의 청결 및 건조 상태를 확인하고, 처분공의 치수가 참조설계와 일치하는지 여부를 검사한다.
•처분공 바닥에 구리판을 설치하고, 팽창성 고무밀봉을 이용하여 구리판의 가장자리에 방수막의 하단을 부착한다.
•방수막의 상단은 처분공 최상단에서 덮개의 칼라 구조물에 밀착되며, 덮개와 칼라 구조물에는 배수관의 설치를 위한 공간이 있어야 한다.
•온도와 습도 측정 센서가 방수막 안쪽에 설치된다.
•방수막과 처분공 벽 사이의 폭은 5 mm이며, 방수막과 처분공 벽 사이에 배수시스템이 설치된다.
•배수시스템은 배수관, 배출펌프 및 경보시스템으로 구성된다. 배수관은 처분공 바닥에 위치하며, 배출펌프는 처분터널 바닥 위에 설치된다.
•구리판의 가장자리와 처분공 벽 사이의 공간은 처분공으로 유입된 지하수의 저장소 역할을 하며, 처분공 내의 지하수의 수위가 상승하면 경보가 울린다.
•처분공에 완충재를 설치하기 전에 습기방지시스템 기능을 미리 검사한다.
3.2.2 완충재 블록 설치
완충재 블록은 특수설계된 설치장치(gantry crane)를 이용하여 처분공 내에 설치되며(Fig. 3) 설치작업은 다음과 같은 단계로 실시된다(SKB, 2010, Ritola and Peura, 2012).
•완충재 블록을 보호 케이스에 넣어 블록설치장치에 실은 후, 블록설치장치를 처분공 상부에 위치시킨다.
•보호 케이스의 덮개를 제거하고, 인양기로 완충재 블록을 들어 올린다. 이때 진공흡입 방식을 사용하여 완충재 블록을 들어 올리며, 환형 완충재 블록은 파손을 방지하기 위해 밑바닥을 받친다.
•블록설치장치를 이용하여 처분공 내에 한 개의 하부 원통형 완충재 블록을 적재하고, 처분공의 평균 중심선에 대해 정렬시킨다.
•하부 원통형 완충재 블록 위에 처분용기를 둘러싸는 여섯 개의 환형 완충재 블록을 적재한다.
•블록설치장치를 처분공에서 처분터널 안쪽으로 이동시킨다.
•처분용기는 수송 트레일러에 수평으로 눕힌 상태로 실려, 처분터널 내로 이동된다.
•처분용기 수송 트레일러를 처분공 위에 고정한 후, 하강 장치를 이용하여 처분용기를 완충재 블록으로 둘러싸인 원통형 공간 내로 넣어 정치시킨다(Raiko, 2013).
•처분용기 수송 트레일러를 처분터널로부터 제거한 후, 블록설치장치를 처분공 위에 다시 설치하고, 처분용기 상부에 세 개의 원통형 완충재 블록과 뒤채움재로 고려되는 두 개의 원통형 벤토나이트 블록을 적재한 다음, 하부 완충재 블록과 동일한 방법으로 블록의 위치를 미세 조정한다. 이 단계에서는 완충재의 설치를 원격으로 수행한다.
•블록설치장치를 제거하고 보호 덮개를 처분공 위에 설치한다.
3.2.3 갭 채움 설치
처분공 내에 완충재를 손상 없이 설치하기 위해서는 완충재 블록과 처분공 내벽 사이에 갭이 존재하여야 하며, 이 갭은 갭 채움 벤토나이트 펠렛으로 충전시킨다. 처분공 주위 암반으로부터 침투한 지하수에 의해 벤토나이트 펠렛이 포화되면, 펠렛이 팽윤하여 완충재와 처분공 벽 사이의 갭을 메워 완충재 블록의 형태와 밀도가 유지되도록 한다. 갭 채움 설치작업은 다음과 같이 단계적으로 수행된다(SKB, 2010, Ritola and Peura, 2012).
•갭 채움 벤토나이트 펠렛의 설치는 처분터널의 뒤채움 작업이 처분공 부분에 도달했을 때 시작된다.
•펠렛의 설치 전에 습기방지시스템의 배수시스템, 방수막 및 방수막 내의 센서 등 각종 장비들이 제거된다.
•대용량 포장에 넣어 공급된 벤토나이트 펠렛을 펠렛 이송장치에 채운 후, 진공 먼지포집 장치를 갖춘 설치장치로 처분공 내의 갭에 펠렛을 부어 넣는다.
•펠렛 채움이 처분용기 상부 세 번째 완충재 블록의 높이에 도달했을 때 갭 채움 작업이 종료된다.
•갭이 벤토나이트 펠렛으로 완전히 채워지면, 즉시 처분터널을 뒤채움하여 완충재가 팽윤하여 뒤채움재 내로 팽창되는 것을 방지한다.
•갭 채움에는 일반적으로 진동작업이나 압축작업이 행해지지 않으나, 갭 내로 예상된 양의 펠렛이 충전되지 않으면 갭 채움을 증가시키기 위해 진동작업이 사용될 수도 있다.
3.3 설치된 완충재의 기하학적 형태 및 밀도
처분공 내에 설치된 완충재의 밀도 및 변이는 다음 항목으로부터 계산된다(SKB, 2010, Ritola and Peura, 2012).
•처분공 부피
•처분공 중심축을 따른 처분공 반경 및 단면적
•설치된 블록의 무게, 치수 및 위치
•설치된 펠렛의 무게와 부피
처분공 내에서 완충재 블록의 위치 및 치수, 측정된 처분공 기하학적 형태, 블록 및 펠렛의 무게 등의 데이터를 이용하여, 설치된 완충재의 밀도가 자동적으로 계산된다. 만일 처분공 하부에 위치한 환형 블록이 처분공의 중심축에 대해 벗어나 있으면, 오차가 처분공을 따라 위로 전파될 수 있고, 블록 표면에 생긴 경사도 오차가 전파될 수 있다. 계산된 완충재의 설치 치수 및 밀도의 오차는 기록된 위치, 질량 및 부피의 정확도에 달려 있다.
3.4 뒤채움재 주요 설계 사양
처분 개념 개발 초기에는 뒤채움재로 순수한 벤토나이트보다 벤토나이트와 모래 또는 벤토나이트와 터널의 굴착 과정에서 나온 암석을 분쇄한 쇄석의 혼합물을 사용하는 방안이 주로 고려되었다(Simmons and Baumgartner, 1994, JNC, 1999, Johannesson, 2004). 그러나, 처분터널 현장에서 벤토나이트-모래 또는 벤토나이트-쇄석 혼합물을 직접 쌓고 다지는 작업이 상당히 비효율적이고 뒤채움재의 설치밀도를 높이기 어렵다는 문제점이 제기되었다. 이에 따라 뒤채움 작업을 보다 쉽고 효율적으로 하기 위해 미리 성형된 직육면체 형태의 벤토나이트 블록을 처분터널 내에 쌓고, 블록 사이의 틈을 벤토나이트 펠렛으로 채우는 뒤채움 방식이 개발되었다. 스웨덴 SKB 및 핀란드 Posiva의 뒤채움재의 설치개념에서는 뒤채움재 재료로 압축벤토나이트 블록과 벤토나이트 펠렛의 사용이 제안되었다(SKB, 2010, Autio et al., 2012). 이 뒤채움재 개념에서는 처분터널 바닥에 미리 벤토나이트 펠렛을 깔고 다져 바닥층을 만든 다음, 그 위에 압축 성형된 직육면체 형태의 벤토나이트 블록을 가능한 한 밀착시켜 쌓아 처분터널 전체를 벤토나이트 블록으로 채운다. 벤토나이트 블록과 벤토나이트 블록 사이, 벤토나이트 블록과 처분터널 내벽 암반 사이의 공간은 벤토나이트 펠렛으로 채운다.
스웨덴 SKB에서 뒤채움재로 제안된 직육면체의 벤토나이트 블록은 건조밀도가 1.7 Mg/m3이고, 크기는 700 × 667 × 510 mm와 700 × 600 × 250 mm인 두 종류가 있다. 처분터널 바닥에 깔고, 처분터널 내벽과 벤토나이트 블록 사이의 공간을 채우는 벤토나이트 펠렛은 건조밀도가 1.7 Mg/m3이고, 크기는 16 × 16 × 8 mm 이하이다. 뒤채움재 구성요소의 설계사양을 Table 5에 나타내었으며, Fig. 4는 처분터널 내 현장 시공된 스웨덴 SKB의 뒤채움재 개념도이다.
Table 5.
Design specifications of backfill bentonite pellets and blocks in Sweden (SKB, 2010)
핀란드 Posiva에서 제안된 뒤채움재의 설계사양은 스웨덴 SKB의 뒤채움재 설계와 매우 유사하다(Autio et al., 2012). 뒤채움재 벤토나이트 블록은 직육면체이며, 블록의 치수는 550 × 470 × 330 mm이고 최대 제작공차는 -1 mm ∼ +2 mm이다. 벤토나이트 블록의 평균 건조밀도(dry density)는 2.03 Mg/m3이며, 오차는 보수적으로 ±0.04 Mg/m3으로 추정된다. 벤토나이트 블록의 수분함량은 9% (±0.5%)이며, 기타 물성은 Table 6에 나타내었다. 참고로 핀란드에서는 운영 인허가 신청과정에서는 블록 방식이 아닌 과립형(granular) 방식의 설계 방식을 변경 적용하였다(Ku et al., 2023).
Table 6.
Properties of backfill bentonite block in Posiva, Finland (Autio et al., 2012)
| Min | Average | Max | |
| Volume (m3) | 0.0847 | 0.0853 | 0.0865 |
| Dry density (Mg/m3) | 1.99 | 2.03 | 2.07 |
| Dry mass (Mg) | 0.169 | 0.173 | 0.179 |
| Water content (%) | 8.5 | 9 | 9.5 |
| Wet mass (Mg) | 0.183 | 0.189 | 0.196 |
3.5 뒤채움재 현장시공 순서 및 방법
처분터널 뒤채움재의 현장시공은 준비 작업, 처분공 상부 뒤채움, 바닥층 설치, 뒤채움재 블록 설치 및 터널의 벽과 천장 사이의 공간을 채우기 위한 벤토나이트 펠렛 채움의 순서로 진행된다(Saanio et al., 2013, Wimelius and Pusch, 2008).
3.5.1 처분공 상부 뒤채움
뒤채움재 구간은 처분용기 상부 세 번째 완충재 블록의 상단에서 완충재 구간이 끝난 후 시작된다(Fig. 5). 처분용기 상부 세 번째 블록 위의 두 개의 어두운 회색 블록은 완충재와 동일한 재료와 치수로 제작되나, 처분터널 뒤채움재로 간주되며 완충재와 동시에 설치된다.
처분공 상단의 경사진 부분은 처분터널 바닥층(bottom layer)에 사용되는 것과 동일한 벤토나이트 펠렛으로 충전되며, 처분터널 내에 설치된 뒤채움재 블록의 침하를 막기 위해 충분한 밀도로 압축되어야 한다.
3.5.2 바닥층 설치
바닥층의 설치는 처분터널 바닥에 벤토나이트 펠렛을 깔고 다진 후, 바닥층(bottom layer)을 설치한다. 바닥층의 설치작업 과정은 다음과 같다(SKB, 2010, Keto et al., 2013).
•바닥층의 설치 전에, 처분터널을 스캐닝하여 얻은 처분터널의 부피 정보를 바탕으로 각 터널 구간에 대해 바닥층 설치에 필요한 벤토나이트 펠렛의 양이 계산된다.
•차량에 실려 처분터널로 운반된 벤토나이트 펠렛을 처분터널 바닥 표면에 골고루 분포시킨 후 압축한다. 벤토나이트 펠렛의 수분함량은 Standard Proctor 압축시험 및 현장시험을 통해 최적화된다.
•바닥층의 설치는 screw feeder에 의해 수행된다. 바닥층은 roller compactor로 이용하여 압축할 수 있으나 블록의 전면 혹은 터널 벽에 가까운 구역에서는 vibratory plate를 이용한 압축이 필요하다. 바닥층 표면을 평탄하게 하기 위해 vibratory plate가 사용되기도 한다.
•한 번에 압축할 수 있는 바닥층 두께는 약 150 mm이며, 압축되는 벤토나이트 펠렛의 양은 펠렛 설치 구간의 굴착공차에 좌우된다. 바닥층의 총 두께는 최대 550 mm, 평균 350 mm이다.
•바닥층의 목표 건조밀도는 1.25 Mg/m3 ±0.1 Mg/m3미만이다.
3.5.3 뒤채움재 블록 설치
뒤채움재 블록은 벤토나이트 펠렛 바닥층 위에 설치된다. 뒤채움재 블록의 설치과정은 다음과 같다(SKB, 2010, Keto et al., 2013).
•바닥층 위에 뒤채움재 블록을 설치하는 작업은 설치장비를 갖춘 설치차량을 이용하여 수행된다.
•뒤채움재 블록은 대형 용기에 실려 설치차량으로 이송된 후, 차량에 장착된 자동 설치장비가 블록을 집어 처분터널 내의 지정 위치에 적재한다(Fig. 6).
•뒤채움재 블록은 처분터널의 한 쪽 측면에서 다른 쪽 측면으로 터널 단면의 한 층을 블록으로 적재한 후, 그 위에 다음 층을 쌓는 방식으로 진행된다.
•뒤채움재 블록의 적재 시에 엄격한 설치공차를 충족하여야 한다. 뒤채움재 블록의 수직 계면에서 총 공차(설치공차와 제조공차의 합)가 5 mm 이하이어야 하며, 수평 계면에서는 설치공차가 0 mm에 근접하여야 하고 총공차는 블록의 제조공차에 따라 결정된다(Riikonen, 2009).
Fig. 6.
Automated backfill block installation (Keto et al., 2013) and in-situ installation (SKB, 2013, 2015)
핀란드 Olkiluoto 처분터널 뒤채움재 설치단면을 Fig. 7에 나타내었다. 처분터널(OL1-3 터널)은 벤토나이트 블록을 총 12층 적재하여 뒤채움한다. 벤토나이트 블록 1, 3, 5, 7, 9층에는 블록 배열시스템-A가 사용되며, 각 층에 6개의 블록이 적재된다. 2, 4, 6, 8층에는 블록배열시스템-B가 사용되며, 각 층에는 7개의 블록이 적재된다. 10층에서 처분터널의 아치 부분이 시작되며, 10층(6개 블록), 11층(5개 블록) 및 12층(4개 블록)에는 블록배열시스템-B가 사용된다. 처분터널 단면에 사용되는 벤토나이트 블록의 수는 총 73개이다. 처분터널(OL1-3 터널)에서 공칭 터널 부피와 평균 실제 터널 부피(이론 부피에서 +18%)에 대한 뒤채움재 벤토나이트 블록의 충전 비율은 각각 85.9% 및 72.8%이다(Autio et al., 2012).
Fig. 7.
Front view (left) and side view (right) of the cross-sentional of disposal tunnel in Olkiuoto after backfill installation (Autio et al., 2012)
종 방향으로 블록을 교차시키기 위해, 처분터널 굴착면에서 설치하는 첫 벤토나이트 블록은 원래 벤토나이트 블록을 반으로 잘라 사용한다.
3.5.4 벤토나이트 펠렛 채움
뒤채움재 블록과 처분터널 사이의 공간에 벤토나이트 펠렛을 채우는 작업은 건조 분사장치를 이용하며, 벤토나이트 펠렛의 설치 과정에서 분진이 발생되는 것을 방지하기 위해 소량의 물이 첨가되기도 한다. 펠렛의 설치장치에는 회전 및 굴절이 가능한 빔의 전면에 튜브가 달린 막대가 장착되어 있다. 튜브의 크기는 처분터널 암반과 뒤채움재 블록 사이의 좁은 공간에 들어갈 수 있고, 적정 펠렛 설치속도를 얻을 수 있도록 선택된다(SKB, 2010).
벤토나이트 펠렛을 채우는 작업에는 습식분사(wet spraying) 장치가 사용될 수도 있다. 습식분사에 사용되는 스프레이 노즐의 크기는 뒤채움재 블록과 처분터널 암반 사이의 좁은 공간에 들어갈 수 있고, 설정된 펠렛 설치속도를 얻을 수 있도록 선택된다. 펠렛의 분사과정은 설치장치에 장착된 카메라에 의해 시각적으로 감시되며, 조명을 위한 고성능 조명장치도 설치장치에 장착되어 있다(Keto et al., 2013). 습식분사 설치법에서는 설치 과정에서 분진의 발생을 방지하고 경사가 심한 펠렛 전면부의 설치가 가능하도록 노즐 내의 펠렛 스프레이에 물이 첨가되며, 첨가되는 물의 양은 10% 정도이다(Hansen et al., 2010). 현장시험 결과에 따르면, 습식분사법으로 설치된 벤토나이트 펠렛 채움의 수분함량은 25 ∼ 30%이다(Keski-Kuha et al., 2012).
3.6 뒤채움재 설치밀도 검사
처분터널 각 구간에서의 뒤채움재의 설치밀도는 바닥층의 밀도, 뒤채움재 블록의 수와 무게, 설치된 갭 채움 펠렛의 무게, 바닥층 설치 후에 스캔한 터널 부피 및 갭 채움 펠렛 설치 후의 터널 부피로부터 계산될 수 있다(SKB, 2010, Keto et al., 2013).
뒤채움 작업이 처분터널 내의 마지막 구간에 도달하면, 처분공과 바닥층 내 뒤채움재의 밀도, 바닥층의 설치 후에 스캔한 처분터널의 총 부피, 뒤채움재 블록의 수와 무게, 그리고 갭 채움 펠렛의 무게로부터 처분터널 전체의 설치 부피밀도를 계산할 수 있다. 설치부피밀도와 뒤채움재 블록 및 펠렛의 수분함량으로부터 뒤채움재의 설치건조밀도가 계산된다.
3.7 완충재 및 뒤채움재의 품질관리 요소 및 방안
완충재 및 뒤채움재의 현장시공사례 분석을 통해 도출된 시공단계별 품질관리 요소 및 방안을 요약하면 Table 7과 같다(SKB, 2010, Ritola and Peura, 2012, Keto et al., 2013).
Table 7.
Quality control factor and methods for each construction stage of buffer and backfill
| 시공단계 | 품질관리요소 | 품질관리방안 | |
| 완 충 재 | 블록 설치 | 처분공 내의 습도 및 온도 |
•처분공 내에 온도와 상대습도를 확인하기 위해, 습기방지시스템의 습기방지막 내에 온도센서 및 상대습도센서를 설치하여 연속적으로 측정, 기록한다. 만일 상대습도가 지나치게 높게 나타나면, 완충재 습기방지막이 손상되었을 수도 있으므로 확인해야 한다. •완충재와 암반 사이 갭의 지하수 수위는 배수시스템에 포함된 경보시스템에 의해 감시된다. 만일 설치된 완충재 블록이 물이나 고습도에 노출되면, 팽윤하기 시작하여 나중에 습기방지막을 제거할 수 없거나 벤토나이트 펠렛을 제대로 설치할 수 없는 결과가 초래될 수도 있다. |
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처분공 내에 설치된 블록의 정확한 위치 및 상태 |
•처분공 내에 설치된 완충재 블록의 위치는 블록설치장치에 의해 자동적으로 측정된다. •완충재 블록을 설치하기 전에 블록설치장치가 장착된 블록설치차량이 처분공 상부에 오도록 한다. •블록설치장치의 위치는 일차적으로 차량에 부착된 카메라와 센서를 이용하여 선정한 다음, laser tracker를 이용하여 참조점(reference point)들에 기준한 최종위치가 결정된다. •처분공 내에서의 각 블록의 위치는 설치 중에 설치장치의 제어시스템에 의해 기록되며, 설치 후에는 블록 표면 위의 한 세트의 고정 점의 위치를 측정하여 검사한다. | ||
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처분공에 설치된 환형 완충재 블록 가운데에 있는 원통형 공동의 직경 및 완충재 두께 |
•블록설치장치에 장착된 진공 집게를 이용하여 하부 원통형 완충재 블록을 들어올리며, 진공 집게에는 경사계를 부착하여 블록의 수평을 확인한다. •집게에 의해 인양된 블록의 상태를 카메라로 확인하면서, 처분공의 중심선에 대해 중앙에 오도록 바닥 원통형 블록을 설치한다. •카메라를 이용하여 하부 블록이 제대로 설치되었는지, 설치된 블록의 상부 표면이 깨끗하여 다음 블록의 설치에 지장이 없는지를 확인한다. 만일 블록의 상부 표면에 먼지나 완충재 조각이 있는 것이 발견되면, 진공으로 흡입하여 제거한다. •하부 원통형 완충재 블록 위에 첫 환형 완충재 블록을 하부 블록과 동일한 방법으로 설치한다. 설치된 환형 블록 위에 다음 환형 블록을 설치한다. 이때 설치된 환형 완충재 블록들의 상단이 수평을 유지하여, 설치된 환형 블록 가운데에 형성된 처분용기의 정치를 위한 원통형 공간의 중심선과 처분공의 중심선이 일치하도록 하여야 한다. •환형 블록을 설치하는 동안 블록의 위치를 연속적으로 검사하고 기록하여야 한다. •환형 블록의 정렬이 직선인지 확인하며, 환형 블록의 허용 수평공차는 ±1 mm 이다. | ||
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완충재 블록과 처분공 내벽 사이 펠렛 채움 갭의 폭 |
•완충재 블록 설치장치는 처분터널의 막장으로 이동되며, 처분용기 정치차량을 처분공 상부에 위치시키고 처분 용기를 완충재 블록 중앙의 원통형 공간에 정치시킨다. •처분용기가 정치된 후, 처분용기 정치차량을 처분터널에서 철수시킨다. •즉시 완충재 블록 설치장치를 다시 처분공에 설치한 후, 처분용기 위에 원통형 상부 완충재 블록을 설치한다. •상부 완충재 블록은 바닥 완충재 블록과 동일한 방법으로 설치되며, 설치 후에 설치 위치를 확인한다. •최상단 완충재 블록이 설치된 후에 블록의 상태를 시각적으로 검사한 후 처분공은 임시 덮개로 밀봉되며, 이 덮개는 습기방지시스템도 밀봉할 수 있다(Ritola and Peura, 2012). | ||
|
처분공에 설치된 완충재 블록의 부피밀도 |
•환형 완충재 블록의 치수와 설치 위치 데이터를 이용하여 처분용기 주위의 완충재 두께가 결정된다. •처분용기 하부 및 상부의 완충재의 두께는 설치된 원통형 블록의 치수로부터 결정된다. 이러한 완충재의 치수들과 처분공의 치수 데이터를 이용하여, 완충재 블록과 처분공 내벽 사이 펠렛 채움 갭의 폭이 결정된다. •완충재 블록의 무게는 설치 직전에 블록설치장치에서 최종적으로 측정되며, 이 블록 무게와 완충재 치수로부터 처분공에 설치된 완충재 블록의 부피밀도가 계산된다. 부피밀도와 블록 재료의 수분함량으로부터 건조밀도가 계산된다. | ||
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갭 채움 설치 | 갭 채움의 부피밀도 |
•완충재 블록과 처분공 벽과 사이의 갭에 충전되는 벤토나이트 펠렛의 무게와 부피를 결정하기 위해, 갭에 부어 넣은 펠렛의 무게와 부피가 기록된다. 이 부피와 무게는 갭 채움 장치에 달린 컨테이너에 펠렛을 부어 넣기 직전에 측정된다. | |
| 뒤 채 움 재 |
처분공 상부 뒤채움 |
설치된 블록의 정확한 위치 및 상태 완충재 블록과 처분공 내벽 사이 펠렛 채움 갭의 폭 처분공 상단부 모서리 부분의 치수 처분공에 설치된 완충재 블록의 부피밀도 갭 채움 부피밀도 |
•처분공 상단부에서 블록의 위치 및 치수, 갭의 폭, 부피밀도의 검사방법은 완충재 블록 설치 과정에서 사용된 방법과 동일하며 완충재 최상단과 처분터널 바닥 사이의 모서리 부분은 완충재 블록과 동일한 물성을 가진다. •처분공 모서리 부분과 처분공 상단부에 사용되는 완충재 블록의 특성은 설치 직전에 측정 및 검사된다. •처분공의 상단부에 설치되는 펠렛의 무게와 부피는 펠렛설치장치에 달려있는 컨테이너 속의 펠렛의 무게와 부피를 설치 전후에 측정하여 결정한다. |
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바닥층 설치 |
바닥층의 부피밀도 및 수분함량 바닥층의 두께 및 평탄도 |
•처분터널에 바닥층 재료를 설치하기 전에 처분터널 각 구간에서 바닥의 암반 표면 및 뒤채움된 처분공의 표면을 스캔하여 그 구간의 실제 부피가 계산되며. 구간에 설치되는 바닥층 재료인 벤토나이트 펠렛의 무게가 기록된다. •벤토나이트 펠렛의 무게와 측정된 처분터널 각 구간의 부피 데이터를 이용하여 바닥층의 부피밀도가 계산된다. 바닥층 재료의 수분함량으로부터 부피밀도가 건조밀도로 환산된다. •바닥층의 압축에 사용되는 압축기에는 압축 상태를 기록하는 자동기록시스템이 설치되어 있다. 압축 시 일정한 구간마다 시료를 채취하여 바닥층의 부피밀도와 수분함량을 확인하여야 한다. 바닥층의 두께는 스캐닝에 의해 조절되며, 바닥층 표면의 평탄도도 표면스캐닝에 의해 감시된다. •만일 설치된 바닥층이 건조밀도, 두께 및 평탄도 등이 설계사양을 충족시키지 못하면, 바닥층을 철거하고 재설치한다. 이때 바닥층 재료는 오염되었을 가능성이 높으므로, 재활용하지 않고 폐기물로 처리한다. | |
| 블록 설치 |
처분터널에 설치된 뒤채움재 블록의 정확한 무게 및 위치 적재된 뒤채움재 블록의 평탄도 뒤채움재 블록과 처분터널 벽 사이의 거리 |
•처분터널에 뒤채움재 블록을 설치하기 전에 블록의 적재 안정성을 보장하기 위해, 바닥층의 특성과 평탄도가 다시 한번 확인되어야 한다. 바닥층 위에 뒤채움재 블록을 적재할 때, 각 블록의 무게를 측정하고 적재된 정확한 위치를 기록한다. 또 블록의 한 층이 설치되면 스캐닝에 의해 그 층의 평탄도가 검사되며, 블록의 각 단면에 대해 평탄도가 검사된다. 뒤채움재 블록과 처분터널 벽 사이의 거리가 10 cm이상인지 확인하여야 한다. •처분터널의 각 구간이 뒤채움되면, 구간에 설치된 블록의 수와 크기를 이용하여 블록의 부피를 계산하고, 뒤채움재 블록 설치 전에 스캔한 터널 부피와 비교한다. | |
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벤토 나이트 펠렛 채움 |
갭 채움 펠렛과 수분의 정확한 부피 및 무게 갭 채움 펠렛의 평균밀도 |
•처분터널의 갭 채움을 위한 펠렛을 설치할 때, 펠렛의 분사 단계마다 펠렛과 물의 부피 및 무게가 기록되며, 갭 채움 정도는 펠렛 분사장비 전면에 장착된 카메라로 검사된다. 조명을 위해 카메라에 집중램프가 부착되어 있다. 갭 채움의 시료를 규칙적인 간격으로 채취하여 설치된 펠렛의 건조밀도와 수분함량을 확인한다. •처분터널 각 구간에 설치된 펠렛의 무게와 터널 부피 데이터를 이용하여 갭 채움 펠렛의 평균밀도가 계산된다. 밀도 계산의 정확성은 측정된 펠렛 무게와 터널 부피의 정확도에 달려 있다. 만일 설치된 갭 채움이 설계 사양을 충족시키지 못하면, 철거하고 새로운 펠렛을 재설치한다. 철거된 펠렛 재료는 오염되었을 가능성이 크므로, 재활용하지 않고 폐기물로 처리한다. |
4. 뒤채움재 시공과정에서의 유입 지하수 처리 현장실험 사례 분석
뒤채움재가 처분터널 내에 설치되는 과정에서 부딪치는 주요 문제 중 하나는 처분터널 내로 유입되는 지하수의 처리이다. 시공과정에서 처분터널 내로 유입되는 지하수는 유입속도와 유입지점의 분포 상태에 따라 뒤채움재의 초기 상태, 뒤채움재 설치 작업에 허용되는 시간, 설치된 뒤채움재의 안정성, 뒤채움 재료의 침식 등에 크고 작은 영향을 미쳐, 처분터널 뒤채움 작업의 안전성과 효율성을 좌우하는 요소이다. 따라서 뒤채움재의 시공과정에서 유입되는 지하수를 적절히 처리하는 것은 시공 안전성을 확보하는 데 매우 중요하다.
4.1 유입 지하수 수처리 실험
처분터널 뒤채움 과정에서 유입되는 지하수의 처리기술을 실증하기 위한 처분터널 1/2 규모의 대규모 Steel Tunnel Test가 스웨덴 Äspö Hard Rock Laboratory에서 수행되었다. 이 현장실험의 목적은 벤토나이트 펠렛 채움의 지하수 저장능력이 심층처분장 처분터널로 유입되는 지하수가 뒤채움재 전단면(front)에 도달하는 것을 저지할 수 있는가를 확인하는 것이다(Sandén et al., 2017, Koskinen and Sandén, 2014).
Steel Tunnel Test 현장시험에 사용된 설비 및 장치의 개요를 Fig. 8에 나타내었다. 시험터널의 단면적은 7.1 m2이고, 길이는 4 m이다. 시험터널의 벽면이 완전 뒤채움된 터널에서 발생되는 팽윤압을 지탱할 수 없으므로, 터널 중앙부에 압력이 너무 높아지면 변형되거나 붕괴될 수 있는 목제 프레임이 설치된 특징이 있다. 목제 프레임은 물의 이동을 조절할 수 있는 벤토나이트 토목섬유로 덮여져 있다. 300×150×75 mm인 벤토나이트 블록들이 두 층 깊이(두께 300 mm)로 적재되었으며, 블록과 암반 벽 사이의 공간(약 150 mm)은 펠렛으로 채워졌다. 실험은 총 5번 수행되었으며, 지하수의 유입량을 변화시키면서 뒤채움재를 관통하는 지하수의 유출이 관측될 때까지 걸리는 시간, 저장된 물의 양을 조사하였다. 수행된 5번의 실험 조건을 Table 8에 나타내었다.
Table 8.
Test matrix for the steel tunnel test (Sandén et al., 2017)
Test 1은 0.25 L/min의 유입량으로, 토목섬유를 설치하지 않은 상태에서 실험이 수행되었다. 동일한 유입량으로 Test 2가 수행되었으며, Test 1과는 달리 토목섬유가 설치되었다. Test 3과 Test 4는 동일한 유입량과 토목섬유가 설치된 조건으로 진행되었으나 Test 3에서의 다소 이른 지하수의 누출이 낮은 블록 품질(30%의 벤토나이트와 70%의 분쇄된 암석의 혼합물로 제조된 블록)에 따른 것으로 여겨져, Test 4에서는 순수한 벤토나이트 블록이 사용되어 실험이 수행되었다. Test 5는 1 L/min의 유입량과 토목섬유가 설치되어 수행되었으며, 임시 배수 장치의 기능 테스트도 포함되었다. 이 실험을 통해 얻은 주요 결론은 다음과 같다.
•벤토나이트 펠렛은 물을 매우 잘 흡수하며, 유입량이 0.25 m/L인 경우에 30 시간 이상 경과한 후에야 유출이 관측되었다. 사용된 유속이 다소 높고, 실제 처분터널에 비해 채워진 벤토나이트 양이 훨씬 적다는 점을 감안하면 상당히 양호한 결과이다.
•토목섬유는 예상대로 물을 효율적으로 분산시켰다.
•지하수 유입량이 0.25 L/min일 때, 토목섬유가 있는 경우와 없는 경우에 대한 실험을 수행한 결과, 토목섬유가 있는 경우의 지하수 저장능력이 약 28% 높게 나타났다.
•지하수 유입량이 0.5 L/min일 때, 토목섬유가 있는 경우에는 53.3 시간 이상이 경과한 후에 지하수의 유출이 관측되었다.
•토목섬유가 설치되면, 지하수의 수압이 증가하는 것이 관측되었다.
•다섯 가지 시험에 대해, 시험터널의 벽면의 가장 가까운 표면에서 관찰된 습윤 패턴을 등고선도로 나타내었다(Fig. 9). 흰색의 사각형은 재료 손실로 인해 샘플을 채취할 수 없는 영역을 나타내며, 가운데 사각형은 토목섬유의 위치, 별 모양은 유입 지점의 위치를 나타낸다.
Fig. 9.
Contour plots showing the wetting pattern seen on the surface closest to the developed walls and roof for all five tests performed in the steel tunnel (Sandén et al., 2017)
4.2 유입 지하수 처리 방법
Table 9는 지하수 유입량에 따른 적합한 지하수 처리 방법을 나타낸 것이다. 유입량이 0.5 L/min 미만인 터널은 특별한 조치를 할 필요가 없으며, 0.5 - 1.0 L/min 사이의 유입이 있는 터널은 토목섬유의 사용이 필요할 수 있다. 1.0 – 5.0 L/min 사이의 유입량을 보이는 터널의 경우, 토목섬유 외에도 더 높은 용량의 지하수 처리 방법이 필요하며, 5.0 L/min를 초과하는 경우, 대용량의 지하수 처리 기술이 요구된다. 이러한 방법들은 각 터널의 지하수 유입량 상황에 따라 선택되며, 이는 지하수의 유입을 효과적으로 관리하고 뒤채움재 시공과정의 안정성을 보장하기 위한 조치에 해당한다.
Table 9.
Inflow rates and water handling methods (Sandén et al., 2017)
처분터널 내로 유입되는 지하수를 처리하기 위해 제안된 방법 중 대표적인 것은 다음과 같다(Sandén et al., 2017).
4.2.1 펠렛 채움 내에 지하수 저장
벤토나이트 펠렛은 암반으로부터 터널 내로 유입되는 지하수를 저장하는 능력이 크기 때문에, 벤토나이트 펠렛 채움을 설치하면 심층처분장 처분터널에 유입된 지하수가 뒤채움재 전단면을 관통하는 것을 방지할 수 있다(Sandén et al., 2014). 처분터널에 적재된 뒤채움재 블록 주위의 벤토나이트 펠렛 채움 내에 유입된 지하수를 저장하는 방법은 함수단열 혹은 특정 지점에서 유입량이 0.5 L/min 미만인 지하수를 처리할 수 있는 것으로 평가된다. 만일 지하수의 총 유입량이 1.0 – 5.0 L/min이면, 특정 단열대 또는 특정 지점에서의 최대 유입량이 0.25 L/min 미만이어야 한다.
4.2.2 토목섬유(Geotextile)의 사용
처분터널의 암반 표면을 통해 유입되는 지하수를 벤토나이트 펠렛 채움의 전체에 분산시키는데 사용되는 토목섬유는 물의 저장 능력을 증가시켜, 지하수가 뒤채움재의 전단면을 관통하는 것을 지연시킬 수 있다. 벤토나이트 펠렛 채움의 지하수 저장능력을 증가시키기 위해 토목섬유를 사용하는 방안은 주로 Äspö Hard Rock Laboratory에서 수행된 Steel Tunnel Test에서 조사되었다. 그 결과 토목섬유를 사용하면, 지하수의 유입속도가 0.25 - 1.0 L/min인 범위에서 벤토나이트 펠렛 채움의 지하수 저장능력을 상당히 증가시킬 수 있는 것으로 나타났다. 그러나 지하수의 유입속도가 0.25 - 1.0 L/min보다 큰 경우에는, 지하수가 빠르게 뒤채움재 전단면을 관통하는 채널흐름이 발생할 위험성이 있다.
4.2.3 임시배수
처분터널로 유입되는 지하수가 뒤채움재 전단면에 도달하는 것을 효과적으로 지연시키기 위해, 토목섬유의 사용 외에 단기간에 과도하게 유입되는 지하수를 배수시킬 수 있는 임시 배수관이 사용될 수 있다. 임시 배수관은 토목섬유에 부착하여 사용되며, 사용 후에는 제거할 수 있는 특징이 있다. 임시 배수관의 길이가 너무 길어지면 지하수의 배수에 필요한 압력이 너무 커져 실용성이 없어지므로, 최대 사용길이에 제한을 두어야 한다. 임시배수는 지하수 유입속도가 0.5 - 1.0 L/min 범위에서 적합한 것으로 알려져 있다.
4.2.4 지하수 저장 구간(water storage section, WSS) 설치
지하수 유입량이 다소 큰(1.0 – 5.0 L/min) 처분터널 구역에서는 암반과 적재된 뒤채움재 블록 사이에 설치된 벤토나이트 펠렛 채움에 물을 저장하는 것만으로 뒤채움재 전단면을 관통하는 지하수의 유출을 막기에 충분하지 않을 수 있다. 이러한 경우에는 처분터널의 한 구간을 지하수 저장에 사용할 수 있다. 지하수 저장구간은 두 개의 콘크리트 빔 벽 사이에 펠렛으로 채워 설치하며, 이 저장구간은 대규모의 공극을 가지므로 유입된 지하수가 뒤채움재 전단면으로 흐르는 것을 지연시키거나 막을 수 있다. 지하수 저장 구간의 설치는 처분터널 내로의 지하수 유입속도가 1.0 - 5.0 L/min인 경우에 적합하며, 구간의 길이와 설치 펠렛의 부피를 조절하여 지하수 저장용량을 적절히 조절할 수 있다.
4.2.5 인접 터널로의 배수공 굴착(drainage hole to adjacent tunnel, DAT)
처분터널 내로의 지하수 유입량이 큰 경우에는 처분터널에 존재하는 포화된 단열로부터 인접 처분터널로 배수공을 굴착할 수 있다. 처분터널의 뒤채움 작업이 끝날 때까지 함수단열로부터 유출되는 지하수를 배수공을 통해 인접 처분터널로 배수시키고, 뒤채움 작업이 끝나면 배수공을 밀봉한다. 처분터널을 교차하는 함수단열 지점에서 처분터널 둘레 전체 암반 벽에 약 0.2 m 깊이로 홈을 파고, 홈은 얇은 강판으로 덮으며 강판은 암반에 볼트를 박아 고정시킨다. 강판과 암반 사이의 공간을 필터로 작용하는 자갈로 채우며, 자갈은 지하수의 흐름을 인접 처분터널로 굴착된 배수공으로 유도하는 역할을 한다. 이 방법을 사용할 수 있는 지하수의 최대 유입량은 10 L/min로 알려져 있으나, 더 많은 지하수 유입량도 처리할 수 있을 것으로 예상된다.
5. 결 론
완충재와 뒤채움재는 공학적방벽의 주요 구성요소로 폐기물을 포함한 처분용기를 보호함과 동시에 심층처분장 주변 암반으로부터의 과도한 지하수가 처분터널에 유입되어 처분용기와 접촉하는 것을 방지하고 처분장 폐쇄 후 처분용기의 부식에 따른 방사성핵종의 유출을 지연시키는 역할도 담당하게 된다. 따라서, 완충재와 뒤채움재는 방사성 핵종의 이류(advection)에 의한 유출을 방지할 수 있어야 하며 수분 흡수에 따른 팽윤압 발생을 고려한 처분용기와 완충재의 위치 고정을 위한 성능 평가가 실시되어야 한다.
완충재는 팽윤성 점토인 벤토나이트를 압축하여 블록 형태로 제작하여 사용하며, 뒤채움재는 벤토나이트와 모래 또는 갱도 굴착과정에서 발생되는 암석 파쇄물을 혼합하여 사용할 수도 있다. 완충재와 뒤채움재의 시공 과정에서의 유입될 수 있는 지하수의 처리는 필수적이며 이들 재료의 포화도가 관리되지 않을 경우, 흡수팽창으로 인해 과도한 압력이 발생되고, 이는 완충재 및 뒤채움재의 안정성에 영향을 줄 수 있다. 또한, 지하수의 유입은 완충재와 뒤채움재의 화학적ㆍ물리적 특성에 영향을 미치며, 이는 방사성 물질의 누출 가능성을 증가시킬 수 있다. 따라서, 적절한 포화도의 관리는 지하수로 인한 완충재와 뒤채움재의 요구 성능 관리를 위해 매우 중요하다.
본 고에서는 완충재와 뒤채움재의 성능요건 및 설계요건에 대한 스웨덴과 핀란드의 사례를 분석하고 설계 및 시공과정에서의 품질관리 요소 및 방안을 도출하였다. 완충재와 뒤채움재에 공통적으로 적용되는 성능요건으로는 이류에 의한 핵종이동을 제한하고 처분용기 혹은 완충재의 위치를 고정하는 기능이 있다. 완충재는 뒤채움재에 비해 보다 엄격한 밀봉성능이 요구되고 이러한 성능요건으로는 역학적 하중으로부터의 처분용기 보존, 완충재의 침식 및 변성 방지, 미생물 활동의 제한, 콜로이드의 여과 등이 있다.
완충재와 뒤채움재의 주요 설계사양으로는 건조밀도와 벤토나이트 블록의 크기를 꼽을 수 있다. 스웨덴과 핀란드 사례 검토로부터 완충재보다 소요량이 상대적으로 많은 뒤채움재의 건조밀도와 크기가 더 큰 것으로 파악되었다. 다만, 국내 적용에 있어서는 폐기물 특성과 한국형 처분시스템에서의 처분용기 및 처분공, 처분터널의 사양과 함께 이들 공학적방벽의 설계사양이 결정되어야 할 것이다.
완충재의 현장 시공은 벤토나이트 블록 설치 후 처분공 벽면과의 빈 공간을 펠렛 형태의 벤토나이트로 채우는 방식이다. 뒤채움재는 완충재를 이용한 처분공 상부 뒤채움을 시작으로 바닥층 설치, 뒤채움재 블록 설치 및 펠렛을 채우는 순서로 시공되었다. 각 시공단계별 품질관리 요소 및 방안을 소개하였으며 대표적인 품질관리 요소로는 완충재의 경우, 블록의 정확한 위치 및 상태, 완충재 블록과 처분공 벽면사이의 갭(gap) 폭 등이 있다. 뒤채움재의 경우, 바닥층의 두께 및 평탄도, 뒤채움재 블록과 처분갱도 벽 사이의 거리, 뒤채움재 설치 밀도 등이 적절하게 관리되어야 할 것이다.
팽윤성의 벤토나이트를 사용하는 완충재와 뒤채움재의 재료 특성상 시공과정에서 지하수 관리과 매우 중요하다. 스웨덴과 핀란드 사례에서 완충재의 경우, 습기방지시스템을 설치하여 완충재 블록의 포화도를 관리하는 특징이 있으며 뒤채움재의 경우, 유입수 처리 방법으로 임시배수, 지하수 저장구간의 설치, 인접터널로의 배수공 굴착 외에 토목섬유를 사용함으로써 처분갱도로 유입되는 지하수를 효과적으로 분산시키고 저장능력을 향상시켜 뒤채움재의 포화도 관리에 유용함을 확인하였다. 국내에서도 도로 및 철도의 배수, 성토제방공사, 해안 하천의 호안공사 등에 토목섬유의 사용이 이미 보편화되어 있으며 건설 분야에서 다양한 재질의 토목섬유의 설계 및 시공요령(한국지반공학회, 1999)이 제정되어 있다. 따라서, 국내 제반 여건을 반영한 연구용 URL에서의 현장 실험을 통해 한국형 심층처분장 건설 시 유용하게 활용될 수 있는 토목섬유의 상세 설계 사양 결정 및 시공방법 정립이 향후 이어져야 할 것이다.
