Original Article

Tunnel and Underground Space. 30 June 2024. 231-247
https://doi.org/10.7474/TUS.2024.34.3.231

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 연구 지역

  • 3. 현장수리시험 장비, 절차 및 해석방법

  •   3.1 현장수리시험 장비

  •   3.2 현장수리시험 절차

  •   3.3 자료 처리 및 분석

  • 4. 고심도 화산암반대수층 수리지질특성

  •   4.1 현장 측정자료 평가

  •   4.2 자료해석 및 결과분석

  • 5. 결론 및 제언

1. 서 론

방사성폐기물 처분을 위한 부지 선정, 처분 시설의 설계 및 운영 시 안정성 평가를 위한 다양한 요건 중 방사성 핵종의 이동을 지배하는 지하수의 유동을 포함한 수리지질학적인 요소가 매우 중요하다. 지하 내부의 수리적인 특성을 나타내는 가장 대표적인 인자로 수리전도도(K, hydraulic conductivity)가 있고, 이는 해당 부지에 위치하는 시추공에서 현장 수리시험을 통해 직접적으로 도출된다. 수리전도도 값은 현장에서 측정 시, 10-13~10-4 m/s 수준(Isherwood, 1979)으로 그 범위가 매우 넓게 분포하고 있으므로 값의 분포 범위에 맞는 각기 다른 방식의 시험법, 정밀한 성능을 가지는 조사 시스템과 정확한 해석 방법이 필요하다.

수리전도도로 대표되는 지하 수리지질특성은 대수층을 구성하는 암반의 종류에 따라 크게 달라질 수 있다. 암반의 수리전도도, 즉 투수성은 암반 절리의 기하학적 분포특성에 의해 일차적으로 영향을 받게 되는데, 암석이 생성되면서 균열이 생성 발달되는 원리와 과정이 달라지기 때문에 암종별로 투수특성이 다르게 나타나게 된다. 물론 같은 지역과 암종 내에서도 국소적인 풍화와 단열대 또는 단층대의 존재 등으로 인해 수리전도도 값이 달라질 수 있지만 이는 예측 불가능한 영역으로써, 처분 부지 선정의 기반 자료로 활용하기 위한 암종별 수리특성 연구는 매우 중요하다. 우리나라의 지질 중 고준위 폐기물 처분장 후보지의 지질로 화강암 지역, 변성암 지역, 화산암 지역, 퇴적암 지역(이암)이 고루 분포하고 있는데, 이 중 소수 화강암지역(Bae et al., 2021)을 제외하고 어떤 지역에서도 처분과 관련되어 500 m 이하 고심도 수리지질특성 분석 평가 연구가 정밀하게 수행된 적은 거의 없는 상태이다.

본 논문에서는 국내 화산암 지역 내 위치한 심도 750 m 고심도 시추공의 수직 심도별 수리지질특성인 수리전도도 값 분포를 분석 평가하였다. 사전 지질 조사를 통해 유문암과 응회암으로만 구성된 화산암 지역을 선정하여, 750 m 깊이의 암반 시추공을 나공 상태(open hole)로 천공하였다. 굴착된 시추공을 상대로 초음파 주사 검층(BHTV)을 수행하고, 회수된 암석 코어와의 비교 분석 관찰을 통해 지하수가 흐를 수 있는 잠재적 투수성 절리 후보를 결정하였다. 이를 바탕으로 총 13개의 시험 구간을 선정하였고, 자체 개발된 정밀 수리특성 측정시스템(KHP)을 사용하여 각 구간별 압력과 유량 변화 자료를 획득하였다. 획득한 수리시험 자료를 검증된 정상류 비정상류 해석 방법에 적용하여 최종적으로 수리전도도 값을 도출하였고, 또한 도함수 분석을 통해 유동 차원으로 표시되는 지하수 흐름 양상에 대해서도 평가하였다.

2. 연구 지역

본 시험이 수행된 위치는 전라남도 영암군 대불종합체육공원 일원의 시험공으로써 유달산응회암과 남악응회암 및 유문암 지대의 경계 부분이다(Fig. 1(a)). 유달산응회암은 응회암, 화산력응회암, 응회각력암으로 구성되며 남악응회암에 비해서 어두운 회색이고 화산력이 많다. 괴상이며 78 Ma 정도의 연대가 측정된다. 남악응회암은 응회암, 화산력응회암, 응회각력암으로 구성되며 유달산응회암에 비해 밝은 색을 띠고 화산력이 작고 적다. 용결구조가 잘 관찰되며 80 Ma 정도의 연대가 측정된다. 유문암은 유동 구조(flow band)가 뚜렷하며 장석반정이 많이 포함되어 있고 일부 노두에서는 암편이 포함된다. 암석 코어를 육안으로 확인하는 조사에서 큰 파쇄대(fault zone)는 관찰되지 않았으며, 작은 균열들이 유동 구조를 따라서 일부 발달하는 것을 관찰하였다. 일부 수직적인 절리도 관찰되지만 일반적으로 화산암 지역에서 보이는 것처럼 전체적인 절리 발달이 미약한 수준의 massive rock 형태를 나타냈다. 결론적으로 국소적인 소규모 파쇄대와 암반 균열들이 분포하지만 전체적으로 견고한 암반 상태를 보였다. 구조지질 조사도 함께 수행하였는데 결과적으로 기존 구조선들과 교차하거나 중첩되지 않고 거리 간격도 상당히 떨어진 것으로 확인되어, 풍화가 심하지 않은 깨끗한 암반 상태임을 추정할 수 있었다(Fig. 1(b)).

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Fig. 1.

Location of test borehole in Youngam area (Lee et al., 2023)

현장 수리시험은 시추된 암석코어와 BHTV 물리검층 이미지 자료를 기반으로 잠재적인 투수성 불연속면의 위치, 시추공 공벽의 역학적 상태 등을 종합적으로 반영하여, 심도 750 m 위쪽 영역에서 총 13개 시험 구간을 결정하여 수행하였다. 조사 심도가 깊어짐에 따라 윈치 케이블의 신장(elongation) 등의 오차 문제가 발생할 수 있으므로 시험 구간을 선정할 때, 후보 암반 균열들은 여러 오차를 미리 감안하여 패커 상부와 하부 경계 지점에서 멀리 떨어져 최대한 안정적으로 위치할 수 있도록 반영하였다. 인터벌로 표현되는 시험 구간의 실제 길이는 암반 내부에 존재하는 절리의 빈도 특성과 패커의 장착 작업의 안정성 등을 감안하여 3.2 m로 결정하였다. 본 연구에서 시험 심도는 시추공 지하에 삽입된 장치의 정 가운데를 의미하는 위치로서 다시 말해 더블 패커의 패커와 패커 사이인 인터벌 중앙 지점을 나타낸다.

3. 현장수리시험 장비, 절차 및 해석방법

3.1 현장수리시험 장비

본 연구에 적용할 조사 장비는 고심도 고수압 조건에서 안전하고 효율적으로 정밀한 수리특성 자료 측정과 저장이 가능하도록 설계, 제작된 통합 일체형 메인 시스템 기반 수리특성 조사 시스템이다(Fig. 2). 암반 내 수리 특성을 조사하기 위해 수행되는 시추공 시험 장비와 관련하여 표준화된 사양은 없으나 일반적으로 공내 삽입부(시험 구간 밀폐용 패커나 공내 측정장치 등) 이동 기능, 유체나 가스에 의한 시험 구간 밀폐 및 압력 유지 기능, 유체 주입을 통한 시험 구간 가압/압력 유지 기능과 시험 구간 내 압력 변화 측정/기록 기능 등을 담당하는 개별 장치들로 구성된다. 본 연구를 위해 독자적으로 설계, 제작한 고심도 시추공 수리특성 조사 시스템은 유체 주입 및 가압을 위해 기계-유압장치부/시스템 조절부/자료 획득 부분을 통합하여 구성한 메인 프레임 장치, 고심도 구간에서 지하수 압력의 변화 정도를 측정하는 완전 방수 성능을 지니는 공내장치(downhole pressure sensor) 및 1,100 m 길이의 윈치 시스템 등이 핵심장치에 해당한다. 핵심장치 외에 수압펌프를 구동시키는 외부 동력부, 시험 구간과 패커의 팽창에 사용되는 유체의 이동 통로로 사용되는 고압 호스부 등의 부가 장치들로 구성된다. 지상 메인 프레임 부분은 중량을 최소화하여 현장에서 이동을 용이하게 하고 작업성을 향상시킬 수 있게 제작되었고, 시험 수행을 조절하는 컨트롤러 파트가 간단하고 직관적으로 설계되어 시험자가 바뀌더라도 시험 조작 및 수행이 일관되고 시험 자료의 정확성과 신뢰성을 보장할 수 있도록 구성하였다. 시스템에 설치된 모든 압력 및 유량 센서들은 현재 상용화 제품들 중 가장 높은 정확도와 신뢰도를 나타내도록 구성하여, 고정밀의 수리특성시험 수행과 고품질의 시험 자료 획득이 가능할 수 있도록 하였다. 시험 장비의 보다 자세한 기능과 특성은 이전 연구에서 확인할 수 있다(Lee et al., 2023).

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Fig. 2.

KIGAM-Hydraulic Packer (KHP) Testing System (Lee et al., 2023)

3.2 현장수리시험 절차

본 연구에 적용된 조사 절차 및 흐름도는 Fig. 3과 같다. 다양한 수리시험 방법이 존재하지만 일반적으로 고심도 수리특성 평가를 위한 현장 시험들은 공통적으로 아래와 같은 순서를 거쳐 수행하게 된다.

일차적으로 현장에 나가 시험을 수행하기에 앞서 전체적인 측정시스템의 기능 점검 작업을 통해 조사장비의 각 개별 장치의 정상 작동 여부와 작동 시, 안전성과 측정자료의 정확성 및 신뢰성 등을 실내 실험 과정에서 미리 확인하였다. 이 사전 점검 과정에서 발생한 문제점들을 수정한 후에 실제 시험이 진행될 현장 시추공 내부에 시험 구간을 결정하게 된다. 이 과정에서 암석 시추 코어 사진 자료와 공내 검층 이미지 자료를 동시에 비교 분석하여 시험 목적에 맞는 조사 구간을 결정하고, 인터벌의 길이 및 시험 구간의 총 개수를 구체적으로 선정하였다. 시험 구간을 선정하는 과정에서 암석 시추 코어와 주사검층 이미지 자료를 활용하였으나 후자에 보다 가중치를 두었고, 두 자료 이외에도 여건이 되는 경우에 신뢰성 높은 투수성 절리 존재 구간 결정을 위해 온도, 전기전도도, 밀도, 자연전위 검층의 결과 비교를 통한 보완도 필요하다. 또한 현장 시험의 잠재적 위험 요인으로 작용할 수 있는 큰 불연속면(파쇄대, 단층)이나 공 무너짐 지점 등의 잠재적 위험 구간 등도 검토하여 배제할 필요가 있다.

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Fig. 3.

General flow chart for hydraulic packer test performance (Lee et al., 2023)

고심도 수리특성 조사 시스템은 다양한 세부 모듈들이 결합되어 구성되기 때문에 고심도 시험 과정에서 일부 장치들의 기능적 문제점이 발생되어 시험이 중단되면 큰 경제적, 시간적 손해가 발생하게 된다. 따라서 시험 전 개별 장치들에 대한 철저한 현장 사전 점검이 선행되어야 한다. 현장에서 조사 시스템을 세팅하고 특별한 문제점이 없을 경우, 장비를 시추공 내부로 이동시키고 본 수리시험을 수행하게 된다(Fig. 4). 시험을 통해 획득한 압력 유량 자료를 검증된 해석 방법을 이용한 자료 처리 및 분석 과정에 적용하여 최종적으로 해당 암반대수층의 수리전도도 값을 도출하고, 이 수리지질특성 결과 값을 여러 현장 및 시스템 정보와 더불어 정리하는 데이터베이스화 과정이 진행되었다. 본 연구에서 수행된 현장수리시험 절차와 수행 방법에 관한 구체적인 내용은 이전 연구 논문인 Lee et al.(2023)에 보다 자세히 기술되어 있다.

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Fig. 4.

Schematic diagram and real photo of in-situ hydrogeological packer test

3.3 자료 처리 및 분석

3.3.1 수리전도도 도출

시추공을 이용한 수리특성시험의 해석 이론은 대부분 Theis(1935)가 지반을 다공성 매체(porous medium)로 가정하고 제안한 모델과 해석해를 기초로 발전해 왔다. 원위치 퇴적 기원의 다공성 구조를 가지는 암반에서는 공극 자체가 지하수 이동의 주경로로 작용한다. 그러나 화성암이나 변성암 분포 지역에서는 극히 낮은 공극률을 가지는 암반 내에 발달한 불연속면이 지하수 유동의 주경로로 작용하는 환경이 대부분이다. 현실적으로 절리(균열) 암반(jointed (fractured) rock mass) 내에 분포하는 불연속면들의 공간적 분포와 수리 특성에 영향을 미치는 인자들에 관한 정량적 정보들은 시추공 조사를 통해 획득하기가 매우 어렵다. 이러한 이유로 수리상수 추정을 위한 대부분의 수학적 모델과 해석해들은 다공성 매질과 자연 상태에 가장 빈도가 높은 방사성 흐름(radial flow)을 가정하고 수행되어 왔다.

본 연구의 시험 구간 대부분은 정압주입시험을 통해 압력-유량 자료가 획득되었고, 정압주입시험의 해석 방법은 크게 정상류 해석과 비정상류 해석의 2가지로 나뉜다. 정상류 해석 방법은 특정 위치에서 시간이 경과해도 속도가 변화하지 않고 일정한 상태라는 가정에서 시작한다. 정압주입시험에서는 Moye(1967) 계산식이 널리 이용되고 있으며, 시험 가압 중단 직전 마지막으로 측정된 유량 값과 주입 압력 값을 이용하여 투수량계수(T, Transmissivity) 값을 구한다. 수리전도도(K, Hydraulic Conductivity) 값은 투수량계수 값을 시험구간 길이(interval)로 나누어 산정한다.

비정상류 해석에서는 전통적으로 가장 널리 사용되어 온 Jacob and Lohman(1952) 해석법을 사용하였다. 비정상류 해석에서는 유량 값의 변화 자료 곡선 중에서 정압 상태 도달 시점부터 가압 중단 구간(shut-in)까지 측정자료를 이용하였다. 여기서는 시행착오적 방법으로 표준곡선 매칭을 통해 투수량계수와 저류계수 값을 구하고 시험 구간 길이를 반영해 수리전도도(K)를 구할 수 있다. 이 방법은 정압주입시험 자료 비정상류 해석 관련하여 가장 오래 사용되어 왔는데, 기본적으로 다공성 매질의 연속체 개념의 접근 방식이고 방사상 형태의 흐름(radial flow)을 전제로 하고 있다. 따라서 개별 절리를 통해 대부분의 지하수 흐름이 발생하는 균열 암반의 경우 또는 2차원 방사상 흐름을 벗어난 1차원적인 선형 형태 흐름이나 3차원적인 구상 형태 흐름이 발생하는 경우에는 자료분석 매칭이 잘 이루어지지 않을 수 있다. 다시 말해, Jacob and Lohman(1952)법을 이용해 자료 매칭이 제대로 이루어지지 않는 경우나 매칭이 되더라도 비정상적인 범위의 값이 얻어지는 경우에는 지하수 유동 조건이 방사성 흐름이 아닐 가능성이 높다.

이러한 한계를 보완하기 위해 균열 수리 해석에 적합하고 유동 차원 분석을 할 수 있는 Barker(1988) 제안의 GRFM (Generalized Radial Flow Model)방법을 자료해석에 함께 활용하였다. GRFM법에서는 수리전도도(K), 스킨 인자(Sw, skin factor), 유동 차원(n) 값을 산정할 수 있다. 일반적으로 시간에 따른 유량의 변화 곡선을 기준으로 type curve matching을 많이 수행하는데, 본 과업에서는 이러한 과정 이외에 로그-로그 형태로 바꾼 head(m, 주입압력을 길이단위인 수두로 환산)/flow rate (l/min, 시간에 따른 주입 유량)의 시간에 대한 변화와 미분 값 변화 자료(derivative, 변동량 함수)를 동시에 표준곡선중첩 과정에 적용하였다(Enachescu and Rahm, 2007). 이 방식을 통해 단순히 유량 곡선만을 이용하는 기존 방식에 비해 매칭의 적합도(정확도)를 향상시킬 수 있다. GRFM법은 기본적으로 Jacob and Lohman(1952)법의 원리를 기반으로 확장된 이론이므로 방사상 흐름(radial flow) 조건 하에서는 각기 다른 두 가지 방법에 의한 해석 결과 값이 일치할 가능성이 높다. 다만 다양한 지하수 흐름 조건을 가지는 자연 상태의 균열암반에서 Jacob and Lohman(1952)법의 매칭이 어려운 자료를 유동 차원을 고려한 GRFM법을 이용해서 보다 더 잘 매칭할 수 있다. 또한 GRFM법은 시험 초기 공벽 인접 영역에서 발생하는 스킨 효과(skin effect)도 고려하는 요소를 포함하고 있어 자료 매칭의 신뢰성을 더 높일 수 있다(Lee et al., 2023).

지하 매질의 투수성이 너무 낮아 주입이 불가능한 일부 구간에서는 펄스 시험을 수행하였으며, 펄스 시험 현장 자료에 대한 해석은 기본적으로 지하수 유동을 비정상류 흐름 조건으로 가정한 Cooper-Bredehoeft-Papadopulos(1967)법(이하 C-B-P법)을 적용하였고(Cooper et al., 1967), 스킨 효과(skin effect)의 영향을 반영할 수 있는 Dougherty and Babu(1984)법과 KSG model을 일부 자료에 적용하였다(Dougherty and Babu, 1984, Hyder et al., 1994). 암반 투수성이 매우 낮은 환경 조건에서는 패커 가압에 따라 시험 구간 부피 감소로 인한 유체의 압축으로 인해 시추공 내 압력이 상승하는 패커 컴플라이언스(packer compliance) 현상이 나타난다. 본 시험에서도 2개소 심도에서 이러한 현상이 관찰되어 암반 투수성이 낮음을 간접적으로 확인할 수 있었다. 2개소 펄스 측정자료에서 압력 회복(recovery) 과정 중, 압력이 상승하거나 급속히 감소하는 등의 특이 현상은 나타나지 않았고, 비교적 안정적으로 감소하는 경향이 관찰되었다. 펄스 시험은 정압주입시험에 비해 자료 해석 시 주관적인 요소가 많이 반영되므로, 산정된 수리물성 값의 신뢰도가 상대적으로 낮고, 또한 시험의 영향 반경이 작아 시추공 인접 영역의 제한적 수리특성만을 반영하므로 균열암반 본래의 대표적인 수리특성을 평가하기는 어렵다. 투수성이 너무 낮아 유체의 주입이 아예 불가능한 경우에는 펄스 시험이 필요하지만, 가능한 한 정압주입시험을 수행하는 것이 수리물성자료의 신뢰성과 대표성을 확보하는데 유리하다.

3.3.2 지하수 흐름 양상 분석

앞서 대표 수리상수인 수리전도도를 도출하는 것 이외에 Fig. 5(a)에 보이는 것처럼 유량의 역수와 derivative(변동량 함수)의 표준곡선 형태를 통해 유동 차원(flow dimension)과 지하수 흐름 양상 및 연결성을 평가할 수 있다. 이를 흐름 진단분석(diagnostic analysis)라고도 명명하는데, 먼저 지하수 흐름 체계를 공내저류상태(wellbore storage, WBS), 1차원 선형 유동(pseudo-linear flow, PLF), 2차원 방사상 유동(pseudo-radial (cylindrical) flow, PRF), 3차원 구상 유동(pseudo-spherical flow, PSF)로 구분할 수 있다. 또한 시추공 바깥쪽 흐름 경계도 추정해 볼 수 있는데, 크게 물이 잘 흐르지 않는 수리적으로 단절된 흐름 경계인 no-flow boundary (NFB)와 지속적으로 물이 공급되고 빠져나갈 수 있는 양호한 수리연결성을 제공할 수 있는 constant-head boundary (CHB)로 나눌 수 있다.

유동 차원(n)이 1인 경우는 Fig. 5(a)의 로그-로그 표준곡선 그래프에서 derivative curve 기울기가 +0.5(1:2)인 직선으로 표시된다(적색 점선 직선). 이렇게 derivative 곡선의 기울기가 양인 경우에는 수리연결성이 좋지 않고 투수성이 큰 불연속면들과 교차 분포할 가능성이 낮음을 의미한다. 또한 해당 시추공 구간으로부터 거리가 멀어질수록 투수도가 낮아지며 바깥쪽 흐름 경계가 투수성 흐름이 없는 NFB일 가능성이 높다는 뜻이다. 유동 차원이 2인 경우는 기울기가 0인 수평선 형태를 보이는데, 이것이 자연 상태에서 가장 흔하게 많이 존재하는 2차원 방사성 흐름 상태이다(derivative 녹색 점선 직선). 유동 차원이 3인 경우는 기울기가 –0.5인 청색 점선으로 표시되며, 이처럼 derivative 곡선의 기울기가 음을 나타내는 경우는 해당 구간의 수리연결성이 좋으며 투수성이 큰 불연속면들과 다수 교차 분포하고 있을 가능성이 높음을 의미한다. 또한 거리가 멀어질수록 오히려 투수도가 증가하는 현상이 보이기도 하는데, 이는 시추공으로부터 일정 떨어진 거리에 지속적으로 지하수를 공급해줄 수 있는 저류층(reservoir) 성격의 높은 투수성 단열대(CHB)를 바깥쪽 흐름 경계로 추정하는 지표가 될 수 있다. 다시 말해, 이 경우에는 시험 구간에 연결된 암반 균열이 오랜 시간에 걸쳐 안정적으로 정상류 흐름을 제공할 수 있는 해당 부지 내 고투수성 지하수 시스템과 연결 가능성이 높다(Fig. 5(b)).

정리하자면 지하수 흐름 유동 차원을 1, 2, 3과 같은 수치로 표현했지만 이러한 수치가 단순히 개별 암반 균열이 1차원적 선형 흐름이나 2차원적 방사상 흐름만을 의미하는 것이 아니고, 해당 시추공 시험 주변 매질이 다공성, 균열 혹은 다공성과 균열이 혼합된 형태이든 상관없이 거리가 늘어남에 따라 실제 지하수 흐름에 관여하는 유동 단면적이 얼마나 늘어나느냐 하는 정도와 직접적인 관련이 있다. 또한 이러한 흐름 형태(유동 차원)는 시험 기간 동안 내내 동일하게 유지되는 것이 아니라 시간이 경과함에 따라 또는 시험 구간 주입 및 배출 지점으로부터 거리(영향 반경)가 변화함에 따라 계속 변화할 수 있으므로 이에 관한 면밀한 분석과 검토가 필요하다. Fig. 5(c)의 해석 사례를 보면 두 곡선(녹색 점 및 주황색 실선) 모두 초반에 방사상 형태의 유동 차원(n=2)을 따르는 것으로 분석되었으나 왼쪽의 경우는 방사상 흐름이 시간이 지나도 계속 유지되는 반면에 오른쪽 곡선은 시간이 경과하면서 시추공으로부터 거리가 멀어짐에 따라 투수도가 감소하는 경향으로 흐름이 바뀌고 있음을 알 수 있다.

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Fig. 5.

Analysis examples related to the application of type curve matching technique (Enachescu and Rham, 2007)

4. 고심도 화산암반대수층 수리지질특성

4.1 현장 측정자료 평가

현장 수리시험 수행 시 획득하게 되는 자료로는 패커 팽창 압력, 지표 주입 압력, 공내 순주입 압력, 유량 변화 특성이 있다(Fig. 6). 패커는 가압 후 본 수리시험이 종료될 때까지 25~32 bar 사이에서 일정한 적정 압력을 계속 유지하였는데, 패커가 적정 압력을 유지하지 못할 경우, 구간 외부로의 수직 누출 흐름 등이 발생하여 실제 측정 값의 신뢰도에 큰 문제가 야기될 수 있다. 정압주입시험에서 중요한 조절 요건 중에 하나가 일정 가압 후 압력 변동(fluctuation)을 최소화하면서 유지하는 것인데, 본 시험에서는 대부분의 시험구간에서 5% 이내의 낮은 압력 변동성을 나타냄으로써 안정적인 가압 및 정압 형태를 보였다. 또한 그래프에서 나타나듯 일부 시험구간에서 지표에서 주입된 압력 값(흑색 실선)에 비해 지하 시험심도에서 직접 측정된 공내 순주입압력 값(적색 실선)이 50% 이하 범위에서 낮게 측정되는 것을 확인하였는데, 이는 지표에서 주입된 압력이 긴 도체(호스)를 지나 고심도에 이르면서 마찰에 의한 압력 손실이 발생하기 때문으로 추정된다. 이처럼 시추공 내에서 실제 작용하는 압력을 실시간으로 모니터링 해야 정확한 수리특성을 평가할 수 있으며, 본 연구에서도 실제 지하 시험구간에 작용하는 공내 순주입압력 값을 자료 해석과 수리특성 도출에 사용하였다.

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Fig. 6.

Real-time monitoring of total pressure and flow-rate during hydraulic test (Lee et al., 2023)

총 13개 시험 구간의 자료들에서 1개소에서만 정상류 흐름 형태를 보였고, 나머지 구간에서는 모두 일정한 압력 하 시간에 따라 유량이 변화하는 비정상류 흐름 양상을 보였다(Fig. 7). Fig. 7(a)의 경우, 주입압력을 1.0 bar와 2.4 bar로 각각 유지한 조건에서 시험이 수행되었고, 이 시험구간에서는 정압(흑색 실선)이 완전하게 유지되지는 않고 불규칙하게 변동하는 경향을 보였으며, 주입된 유량(청색 실선)은 정압 형성 후 시작부터 끝까지 일정한 값을 나타내는 정상류 흐름을 나타냈다. Fig. 7(b)의 경우 정압주입시험이 수행될 때 전형적으로 관찰되는 시간에 따라 주입 유량이 감소하는 형태이며, 일정 시간이 지나면 감소된 유량이 유지되어 안정화되는 경우가 많다. 시험 초반에는 불규칙한 유입 특성을 보이지 않았고 공벽 근접 지역(inner zone)의 스킨 효과가 크지 않은 상태임을 알 수 있다. 유량 곡선 초중기에 계단 형태로 불규칙하게 유량이 감소하는 현상이 보이는데 이는 시추공에서 거리가 멀어짐에 따라 분포하는 균열들의 교차나 병합 등의 공간적 분포 변화에 따른 특성으로 추정된다. 유량 변동성이 거의 없는 경우에는 크게 상관이 없으나 시험 초기에 불규칙한 유입 특성으로 인해 유량 변동성이 커서 자료의 매칭이 어려운 경우에는 시험 초기에 여러 교란의 영향을 배제하고 균열암반 본래의 수리특성을 잘 반영하는 중후기 시간대의 유량 곡선 자료에 대한 매칭에 주안점을 둔다.

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Fig. 7.

Observed data according to flow regime in this research

전체 시험구간 중에서 투수성이 매우 낮은 일부 구간에서는 실제 압력 주입이 이뤄지기 전에 패커 팽창 단계에서 정수두(P0) 이상으로 구간 내 압력이 상승하는 패커 컴플라이언스(packer compliance) 현상이 관찰되었다(Fig. 8). 이는 패커가 팽창하면서 순간적으로 시험구간 내 공간을 축소시켜 결과적으로 구간 부피(볼륨)를 감소시키고 이로 인해 구간 내 유체(지하수)의 압축으로 인해 구간에 작용하는 실제 수두 압력이 증가하는 것으로 판단된다. 앞서 언급했듯이 투수성이 높은 구간에서는 암반 절리를 통해 순간적으로 증가된 수압이 빠른 시간 내에 해소되어 패커 가압 이후에 상승한 구간 내 수두압이 원래 상태로 돌아오지만, 저투수성 구간에서는 압력이 방출될 공간이 없어 패커 팽창으로 인한 압력 상승이 일정 시간 이상 유지된다. 따라서 본 주입시험 수행 이전에 패커 팽창 시, 패커 컴플라이언스로 인해 순간적으로 증가한 시험 구간의 초기 수압이 빠르게 원래 값으로 회복되지 않는 현상이 발생하게 된다면 해당 구간의 투수성 및 수리적 연결성이 양호하지 않음을 사전에 간접적인 방법으로 추정해 볼 수 있다.

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Fig. 8.

Example of packer compliance occurrence

4.2 자료해석 및 결과분석

전체 시험구간의 수리전도도는 최상부 정상류 흐름 구간을 제외하고 대략적으로 1.07×10-10~1.56×10-8 m/s의 값 분포를 보이며, 최소값과 최대값의 차이가 2 order에 이르는 극저투수성에서부터 중투수성까지 다양한 투수성 환경을 나타낸다. 지하수 흐름 양상과 수리적 연결성을 판단할 수 있는 유동차원도 1.3~2.4까지 다양한 값 분포를 보였으며, 분석 결과 6개 지점에서 n=1.3~1.6(1차원 선형 흐름과 2차원 방사상 흐름 사이), 3개 지점에서 n=2(2차원 방사상 흐름), 2개 지점에서 n=2.3~2.4(2차원 방사상 흐름과 3차원 구상 흐름 사이)의 지하수 흐름 상태를 나타냈다. 수리전도도 값에 따라 투수성 구간이 달라지며, 대표적인 시험구간의 압력-유량 자료와 표준곡선 매칭을 통한 수리상수 도출과정과 유동차원 상세 분석을 이용해 본 화산암 지역 암반대수층의 수리지질특성을 면밀히 살펴보고자 한다.

먼저 Fig. 9는 주입이 가능하여 정압주입이 수행된 구간 중 가장 투수도가 낮은 극저투수성 구간(심도 204.6 m)의 전체적인 압력-유량 변화 자료와 극저유량 부분을 확대한 압력-유량 상세 곡선을 나타낸다. 본 시험 구간은 가압 지연이 발생하지 않았고 주입 유량도 크게 불규칙한 변화 양상을 보이지 않았으며, 이를 통해 시추공벽 인접 지역에서 큰 교란의 영향이 없는 것으로 판단할 수 있다. 주입된 유량은 시험이 시작하고 빠른 시간 내에 약 1.1 L/min 정도까지 증가하였고, 그 이후 정압이 형성되면서 급격히 감소하여 0.01 L/min 이하인 0.005 L/min 수준까지 감소하였다가 다시 증가하여 0.008~0.011 L/min 범위에서 안정화되었으며 주입시험이 마무리 될 때까지 평균 0.009 L/min 값 수준을 유지하였다.

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Fig. 9.

Pressure and flow rate measured in extremely low permeable test section (depth 204.6 m)

측정된 유량 곡선 자료에 대해 정상류와 비정상류 해석을 수행하였다. 정상류 해석에 있어 Moye(1967)가 제안한 해석식을 사용하였고, 비정상류 해석에서는 Jacob and Lohman(1952), Barker(1988) 제안식을 활용하였다. 특히 Barker(1988)가 제안한 GRFM 방법에서는 Head/Flow rate(h/q)와 derivative(변동량 함수) 그래프를 유동 차원에 맞추는 시행착오적 방식으로 표준곡선에 매칭하는 과정을 통해 수리물성 값을 획득하였다. 정상류 해석에 의한 수리전도도는 2.44×10-9 m/s로 산정되었다. 비정상류 해석은 9.75×10-10~1.27×10-9 m/s의 수리전도도 범위를 보임으로써 정상류 해석 결과 대비 50% 정도 낮은 값을 나타냈다. 보통 정상류 해석 결과가 비정상류에 비해 수 배 이내 범위에서 높은 값을 가지며, 투수성이 높을수록 정상류-비정상류 간 해석 결과 편차가 작아지는 경향을 보인다. 본 시험구간의 비정상류 해석 시 대표 값은 Fig. 9(b)의 B 구간으로써 주입 유량이 최종적으로 안정화된 유량 곡선의 후기 부분이다. 극저유량이 일시적으로 주입된 A 구간의 수리물성값도 참고용으로 분석되었으며, 7.79×10-10 ~7.80×10-10 m/s의 매우 낮은 수리전도도 값 범위를 나타냈다.

Fig. 10에서 보이는 것처럼, Barker(1988)가 제시한 GRFM 분석 시 유동 차원(n=1.4)에서 가장 높은 매칭 적합도를 나타냈고, 다른 유동 차원들(n=2, 3)에서는 표준곡선과 실제 측정 자료곡선의 매칭이 제대로 이루어지지 않았다. 해당 시험 구간에서 GRFM 해석 결과 확인된 유동 차원(n=1.4) 수치는 1차원 선형 흐름과 2차원 방사상 흐름 사이 중간 형태의 지하수 흐름이 발생할 가능성이 높음을 의미한다. 이는 시추공으로부터의 거리가 증가하면서 유동 단면적이 감소하고 그에 따른 투수성 역시 감소하는 것을 의미한다. 또한 수리적 연결성 관점에서 보면, 2 미만의 유동 차원 수치는 해당 구간 내 암반균열들이 제한된 유동 통로를 가지는 낮은 수리연결성을 의미하며, 이러한 암반 균열들은 수리적으로 고립되어 있는 “closed type”의 닫힌 절리로 추정할 수 있다. 다시 말해, 해당 심도(204.6 m)는 평균 1.08×10-9 m/s의 매우 낮은 수리전도도 값을 가지는 극저투수성 구간으로써 암석 코어 육안상으로는 뚜렷한 암반 균열이 관찰되었지만 이는 높은 투수성을 가지는 외부 지하수 환경(constant flow boundary)으로의 유출과 유입이 단절된 닫힌 암반 절리로 판단된다.

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Fig. 10.

Type curve matching by Barker(1988) method in extremely low permeable test section (depth 204.6 m)

해당 시험 구간에서는 0.01 L/min 이하(최저 0.005 L/min) 극저유량 주입 및 측정 가능 여부를 확인할 수 있었고, 정압주입시험을 통해 10-10 m/s 수준의 매우 낮은 수리전도도 값을 성공적으로 획득하였다. 일반적으로 10-10 m/s 정도 낮은 수치의 수리전도도는 주입이 어렵기 때문에 대체 방법인 펄스 시험을 통해 구할 수 있는 값 범위이다. 펄스 시험은 영향 반경이 작아 넓은 범위의 수리특성을 온전히 반영하기 어렵고 해석에 주관이 많이 반영되기 때문에, 장비와 기술적인 역량이 가능하다면 매우 낮은 저투수성 환경에서도 정압주입시험을 수행해 시추공 내 교란과 공내저류영향 등을 배제하여 신뢰도 높은 수리물성을 도출하고 유동차원 분석을 통해 지하수 흐름 양상과 수리연결성도 평가하는 것이 필요하다.

Fig. 11은 저투수성 구간인 심도 693.0 m 부분의 전체적인 압력-유량 변화 자료를 나타내고 있다. 상부와 하부 패커에 적용된 압력의 실시간 모니터링을 수행하였고, 가압과 안정화 후에 패커의 순팽창압은 시험 종료까지 28~30 bar 범위에서 거의 변동성 없이 안정적인 상태로 유지되는 것을 확인하였다. 패커가 팽창하면서 순간적으로 시험 구간 내 부피(볼륨) 감소로 인한 유체 압축으로 발생하는 압력 증가 현상인 패커 컴플라이언스(packer compliance) 현상이 약하게 관찰되었다. 첫 번째 가압 후 기계적인 오류로 인해, 다시 가압하여 시험을 수행하였고, 처음 시작 후 25~42분까지 시간이 실제 정압주입시험이 수행된 구간이다. 해당 구간에서 압력은 빠르게 증가하여 정압이 형성되었고, 주입 유량도 특별한 불규칙성을 나타내지는 않아 스킨 효과가 작용하지는 않는 것으로 판단되었다. 주입 유량은 시험이 시작한 후, 0.35 L/min 까지 상승한 뒤 정압 조건이 형성되면서 감소한 후 0.042 L/min 수준에서 최종적으로 안정화되었다.

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Fig. 11.

Pressure and flow rate measured in low permeable test section (depth 693.0 m)

본 시험구간에서는 균열암반의 본래 수리특성을 잘 반영할 수 있는 안정화된 시험 중기~후기(시험 경과시간 6~30분) 유량 부분에 자료 매칭 주안점을 두었다. 정상류 해석에 의한 수리전도도는 6.87×10-9 m/s로 산정되었다. 비정상류 해석은 6.61×10-9 ~6.78×10-9 m/s의 수리전도도 범위를 보임으로써 정상류 해석 결과와 거의 유사한 값을 나타냈다. 비정상류 해석 결과들 또한 모두 일치성을 보이는데, 이는 본 시험 구간의 지하수 흐름이 2차원 방사상 흐름(유동 차원=2)을 따르기 때문으로 판단된다. 대부분의 비정상류 해석법은 실제 자연 균열암반에서 가장 보편적으로 존재하는 2차원 방사상 흐름을 기본 전제로 확립되고 파생되었기 때문에, 이 유동 조건인 경우에는 해석법 사이 결과 차이가 적게 된다. 이러한 비정상류 해석 결과의 유사성은 해당 심도가 유동 차원 값 2.0으로써 2차원 방사상 흐름(n=2)을 따르는 구간이고 스킨 효과가 미미하기 때문에, 3가지 해석법 모두 비슷한 수준의 높은 매칭 적합도를 나타낸 것을 통해서도 확인할 수 있다.

Fig. 12에 보이는 것처럼 Barker(1988)가 제시한 GRFM법으로 다양한 유동 차원 값을 적용하여 반복적으로 분석한 결과, 2의 유동 차원 값에서 최적의 type curve matching 결과를 나타내었고, 이는 해당 구간이 2차원 방사상 흐름 형태를 가지는 것을 의미한다. 유동 차원 1과 3의 값에서는 실제 측정된 유량 곡선과 표준 곡선이 큰 차이를 보이며, 이 경우들에서는 매칭이 적합하지 않음을 확인하였다. 이러한 방사상 흐름 조건에서는 주입 유량이 안정화된 최종 감소 상태로 계속 유지될 가능성이 높으며, 외부 지하수계와의 수리적 연결성을 보다 정확히 파악하기 위해서는 장기주입을 통해 유동 차원의 유지 또는 변화 여부를 확인할 필요가 있다.

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Fig. 12.

Type curve matching by Barker(1988) method in extremely low permeable test section (depth 693.0 m)

종합적으로 분석해본 결과, 심도 693.0 m(691.4~694.6 m)은 평균 6.67×10-9 m/s의 낮은 수리전도도 값을 가지는 저투수성 시험 구간이다. 심도 618.0~619.0 m 사이에서 관찰되는 미세한 암반균열은 높은 투수성을 지니는 외부 지하수 환경(constant flow boundary)으로의 유출과 유입이 단절된 닫힌 암반 절리로 판단된다. 앞서 본 시험 전 패커 팽창 시, 패커 컴플라이언스로 인해 순간적으로 증가한 시험 구간 내 초기 수압이 빠르게 원래 값으로 회복되지 않는 현상은 수리시험을 통해 파악된 낮은 투수성 및 수리연결성의 결과와 잘 부합한다. 이 같은 패커 컴플라이언스 현상과 투수성(수리연결성)은 유의미한 음의 상관관계를 가지며 다른 저투수성 시험구간의 측정 압력 결과에서도 잘 반영된다. 이 효과를 잘 고려하면, 본 시험 가압 이전에 패커 팽창 시, 시험 구간의 투수성을 대략적으로 파악할 수 있으므로 실제 정압주입시험 시 들어갈 유량 등을 미리 예측하여 시험 설계와 수행의 정확도를 향상시키는데 도움이 될 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 13은 본 화산암 지역 내 위치하는 연구 시추공 YBH-1에서 획득한 수리시험 자료를 해석하여 도출된 전체 조사 심도에 따른 수리전도도 값의 분포를 보여준다. 시추공 YBH-1 내 분포하는 응회암 및 유문암 대수층은 전반적으로 낮은 범위의 수리전도도, 즉 저투수성 암반 특성을 가지는 것으로 조사되었다. 심도에 관계없이 암반 투수성이 국부적으로 변화하는 구간도 있었으나, 전체적으로는 심도가 깊어짐에 따라 투수성이 다소 감소하는 경향을 나타냈다. 이는 심도가 깊어질수록 지중 응력(rock stress)이 증가해 지하 내 열린 공간(open fracture)의 발달이 어렵고, 지표로부터 멀어질수록 암반이 풍화될 가능성도 낮아지기 때문이다. 심도 200 m 이하 천부대수층 구간을 제외하고, 본 시험 지역은 전체적으로 평균 10-9 m/s 이하의 수리전도도 값을 나타내는 저투수성 균열암반으로 평가할 수 있다. 비정상류 해석 결과는 정상류 해석 결과에 비해, 0.3~2.7배 정도 낮은 범위의 수리전도도 값 분포를 나타냈다. 본 시험 구간 대부분이 비정상류 흐름을 나타내고 있음을 의미한다. 또한 지하수 흐름 특성과 수리연결성을 나타내는 유동 차원 분석 결과, 6개 지점에서 n=1.3~1.6(1차원 선형 흐름과 2차원 방사상 흐름 사이), 3개 지점에서 n=2(2차원 방사상 흐름), 2개 지점에서 n=2.3~2.4(2차원 방사상 흐름과 3차원 구상 흐름 사이)의 지하수 흐름 상태를 나타냈다. 여러 지점 자료에서 패커 컴플라이언스 현상이 관찰되었고, 이는 시험 구간의 투수성 및 수리연결성과 관련성이 있는 것으로 파악되었다. 또한 스킨 효과도 관찰되었는데, 이 효과와 유동 차원을 반영한 비정상류 해석법들에서 보다 높은 매칭 적합도(정확도)를 보였다. 본 시추공 내 대부분 시험 구간에서 정압 형성 후 증가한 주입 유량이 빠른 속도로 크게 감소하여 안정화되는 변화 양상이 관찰되었다. 이러한 특성과 더불어 전체적인 유동 차원 분포(대부분 2 이하 값) 및 패커 컴플라이언스 다수 발생 등의 현상들을 종합적으로 분석해 볼 때, YBH-1 시추공은 공벽에서 거리가 멀어짐에 따라 분포하는 잠재적인 투수성 암반균열들의 분포 밀도가 높지 않으며, 교차성과 연속성도 낮은 것으로 판단되었다.

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Fig. 13.

Hydraulic conductivity according to depth in YBH-1 borehole

5. 결론 및 제언

본 연구에서는 화산암 지역 내 위치한 심부 암반대수층의 전체적인 수직 심도별 수리지질특성을 평가하였다. 정밀한 수리상수를 취득하기 위해 자체적으로 제작 개발된 고성능의 수리특성측정시스템을 사용하였고, 국내 학회와 학술지를 통해 공인된 표준시험법 및 조사절차를 적용하였다. 암반대수층의 수리지질특성을 나타내는 가장 대표적 수리상수인 수리전도도를 정상류와 비정상류 해석을 통해 도출하였고, 유동차원을 이용하여 각 시험 구간의 지하수 흐름 양상을 파악하고 이를 통해 투수성 암반 절리의 투수도와 외부 지하수 환경과의 수리적 연결성에 관해서도 평가하였다.

시험이 수행된 본 화산암반대수층은 일부 균열이 발달하고 유동 구조가 관찰되었으나 전체적으로 10-9 m/s 이하의 수리전도도 값을 가지는 저투수성 균열암반으로 평가되었다. 유동 차원 분석에서도 대부분의 시험구간에서 2 이하의 값을 나타내어 각 구간에 존재하는 투수성 암반 절리들의 수리적 연결성이 좋지 않은 것으로 확인되었고, 이는 대체로 낮은 수리전도도 값 분포와 부합하는 결과로 보인다. 일부 극저투수성 시험구간에서 10-10 m/s에 근접하는 수리전도도를 정압주입시험을 통해 성공적으로 획득하였는데, 이는 최고 기술선도국의 연구기관에서 조사한 매우 낮고 정밀한 수준의 수리전도도 획득과정 및 결과와 부합한다. 저투수성 환경에서 낮은 수리전도도를 구하는 간편한 방법으로 펄스시험이 많이 적용되고 있지만 영향 범위가 좁고 해석 시 주관적인 요소가 있어 불확실성이 높아 결과적으로 도출되는 특성 값의 정확도가 높지 않다는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서 제시한 기술적 난이도가 매우 높은 극저유량 주입조절 및 측정 기능을 갖춘 정압주입시험시스템의 활용은 정확하고 신뢰도 높은 수리특성평가가 필수적인 방폐처분연구에서 큰 활용성을 지닌다고 할 수 있다. 아울러 본 연구에서 다룬 화산암 지역과 더불어 다양한 암종 내 암반대수층의 수리지질특성을 정밀하게 분석 평가하여 데이터베이스를 구축하는 일련의 과정은 향후 국내 고준위 방사성폐기물 처분 분야에서 부지 선택과 시설의 설계/시공/운영에 중요한 수리학적 기반 정보 제공의 역할을 할 것으로 기대한다.

Acknowledgements

본 연구는 한국지질자원연구원 기본사업인 ‘HLW 심층처분을 위한 지체구조별 암종 심부 특성 연구(과제코드 : GP2020-002, 과제 번호 : 24-3115)’ 지원을 받아 수행되었고, 또한 2024년도 정부(원자력안전위원회)의 재원으로 사용후핵연료관리핵심기술개발사업단 및 한국원자력안전재단의 지원을 받아 수행된 연구사업(RS-2021-KN066110)입니다.

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