2011 한국암반공학회 추계 총회 및 창립 30주년 기념 심포지엄 / 2011.9.29
시추공을 이용한 현지 암반의 유체 투과도 평가 장치 개발 및
콘크리트 모형실험을 통한 기밀성 측정에의 적용
김형목 (한국지질자원연구원)1. 서 론
풍력, 태양광 등과 같은 신재생에너지는 간헐적 전력 생산 및 생산량 조절이 불가능한 특성으 로 인하여 에너지 저장 장치와의 패키지 (package)화가 요구된다. 또한, 최근 전력수급의 효율성 향상을 위해 등장한 스마트 그리드 (Smart Grid) 전력망 체계에서는 전력공급의 안정성 및 효율성 관점에서 대용량 전력에너지저장 장치가 필수적이다. 전력에너지저장 시설의 하나인 지하 압축공 기에너지 저장 (CAES, Compressed Air Energy Storage) 기술은 현재 건설․운영중인 양수발전소의 추가 건설이 어려운 상황에서 이를 대체할 수 있는 유일한 대용량 전력에너지 저장방식으로 주목 받고 있다. CAES 시스템은 신재생에너지 및 원자력발전 등으로부터의 유휴전력이나 저품질의 전 원을 이용하여 압축공기형태로 지하 저장공동에 저장하고 필요시 연료와 함께 터빈을 운전하여 전력을 생산하는 시스템이다 (그림 1). CAES 시스템은 발전시 압축기의 구동이 불필요하여 동일 한 연료량으로 통상적인 가스터빈 발전보다 약 2~3배의 발전량 증가를 얻을 수 있다. 또한, 암반 내 지하공동을 활용한 압축공기에너지 저장방식은 전력소비지인 도심지 혹은 신재생에너지 발전 단지 인근에 건설할 수 있다는 입지 선정의 유연성이 큰 장점으로 평가된다. 지하 압축공기에너 지 저장시스템이 계획된 발전성능을 발휘하기 위해서는 설계 발전량을 충당할 수 있는 충분한 공 기질량이 저장공동 내부에 저장되어야 한다. 이를 위해서는 저장공동 내부의 압축공기가 외부로 누출되지 않도록 하기 위한 기밀성능이 확보되어야 하며 저장공동 내부에 콘크리트 라이닝 및 스 틸 내조시스템을 비롯한 복공시스템을 이용하여 기밀성능을 확보하기 위한 시도가 진행 중에 있 다 (한국지질자원연구원, 2010). 그림 1. 복공식 지하 압축공기에너지 저장시설 개념도그림 2는 다상 다성분 열유동 거동을 모사할 수 있는 TOUGH2 (Pruess et al., 1999) 프로그램을 이용하여 복공식 지하 압축공기에너지 저장공동 주변 누출 거동을 해석하고, 투과계수로 대표되 는 주요 설계변수가 누출량 변화에 미치는 영향을 사전 검토한 결과이다 (김형목 외, 2011). 압축 공기 누출량은 저장공동 내부에 1일 저장되는 공기질량에 대한 누출질량의 백분율로 표시하였다. 콘크리트 및 주변 암반의 투과계수에 따라 누출질량이 민감하게 변화함을 확인할 수 있고, 콘크 리트 라이닝의 투과계수가 × 이하일 경우, 주변 암반의 투과계수가 고투과성 ( × )인 경우에도 누출율을 1% 이하로 유지할 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 지하 복공 식 압축공기에너지 저장공동의 기밀성능 설계 정밀도의 향상을 위해서는 콘크리트 라이닝 등의 투과계수가 정확하게 평가되어야 한다.
Elements representing air-filled interior of cavern
EDZ ROCK CONCRETE r=2.5m P1 P2 P3 P1: within cavern
P2: within concrete lining (r=2.69 m) P3: within rock (r=4.6 m)
Constant rate air injection
TIME (years) LE AKA G E R A T E (k g/ s) 0 1 2 3 4 5 10-3 10-2 10-1 100 101 102 TIME (years) LE AKA G E R A T E (k g/ s) 0 2 4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 TIME (years) LE AKA G E R A T E (k g/ s) 0 1 2 3 4 5 10-3 10-2 10-1 100 101 102 TIME (years) LE AKA G E R A T E (k g/ s) 0 1 2 3 4 5 10-3 10-2 10-1 100 101 102 TIME (years) LE AKA G E R A T E (k g/ s) 0 1 2 3 4 5 10-3 10-2 10-1 100 101 102 Klining= 1e-15 m 2 Krock= 1e-15 m 2 Krock= 1e-16 m 2 Klining= 1e-16 m 2 Krock= 1e-17 m 2 Klining= 1e-20 m2 Krock= 1e-17 m 2 Klining= 1e-16 m 2 Krock= 1e-15 m 2 Klining= 1e-18 m 2 Krock= 1e-15 m 2 Klining= 1e-17 m 2 TIME (years) LE AKA G E R A T E (k g/ s) 0 2 4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 L E AK AG E RATE (% ) (a) 해석모델 (b) 누출량 해석결과 그림 2. 복공식 압축공기에너지 저장공동에 미치는 콘크리트 및 주변 암반 투과특성의 영향 (김형목 외, 2011) 대규모 지하 저장공동 콘크리트 라이닝의 현장 타설과정에서는 신구(新舊) 콘크리트의 접합면 인 시공이음부 (construction joint)가 필연적으로 발생한다. 이러한 시공이음부에서는 상대적으로 큰 공극이 형성되고 콘크리트 라이닝 매질보다 훨씬 높은 투기특성을 보일 것으로 예상된다. 따 라서, 압축공기 지하저장공동의 기밀성 평가를 위해서는 콘크리트 라이닝 매질뿐만 아니라 콘크 리트 라이닝 시공이음부의 투기특성을 정확히 파악하여 정량화할 필요가 있다. 콘크리트 및 시공 이음부의 투기특성은 주로 실내실험을 통해 물-시멘트비, 양생시간 및 온도와 같은 배합조건에 따른 투기특성의 변화양상이 파악되어 왔다 (Neville, 1996; Mehta et al., 2005; Sanjuan et al., 1996; Sanjuan et al., 1996). 시공이음부의 투과특성에 대한 기존 연구자료는 극히 제한되어, 신구 콘크리 트 시공이음부의 투기특성에 영향을 미치는 요인으로 물-시멘트비, 시멘트 종류, 시공이음부 접합 면의 거칠기를 대상으로 투기계수의 변화를 분석하여 물시멘트비가 낮을수록, 조강시멘트를 사용 할수록, 접합면을 거칠게 한 후 타설 할수록 투기계수가 감소하는 결과를 보고한 氏家 등(1995)의 연구 등이 보고된 바 있다.
콘크리트 라이닝 및 시공이음부의 기밀특성은 현장 타설 과정에서의 습도 및 온도와 같은 환경 조건, 현장 배합비 등과 같은 시공결과에 따라 큰 차이를 보일 수 있다. 또한, 기존의 실내투기실 험은 주로 시멘트 모르타르를 이용하여 제작된 시료로 콘크리트 라이닝에 포함된 골재의 영향 등 이 고려되지 않는 단점이 있다. 따라서, 다양한 콘크리트 배합 조건 및 현장조건을 모사한 실내실 험을 통한 기본데이타 축적뿐만 아니라 실제 현장시험을 통한 평가를 병행함으로써 저장공동 기 밀성능 평가의 신뢰도를 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 본 고에서는 복공식 압축공기 지하 저장공동의 기밀특성 현장 평가에의 적용을 목적으로 시추 공을 이용한 유체기밀특성 평가 장치를 개발하고, 콘크리트 라이닝 모형 블록 시료를 이용한 투 기 및 투수실험을 실시하여 콘크리트 라이닝 블록 및 시공이음부의 고유투과계수값을 산출함으 로써 개발된 장비의 검증 및 현장 적용성을 평가하였다. 개발된 현장기밀시험 장치는 저투과성의 콘크리트 및 암반 매질 뿐만 아니라 고투과성의 콘크리트 시공이음부 및 암반균열의 기밀성능평 가에도 적용할 수 있도록 설계․제작되었다.
2. 이론적 배경
2.1 고유투과계수와 Klinkenberg 효과 고유투과계수 (intrinsic permeability)는 매질의 투과특성을 나타내는 재료상수로 매질의 공극 구 조 및 연결성에 좌우될 뿐 매질을 통과하는 유체특성과는 무관하다. 투수계수 (permeability 혹은 hydraulic conductivity)는 매질과 이를 통과하는 유체특성의 함수로 고유투과계수와 투수계수 사이 에는 식(1)과 같은 관계가 성립한다. (1) 여기서, K는 투수계수 (m/s), 는 고유투과계수 (m2), 는 유체밀도 (kg/m3), 는 중력가속도 (m/s2), 는 유체점성도 (Pa․s)이다. 따라서, 이론적으로 사용유체와 무관하게 고유투과계수는 일정한 값을 보여야하지만 실제로는 가스를 이용하여 얻은 투과계수의 값이 물을 사용한 경우보다 큰 값을 보인다. 이러한 차이는 공 극표면에서 발생하는 가스의 미끄럼 유동(slip flow) 때문으로 Klinkenberg 효과라 일컫는다. Klinkenberg 효과는 식(2)와 같이 표시할 수 있다. (2) 여기서, 는 가스의 투과계수 (m2), 는 물의 투과계수 (m2), 은 가스의 평균투과거리 (m), 은 공극반경 (m), 는 Boltzmann 상수 (J/K),는 온도(K), 는 상수, 는 공극내 압력, 는 Klinkenberg 상수 (Pa) 이다. 식 (2)는 공극 크기가 작을수록, 가압하는 압력이 낮을수록, 온도가 높을수록 가스의 투과계수 와 물의 투과계수의 차이가 증가한다는 것을 의미하고, 공극 반경이 무한대가 될 경우 가스와 물의 투과계수는 일치함을 나타낸다. Jones (1972)는 물의 투과계수가 10-12 ~ 10-17 m2 범위에서 log 와 log 사이에는 선형관계가 있음을 보인 바 있다. 또한, Tanikawa et al. (2006)에 의하면 Klinkenberg 상수 와 유체 투과계수 사이에는 식(3)과 같은 관계가 성립한다. ± × × ± (3) 공극 내에 두 개 이상의 유체 (물, 가스, 공기 등)가 동시에 존재할 때 각 유체흐름은 간섭을 받 게 된다. 각 유체의 유효투과계수는 고유투과계수에 대한 상대적인 비율로 나타낼 수 있으며 이 를 상대투과계수 (relative permeability)라 한다. 따라서, 상대투과계수는 0과 1 사이의 값을 가진다. 상대투과계수는 일반적으로 매질의 함수율 (물 포화도)의 함수로 정의된다. Abbs et al. (1999)는 보통포틀란트 시멘트를 이용한 실내실험을 실시하여 고유투과계수와 포화도 사이에 식(6)과 같은 관계가 있음을 보고한 바 있다. ln × (4) 여기서, 는 고유투과계수 [], 는 포화도 [%]이다. 2.2 압력 반응 히스토리 매칭을 통한 투과계수 추정과 스킨(skin) 효과 개발된 장치를 이용한 투과계수 추정을 위해서는 대수층의 투수성 추정을 위한 우물수리시험 (well hydraulic test) 과 동일한 방식으로, 압력 및 유량을 변화시킴으로써 시추공 주변 대상 매질 에 불균형 충격 (impulse)을 유발하고 이로 인해 발생하는 압력 및 유량반응 (response)을 관측함으 로써 대상 매질의 투과 특성을 추정하게 된다. 이러한 압력 및 유량 반응에 영향을 미치는 대상 매질의 재료 특성으로는 투과계수 (), 저류 계수 (), 스킨 (skin) 효과 () 등이 있다. 투과계수를 추정하는 과정은 압력 반응 이론 곡선과 관측된 압력 반응 곡선을 비교함으로써 가장 근접한 결 과를 보이는 대상 매질 재료 특성들의 조합을 찾아내는 히스토리 매칭에 해당한다. 본 연구에서 는 순간충격 주입시험(pulse injection test), 정류량 주입시험 (constant rate injection test), 정압 주입 시험 (constant pressure injection test) 과정에서의 히스토리 매칭을 통해 추정하였다. 이들 시험과정 에서의 전형적인 이론 압력 및 유량 반응 곡선은 표 1과 같다. h Q t h Q t h Q t 순간충격 주입시험에서의 압력-유량 반응곡선 정류량 주입시험에서의 압력-유량 반응곡선 정압 주입시험에서의 압력-유량 반응곡선 표 2. 투과계수 추정과정에서의 대표적 압력-유량 반응곡선
한편, 대상 매질의 투과특성 측정을 위한 시추공 주위에는 대상 매질과 상이한 투과특성을 가 지는 스킨 (skin) 영역이 형성되어 압력반응 곡선의 변형 및 추정된 투과계수의 왜곡을 가져올 수 있다. 이러한 스킨영역의 형성 원인으로는 시추공 굴착시 형성되는 주변 영역의 손상, 심부 굴착 시 사용되는 이수(泥水)에 의한 시추공벽 피복, 파쇄대에서의 시추공벽 붕괴방지를 위한 시멘팅 등을 들 수 있다. 시추공 굴착시 형성되는 주변 손상 및 이완 영역에서는 투과특성이 원지반 매질 에 비해 증가하고, 반대로 이수에 의한 시추공벽 피복 및 시멘팅으로 인한 스킨영역에서의 투과 특성이 원지반에 비해 일반적으로 감소하게 된다. 대상매질의 정확한 투과특성 추정을 위해서는 스킨영역의 형성유무 및 이를 고려한 투과특성 추정이 이루어져야 한다. 스킨 영역의 투과특성이 대상 매질의 투과특성보다 낮을 경우 시추공 주변에서 급격한 압력 변동이 발생하고 (그림 3b에 서 에 해당), 반대로 스킨 영역의 투과특성이 클 경우 완만한 압력 변동을 보인다 (그림 3b에 서 에 해당). 스킨 영역 형성에 따른 일반적인 압력 변화 거동은 그림 3과 같다. (a) 스킨영역 개념도 (는 대상매질의 투과계수, 는 스킨 영역의 투과계수) (b) 스킨영역에서의 대표적 압력변동 곡선 (는 시추공 반경, 는 스킨 영역 반경) 그림 3. 스킨영역 개념도 및 스킨영역 형성에 의한 압력변동 곡선
3. 현장 기밀성평가 장치 개발
복공식 압축공기 지하저장 시스템의 기밀특성 평가를 위해서는 복공재 및 주변 암반의 투과 특 성 파악이 필수적이다. 콘크리트 라이닝으로 대표되는 복공재는 현장 타설 조건 및 시공 방법에 따라 투과 특성에 큰 차이가 발생하기 때문에 실제 시공 현장에서의 시험 결과를 반영한 투과 특 성 평가가 바람직하다. 공동 주변 암반에서는 굴착으로 인한 교란으로 손상이 발생하고 이들 손 상영역에서는 일반적으로 투과특성이 증가하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 압축공기 지하저장 시스템의 기밀특성평가를 위해서는 이들 손상영역에서의 투과특성을 정확히 파악하는 것이 요구 된다. 손상영역은 굴착 공동 주변의 제한된 영역에서 발생하기 때문에 손상영역에서의 기밀특성 을 평가하기 위해서는 특수하게 고안된 시험장치가 요구된다. 본 연구에서는 소형 다중 패커시스 템(Mini-Multi Packer System, MMPS)을 이용하여 저투수성의 복공재와 암반 기질(matrix) 뿐만 아 니라 고투수성의 복공재의 시공이음부 및 암반 균열을 대상으로 공동 벽면으로부터 굴착된 시추공을 통해 현장 투과계수 측정이 가능한 시험장치를 제작하였다. 또한, 대상 매질의 투과특성에 따라 투수 및 투기 시험을 선택적으로 적용 가능하도록 설계되었다. 현장기밀평가시험 결과로는 시간경과에 따른 시험구간의 압력 및 유량변화 데이타가 얻어지며, 이로부터 추정된 투과계수는 저장 압축공기의 누출정도를 평가하는 지표로 이용될 수 있다. 3.1 장치개요 본 장치의 가장 큰 특징은 수 미터에서 수십 미터의 구간을 측정대상으로 하는 일반적인 시추 공 수리시험 장치와 달리 20 cm의 시험구간을 대상으로 현장 투기 및 투수 시험이 선택적으로 가 능하다는데 있다. 따라서, 굴착 공동 주변 수 미터의 극히 제한된 영역에서 발생되는 손상영역에 서의 기밀성 평가가 가능하고 손상영역 내에서의 변화 양상까지도 파악할 수 있다. 본 장치는 크 게 시추공에 삽입되는 패커 부분 (packer apparatus)과 패커 및 시험구간의 압력 (pressure control unit) 및 유량을 조절하는 부분 (flow control unit)으로 구성된다 (그림 4). 패커부분은 일반적인 NX 시추공 사이즈에 맞게 설계되었으며 패커와 패커사이의 빈 공간이 투수계수를 측정하는 시험구 간 (test interval)이 된다. 본 장치는 순간충격시험 (pulse test), 정압시험 (constant pressure test), 정 류량시험 (constant flow-rate test)을 통해 투과계수를 추정할 수 있다.
water 2 W 2 W 2 W 2 W 2 W Control Unit Control v alue 40-2000 ml/h
Cont rol va lue 1-50 ml/h Mini-c ori 2000 g/h Mini-c ori 20.2 kg/h C C C ss 4 mm ss F ilter 20 micr o meter ss 6 mm Hand switch 60 bar60 bar 6 0 ba r 6 0 ba r 6 0 ba r 6 0 ba r 40 bar 40 bar 4 0 ba r 4 0 ba r 4 0 ba r 4 0 ba r Pa 1 Pa2 P a3 P a4Pa5 Pa6 P1 P2 P 3 P4 P 5 P6 Q 1 Q 2 Q 3 Q4 Q 5 Q 6
Pr ess ure tr ansm itter
Pr ess ure tr ansmit ter
packer
test interval
Packer apparatus
Flow control unit
pressure control unit packer ss line
test interval pressure ss line flow ss line Signal lines to DAQ
그림 4. 현장 기밀성평가 장치 개략도
3.2 장치구성
패커부는 총 6개의 독립적인 패커로 구성하여 모듈화하였기 때문에 (그림 5), 시험조건에 따라 서 분리, 재구성하는 것이 가능하다. 패커 및 내부 O-ring을 제외하고는 모두 스테인레스(stainless steel) 재질로 제작하였으며 강섬유보강 고무재질(steel reinforced natural rubber)로 제작하였다. 패 커의 설계 최대 내압압력은 8 MPa이다.
그림 5. 모듈형 패커 모습 패커와 패커 사이의 구간이 실제 투과특성을 측정하는 시험구간으로, 시험구간은 스테인레스 재질의 필터로 보호된다. 필터는 시험구간으로의 유체 흐름을 균질하게 하는 역할 뿐만 아니라 양수시험 시 불순물의 유입으로 인한 장치 손상을 막아주는 역할을 수행한다. 패커 및 시험구간 은 스테인레스튜브를 통해 압력 및 유량제어 장치와 연결된다. 단위 패커 당 3개의 스테인레스튜 브가 연결되는데 이들은 각각 패커압력 조절용, 시험구간 압력측정용, 시험구간 유량조절용으로 사용된다. 본 시험장치는 총 6개의 시험구간으로 구성되므로 총 18개의 스테인레스튜브가 패커부 내부를 통과하여 압력조절부와 연결된다. 스테인렌스튜브의 직경은 4mm로 20 MPa의 압력까지 내압 가능하도록 설계되었다. 패커부의 주요 사양을 정리하면 표 2와 같다. 표 2. 패커부 주요 사양 패커 직경 72 mm
재질 steel reinforced natural rubber
길이 200 mm 최대 수용가능 압력 8 MPa 패커수 6 개 시험구간 재질 stainless steel 외경 70 mm 길이 20 MPa 시험구간수 6 개 필터 재질 stainless steel 공극율 30 % 외경 70 mm 내경 66 mm 스테인레스 튜브 재질 stainless steel 외경 4 mm 내경 4 mm 최대 수용가능 압력 20 MPa
압력제어부에는 패커부와 연결되는 스테인레스튜브 및 압력센서가 연결되고, 압력제어용 밸브 및 압력게이지로 구성된다. 압력제어용 밸브는 3-way 밸브를 이용하여 시험 준비 단계 및 시험 과정에서 개폐하게 된다. 지하수 유입이 많고 습한 터널 현장 조건 및 장기 계측 시 설치용이성 및 내구성을 고려하여 폴리에스테르 재질의 캐비넷이 탈착가능하도록 제작하였다. 압력값은 압전 센서에서 전기신호로 변환되어 data logger로 전송되며 압력센서는 Keller사의 제품을 사용하였다. 본 장치에 부착된 압력센서의 특징을 요약하면 표 3과 같다. 표 3. 압력센서 상세 사양 압력센서 방식 Piezoresistive transmitter 최대측정 압력 100 bar (absolute) 최대(최소)전압 28 V (6 V) 연결타입 G1/4 (1/4" BSP) male port Linearity 0.5 % 복공재 및 암반 매질에 비해 투과특성이 크고 상대적으로 많은 양의 공기누출경로를 제공하는 시공이음부 및 암반 균열에서는 정류량 및 정압 시험을 통해 기밀특성을 파악하게 된다. 시공이 음부 및 암반 균열의 투과특성은 틈새간격에 좌우되고 다양한 틈새간격이 예상되는 현장시험에 서는 복수의 유량계를 조합하여 유연하게 대응할 수 있도록 설계되어야 한다. 본 장치에서는 정 류량 및 정압시험에서의 유량 및 압력 제어를 위해 Bronkhorst사의 유량계(flow meter) 및 제어장 치(flow controller)를 사용하였으며 총 3개의 유량계 및 제어장치를 조합하여 20.2 kg/h 까지의 정 밀 유량 제어 (1%의 전오차 이내)가 가능하도록 제작하였다. 3.3 시험방법 각 시험구간별 시험종류는 대상 시험구간의 초기수압 및 투과특성에 따라 순간충격시험 혹은 정류량/정압 시험을 실시한다. 초기수압이 높은 경우, 양수 시험을 실시하고 굴착공동주변과 같이 초기수압이 낮은 경우에는 주입시험을 실시하게 된다. 일반적으로 순간충격시험을 통해 대상 매 질의 투과특성을 파악한 후 추가적인 정류량/정압 시험을 실시한다. 투수시험의 경우, 시험구간을 물로 포화시킨다. 이 때 패커 팽창순서 및 시험구간 내 물 주입순 서를 조정함으로써 시험구간 내 잔류 공기에 의한 영향을 제거하고 완전 포화상태를 얻을 수 있 다. 일반적으로는 시추공 입구의 팩커를 팽창시킨 후 직상부의 시험구간에 물을 주입함으로써 상 부 공기를 밀어내 포화상태를 조성하게 된다. 이후의 시험구간에서도 동일한 과정을 반복한다. 시 추공 내에서의 시험구간을 선정하고 해석결과를 평가하기 위해서는 시추코어 및 시추공벽 조사 를 통해 암반 균열 위치 및 간극에 대한 사전 정보가 매우 유용하다.
4. 콘크리트 모형 블록 실험을 통한 개발 장치의 검증
4.1 모형실험을 위한 콘크리트 블록 제작 콘크리트 블록은 직육면체 모양 (가로 x 세로 x 길이: 500 x 500 x 2800 mm)으로 패커부 삽입을 위한 시추공 (직경 76 mm, NX 코어에 해당)을 길이방향으로 배치하여 그림 6과 같이 제작하였다. 76mm 시공이음부: 1. 타설 시간 간격에 따 른 누출량 차이 파악 2. 시공연결부 면처리 유무에 따른 차이 파 악 72mm 200m m: pa cker interv al 200mm : test interval 2800mm 500mm 500mm Marix부: 1. 시공이음부와의 투 기특성 비교를 위한 투기계수 측정 그림 6. 모형실험을 위한 콘크리트 블록시료 사양 콘크리트 블록은 총 3개 제작되었으며 각각의 세부 제작목적은 다음과 같다. 1) 건조상태에서의 복공재 콘크리트 및 콘크리트 시공이음부의 투과특성 비교를 목적으로 블록 내부에 시공이음부를 인위적으로 설치 2) 투수시험 및 습윤상태에서의 투기시험 목적으로 별도의 시료를 제작하고 타설 후 7일간 별 도로 제작된 수조에서 포화 3) 시공이음부의 면처리 유무에 따른 투과특성의 차이를 비교할 목적으로 시공이음부에 콘크리 트 보수용 접착제를 시공한 시료를 추가로 제작 각 시험목적별 콘크리트 블록의 상세 사양 및 제작방법은 김형목 외 (2010)에 수록하였다.Packer apparatus
Flow control unit
Pressure control unit Data acquisition unit
그림 7. 콘크리트 블록시료를 이용한 실험장치 연결 모습 4.2 모형 콘크리트 블록 시료를 이용한 실험 결과 4.2.1 콘크리트 블록 및 시공이음부의 기밀성능 차이 콘크리트 블록 및 시공이음부의 기밀성능 차이를 살펴볼 목적으로 각 시험구간에서 추정된 투 과계수를 비교해 보았다 (그림 8). 그림에서 j는 시공이음부 (joint)를 m은 콘크리트 블록 (matrix) 을 나타낸다. 시공이음부를 나타내는 j 뒤의 숫자는 시공이음부를 형성하는 좌우 두 블록의 타설 시간차를 나타낸다. 시공이음부와 콘크리트 블록의 투과계수 사이에는 101 ~ 104 배 까지의 투과 계수 차이를 보이고 있다. 그림 8. 콘크리트 블록과 시공이음부 투과계수의 비교 4.2.2 시공이음부 접합면 면처리에 따른 기밀성능 향상효과 콘크리트 시공이음부의 면처리에 따른 기밀성능 변화를 살펴볼 목적으로 시공이음부 접합면에
콘크리트 보수용 접착제를 도포한 경우와 그렇지 않은 경우의 투과계수를 비교해 보았다(그림 9). 접착제로는 Nitobond社의 에폭시계열 접착제 (EP)와 아크릴계열 접착제 (HAR)의 두 종류를 사용 하였다. 그림에서 j72a는 아크릴 계열 접착제를 j72e는 에폭시 계열 접착제를 나타낸다. 에폭시 계 열 접착제에 의한 기밀성능 향상 효과는 눈에 띄지 않았으나 아크릴 계열 접착제를 사용한 경우 기밀성능 향상 효과를 가져와 콘크리트 블록에 상응하는 투과특성을 보임을 알 수 있다. 일반적 으로 에폭시 계열 접착제는 접착력이 우수하고 14일 경과 후 접착강도 역시 150 kg 정도로 20 kg 의 아크릴 계열보다 높은 것으로 알려져 있으나 초기 점성도가 낮아 도포시 블록모형의 수직 단 면을 따라 흘러내림이 발생하는 것이 블록 제작과정에서 관측되었다. 따라서, 시공이음부 접합면 면처리 방안으로 접착제 도포를 시행하기 위해서는 접착제 점성 및 시간경과에 따른 경화 특성 뿐만 아니라 접합면 거침정도, 수분 상태 및 수직 단면 시공성 등에 대한 추가적인 조사가 실시되 어야 할 것이다. 그림 9. 시공이음부 면처리 방식에 따른 투과계수의 비교 4.2.3 콘크리트 초기포화도에 따른 차이 건조상태의 투과계수와 습윤상태의 투과계수를 비교함으로써 콘크리트 블록의 초기포화도에 따른 기밀성능을 비교해 보았다 (그림 10). 건조상태 투과계수는 대기중에서 양생한 콘크리트 블 록을 이용한 시험결과이고 습윤상태는 거푸집 제거후 수조 안에서 1주일간 포화시킨 블록시료 시 험결과에 해당한다. 두 시료의 절대 포화도는 측정할 수 없었으나 습윤상태가 상대적으로 높은 초기포화도 조건을 나타낸다. 그림에서 데이터 갯수가 충분하지 않은 한계점은 있으나 습윤상태의 투과계수 추정치가 약 102 ~ 103 배 까지 감소하는 결과가 관측되었다. 이는 전술한 상대투과계수 개념으로 설명이 가능한 결과로 공극수와의 저항에 따른 공기의 투과능 감소효과를 나타낸다. 전술한 고유투과계수와 포 화도 함수의 관계식 식(6) 을 이용하여 투과계수 추정치로부터 건조상태와 습윤상태 블록시료의 각각의 포화도를 역산하면 35%와 85% 정도의 포화도를 보였다 (건조상태의 투과계수는 근접한 2개의 측정 평균값 2.48E-17 m2을 사용하였다). 따라서, 압축공기 지하저장공동의 기밀성능 확보를 위해서는 라이닝 콘크리트의 초기 포화도를
가능한 높이고 운영과정에서는 라이닝 배면으로부터의 수분 공급을 통해 라이닝 콘크리트의 포 화도를 일정수준이상으로 유지함으로써 기밀성능을 확보할 수 있을 것으로 생각된다. 그림 10. 콘크리트 함수율에 따른 투과계수의 비교 4.2.4 투기계수와 투수계수의 비교 콘크리트 블록의 투기계수와 투수계수를 비교한 결과 (그림 11), 투수계수 추정값이 투기계수 에 비해 102 ~ 105 배 정도 작은 값을 보여 전술한 미세한 공극구조에서의 Klinkenberg 효과를 확 인할 수 있었다. 식(2) 와 식(3)을 이용하여 투수계수 추정값으로부터 환산한 투기계수값은 1.99E-19 ~ 1.19E-17 (m2) 범위에 분포 (투수계수 평균값: 3.11E-20, 주입압 평균값: 약 0.05 MPa을
사용) 하여 투기시험으로부터 구한 추정치보다 다소 과소평가되는 결과를 보였다. 이는 상기식이 퇴적암 시료를 이용한 실험결과로부터 얻어진 것으로 콘크리트 라이닝 재료에의 적용을 위해서 는 추가적인 시험을 통한 수정식의 제안이 요구된다. 한편, 시공이음부에서는 콘크리트 블록에 비 해 공극크기가 커지고 충분한 투과 공간을 가지기 때문에 투기계수와 투수계수 추정치 사이에 이 러한 관계를 찾아볼 수가 없었다 (그림 12). 따라서, 압축공기 저장공동의 현장기밀특성 평가 시 저투과성의 콘크리트 라이닝 및 암반 매질에서는 가스주입시험을 실시하여 투과계수를 추정하고, 고투수성의 시공이음부 및 암반 균열에서는 수압시험을 통한 투과계수값을 산출하여 저장공동의 기밀특성을 평가할 수 있을 것으로 판단된다.
그림 11. 콘크리트 블록에서의 투기계수와 투수계수의 비교 그림 12 시공이음부에서의 투기계수와 투수계수의 비교 4.2.5 가스주입에 따른 콘크리트 블록시료의 역학적 변형 가스주입에 따른 콘크리트 블록시료에서 발생하는 역학적 변형을 관측할 목적으로 콘크리트 시 공이음부에서는 개구변위를, 콘크리트 블록 부분에서는 상부면 변위 및 변형율을 계측하였다. 시 공이음부 개구변위 및 블록 변형율은 블록 상부면, 좌․우측면의 3개소에서 측정하였고 블록 변위 는 상부면에서만 측정하였다. 각 계측항목별 계측위치 및 설치모습은 그림 13 및 그림 14와 같다.
그림 13. 가스주입에 따른 콘크리트 블록시료의 역학적 변형 계측 위치 및 항목 (a) 시공이음부에의 균열계 설치 모습 (b) 콘크리트 블록에의 변위계 및 변형율계 설치 모습 그림 14. 가스주입에 따른 콘크리트 블록시료의 역학적 변형 계측 그림 15는 기밀특성 시험과정에서 시공이음부의 개구변위와 주입압-유량 관계를 나타낸다. 시 공이음부에서는 주입압 증가에 따라 개구변위가 발생하여 그림15(a)에서는 최대주입압 0.738 MPa 에 대해 최대변위 0.725 mm, 그림 15(b)에서는 최대주입압 0.24 MPa에 대해 최대변위 2.833E-2 mm가 발생하였다. 블록 매질부 계측결과에서는 주입압에 의한 상부면의 융기 변위 및 변형율과 의 뚜렷한 상관성이 관측되지 않았다. 이는 본 실험이 기밀특성으로서의 투과특성 측정을 목적으 로 실시되었기 때문에 콘크리트 블록 매질의 변형을 유발시킬 정도의 충분한 주입압이 공급되지 않았기 때문이다. 불연속면의 수직 강성도(normal stiffness)는 일반적으로 유효응력증분과 변위증분의 비율로 식
(5)와 같이 표시된다. ′ (5) 여기서, 은 강성도, ′은 불연속면 수직방향 유효응력 증분, 은 불연속면 수직방향 전체 응력 증분, 은 불연속면 수직방향 변위 증분, 는 불연속면 내 유체압력 증분을 나타낸다. 본 콘크리트 블록 모형실험에서는 시공이음부에 수직한 방향으로의 외부하중이 작용하지 않으 므로 유효응력 증분은 유체 주입압 증분과 같고 수직 강성도는 주입압 증분에 대한 개구변위 발 생정도를 나타내게 된다. 주입압 증분과 개구변위 증분은 선형관계에 있다고 가정하고 최대주입 압 및 최대발생변위를 이용하여 계산한 그림 15(a) 및 15(b) 시공이음부의 강성도는 각각 1.02 및 9.10 MPa/mm이다. 시공이음부에서의 수직강성도가 작을수록 동일한 주입압에 대하여 발생되는 개구변위가 커지 므로 주입압 제거후 개구변위가 잔류하는 비가역적 (irreversible) 소성변형이 발생하는 것으로 보 여진다 (그림 15(a)). 반대로 수직강성이 큰 경우, 동일 주입압에 대해 발생하는 개구변위는 작아 지고 주입압 제거후 변형이 회복되는 가역적 거동을 보였다 (그림 15(b)). 따라서, 저장공동 콘크 리트 라이닝의 장기적 기밀성능 확보를 위해서는 가역성의 시공이음부 변형 특성이 바람직하므 로 현장 시공이음부 강성도 증진 방안 및 적정 주입압 및 개구변위에 대한 기준 확보가 요구된다 고 할 수 있다. (a) 비가역적 개구변위 거동 (b) 가역적 개구변위 거동 그림 15. 콘크리트 시공이음부에서의 주입압-유량 및 개구변위 계측 결과
5. 현장 실험을 통한 개발 장치의 현장 적용성 평가
5.1 현장 실험 개요 현장실험은 압축공기에너지 지하저장 실증시설이 위치한 강원도 정선군 소재 한덕철광 신예미광산 내 지하갱도에서 실시하였다. 실증시설 부지는 석회암층이 우세한 지질로 시추공 영상촬영 장치를 이용한 시추공벽 조사 결과를 바탕으로 실험구간을 선정하였다. 실제 실증시설 콘크리트 라이닝에의 실험용 시추공 굴착이 압축공기 저장공동의 기밀성에 미칠지 모르는 영향을 고려하 여 실험용 콘크리트 라이닝 구조체를 저장공동 입구부에 별도로 제작하였다. 콘크리트 구조체 사 양은 길이 2400 mm x 높이 1200 mm x 폭 900 mm로 실증시설 저장공동용 콘크리트 라이닝과 동 일한 배합 및 타설 조건으로 제작되었다 (그림 16a). 실험용 시추공은 콘크리트 매질 및 시공이음 부의 투과특성을 비교할 목적으로 길이방향으로 굴착된 1700mm 길이 1공 (그림 16b), 굴착손상영 역 및 주변 암반의 투과특성을 측정할 목적으로 공동 벽면에 수직한 방향으로 시공된 5000mm 길 이의 2공이다 (그림 16c). 현장기밀실험장치는 콘크리트 모형블록을 이용한 실내실험 (김형목 외, 2010)과 동일한 사양으로 현장 적용성을 검증하였다. 700 400 400 900 1700 90 0 350 350 50 00 concrete
Construction joint of concretes
rock
BH#1: testing for air permeability of concrete and construction joints
BH#2: testing for air & water permeability of concrete and rock mass ~~ ~~ 900 12 00 1000 900 12 00 1000 (a) 콘크리트 구조체 사양 및 실험용 시추공 위치 (b) 콘크리트 구조체 투과특성 실험 모습 (c) 굴착공동 주변 암반 투과특성 실험 모습 그림 16. 굴착공동 주변 현장 기밀성 평가 실험 5.2 현장 실험 결과 그림 17은 각 시험과정에서 얻어진 콘크리트 구조체 및 주변 암반의 투과계수 추정치를 공동 벽면으로부터의 거리의 함수로 표시한 것이다. 벽면으로부터 90cm까지에 해당하는 콘크리트 구 조체의 투과계수값은 ∼ 범위에 분포하고 콘크리트와 주변 암반 사이의 경계에서 부 정합면이 형성되어 급격한 투과특성의 증가를 확인할 수 있다. 공동 벽면으로부터 5m까지의 주변 암반의 투과계수값은 ∼ 에 분포하는 것으로 분석되었다. 벽면으로부터 1.5m (암반
굴착면으로부터 60cm) 구간에서 보이는 ∼ 의 투과계수는 암반내 존재하는 균열의 영향으로 시추공 벽면 영상촬영 결과 확인되었다. 그림 17. 콘크리트 구조체 및 주변 암반의 투과계수 추정치 분포 그림 18은 개발된 현장기밀시험장치와 동일한 사양의 시험장비를 이용하여 굴착공동주변 수리 학적 손상영역의 파악을 목적으로 한 현장시험 결과를 나타낸다. 공동 벽면에서의 거리가 가까울 수록 굴착손상으로 인한 투수계수의 증가를 쉽게 확인할 수 있으며 손상 영역에서의 투과계수 변 화양상의 정량적 평가가 가능함을 알 수 있다. 그림 18. 굴착공동 벽면에서의 거리에 따른 투수계수 변화 양상 (김형목 외, 2008)
6. 결 론
대용량 전력에너지저장시설로서 복공식 압축공기 지하저장시설의 기밀시스템을 구성하는 콘크리트 라이닝, 현장 타설 과정에서 발생하는 시공이음부 및 주변 균열 암반의 투기특성을 파악하 기 위한 현장 기밀특성 실험 장치를 개발하고 모형 실험을 통해 개발된 장비의 적용성을 검증하 였다. 개발된 시스템은 시험구간이 20cm 정도로 짧고 시험구간 길이의 가변적 적용이 가능할 뿐 만 아니라 복수의 구간에 대한 평가가 가능하여 기밀시스템 복공재 시공이음부와 불규칙하게 존 재하는 암반균열을 대상으로 한 기밀시험에도 효율적이고 유연하게 대응 가능한 장점이 있다. 개 발된 장비의 적용성 검증을 위해 시공이음부를 포함하는 콘크리트 블록 모형을 이용한 시험을 실 시하였으며 저투과성의 콘크리트 매질과 고투과성의 시공이음부에서의 투기 및 투수시험의 선택 적 적용이 가능함을 확인하였다. 콘크리트 블록 시료를 이용한 기밀시험에서는 시공이음부의 투과계수가 콘크리트 블록보다 약 101 ~ 104 배 정도까지 투과성이 큰 것으로 파악되었으며 접합면에 아크릴계 접착제를 타설함으 로써 시공이음부의 기밀성능을 콘크리트 블록 수준까지 향상 시킬 수 있음을 확인하였다. 또한, 콘크리트 블록의 초기 수분함량이 높을수록 가스투과계수가 감소하여 기밀성능이 향상되므로 운 영중 콘크리트 라이닝의 포화도 확보가 압축공기 지하저장공동 기밀성능의 장기적 유지관리에 중요함을 알 수 있었다. 실증시설 부지에서의 현장기밀실험을 통해 얻어진 콘크리트 라이닝 및 주변 암반의 고유투과 계수값은 실증시설의 역학적 안정성 및 기밀성능 예측해석을 위한 수치해석의 입력자료로서 활 용되며 향후 계측결과와의 비교․분석․검증 과정을 통해 성능 예측 정밀도 향상에 기여할 수 있을 것이다. 본 시스템은 짧은 길이의 모듈화된 시험구간을 이용하여 굴착공동 주변 극히 제한된 영역에서 형성되는 손상 및 이완영역의 파악이 용이하기 때문에 각종 폐기물 및 저장 공동의 기밀 및 수밀 성능 뿐만 아니라 이들 성능 향상을 위한 그라우팅 주입 전․후의 투기 및 투수 특성 파악에도 매 우 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
감 사 의 글
본 연구는 한국지질자원연구원 기본사업인 ‘지하 암반 내 복공식 에너지저장시스템 개발’의 일 환으로 수행되었습니다.참 고 문 헌
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