Forecasting and Assessment of the Grouting Effect, using a Numerical Model, to Prevent Groundwater Inflow during Excavation of a Vertical Shaft for a Selective Intake Structure

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http://dx.doi.org/10.9720/kseg.2013.3.227

선택취수설비 굴착시 지하수 유입 방지를 위한 그라우팅 효과의 모델링 예측 및 평가

김규범¹*·김완수²·박정훈²·손영철¹·김진우¹

1K-water, ²주)넥스지오

Forecasting and Assessment of the Grouting Effect, using a Numerical Model, to Prevent Groundwater Inflow during Excavation of a Vertical Shaft

for a Selective Intake Structure

Gyoo-Bum Kim¹*, Wan-Soo Kim², Jung-Hoon Park², Yeong-Cheol Son¹, and Jin-Woo Kim¹

1K-water, ²Nexgeo

대규모 저수지에서 상수원 선택취수설비의 수직구 굴착시 저수지 및 주변 지층으로부터의 지하수 유입이 발생할 수 있어 그라우팅을 통한 차수가 요구된다. 본 연구에서는 소양강댐 우안의 선택취수설비 공사 중에 발생할 수 있는 지하 수 유입량을 그라우팅 실시 여부에 따라 모사하고 시공 중의 실제 유입량과 비교하였다. 수직구에 그라우팅이 시공되지 않은 경우에는 445~754 m³/d, 그라우팅이 시공된 경우에는 58~96 m³/d의 지하수가 수직구내로 유입되는 것으로 예상되 었으며, 실제 그라우팅을 거친 후 굴착 과정에서 배출된 지하수량을 측정한 결과 30~100 m³/d의 범위를 보여 예측 수량 과 유사한 것으로 나타났다. 수직구의 작업 안정성 확보 및 원활한 공정을 위해서는 수치모델을 활용한 그라우팅 효과 의 사전 평가가 필요하며 이를 근거로 그라우팅 시공을 선행한 후 굴착이 진행되는 것이 필요하다.

주요어 : 선택취수설비, 굴착, 그라우팅, 지하수 유입량, 수치모델

The vertical shaft of a selective intake structure, which is constructed in a large reservoir, is required to be imper- meable and to employ a grouting technology to prevent water inflow from the reservoir or surrounding ground. In this study, groundwater inflow is estimated using a numerical model for two cases (i.e., grouting or non-grouting cases at the exterior of a vertical shaft) and compared with data measured during an excavation at the construction site of a selective intake structure in the Soyang reservoir, Korea. Groundwater inflow is estimated to range from 444 to 754 m³/d in the case of non-grouting and from 58 to 95 m³/d in the case of grouting. The groundwater inflow measured in a vertical shaft, which ranges from 30 to 100 m³/d, is similar to the simulated amount. It is rec- ommended that before the excavation of a shaft, water inflow is estimated using a numerical model and a grouting test to ensure excavation stability and improve excavation efficiency.

Key words : Selective intake structure, Excavation, Grouting, Groundwater inflow, Numerical model

*Corresponding author: [email protected]

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서 언

국내 댐 저수지에서 일반적으로 적용되는 상수원수 취수방식은 표면취수설비, 복식형 취수설비 및 선택 취 수설비 등으로 구분할 수 있다(Kim et al, 2008). 표면 취수설비는 주암댐, 임하댐 등에 적용된 방식으로서 저 수지의 표층수가 문비 조절에 의하여 방류관로를 따라 공급되는 방식이며, 복식형 취수설비는 표면취수설비 적 용시 표층수에서 발생되는 플랑크톤 성장 문제에 대한 수질 대책 방안으로 고안되었는데 중간층에서도 취수가 가능한 다수의 취수문비를 설치하여 수심별로 각각 취 수하는 방식을 말한다. 선택취수설비는 중간 심도의 문 비에 개폐장치를 설치하여 고탁수를 배제시키도록 하는 분리형 직선다단게이트 방식(임하댐에 설치)과 취수탑내 에 실린더가 설치되어 원하는 구간에서 선택 취수가 가 능한 실린더형 선택취수설비 등이 해당된다.

국내에서 댐 저수지의 급사면 인근에 설치되는 선택 취수설비는 저수지 심도가 깊어 취수탑 시공 중 지표수 가 유입되는 것을 차단하기 위한 가물막이 공사가 병행 되는데 시공의 어려움이 존재할 뿐 아니라 지하수의 유 입을 완전 차단하기에는 한계가 있다. 지하 공동에서의 다양한 지질조건하에서 그라우팅이 파쇄 매질의 수리전 도도를 낮추어 차수 역할을 한다(Henn, 1996).

대규모 토목공사와 관련한 지하수 차수에 대한 연구로 는, 임하댐의 비상여수로 입구부에서의 차수벽의 효과를 평가하기 위하여 지하수 수치모델링을 적용한 사례가 있 으며 차수시의 지하수 유입량을 정량적으로 예측하여 시 공 효과를 평가한 바 있다(Kim et al., 2010). 또한, 영 천도수터널에서 터널 시공시 유입되는 지하수량을 차단 하기 위한 그라우팅의 방법별 실험 및 효과 평가에 대 한 연구가 수행된 바 있다(Kim and Kim, 2001).

Heinz (1988)의 남아프리카의 수직갱 굴착의 사례 연 구에서는, 선 그라우팅을 통하여 시공 안전성 확보, 물 과 가스 유입 차단, 지질 정보 취득 등의 다양한 효과 를 얻을 수 있다고 기술하고 있다. Wang et al. (2011) 은 석탄 광산 지역의 수직갱의 굴착에 있어 700 m 깊 이의 선 그라우팅을 통하여 99% 이상 지하수 유입을 차단한 사례를 연구하였다. Koyama et al. (2013)은 스 위스의 Grimsel 시험 지역에서 그라우팅 주입 효과를 3 차원 수치 모델과 비교하여 평가한 바 있는데 실제 현 장 주입공 주변에서의 그라우팅 도달 시간과 밀도의 변 화를 예측하고 수리전도도 변환장의 범위 등의 조사 결 과와 모델 결과를 비교 평가 한 바 있다.

본 연구는 소양강댐 저수지내 선택취수설비 설치를 위하여 시공하는 취수용 수직구의 굴착에 앞서 수치모 델링을 활용하여 지하수 유입을 차단하는 차수 그라우 팅의 효과를 평가하고 실제 지하수 유입량과 비교 검토 하여 모델링의 효용성을 평가하는데 목적이 있다.

연구 지역 및 지질

연구지역은 강원도 춘천시 소양강댐 직상류 우안으로 서 상수원수의 심도별 선택 취수를 위한 취수탑 건설 공사가 진행되는 지역이다(Fig. 1). 취수탑은 높이 89.2 m, 가로 22.2 m, 세로 16.0 m로 설치되며, 선택취수용 조절문비는 직선다단식 롤러 게이트 방식에 해당한다.

취수탑 축조를 위한 수직구는 126.0~180.0 El.m 구간으 로서, 155.0 El.m까지는 H-pile, 토류판 및 Ground anchor, 그 이하는 H-pile, 숏크리트 및 Rock bolt로 보 강토록 계획하였다. 수직구는 저수지 수위(조사기간중 약 188.5 El.m)보다 낮게 유지되는 구간이 존재하여 시 공 중에 저수지로부터의 지하수의 유입이 발생할 가능 성이 매우 높아 차수그라우팅의 필요성이 대두되었다.

본 연구를 위하여 현장 조사가 이루어진 2011년 4월에 는 가물막이가 198.0~172.0 El.m 구간에 걸쳐 설치 완 료되었으며, 원 지반에서 172.0 El.m까지 기초 굴착이 완료되어 그 하부 굴착을 위한 가시설(H-pile) 설치가 진행 중이었다(Fig. 2).

연구지역의 지질분포를 보면, 선캠브리아기의 용두리 편마암복합체가 연구지역에 넓게 분포하며 취수탑이 설 치되는 지점에는 흑운모 편암이 존재한다(Park et al., 1974). 흑운모 편암은 조산운동의 영향으로 단층, 절리, 소규모 습곡 등이 나타나며 편리의 방향이 다양하다. 이 들 편암내에는 석회규산염암이 박층으로 나타나고 있으

Fig. 1. Location of the study area.

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며 편암류를 관입한 중생대 암맥들이 수 m 폭으로 불 규칙하게 존재하기도 한다.

취수탑 수직구 지점에서 Fig. 3에서 보는 바와 같이 총 7개소의 시추가 이루어졌는데, 주변지역에서 수행된

기존 시추공(NBH-3, NBH-6, NBH-7, NBH-8, NBH- 9)의 수압시험에 의한 평균 투수계수는 연암 7.16 × 10⁻⁸

~ 6.33× 10⁻⁶cm/s (평균 1.08 × 10⁻⁶cm/s), 보통암 8.27

× 10⁻⁹~ 8.28× 10⁻⁷cm/s (평균 1.23 × 10⁻⁷cm/s), 경암 9.56× 10⁻⁹~ 2.83× 10⁻⁷cm/s (평균 5.50 × 10⁻⁸cm/s)로 낮게 나타났으나, 취수탑 굴착 지점에 추가로 시추된 공 (NBH-10, NBH-11)에서는 연암 1.28 × 10⁻⁴~ 8.03× 10⁻⁴ cm/s, 보통암 3.25 × 10⁻⁵~ 6.27× 10⁻⁴cm/s로서 주변지 역보다 투수성이 상대적으로 큰 편이다. 현장 조사시 가 물막이가 설치된 상태로서 저수지 수위가 188.5 El.m로 높게 유지되고 있었으며 취수탑 수직구내의 시추공에 피 압수가 유출되어 양수에 의한 수위 조절이 이루어지고 있었다. 시추공에서의 코아 회수율은 76~100%로 매우 양호하나, RQD는 0~70%로 낮아 파쇄대가 잘 발달되어 있음을 보여준다(K-water, 2009a; K-water, 2011).

모델 구축

지하수 유입을 차단하기 위한 그라우팅의 효과를 평 가하기 위하여, 취수용 수직구를 포함한 주변 사면과 저 수지측의 지반을 포함하여 모델 영역으로 설정하여 Modflow를 활용한 수치모델을 구축하였다(Fig. 4). 모델 영역은 332 × 316 m로서 격자의 크기는 그라우팅의 효 과 범위가 고려될 수 있도록 굴착 지역은 2 × 2 m, 외부 는 이보다 크게 설정하였다. 매질의 수리전도도는 현장 시추공(NBH-10 및 NBH-11) 및 주변 시추공에서 취득 된 값을 토대로 구간별로 달리 적용하였다. 정류상태 모 델에 적용된 저수지의 수위는 175.0 El.m로서 부정류상 태에서는 저수지 수위를 다양하게 적용하여 저수지 수 위에 따른 지하수 유입량을 모사하였다. 취수탑 수직구 Fig. 2. View of the construction site.

Fig. 3. Plan view showing the drilling location and grouting line.

Fig. 4. (a) Distribution of grids in the model and (b) vertical distribution of hydraulic conductivity.

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는 배수경계로 설정하였으며 Table 1과 같이 시간에 따 른 굴착 및 그라우팅 일정을 모델에 반영하였다. 당초 설계에서 굴착은 2단계로 구분하여 계획되었는데, 1단 계는 상단 굴착 공정으로서 저수지의 저수위(150.0 El.m) 부근인 148.6 El.m까지는 2열의 차수그라우팅을 선시공한 후 굴착토록 하였고, 2단계는 하단 공정으로 서 그라우팅 없이 굴착만 진행하는 것으로 계획하였다 (K-water, 2009b). 상부의 차수그라우팅은 구경 50 mm 천공으로 시멘트밀크(포틀랜드 시멘트)를 상향식으로 주 입토록 계획하였으나, 본 연구에서는 하단부 굴착 이후 지하수 유입이 우려되므로 하단부에 그라우팅을 추가할 경우의 지하수 유입량을 평가하고자 3단계로 시공을 구

분하여 모델을 수행하였는데, 그라우팅 처리 구간은 수 평유동차수벽(HFB package)을 적용하고 126.0 El.m까지 굴착되는 구간은 배수경계(Drain package)를 적용하였다 (Table 1).

그라우팅 효과 예측 및 평가

정류상태의 지하수 흐름은 산악지역에서 저수지 방향 으로 발생하고 있음을 알 수 있으나(Fig. 5(a)), 작업 공 정에 따라 그라우팅 및 굴착이 진행되면서 수직구 주변 으로 지하수위 변화가 Fig. 5(b)와 같이 급격히 발생하 는 것으로 예측되었다. Fig. 5(b)는 조사 당시 굴착 표 Table 1. Input conditions for the drain package during the excavation and grouting period.

Time (day) Drain elevation (El.m) Conductance (m²/d) Construction stage in a model

0 - 90 148.6 4 Pre-grouting (to 148.6 El.m) and excavation

90 - 180 126.0 4 Excavation (from 148.6 to 126.0 El.m)

180 - 3,650 126.0 0.01 Grouting (to 126.0 El.m)

Fig. 5. Changes in groundwater flow around the selective intake structure according to excavation and grouting. (a) Before excavation, (b) 90 days after excavation and grouting (excavation and grouting levels: 148.6 El.m), (c) 180 days (excavation level: 126.0 El.m), (d) 210 days (excavation and grouting levels: 126.0 El.m), and (e) 365 days (after grouting completion).

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고인 172.0 El.m 지점에서 148.6 El.m까지 2열의 차수 그라우팅을 선 시행한 후 지반 굴착을 수행하는 경우로 서 약 90일이 경과한 시점에는 지하수 수두 구배에 의 하여 흐름이 수직구로 집중되는 현상을 보인다. Fig. 5(c) 는 이후 126.0 El.m까지 굴착이 이루어졌을 때인 180일 경과한 시점에서의 지하수 수위로서 굴착에 따라 지하수 위가 보다 깊어졌음을 알 수 있다. Fig. 5(d)는 210일이 경과한 시점의 예측으로서 126.0 El.m까지 그라우팅이 이 루어진 경우로서 Fig. 5(c)에 비하여 지하수위가 다소 높 아졌음을 알 수 있다. 반면에 그라우팅이 완료된 후 155 일이 경과된 365일 시점에서의 수직구에서의 지하수위 는 상당부분 회복되는 것으로 나타났다(Fig. 5(e)).

굴착과정에서 수직구내로 유입되는 지하수 유입량을 저수지의 수위 조건별로 예측하였다(Table 2). 저수지 수 위가 175.0 El.m인 경우(선그라우팅후 굴착이 이루어진 경우) 90일 경과시까지 약 50 m³/d의 지하수가 유입되

나, 이후 126.0 El.m까지 굴착이 진행되는 기간에는 약 445 m³/d의 지하수가 유입되며, 이후 하부까지 그라우팅 이 이루어진 경우는 약 58 m³/d의 지하수가 유입되는 것으로 나타났다. 반면에, 저수지 수위가 198.0 El.m로 높게 유지되는 경우에는 각각 92 m³/d, 754 m³/d 및 96 m³/d의 지하수 유입이 발생하는 것으로 해석되었다. 본 예측 결과에 의하면 그라우팅을 실시할 경우 지하수 유 입을 차단하는 효과가 뚜렷하여 그라우팅 미실시에 비 하여 약 13% 수준으로 유입량이 감소함을 알 수 있다.

반면에, 그라우팅이 이루어지지 않은 90~180일 기간에 는 지하수 유입량이 급격히 증가하는 것으로 나타났다.

아울러, 저수지 수위 조건에 의한 유입량 변화를 평가한 결과, 고수위로 유지되는 경우의 지하수 유입량이 저수 위인 경우에 비하여 1.6~1.7배 정도 증가되어 시공 중 저수지의 수위 관리도 필요한 것으로 나타났다.

Table 2. Groundwater inflow estimated using a numerical model for each case of reservoir water level and excavation schedule.

Time (days)

Reservoir level (El.m) and water inflow (m³/day)

Remarks 175 El.m 180 El.m 185 El.m 190 El.m 198 El.m

30 49.64 58.52 67.42 76.36 90.63

• Pre-grouting (172~148.6El.m) and Excavation (to 148.6El.m)

60 49.83 58.96 68.06 77.14 91.57

90 49.78 58.98 68.13 77.23 91.67

120 454.48 518.52 583.33 648.54 753.47

• Excavation (148.6~126El.m)

• No grouting

150 444.71 511.27 578.33 645.59 753.23

180 444.58 511.45 578.75 646.22 754.07

210 109.52 116.5 123.95 130.78 142.71

• Grouting (146.6~126El.m)

240 58.49 66.6 75.23 82.75 96.07

273 58.31 66.37 75.00 82.54 95.94

303 58.27 66.33 74.95 82.51 95.91

334 58.26 66.32 74.94 82.49 95.90

365 58.25 66.32 74.93 82.48 95.89

730 58.25 66.32 74.92 82.46 95.87

1095 58.25 66.31 74.92 82.46 95.86

1460 58.25 66.31 74.92 82.45 95.85

1825 58.25 66.31 74.91 82.45 95.85

2190 58.25 66.31 74.91 82.44 95.84

2555 58.25 66.31 74.91 82.44 95.84

2920 58.25 66.31 74.91 82.44 95.84

3285 58.25 66.31 74.91 82.44 95.84

3650 58.25 66.31 74.91 82.44 95.84

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토 론

위에서 언급한 바와 같이 당초 설계에서는 148.6 El.m의 하단부에 대한 그라우팅이 계획되어 있지 않았 으나, 그라우팅을 고려한 모델 결과는 그라우팅에 의한 차수가 필요함을 보여주었다. 즉, 126.0 El.m까지 선 그 라우팅을 수행한 이후에 굴착이 진행되어야 최대 96 m³/d 이하의 지하수 유입량이 수직구 단면을 통하여 발 생하는 것으로 예측되었으며, 상대적으로 유입수의 배수 처리가 용이할 것으로 파악되었다. 따라서, 본 모델의 예 측 결과를 토대로 148.6 El.m 하부의 2단계 굴착 이전 에 126.0 El.m까지 시험그라우팅을 실시하고 검증을 거 친 이후에 추가 굴착을 수행토록 제안하였다. 실제 시공 과정에서는 취수탑 수직구내 그라우팅 처리에 따른 루 전(Lugeon) 기준치는 콘크리트댐의 차수 기준에 준하는 1~2 LU을 적용하여 그라우팅의 효과를 평가하였다(K- Water, 2008).

실제 현장 시공 과정에 취수탑 수직구에서 발생된 지 하수 유입량은 Fig. 6과 같다. Fig. 6(a) 및 (b)에서 보 는 바와 같이, 저수지 수위 변화에 비례하여 지하수 유 입량에 변화가 발생하고 있음을 알 수 있으며, 일부 강 우의 영향을 받아 유입량이 부분적으로 증가함을 알 수 있다. 이와 같은 결과는 모델에서 저수지 수위가 증가함 에 따라 지하수 유입량이 증가할 것이라는 분석 결과와 유사하게 나타났다.

Fig. 6(a)에서 보는 바와 같이, 2011년 9월 15일경 약 162 El.m까지 굴착이 이루어진 후에 지하수 유입량이 증 가하였으며 이 때의 저수위는 약 188 El.m의 값을 보였 다. 이후 2012년 7월 7일 경 수직구의 기저인 126.0 El.m까지 굴착함에 따라 지하수 유입량이 지속적으로 감 소하는데, 지하수 유입량과 저수지의 수위는 0.86의 높

은 Pearson 상관계수를 보이고 있다. 이후에는 저수지 수위 상승으로 지하수 유입량이 증가함을 알 수 있다.

저수지의 수위 조건과 지하수 유입량을 모델과 실측 값을 토대로 비교해 보면 다음과 같다. 저수지 수위가 185.0 El.m인 경우의 모델 예측에 의한 지하수 유입량은 약 68~75 m³/d, 실측 지하수 유입량은 약 90~100 m³/d 로 약간 높게 나타났으며, 저수지 수위가 180.0 El.m인 경우에는 모델 예측값이 약 59~66 m³/d, 실측값이 약 60~70 m³/d의 범위를 보였다. 또한, 저수지 수위가 175.0 El.m인 경우에는 모델 예측값이 약 50~58 m³/d, 실측값이 약 45~55 m³/d로 나타났으며, 저수지 수위가 더 낮은 경우는 모델에서는 고려되지 않았으나 실측값 이 약 30 m³/d까지 낮아졌다. 즉, 저수지 수위가 높을 경우에는 모델 예측값이 다소 낮게 나타났고, 저수지 수 위가 낮을 경우에는 두 값이 유사한 것을 알 수 있다.

이와 같이 고수위시 예측 결과의 차이는, 파쇄대가 상대 적으로 발달한 상부 지층의 수리전도도 값의 불확실성 및 다양성, 상부 풍화암 구간의 그라우팅 효과, 상부 지 층을 통한 저수지 물의 유입 증가, 풍수기 산악 지역에 서 충전된 강우 기원의 지하수 유입 증가 등이 원인으 로 추정된다.

수직구는 작업 공간이 협소하고 장기간 굴착 공사가 진행되므로 작업자의 안전 확보 및 가시설의 안정성 확 보를 위하여 차수 그라우팅이 필수적으로 요구된다. 또 한, 본 시설물은 소양강댐 저수지와 직접 접하고 있어 수압이 작용하는 관계로 철저한 차수가 필요하다. 본 연 구에서 제시된 예상 유입량은 실제 현장에서의 유입량 과 매우 유사하게 나타나고 있어 모델링을 통한 차수 효과의 평가가 유용한 것으로 해석되었다. 그러나, 상부 지층에서의 예상 유입량이 실제 유입량과 일부 차이를 보이는 등 보다 정확한 예측을 위해서는 본 연구에서 Fig. 6. Variations in (a) groundwater inflow to the vertical shaft and (b) reservoir water level during the excavation period.

(7)

수행된 7개소 외에 추가적인 시추 및 수압 시험 등이 시행되어 매질의 특성 자료를 보다 많이 취득할 수 있 다면 본 연구 결과보다 개선된 결과가 도출될 수 있을 것으로 본다.

결 언

대규모 저수지 사면부에서 선택취수설비의 수직구를 굴착하는 경우에는 저수지 및 주변 지역에서의 지하수 유입량에 대한 예측과 그라우팅시의 차수 효과에 대한 평가가 시공 안정성 확보 등을 위하여 필요하며, 본 연 구에서는 소양강댐 선택취수설비를 대상으로 Modflow 수치모델을 활용한 효과 예측 및 실측 자료와의 비교를 실시하고 다음과 같은 결론을 도출하였다.

첫째, 취수탑 수직구의 굴착이 진행되면 지하수 흐름 방향이 수직구를 중심으로 방사상으로 집중되어 물의 유 입이 발생하게 된다.

둘째, 당초 설계에서 148.6~126.0 El.m 구간에는 그라 우팅이 계획되어 있지 않았으며, 이 경우 수직구 내로의 지하수 유입량을 수치모델로 예측한 결과 445~754 m³/d 로 매우 높아 굴착시 배수 처리에 어려움이 예상되었다.

셋째, 이들 구간에 그라우팅을 처리하는 경우에는 지 하수 유입량이 58~96 m³/d로 현저히 감소되는 것으로 모델을 통하여 예측되었으며, 시공 중에 계측된 실제 지 하수 유입량도 30~100 m³/d의 범위로 나타나 모델 결과 와 유사하였다.

이와 같이, 수치모델링을 활용한 선택취수설비의 수 직구내로의 지하수 유입량 예측이 그라우팅 유무에 따 라 큰 차이를 보이고 실제 계측 결과와 유사한 것으로 나타나 시공 현장에서의 모델의 적용성이 유용한 것으 로 평가되었다.

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원고접수일 : 2013년 7월 25일 수정본채택 : 2013년 9월 23일 게재확정일 : 2013년19월 23일

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