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균열망의 기하학적 특성이 암반의 수리전도도에 미치는 영향에 대한 수치해석적 연구
Numerical Study on the Effect of Geometric Characteristics of Fracture Network on the Hydraulic Conductivity of a Rock Mass

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Authors
방상혁
Advisor
전석원
Major
지구환경시스템공학부
Issue Date
2012-02
Publisher
서울대학교 대학원
Abstract
DFN(Discrete Fracture Network, 균열망) 기법은 균열 암반의 수리적 특성을 모사하는데 널리 사용되어 왔다. 이는 암반의 수리전도도에 영향을 미치는 가장 중요한 요소가 균열의 기하학적 특성이기 때문이다. 그러나 현재까지 균열의 기하학적 특성이 암반의 수리전도도에 미치는 영향에 대한 기초 연구는 매우 미흡한 실정이다.
이 연구에서는 결정질 암반의 수리적 특성을 분석하기 위하여 암반의 등가수리전도도를 추정할 수 있는 2차원 및 3차원 DFN 프로그램을 개발 및 검증하였다. 그리고 균열망 모델에 관한 기초연구가 거의 없는 점을 고려하여 길이나 간극의 크기가 작은 균열이 암반의 수리적 특성에 미치는 영향, 경계효과가 암반의 수리적 특성에 미치는 영향, 균열의 기하학적 특성에 따른 등가수리전도도의 대표요소체적 변화 및 2차원 및 3차원 균열망 해석의 결과 차이 등에 대해 연구하였다. 그리고 최근 제시된 균열의 길이와 간극의 상관성 이론 및 균열망 내 사다리꼴 채널 이론을 개발한 균열망 프로그램에 적용한 후 실제 현장에 적용하여 이 이론 및 개발한 프로그램의 정확성을 검증하고자 하였다.
균열의 평균 길이, 발생영역, 해석영역을 변화시켜가며 수리균열의 밀도 변화를 고찰한 결과, 균열의 발생영역이 해석영역과 유효최대크기의 두 배의 합인 경우에 경계효과를 모두 고려할 수 있었다. 균열의 평균길이, 간극의 평균 및 표준편차, 체적밀도 변화에 따른 대표요소체적 크기의 변화를 고찰하여 암반의 등가수리전도도에 영향을 미치는 영향 정도를 분석한 결과, 균열의 평균길이, 평균간극 및 체적밀도는 대표요소체적의 크기와 음의 상관관계를 가지며, 균열 간극의 표준편차는 양의 상관관계를 갖는 것으로 나타났다. 다중회귀분석을 실시한 결과 대표요소체적의 크기에 미치는 영향은 균열의 체적밀도, 평균길이, 간극의 표준편차, 평균 간극의 순으로 나타났으며 이를 하나의 분석식으로 제시하였다. 균열망 모델에서 2차원 및 3차원 해석의 결과를 비교한 결과, 2차원 균열망 모델은 3차원 균열망 모델에 비해 등가수리전도도를 과대평가하며, 대표요소체적의 크기는 작게 나오는 것으로 관찰되었다. 또한 암반이 이방성을 보일 때, 3차원 해석에서보다 2차원 해석에서 이방성이 더 크게 나타나는 것으로 관찰되었다.
마지막으로 대전 한국원자력연구소 내의 지하처분실증연구시설을 대상으로 이 연구에서 개발한 프로그램을 사용하여 해석을 실시하였다. 이를 통해 대상 시설의 암반의 등가수리전도도 및 등가수리전도도의 대표요소체적, 지하처분연구시설 내의 지하수 유입량 등을 계산하였다. 분석 결과 대상 시설의 등가수리전도도와 지하수 유입량의 해석을 통한 추정 결과가 현장에서 조사한 결과와 유사한 것으로 나타났다. 한편 등가수리전도도의 대표요소체적 크기와 지하수 유입량의 대표요소체적 크기는 같은 값으로 나타났다. 따라서 3차원 균열망 모델을 통해 터널 내 지하수 유입량을 추정할 때에는, 터널 벽면에서 모델의 경계면까지의 거리가 등가수리전도도의 대표요소체적 크기 이상이 되어야한다고 판단하였다.
이 연구에서 실시한 기초 연구들은 추후 DFN 연구에 도움을 줄 수 있을 것으로 판단되며, 균열의 길이와 간극의 상관성 이론 및 균열망 내 사다리꼴 채널 이론을 적용한 DFN 프로그램의 현장 적용 및 검증은 개발한 DFN 프로그램을 이용하여 실제 터널 내 지하수 유입량을 예측하는 데 도움을 줄 것으로 판단된다.
Fractures in a rock mass play a dominant role in the mechanical and hydraulic properties of the rock mass. The dominant factors that influence on the groundwater flow in a rock mass are hydraulic and geometric characteristics of fractures. Discrete fracture network (DFN) approach has widely been used in order to evaluate the hydraulic characteristics of a fractured rock mass. However, there are little studies on the relationship between the three-dimensional (3D) fracture geometry and the hydraulic conductivity of a rock mass.
In this study, a DFN model was developed to simulate the hydraulic conductivity of a rock mass. The model used the 2D and 3D DFNs, with the new assumptions for a correlation between lengths and apertures of fractures, and a trapezoid flow path in fractures. These assumptions which existing studies have not considered could make the developed model more practical and reasonable. And then, the numerical studies on the effect of geometric fracture properties on the hydraulic behavior of rock masses were carried out using this model. To avoid the boundary effect, the parent domain size was set to be larger than the sum of the analysis domain size and two times of the effective maximum fractures size. The representative elementary volume (REV) for the hydraulic conductivity of a rock mass seems to increase with decreasing mean length, mean aperture and density of fractures or increasing standard deviation of fracture apertures. The REV does not seem to exist for some rock masses having fracture network with low density and small length. Hydraulic conductivity tensors estimated in 2D analysis were larger than them in 3D. And a REV size in 2D analysis was larger than that in 3D. Therefore, 2D DFN seemed to overestimate hydraulic conductivity of a rock mass comparing with 3D DFN.
Finally, the hydraulic characteristics of the granite rock mass at the KAERI Underground Research Tunnel (KURT) were simulated in order to evaluate the three-dimensional equivalent hydraulic conductivity tensors, the representative elementary volume and the groundwater inflow into the KURT. The developed discrete fracture network model had the capability of determining the REV size for the rock mass with respect to the hydraulic behaviour and estimating the groundwater flow into the tunnel at the KURT.
Language
kor
URI
http://hdl.handle.net/10371/156665

http://dcollection.snu.ac.kr:80/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000000001310
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College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Energy Systems Engineering (에너지시스템공학부)Theses (Ph.D. / Sc.D._에너지시스템공학부)
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