공벽 유지장치를 이용한 미고결 충적층의 수리특성 평가

Using a Borehole Stability Device for Hydraulic Testing in Unconsolidated Alluvium

Abstract

충적 대수층의 수리지질특성 시험을 위한 충적층 공벽 유지장치를 개발하여 변수위법 투수시험(Falling Head Test) 및 순간 충격시험(Slug Test)을 수행하였다. 모래, 자갈을 비롯한 실트층이 주를 이루는 국내 충적층 수리시험은 시험구간의 공벽유지와 시험 중 토사층의 공벽붕괴가 지속적으로 발생하여 투수시험과 순간충격시험 등의 수리시험 수행에 많은 어려움을 겪고 있다. 이에 본 연구는 개공율이 안정적인 필터가 장착된 공벽 유지장치를 시험공에 삽입하여 시험구간 공벽붕괴를 최소화하고 시험시 정확한 단위면적의 산출로 토사층에서의 수리시험 신뢰성을 증대하고자 하였다. 연구결과 기존의 변수위법 투수시험에 의한 투수계수는 8.82 × 10⁻⁵m/sec로 산출되었으며, 동일한 지층, 심도, 시간적인 조건에서 상기 공벽 유지장치 설치 후 투수시험 결과는 4.00 × 10⁻⁴m/sec로 나타나 최대 4.5배 가량의 투수계수 증가현상을 보인다. 이는 시추굴진 중 발생된 세립질의 슬라임이 투수시험 시 시험구간에 피복 또는 충전되어 토사층의 투수성을 저하시키고 시험구간 형성과정에서 최초 원기둥 형태의 시험공벽이 점진적인 붕괴로 인해 토사로 충전되고 시험구간 면적감소에 기인한 현상으로 판단된다. 본 연구는 미고결 충적층의 공벽 유지장치를 현장에 적용하여 시험구간 굴진 시 발생되는 점착력이 낮은 모래, 자갈층의 공벽붕괴에 따른 시험면적 변화가 투수성에 미치는 영향을 평가한 연구로써, 충적 대수층 수리특성 평가의 신뢰성 및 적용성 개선을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 예상된다.

Hydraulic falling head and slug tests were carried out in an alluvium aquifer using a borehole stability device. The hydraulic testing had proved difficult in alluvial formations of sands and gravels due to borehole collapse and unstable borehole walls within the test section. This study aims to improve the hydraulic test results by using a borehole stability device. The device can minimize the collapse of borehole walls, and the use of a filter with a constant opening ratio improves the calculations per unit area of the test section. Permeability obtained from the falling head test without a borehole stability device was 8.82 × 10⁻⁵m/sec. When the borehole stability device was installed in the same test section the measured permeability increased to 4.00 × 10⁻⁴m/sec, which is 4.5 times that obtained without the borehole device. The relatively low permeability obtained using the conventional test method is attributed to the presence of a fine-grained slime generated during drilling and a reduction of the test area in the test interval due to a gradual collapse of the borehole walls. This study considers how the use of a borehole stability device to prevent borehole collapse can influence the results of hydraulic tests in alluvial formations. It is expected that the results can be used as a basis for improving the reliability and applicability of hydraulic tests performed in alluvial aquifers.

서 론

대수층의 수리전도도와 투수량계수의 분포는 대수층을 통한 지하수유동특성을 파악하는데 필수적인 인자이다. 충적층을 대상으로 하는 수리시험 방법은 양수, 주입시험을 비롯하여 순간충격시험(Slug test), 현장투수시험(Falling head test)이 대표적이다. 상기 방법 중 현장 투수시험 및 순간충격시험은 시험방법의 편이성과 시추조사 굴진 중 수리적 특성규명을 요하는 대상 지층에 구간별 시험이 용이하다는 장점을 가진다. 이에 국내 충적층의 수리지질조사 동향은 대상 심도별 시험의 용이성을 고려하여 충적층의 지층별 수리 특성 평가 시 투수시험과 순간충격시험을 주로 실시하고 있다(Nagy et al., 2013; Jeoung et al., 2006; Boersma, 1965). 현장시험을 통해 산출된 수리특성 결과는 교량기초공사, 하천보/제방공사 및 강변여과수개발 등의 충적층을 대상으로 하는 지하수 개발 및 공사에 주요 설계인자로 사용되고 있다.

국내 수변지역 충적층은 미고결층이라는 특수성 때문에 현장조사나 평가결과에 대한 신뢰도가 낮다. 특히 주 대수층을 이루는 모래자갈층의 조사 시 시료의 회수율이 매우 불량하며, 수리시험은 공벽붕괴로 시험구간확보에 어려움이 따른다. 조사공 공벽의 안정성을 높이기 위한 약품(폴리머 등의 이수재) 주입 역시 수리시험 결과에 대한 신뢰성 저해요인이 되고 있다(MOLIT/KAIA, 2011). 또한 모래, 자갈 및 실트성분이 주를 이루는 국내 충적층의 토질구성은 퇴적환경의 특성에 따라 심도별 지층변화가 상이하여 다양한 입도분포 특성을 나타내기 때문에 지역적 퇴적환경을 고려한 지층/토질구성별 수리특성 평가가 요구된다. 그러나 충적 모래와 자갈층에서의 수리시험은 구성토의 낮은 점착력으로 인한 시험구간의 연속적인 공벽붕괴로 시험구간의 확보에 어려움이 따르고 시험면적의 정확한 산출이 불가하여 시험결과의 신뢰성을 저하시키는 요인이 된다(Fig. 1).

Fig. 1.Schematic diagram showing soil collapse in the test hole: (a) drilling of test hole, (b) rod recovery and borehole collapse, and (c) water flow in the test section.

본 연구에서는 이러한 충적층의 현장시험 적용환경을 고려하여, 모래와 자갈이 우세하게 분포하는 충적층 지역에서의 시험공 공벽붕괴 방지를 위한 장치개발을 통해 미고결층에 대한 수리시험의 신뢰성을 높이고 시험결과의 정확도를 향상시키고자 하였다.

 

연구방법

연구지역 및 지층특성

공벽 유지장치를 이용한 현장 수리시험은 경상남도 의령군 낙서면 일원에 위치한 낙동강 지류에서 수행되었으며, 수리시험지역은 충적분지와 충적선상지가 교호하는 지역으로 자갈 섞인 중/조립의 모래가 혼재하는 퇴적양상을 보인다(Fig. 2). 자갈의 직경은 4~64 mm로 잔자갈을 비롯하여 256 mm 이상 표력(대력) 크기의 다양한 분포 양상을 나타내고 64~256 mm의 왕자갈이 우세하게 분포한다. 시험지층 및 심도는 표준관입시험(Standard Penetration Test)을 통해 50 cm 간격의 지층분포를 확인하여, 투수성이 양호하고 자갈과 모래가 우세하여 굴진용 롯드(rod)제거 직후 시험공의 붕괴가 예상되는 지층을 대상으로 하였다.

Fig. 2.Test bed for the hydraulic test and soil type.

공벽 유지장치의 구성

본 시험을 위해 개발된 ‘충적층 공벽 유지장치(Hydroguard)’는 일반적으로 점착력이 매우 낮은 모래와 자갈층을 대상으로 공벽의 붕괴를 최소화하고 슬라임에 의한 시험구간 막힘 현상을 방지하기 위한 장비로써, 절개형 롯드에 장착하여 시험구간심도에 삽입이 가능하도록 설계하였다. 필터는 시험대상 토층의 투수능력 및 입도특성에 따라 시험시 대상지층의 투수성에 영향을 미치지 않고 차별 적용이 가능하도록 25%와 30%의 개공율를 갖는 필터를 제작하였다(Fig. 3 (a)). 지하수유동은 입자사이에 발달하는 공극을 통하여 이루어지기 때문에, 필터의 개공율은 대수층의 공극율을 고려하였다. 일반적인 모래와 자갈 혼합층의 공극율은 20~35%로 제시되고 있으며(Fetter, 2001), 자유면 대수층의 공극율은 25%로 가정하고 있다. 따라서 본 연구에서 개공율은 25%와 30%의 개공율을 설정하였다.

Fig. 3.Hydro-guard equipment: (a) Hydro-guard design diagram, (b) filter injection system, (c) hydraulic test section, (d) test length of Hydro-guard, and (e) assembled system components.

공벽 유지장치는 크게 3가지 요소로 구성되며, 요소별 기능은 다음과 같다. 첫 번째 요소는 최하단부에 굴진과 시험중 슬라임에 의한 시험부 충전(막힘)현상 방지를 위하여 슬라임 포집부가 위치한다. 이는 필터를 통해 유입된 슬라임이 시험구간 하부 슬라임 포집부로 침전하게 되어 시험구간에서의 투수성 저하현상을 방지한다. 중앙부는 시험구간 공벽을 유지하기 위한 롯드 절개부와 필터부로 구성되며, 개공율 확보를 위하여 필터(Fig. 3 (b))는 와이어 프레임과 개공판으로 제작하였다. 개발품의 최상부는 굴진용 롯드와 공벽 유지장치와의 연결부로써 연결된 롯드 내부로 순간충격 시험용 더미(dummy) 또는 시험수의 주입 및 양수가 이루어진다(Fig. 3 (e)).

현장시험 방법

현장 수리시험을 위한 미고결 충적층 공벽유지장치(Hydro-guard)의 적용에 따른 투수성 향상 효과와 현장 적용성 개선효과를 비교 분석하기 위하여 시험지역에 시험공을 굴착하여 모래와 자갈이 우세한 지층을 대상으로 일반적인 현장 투수시험과 순간충격시험을 실시하고 동일 지점에 개발된 장치를 설치한 후, 동일시험을 실시하였다. 시간에 따른 수위변화는 자동수위 측정장치를 사용하여 자동 관측하였으며 측정값은 ±2mm의 오차범위를 가진다. 수리시험은 2차에 걸쳐 변수위법 현장 투수시험과 순간충격시험을 각각 3회씩 총 24회 실시하여 시간에 따른 수위변화를 관찰하였다. 1차 시험은 공벽유지장치 적용 전 해당 시험공 casing에 시험수 및 slug를 주입/삽입하여 시간에 따른 수위 강하를 측정하였으며, 공벽유지장치 적용 후 수리시험은 개발장치와 연결된 롯드 상부로부터 주입수와 slug를 주입하여 수위변화를 유발하였고, 2차 시험은 상기 방법의 순서를 전환하여 실시하였다(Fig. 4). 또한 시험구간의 붕괴를 확인하기 위하여 수리시험 전 더미(dummy)를 이용하여 공벽의 유지 상태를 확인하였다. 공벽상태 확인은 기존방법시험 전과 공벽유지장치 후 시험 전에 수행하였으며, 일부 공벽이 붕괴된 경우는 시험공의 reaming작업으로 같은 시험조건을 유지하였다.

Fig. 4.Procedure for hydraulic testing: (a) 1st test flow and (b) 2nd test flow.

Table 1.Conditions of the in situ hydraulic tests.

 

연구결과

시험구간 공벽 확인결과

대수층 시험구간의 공벽유지 상태를 확인한 결과, 시험구간 굴착 롯드의 인양직후 300 mm 깊이의 시험구간은 각각 80, 120 mm를 제외한 하부구간의 붕괴가 발생하였다. 이는 굴진 시 형성된 원기둥형태의 시험공동이 롯드의 인양과 동시에 주변 토사층의 낮은 점착력으로 인해 일부시험구간이 붕괴되는 현상으로 수리시험의 신뢰도를 저하하는 요인으로 고려하였다. 공벽의 붕괴현상은 투수면적의 상이성을 초래하여 수리상수 해석결과의 차이를 나타내는 것으로 해석하였다.

Fig. 5.Installation of the Hydro-guard and water injection method.

Fig. 6.Schematic diagram of borehole walls: (a) 1st test section before Hydro-guard installation, (b) 1st test section after Hydro-guard installation, (c) 2nd test section before Hydro-guard installation, and (d) 2nd test section after Hydro-guard installation.

개발 장치의 삽입이후 공벽 유지상태는 부분적인 슬라임의 유입으로 개공구간 하부 슬라임 포집부에 약 50 mm 내외의 침전물이 확인되었으나 시험수의 유출입이 일어나는 구간은 완벽한 나공상태가 확인되었다.

시험구간 지층특성

상기 수리시험은 지표 하 5 m 지점에서 실시하였으며 시험구간 시료의 실내 Sieve Analysis의 입도분석결과, 해당심도의 대수층은 소량의 실트성분이 함유된 자갈 및 입도분포가 우세한 자갈이 주로 분포하였다(Fig. 7). 직경 4.75mm 이상의 자갈은 각각 47.5%와 45.5%로 분포하였으며, 직경 0.075 mm 이하의 실트 및 점토성분은 0% 내외의 구성비를 나타낸다. 또한 이들 시료는 각각 4~8 mm, 0.6~3 mm 입경의 토사 입자가 소량으로 분포하여 결손분포(gap graded) 형태의 곡선을 나타내고 있다. 이를 제외한 구간은 비교적 고른 입경분포를 나타내었다. 각 시험구간 토사의 비중(specific gravity)은 2.64와 2.67로 일반적인 자갈의 비중인 2.4~2.8범위에 속하여 시험목적의 일환인 고투수성 지층시험의 대표성을 만족하는 값을 보인다.

Fig. 7.Grain-size distribution curves of the test sections: (a) grain-size distribution of the 1st test section and (b) grain-size distribution of the 2nd test section.

Fig. 8.Results of the falling head test: (a) drawdown curves of the existing method and (b) drawdown curves after the installation of Hydro-guard.

수리지질특성 시험결과

현장투수시험 (Falling head test)에 의한 수리전도도 값은 다음 식에 의하여 도출하였다.

여기서 K : Coefficient of permeability

현장 투수시험결과, 시험구간 대수층은 공벽유지장치 미적용 시험의 수리전도도는 평균 8.82 × 10−5m/sec와 5.91 × 10−5m/sec으로 나타났으며, 공벽유지장치 적용후 시험결과는 각각 평균 4.00 × 10−4m/sec와 1.52 × 10−4m/sec로 나타났다. 공벽 유지장치 적용에 따른 수리전도도 산출결과는 Test-1 지역은 4.5배의 차이를 Test-2 지역은 2.6배로 나타내고 있다(Table 2). 1, 2차 시험위치 및 심도 변화에 따른 투수성 변화는 기존방법의 경우는 1.5배의 차이를, 공벽유지장치 후는 2.6배의 차이로Test-1 지점의 투수성이 Test-2 보다 소폭 크게 나타났다.

Table 2.Results of falling head test.

순간충격시험을 통해 획득한 시간에 따른 수위회복자료는 Hvorslev (1951)의 해석모델 식 (2)를 사용하여 수리상수를 도출하였다(Bouwer and Rice, 1976).

여기서 K : 수리전도도(m/sec)

Fig. 9.Results of the slug test (Hvoslevs method): (a) injection slug test after the installation of Hydro-guard and (b) slug test after the installation of Hydro-guard.

분석결과, 공벽 유지장치 적용 전 대수층의 투수성은 4.54 × 10−5~6.76 × 10−5m/sec로 나타났으며, 적용 후 투수성은 9.86 × 10−5~1.98 × 10−4m/sec로 나타났다(Table 3). 개발장치 적용에 따른 시험위치별 수리전도도의 분석결과 Test-1지역은 3.4배, Test-2지역은 2.1배의 차이로 투수능력 향상이 계측되었다. 시험위치에 따른 투수성차이는 기존방법의 경우는 1.1로 유사하게 나타나고, 공벽유지장치 후의 결과는 1.7배로 다소 높은 차이를 보였다.

Table 3.Results of slug test.

시험구간에 대한 수리전도도를 예측하기 위해서 Hazan의 경험식을 활용하였다(Fetter, 2001).

여기서 c : 1.0~1.5 (c = 1.2)

입자크기에 따른 투수계수는 기본적으로 필터로 사용하는 모래를 대상으로 Hazan이 관찰하여 제시한 것으로 정확도는 떨어지나 범위를 제시 할 수 있을 것으로 고려하였다. D10의 입력 자료는 Test-2 지역만이 유효하여, 이를 사용하여 도출한 경험식 결과는 1.2 × 10−2 cm/sec (1.2 × 10−4 m/sec)으로 공벽유지장치 설치 후에 계측된 수치와 유사하였다. 이러한 결과는 Fig. 6에서 확인된 시험공벽의 점착력불량에 따른 붕괴영향으로 시험구간이 축소되고 시험구간 굴진 중 발생한 일부 슬라임이 시험구간 공극을 피복과 충전하여 나타난 영향으로 판단된다.

 

결 언

본 연구는 국내 미고결 충적 대수층에서 적용되는 변수 위법 투수시험(Falling head test)과 순간충격시험(Slug test) 적용 시 점착력이 불량한 사질층의 시험공 공벽붕괴로 인한 수리특성시험 현장 적용불가 현상과 시험구간 변형에 따른 시험결과의 신뢰성을 개선하고자 미고결 충적층 수리시험을 위한 공벽 유지장치를 제작하여 현장시험의 적용성과 투수능력의 개선효과를 확인하고자 하였다. 상기 개발장치의 적용에 따른 시험구간 공벽유지로 해당 시험방법을 통해 산출 된 수리전도도는 약 2~4배 증가하는 양상을 나타내었다. 이러한 결과는 현장 시험시 충적층의 시험구간붕괴와 시추 슬라임의 시험구간 공극 충전에 기인한 영향으로 판단되며, 현장수리 시험시 시험공벽의 유지가 수리상수 산출에 미치는 영향을 정량적으로 평가하였다. 또한 교량 등의 토목공사를 비롯한 강변여과수 개발, 제방, 보, 댐 등의 설계시 수리인자가 사업의 성패를 좌우하는 공사에서 수리특성 규명을 위한 현장시험의 신뢰성과 정밀성의 확보가 중요한 요소임을 감안할 때, 본 연구 결과는 국내 현장 수리시험의 적용성 및 신뢰성 개선을 마련하는데 기초자료로 활용 가능하리라 판단된다. 상기 연구 결과는 국부적인 연구지역에서 도출된 한정된 자료이지만 향후 지속적 연구와 다양한 지역에서의 적용평가를 통해 개발 장치의 성능개선 및 시험/분석 방법의 효과규명을 보완하고자 한다.