A Study on Hydraulic Characteristics of Rock Joints Dependant on JRC Ranges

In order to characterize hydraulic property dependant on join roughness in rock mass, this study computed permeability coefficients on each range of joint roughness coefficient (JRC) suggested by Barton(1976). For a quantitative analysis of roughness components spectral analysis using the fast fourier transform was performed to select effective frequencies on each PC range. The results of spectral analyses show that low ranges of the JRC are mainly composed of low frequency domain, while high ranges of the JRC have dominant components at high frequency domain. The inverse Fourier transform made it possible to generate joint models of each JRC range using the effective frequencies of roughness spectrum. The homogenization analysis was applied to calculate permeability coefficient at homogeneous microscale, and then, computes a homogenized permeability coefficient (C-permeability coefficient) at macro scale. Therefore, it is possible to analyze accurate characteristics of permeability reflected with local effect of facture geometry. According to the calculation results, permeability coefficients were distributed between $10^{-3}m/sec\;and\;10^{-4}/sec$. In cases of sheared joint models permeability coefficients were plotted between $10^{-4}m/sec\;and\;10^{-5}/sec$, showing irregular distribution of permeability coefficients on each IRC range. The differences of permeability coefficients for the same aperture models or for the sheared joint models indicate that changes of roughness pattern influence on permeability coefficients. Therefore, the effect of joint roughness should be considered to characterize hydraulic properties in rock joints.

JRC 등급에 따른 절리면 수리특성 연구

이 연구에서는 암반 내 절리면의 거칠기 정도에 따른 수리특성의 차이를 규명하고자 Barton(1976)이 제안한 절리면 거칠기 계수(Joint Roughness Coefficient; JRC) 등급별로 투수계수를 산정하였다. 이를 위하여 JRC등급 형태별로 고속퓨리에 변환을 이용한 스펙트럼 분석을 실시하여 각 거칠기 등급별로 영향력 이 큰 주파수 성분을 추출하였다. 스펙트럼 분석결과 낮은 JRC 등급을 갖는 절리들이 높은 등급의 절리들보다 저주파 성분이 더 강하게 구성되어 있으며, 높은 JRC등급의 절리들은 상대적으로 고주파 성분이 더 크게 차지하는 것을 알 수 있었다. 스펙트럼 성분 중에서 영향력이 큰 주파수 성분만을 이용하여 퓨리에 역변환을 실시해 JRC 등급별 절리 모델을 생성하였다. 생성된 절리 모델은 거칠기 성분을 포함한 모델로써, 균질화 해석기법을 이용하여 각 모델의 투수계수를 산정하였다. 균질화 해석법은 섭동이론을 적용한 것으로서, 미시규모(microscale) 매질특성과 거시규모(macroscale) 매질특성을 동시에 고려하여 투수계수를 계산할 수 있으므로 균열 기하양상의 국부적 영향을 고려한 투수특성을 정확히 해석할 수 있다. 균질화 해석법을 이용해 투수계수를 산정한 결과, 절리 간극이 동일한 평행판 모델을 가정한 JRC 등급별 투수계수는 $10^{-3}\~10^{-4}m/sec$의 범위에 분포한다. 반면, 전단변형이 발생한 것을 가정한 모델에서는 $10^{-4}\~10^{-5}m/sec$의 범위에 투수계수가 분포한다. 이 경우는 투수계수 분포가 일정한 변화양상을 보이지 않고 JRC등급에 따라 불규칙적인 투수계수 분포를 보인다. 동일한 크기의 간극을 갖는 경우임에도 불구하고 JRC 등급별로 투수계수의 차이가 발생하거나 전단변위에 따라 투수계수가 불규칙적으로 분포하는 것은 거칠기 변화가 투수계수의 변화에 영향을 미침을 지시하는 것으로서, 이 연구를 통해 암반내 절리 등 균열을 따른 수리특성 규명에 있어 절리면 거칠기의 영향은 반드시 고려되어야 함을 알 수 있다.