수리지질 및 암반공학 지수 간 상관분석을 통한 절리암반 내 그라우트 주입성 예측 연구 동향: 리뷰논문

Trends in Predicting Groutability Based on Correlation Analysis between Hydrogeological and Rock Engineering Indices: A Review

Abstract

대형 댐 및 대심도 지하공간 개발에서 많이 시행되는 암반 그라우팅은 기초지반의 누수를 방지하여 안정성을 향상시키고 추가적인 재해를 방지하기 위해 사용되는 중요한 공종 중 하나이다. 대부분의 암반 그라우팅은 수리지질 및 암반공학적 지수들(RQD, Q-value, GSI, Js, Ap, Lu, SPI, and K)에 의해 영향을 받는다. 따라서, 안전하고 적절한 그라우팅 설계 및 시공을 위해서는 지질학자들의 정확한 기초 암반의 분석과 적절한 그라우팅 계획 수립이 필요하다. 해외의 경우 기초 암반의 수리지질 및 암반공학적 특성 분석과 그라우트 주입량(grout take, GT) 예측에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 주로 댐의 기초지반 분야에서 많은 연구가 수행되었다. 하지만, 국내의 경우 그라우트 주입재료 및 시공관리 기법에 대한 연구는 많이 수행되었으나 암반의 수리지질 및 암반공학적 특성을 고려한 암반 그라우팅 공법에 대한 연구는 미흡한 실정이다. 이에 본 리뷰에서는 암반 그라우팅 계획시 중요한 수리지질 및 암반공학적 지수들(RQD, Q-value, GSI, Js, Ap, Lu, SPI, and K)과 그라우트 주입량의 상관성 분석을 진행한 해외 연구 사례를 파악하고 국내의 암반 그라우팅 관련 연구의 발전방향을 제시하였다.

Rock-mass grouting plays a crucial role in the construction of dams and deep caverns, effectively preventing seepage in the foundations, enhancing stability, and mitigating hazards. Most rock grouting is affected by hydrogeological and rock engineering indices such as rock quality designation (RQD), rock mass quality (Q-value), geological strength index (GSI), joint spacing (Js), joint aperture (Ap), lugeon value (Lu), secondary permeability index (SPI), and coefficient of permeability (K). Therefore, accurate geological analysis of basic rock properties and guidelines for grouting construction are essential for ensuring safe and effective grouting design and construction. Such analysis has been applied in dam construction sites, with a particular focus on the geological characteristics of bedrock and the development of prediction methods for grout take. In South Korea, many studies have focused on grout injection materials and construction management techniques. However, there is a notable lack of research on the analysis of hydrogeological and rock engineering information for rock masses, which are essential for the development of appropriate rock grouting plans. This paper reviews the current state of research into the correlation between the grout take with important hydrogeological and rock engineering indices. Based on these findings, future directions for the development of rock grouting research in South Korea are discussed.

서론

수자원은 모든 산업의 기본이 되는 필수적인 자원으로 효율적인 이용을 위하여 많은 댐들이 건설되어져 왔다. 댐 건설에서 가장 중요한 공종으로 다루어지는 기초지반의 암반 그라우팅은 불연속면들의 틈을 메워주고 구조적 결함이 있는 부분을 보완하기 위하여 시행된다(Houlsby, 1991). 사업부지의 환경에 적합한 그라우팅 공사가 진행되지 않을 경우 댐 붕괴와 같은 중대한 재해를 유발할 수 있기 때문에 설계 및 시공 전반에 걸친 수리지질 및 암반공학적 조사와 분석이 필수적으로 수행되어야 한다(Afiri et al., 2020).

해외의 경우 그라우팅 계획 수립을 위한 주요 지수들 중 수리지질 및 암반공학적 특성 분석에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 주로 댐의 기초지반에서 많은 연구가 수행되었다. 일반적으로 암반에서 물과 그라우트 주입재의 흐름은 불연속면의 특성(간격, 틈새 등)에 따라 이방성을 보이기 때문에 그라우팅 과정에서 불연속면의 특성을 파악하는 것은 필수적이다(Fig. 1). 터키의 뮤티댐(Mut dam)은 석회암 지역에 건설되는 댐으로 시험 그라우팅을 수행하여 산정된 암질지수(rock quality designation, RQD), Q-value(rock mass quality), 지질강도지수(geological strength index, GSI), 불연속면 간격(joint spacing, Js), 불연속면 틈새(joint aperture, Ap), 루전(lugeon value, Lu), 2차 투수지수(secondary permeability index, SPI), 투수계수(coefficient of permeability, K)의 지수들을 통해 그라우트 주입량(grout take, GT)을 예측하는 경험식을 제안하였다(Kayabasi and Gokceoglu, 2019). 이란의 오스투르댐(Ostur dam)에서는 섬록암(diorite)과 안산암(andesite), 열수맥(hydrothermal vein)으로 구성된 기반암의 투수성 평가를 위해 2,739개의 절리를 분석하고 수압시험(water pressure test)에서 산정된 지수들과 그라우트 주입량의 상관관계 분석을 통해 최적의 차수그라우팅 설계방법이 연구된 바 있다(Sadeghiyeh et al., 2013). 수압시험으로 산정되는 Lu과 SPI는 암반의 투수성과 침투성을 평가하는 중요한 지수로 암반 그라우팅의 주입량과 상관관계가 있는 것으로 보고되었다(Houlsby, 1991; Yang, 2004; Panthi and Nilsen, 2005; Dou et al., 2020). SPI는 투수성에 따른 암반 분류 방법으로 기반암의 상세한 지질 정보와 함께 그라우팅 계획 수립에 활용할 수 있다(Jones et al., 2019).

Fig. 1. Schemaric depiction of jointed rock with a cubic network of hydraulic conductors of mean aperture and spacing (modified from Snow, 1968).

이에 반해, 국내의 경우 그라우팅 재료 및 시공관리 기법에 대한 연구는 활발히 수행되었으나 기반암의 수리지질 및 암반공학적 분석(RQD, Q-value, GSI, Js, Ap, Lu, SPI, and K) 결과를 토대로 암반 그라우팅 계획을 수립하고 검증할 수 있는 연구는 미흡한 실정이다. 상기의 이유로 인해, 기초지반의 수리지질 및 암반공학적 특성을 고려한 암반 그라우팅 계획이 적절히 이루어지지 않아 그라우팅의 실질적인 누수 방지효과와 안전성, 경제성에 대한 신뢰도가 낮은 실정이다.

본 리뷰에서는 암반의 수리지질학적 중요 지수들(Lu, SPI 등)과 암반공학적 특성들(RQD, GSI, Ap, Js 등)이 그라우트 주입량에 미치는 영향을 분석하기 위해 주요 지수들을 제시하고 지수들간 상관관계를 파악하였다. 또한, 댐 현장의 지반조사 및 시험 그라우팅을 수행한 해외연구 사례들의 연구 동향을 검토하고 현재까지 보고된 선행연구들의 한계점을 파악하여 향후 관련 분야 연구의 보완점에 대하여 논의하였다.

그라우트 주입량 예측을 위한 수리지질학적 지수

루전(Lugeon value)

수압시험은 시추공 내에 압력수를 주입하여 암반의 투수성을 조사하는 시험으로 식 (1)과 같이 1 Lu은 10 bar의 압력에서 시험구간(1 m)의 분당 주입량(L³/T)을 의미한다. Lu은 0에 가까워질수록 투수성이 낮은 것으로 해석할 수 있으며, 현장의 암종 및 수리지질 특성에 따라 수밀성을 평가하는 지표로 사용된다(Houlsby, 1991).

\(\begin{aligned}L u=\frac{10 Q}{P e \cdot L}\end{aligned}\)       (1)

여기서, Q는 주수량(L³/T), Pe는 유효압력(M ‧ L/T²), L은 시험 구간의 길이(L)를 의미한다. 수압시험에서 압력은 시험 압력에 의한 기반암의 파쇄와 교란을 방지하기 위해 총 5단계(Pe_min - Pe_mid- Pe_max - Pe_mid - Pe_min)로 적용된다. 일반적으로 댐건설 예정지에 투수성 암반이 분포하기 때문에 그라우팅을 비롯한 기초처리 공종이 요구된다. Houlsby(1991)는 Lu이 3미만일 경우 그라우팅은 불필요하며, 3~10 Lu의 경우 1열의 그라우팅이 필요하고 10 Lu 이상이면 3열의 그라우팅이 필요한 것으로 제시하였다. 수압시험을 통해 산정된 Lu은 기초지반의 암질 특성과 함께 그라우팅의 필요성과 시공법을 결정하는 지수로 활용될 수 있다. 다수의 해외 선행연구에 따르면, Lu과 그라우트 주입량과의 상관관계에 대해 Lu이 증가할수록 그라우트 주입량도 증가한다는 연구결과가 보고되었다(Sohrabi-Bidar et al., 2016; Assari and Mohammadi, 2017; Niu et al., 2019).

2차 투수지수(SPI)

Foyo et al.(2005)은 스페인의 료사델카발댐(Llosa del Cavall dam), 도나아나댐(Doña Ana dam), 엘카날댐(El Cañal dam)에서 100회의 수압시험을 수행하여 투수성 암반의 분류 및 암질을 구분하고 그라우팅 필요성을 평가하는 SPI를 제안하였다. SPI는 식 (2)를 통해 계산될 수 있으며, 아래의 수식은 암반의 방사성 투과성을 고려한 경험식으로 절리암반의 투수성을 나타낸다.

\(\begin{aligned}S P I=C \times \frac{\ln \left(\frac{2 L_{e}}{r}+1\right)}{2 \pi L_{e}} \times \frac{Q}{H t}\end{aligned}\)       (2)

여기서, SPI는 2차 투수지수(L³/T/L²), C는 10℃에서 암반의 유체 점도에 따라 결정되는 상수(Snow, 1968), L_e은 시험 구간의 길이(L), r은 시추공 반경(L), Q는 암석 불연속면에 흡입된 유량(L³), t는 각 단계별 압력의 지속시간(T), H는 수두로 표현한 총압력(L)을 의미한다. Foyo et al.(2005)이 제안한 SPI는 암반의 투수 특성에 따라 암질을 구분하고 불량한 암반과 양호한 암반을 정량적인 값으로 평가하여 지반 개량이 요구되는 지역의 암반을 4개의 그룹으로 분류할 수 있다(Table 1). 그라우팅 계획의 중요 지수인 암반의 투수성은 불연속면의 특성에 큰 영향을 받으며, SPI는 RQD와 양의 상관관계가 있다고 보고된 바 있다(Afiri et al., 2020).

Table 1. Classification of rock mass derived from the secondary permeability index (SPI) and ground treatment considerations (obtained from Foyo et al., 2005)

SPI 분류 중 Class A(SPI ≤ 2.16 × 10^-14)는 암질이 양호하고 1 Lu 이하의 수밀한 지반으로서 기초처리가 불필요한 그룹을 의미한다. Class B(2.16 × 10^-14 < SPI ≤ 1.72 × 10^-13)는 암질은 양호하나 1~8 Lu의 투수성을 나타내는 지반으로 국지적인 기초처리를 필요로 하는 그룹을 의미한다. Class C(1.72 × 10^-13 < SPI ≤ 1.72 × 10^-12)는 암질이 불량하고 8~80 Lu의 투수성을 나타내는 수밀성이 불량한 지반으로 Lu값이 큰 심도일수록 집중적인 기초처리가 요구되는 그룹이다. Class D(SPI > 1.72 × 10^-12)는 암질이 매우 불량하고 80 Lu 이상의 수밀성이 매우 불량한 지반으로 광범위한 기초처리가 필요한 그룹을 의미한다.

Ajalloeian and Azimian(2013)은 이란의 나르게시댐(Nargesi dam)에서 기초지반의 암반 분류 및 그라우팅의 필요성을 제시하기 위하여 RQD와 SPI의 상관성을 바탕으로 암반을 4개의 그룹으로 분류한 시추주상도를 제시하였다(Fig. 2). 댐 현장의 지질은 퇴적암이 분포하는 곳으로 역암(conglomerate), 사암(sandstone), 이암(mudstone) 등이 호층으로 분포한다. 나르게시댐에서 시추공 16개소로부터 시험그라우팅공의 수압시험 및 그라우트 시공 자료를 분석한 결과, 사암이 분포하는 기초지반의 투수성보다 역암이 존재하는 지층의 투수성이 큰 것으로 조사되었다. 댐 기초지반의 조사는 SPI를 활용하여 양호한 암반과 불량한 암반을 분류한 후 기초처리가 필요한 구역을 결정하였다. 댐 기초의 암질은 좌안부(left bank)와 하상부(river bed)가 우안부(right bank)에 비해 양호하며, 수압시험의 분석결과 역암이 분포하는 우안부의 기초지반이 좌안부 및 하상부 보다 투수성이 높은 것으로 분석되었다. SPI 분류에서 댐의 좌안부와 하상부는 Class B와 C그룹이 비슷한 비율로 분포하는 것으로 나타났으며, 국지적인 그라우팅이 필요한 것으로 분석되었다. 댐 우안부는 Class C의 비율이 상대적으로 높아 기초지반의 누수방지와 구조물의 안정성을 증가시키기 위하여 집중적인 기초처리가 요구되는 것으로 확인되었다.

Fig. 2. Treatment plan for a dam foundation including rock-mass quality (Q-value;midified from Ajalloeian and Azimian, 2013).

그라우트 주입량 예측을 위한 암반공학적 지수

암질지수(RQD)

시추조사는 수압시험과 함께 댐 기초의 그라우팅 필요성을 결정하고 기초지반의 특성을 평가하기 위해 시행된다. RQD는 시추조사를 통해 획득하는 코어를 활용하여 암반의 파쇄 정도를 평가하기 위한 수단으로 식 (3)과 같이 획득한 코어 심도(total length of core run)에 대해 10 cm 이상 길이의 코어가 차지하는 비율로 표현된다(Stagg and Zienkiewicz, 1968). RQD는 암질을 정량화할 수 있는 변수로서 0에 가까워질수록 불량한 암반으로 분류하고 100%에 가까워지면 암반 내에 불연속면들이 거의 없는 양호한 암반을 의미한다.

\(\begin{aligned}R Q D=\frac{\text { Length }(L) \text { of core pieces }(>10 \text { cm length })}{\text { Total length of core run }} \times 100\end{aligned}\)       (3)

Yea(2009)는 국내 댐 4개 현장의 기초지반에 차수성을 개선하기 위하여 실시된 암반 그라우팅 시험결과를 통해 그라우트 주입량과 RQD 또는 Lu과의 상관관계를 분석하였다. 연구결과 RQD가 클수록 그라우트 주입량이 증가하는 경향을 보이나 RQD와 Lu의 경우, 유의미한 상관관계는 나타나지 않았다. Lu과 그라우트 주입량의 관계는 서로 비례하며, 투수성이 상대적으로 큰 퇴적암 지반에서 유의미한 상관관계를 확인할 수 있었다. Afiri et al.(2020)에 의하면 알제리 슈크틀레타댐(Souk tleta dam)에서는 좌안부 사암층의 시추공 9개소에서 69회의 수압시험을 수행하여 RQD와 Lu, SPI의 상관관계를 분석하였고 그 결과, 불량한 암질(RQD < 50) 구간에서 투수성이 증가하는 것으로 보고되었다. 중국의 매어당댐(Maerdang dam)에서는 투수성 암반의 주요 특성 지수(일축압축강도, RQD, Lu)들 간 상관관계를 분석하고 중국의 암반 분류법 중 표준인 BQ(basic quality) 분류법을 수정하여 암질을 보다 정확하게 평가할 수 있는 경험식을 제안하였다(Chen et al., 2021).

Q-value

Barton et al.(1974)은 스칸디나비아지역의 200여개 터널 현장의 조사 결과를 토대로 RQD, 절리군의 수, 절리면의 거칠기, 절리의 변질정도, 지하수의 영향, 응력 상태의 6가지 지수를 이용하여 식 (4)와 같이 암반을 분류하는 Q-value를 제안하였다.

\(\begin{aligned}Q-value=\frac{R Q D}{J_{n}} \times \frac{J_{r}}{J_{a}} \times \frac{J_{w}}{S R F}\end{aligned}\)       (4)

여기서, RQD는 암질지수(%), J_n는 절리군의 수, J_r는 절리면의 거칠기 계수, J_a는 절리면의 변질도, J_w는 절리사이의 물에의한 저감 계수, SRF는 응력감소계수를 의미한다. Q-value는 RQD와 함께 암질을 정량화할 수 암반분류 방법으로 0.001에서 1,000의 범위 내에서 0에 가까워질수록 불량한 암반으로 분류하며, 1,000에 가까워질수록 매우 양호한 암반을 의미한다. Barton(2007)에 의하면 암반의 공학적 특성을 종합적으로 나타내는 Q-value는 Lu과 음의 상관관계를 나타내는 것으로 보고하였다. Sadeghiyeh et al.(2013)은 석회암 지역에 건설되는 댐 현장의 기반암에 대한 Q-value와 그라우트 주입량과의 상관관계 분석을 수행하였고 Q-value가 증가할수록 그라우트 주입량이 감소한다는 연구 결과를 보고하였다.

지질강도지수(GSI)

Hoek and Brown(1997)은 암반의 강도와 안정성을 공학적으로 평가하기 위한 지표로 GSI를 제안하였다. GSI는 지표 지질조사 및 시추조사로부터 획득한 암반의 절리면 상태(Bieniawski, 1989)와 RQD를 이용하여 산정할 수 있으며, 0부터 100까지의 범위에서 GSI가 클수록 양호한 암질을 나타낸다(Fig. 3). Sadeghiyeh et al.(2013)은 터키의 뮤티댐(Mut dam) 현장에서 댐 기초지반의 암반을 GSI로 분류하고 그라우트 주입량과의 상관성을 분석한 결과, GSI가 증가할수록 그라우트 주입량은 감소하는 경향을 보이는 것으로 관찰되었으나 약한 음의 상관관계를 가지는 것으로 확인되었다.

Fig. 3. Modified geological strength index (GSI) as a function of joint condition (x-axis) and rock quality designation (RQD)(y-axis)(Hoek et al., 2013).

그라우트 주입량 예측을 위한 해외 연구 사례

뮤티댐(Mut dam)

연구 지역의 댐 부지에는 4개의 지층이 주로 분포하며, 댐 기초 상부에서 아래 지층까지 붕적층(QYM, Slope debris), 카르스트 석회암층(Ʀkb, Belveren limestone block), 사암-실트암-점토암층(Tomd: Derinçay Formation), 점토질 석회암층(Tomf: Fakırca Formation) 순으로 구성되어있다(Fig. 4). 석회암층은 댐 부지에 광범위하게 분포하는 것으로 조사되었고 불연속면은 매우 거친 표면 특성을 보이며, 조밀한 간격으로 분포한다.

Fig. 4. (a) Geological map of the Mut dam site and pilot grouting location (b) Geologic cross section (A-A') along the Mut dam site (modified form Dalkilic and Balci., 2009).

해당 선행연구에서는 카르스트화에 의해 투수성이 큰 카르스트 석회암층을 주요 연구 지층으로 선정하였으며, 연구 지역 내 카르스트 지층의 수리지질 및 암반공학적 특성(RQD, Ap, GSI, Q-value, SPI 등)을 조사하였다. 이를 위해, Fig. 4b와 같이 댐 축을 중심으로 총 6개소를 대상으로 시험 그라우팅(BH-105, BH-106, BH-107, BH-108, BH-109, and BH-110)과 지질 매핑(mapping)을 포함한 현장 지반조사를 수행하였다(Kayabasi and Gokceoglu, 2019).

시험그라우팅(pilot grouting)의 시험공에서는 시추코어 분석과 수압시험을 수행하고 암질의 특성 및 기초지반의 투수층(lowￚhigh permeable zone) 범위를 구분한 후, 시추공 상부에서 하부 심도 방향으로 암반공학적 특성(RQD, Js, Ap 등)을 고려하여 점성이 다른 그라우트 주입재료(grouting mixture)를 시험공에 주입하였다(Table 2). 그라우트 주입재료는 물과 시멘트 그리고 벤토나이트를 혼합하였고 혼합 비율에 따라 A에서 F로 분류하였다. 그라우트 주입은 점성이 가장 높은 A 유형으로 시작하고 주입 압력이 변하지 않는 경우 B에서 F 유형으로 변경하여 주입하였다. 시험공에 주입된 그라우트 주입량은 주입재료의 특성과 기초지반에 분포하는 기반암의 투수 특성에 영향을 받으며, 암반 그라우팅 계획 수립에 중요한 정보를 제공한다.

Table 2. Grouting mixture types and compositional weigh ratio (water, cement, and bentonite) for boreholes (form Kayabasi and Gokceglu, 2019)

Kayabasi and Gokceoglu(2019)는 그라우트 주입량 예측을 위한 경험식을 제안하기 위해 시험공들로부터 획득한 수리지질 및 암반공학적 지수(RQD, Q-value, GSI, Js, Ap, Lu, SPI, and K)와 그라우트 주입량 간 회귀분석을 수행하였다. 결과적으로, RQD와 Q, GSI, Js의 값이 감소할수록 그라우트 주입량은 증가하는 것으로 나타났고 Ap와 Lu, SPI, K의 값은 증가할수록 그라우트 주입량은 증가하는 것으로 확인되었다. 특히, SPI와 그라우트 주입량의 상관관계(R² = 0.85)가 가장 높은 것으로 확인되었으며, 그라우트 주입량과 RQD(R² = 0.72) 및 그라우트 주입량과 Ap(R² = 0.69)의 상관관계도 양호하나 그라우트 주입량과 GSI(R² = 0.36)는 유의미한 상관관계가 나타나지 않았다(Fig. 5). 그라우트 주입량과 GSI의 경우, 유의미한 상관관계가 확인되지 않은 원인은 해당 연구에서 명확하게 제시되지 않았으나, 해당 연구의 핵심 지층인 카르스트 석회암층 내 점토와 같은 불연속면 충전물의 영향을 받았을 것으로 추정된다.

Fig. 5. Graphs showing the correlation between (a) GT and RQD, (b) GT and Q-value, (c) GT and GSI, (d) GT and Js, (e)GT and Ap, (f)GT and Lu, (g)GT and SPI, (h)GT and K (modified from kayabasi and Gokceoglu, 2019).

본 선행연구의 또 다른 주제인 그라우트 주입량 예측을 위한 경험식은 초기 입력변수(Q-value, GSI, RQD)와 2차 입력변수(Lu, SPI), 최종 입력변수(Ap)를 각각 사용하여 도출하였다. 앞서 유도된 모든 경험식은 결정계수(R²), RMSE(root mean square error), MAPE(mean absolute percent error), VAF(variance account for)를 통해 계산되었으며, 계산 결과를 통해 예측 오류 평가를 수행하고 RQD-SPI-Ap 변수로 도출한 경험식에서 가장 높은 상관관계(R² = 0.87)를 확인하였다(Table 3).

Table 3. Values of coefficient of determination (R²), root mean square error (RMSE), variance account for (VAF), and mean absolute percentage error (MAPE) estimated for grout take (form Kayabasi and Gokceoglu, 2019)

오스투르댐(Ostur dam)

Sadeghiyeh et al.(2013)은 오스투르댐 부지 일대의 기반암 특성을 고려하였을 때, 댐 건설 후 기초지반의 주요 누수가 탄산염 열수맥(hydrothermal veins)을 통해 발생할 것으로 예상하였다. 본 연구의 핵심 지층인 열수맥에서 발생한 열수 변질 활동을 파악하기 위하여 매핑(mapping), 수압시험, 지구물리탐사 등 상호 검증 조사를 수행하였다. 본 선행연구에서는 암반의 투수성과 그라우팅에 큰 영향을 미치는 불연속면 특성(연결성, 거칠기, 너비, 간격 등)을 파악하기 위하여 댐 좌우 안부에 총 2,739개의 절리를 조사하였고 수리지질학적 지수들(Lu, SPI 등)을 도출하기 위하여 500회의 수압시험을 수행하였다. 앞서 언급한 지수들의 분석 결과를 토대로 댐의 기초지반은 매우 양호, 양호, 보통, 불량 암반의 4개 구역으로 구분되었으며, 열수맥이 집중적으로 분포하는 댐 우안부의 수밀성이 더 불량한 것으로 확인되었다(Figs. 6 and 7).

Fig. 6. Geological cross-section of the Pstur dam axis showing hydrothermal veins and their orientations (Sadeghiyeh et al., 2013).

Fig. 7. Graphs showing comparisons of the permeability (Lugeon), grout take (GT), secondary permeability index (SPI), and rock quality designation (RQD) charts for representative boreholes in the left (a) and right (b) abutments (modified from Sadeghiyeh et al., 2013).

기초지반에 분포하는 암반의 투수성은 댐의 좌안부(left abutment) 및 우안부(right abutment)의 심도별 Lu, RQD, SPI, GT의 상관성 분석 결과를 통해 확인하였다(Fig. 7). Lu와 RQD의 상관성은 열수맥이 분포하는 지점(left abutment: 50~55 m; right abutment: 40~60 m)을 제외하고 음의 상관관계를 보였다. RQD와 SPI의 경우, 좌안부에서 45~50 m구간 및 우안부에서 30~70 m 일부 구간을 제외하고 RQD가 증가하면 SPI는 감소하는 음의 상관관계를 보였다. 또한, SPI는 좌안부의 45~50 m, 우안부의 35~40 m 깊이에서 열수맥의 간섭으로 가장 큰 값을 보였다. SPI 분류는 댐 좌우안부 모두 대부분의 심도에서 Class B로 분류되었으며, 전반적으로 양호한 암반이 분포하여 국지적인 기초처리가 필요한 것으로 분석되었다. Lu과 그라우트 주입량의 상관성은 댐의 좌우안부에서 깊이의 증가와 함께 두 지수가 유사한 추세를 보이는 양의 상관관계를 보였다. 댐의 좌안부 그래프에서 SPI-RQD와 Lu-GT의 거리가 분기되는 영역(diversion range)은 양호한 암반이 분포하는 것으로 분석되었다. 그러나, 댐의 우안부 그래프에서 SPI-RQD와 Lu-GT의 거리가 수렴되는 영역(convergence range)은 불량한 암반이 분포하는 구간으로 해석되었다. 앞서 분석한 추세선(Lu, RQD, SPI, and GT)의 특성들을 실제 시공되는 댐 현장에 적용한다면, 기초지반의 누수 특성 및 원인, 기초처리가 필요한 구간에 대하여 정량적인 해석이 가능할 것으로 판단된다. 본 선행연구에서는 위의 분석 결과를 토대로 수리지질 및 암반공학적 특성들을 고려한 최적의 댐 기초차수그라우팅 계획을 제안하였다(Sadeghiyeh et al., 2013).

드후프댐(De Hoop dam)

댐 기초의 잠재적인 누수 원인과 경로를 확인하고 기초지반을 효과적으로 처리하기 위한 암반 그라우팅 계획을 수립하기 위해서는 댐 부지의 수리지질 및 암반공학적 특성에 대한 이해가 필수적이다(Weaver and Bruce, 2007; Jones et al., 2019). Jones et al.(2019)은 드후프댐의 기초처리를 위해 계획된 차수그라우팅 시추공에서 수압시험을 수행하고 SPI로 제안된 암반 그라우팅 계획의 적정성을 검증하고자 하였다.

드후프댐의 지질은 Fig. 8과 같이 주로 반려암 계열(norite, gabbronorite)의 화성암이 두껍게 분포하고 사장암(anorthosite)과 휘석암(pyroxenite)이 존재하는 것으로 보고된 바 있다(Johnson et al., 2006). 댐축의 지질단면도에는 소규모의 단층들이 확인되었으며, 댐 부지에서 북쪽으로 약 0.5 km 떨어진 지점에 Steelport 단층이 분포하나 댐 기초지반에는 큰 영향이 없는 것으로 보고되었다.

Fig. 8. (a) Geological map of the De Hoop dam site in the Eastern limb of the Bushveld lgneous Complex, and (b) Cross-section along the dam wall showing major gologocal features (modified form Jones et al., 2019).

드후프댐은 상부 좌측(upper left flank, ULF)과 중앙 좌측(middle left flank, MLF), 하부 좌측(lower left flank, LLF), 하상을 포함한 우측면(river section and right flank, RSRF)으로 구분되었다(Fig. 8). SPI 분류를 통해 구분한 연구지역의 암반은 Table 4와 같이 ULF의 경우 Class C(58%)의 비율이 가장 높고 MLF는 Class B(49%), LLF는 Class C(37%), RSRF는 Class A(61%)의 비율이 가장 높은 것으로 나타났다. ULF와 MLF 구역에서 기초처리가 필요한 Class B와 C의 비율이 유독 높게 계산된 이유는 상대적으로 많은 소규모 단층과 페그마타이트(pegmatite) 및 백운암(dolerite)의 관입으로 인한 기반암의 풍화, 연약대 형성 등이 영향을 미친 것으로 해석하였다(Fig. 8b; Jones et al., 2019).

Table 4. Frequency percentages of secondary permeability index (SPI) classes at the upper left flank (ULF), middle left flank (MLF), lower left flank (LLF), and river section and right flank (RSRF) below the De Hoop dam wall (form Jones et al., 2019)

본 리뷰에서는 Jones et al.(2019)에서 분류한 구역(ULF, MLF, LLF, and RSRF) 중 MLF에 계획된 암반 그라우팅 계획의 적정성 분석 결과에 대하여 논의하고자 하였다. MLF 구간에서 SPI를 활용하여 암반을 분류한 결과, Class B(49%)와 C(40%)의 비율이 전반적으로 큰 비중을 차지하였다. SPI에서 제시된 기초처리 계획과 댐 기초지반의 지질 매핑(mapping) 정보를 기반으로 MLF 중 Class B 구간의 암반 그라우팅 계획은 15%만이 국부적인 지반 처리가 필요할 것으로 예측하였다. MLF 중 40%는 Class C 구간으로 구분되며, 페그마타이트맥(pegmatite veins)들이 넓게 교차하기 때문에 집중적인 지반 처리가 필요한 것으로 확인되었다. 또한, 부분적으로 분포하는 Class D(5%) 구간은 광범위한 지반 처리가 필요한 것으로 확인되었다(Fig. 9).

Fig. 9. Boreholes and secondary permeability index (SPI) profile along the middle left flank (MLF) of the De Hoop dam (Jones et al., 2019).

Jones et al.(2019)은 SPI 분류를 통한 암반 그라우팅 계획의 적정성 검증을 하기 위해 댐 굴착 지반의 지질 매핑(mapping) 결과와 함께 수행된 1차 차수그라우트공의 그라우트 주입량과 비교하여 분석하였다. Fig. 10은 MLF 구역의 SPI와 그라우트 주입량의 상관성을 나타낸 그래프로 암질이 불량한 Class C와 D에서 그라우트 주입량의 증가 추세가 나타났다. 양호한 암반이 분포하는 Class A와 B는 SPI가 커져도 그라우트 주입량의 증가 추세는 확인되지 않았다. SPI로 예측된 기초지반 처리 계획은 주요 단층 구간을 제외하고 암질이 불량한 Class C와 D로 갈수록 주입량이 증가하였으나 유의미한 상관관계를 보이지 않았다(R² = 0.26). 해당 선행연구에서는 MLF의 Class C와 D 구간에 대한 상관관계 분석 결과에도 불구하고 암질이 불량한 Class C와 D의 댐 기초지반에서는 약50 kg/m의 그라우트 주입량보다 더 높은 주입량이 기록되는 것이 적절할 것으로 해석하였다(Fig. 10; Jones et al., 2019). 이는 연구를 수행하는 과정에서 현장조사 결과만으로 확인하지 못한 기초지반의 수리지질학적 특성과 절리면 상태의 불확실성 때문일 것으로 판단되며, 이러한 불확실성을 줄이기 위한 조사기법의 개발과 유사한 지질 환경이 분포하는 현장에서의 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 10. Relation between secondary permeability indez (SPI) and grout take (GT) for the middle left flank (MLF) of the De Hoop dam (modified from Jones et al., 2019).

결론

국내에서는 암반 그라우팅 시공법과 관리기법에 대한 많은 연구는 이루어지고 있으나 암반의 수리지질학적 분석과 이론적 접근을 바탕으로 한 암반 그라우팅 계획을 수립하고 검증할 수 있는 연구는 아직 미흡한 실정이다. 특히, 댐 사업 등 많은 사업 현장에서는 그라우팅 계획을 수립할 때 별도의 지반조사를 수행하지 않고, 실질적인 현장조사를 기반으로 한 이론적인 접근보다 기술자의 경험에 의한 방법론과 유사사례를 활용하여 계획이 수립되고 있어, 신뢰도 높은 그라우팅 계획 수립이 어려운 상황이다. 이와는 달리, 해외에서는 수리지질 및 암반공학적 특성 조사에 중요한 비중을 두며, 현장조사를 기반으로 그라우팅 계획을 수립하고 시공 자료로 활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

본 리뷰에서는 댐 현장에서의 지반조사 및 시험그라우팅을 수행한 해외연구 사례들을 조사하였다. 이를 통해 수리지질학적 특성(Lu, SPI 등)과 암반공학적 특성(RQD, Q-value, GSI 등)이 그라우트 주입량에 미치는 영향에 대해 논의하였다. 해외 연구는 댐의 기초처리를 위한 현장조사와 그라우트 주입량 예측에 필요한 지수들은 시추코어와 지질 매핑(Mapping)을 통해 수집하였으며, RQD, Q-value, GSI, 불연속면 특성(Js, Ap 등)과 Lu, SPI, K 등을 수압시험을 통해 평가하였다. 선행연구들의 주요 결과들은 다음과 같다. 그라우트 주입량은 RQD, Q-value, GSI, Js와 음의 상관관계를 보이며, Ap, Lu, SPI, K가 클수록 증가하는 양의 상관관계를 보였다. 또한, 불연속면이 발달하고 소규모 단층 및 열수맥 등이 존재하는 불량한 암반에서 주입량이 증가하는 것으로 확인되었다. 그 중 그라우트 주입량과의 상관관계가 가장 높은 SPI를 기준으로 암반을 분류했을 때, Class A와 B 구간에 비해 Class C와 D 구간에서 그라우트 주입량이 증가하였으며, 이는 SPI 암반 분류법을 통한 기초처리 계획 및 그라우트 주입량 예측에 대한 효용성을 검증하는 결과를 의미한다. 하지만 암질이 매우 불량한 구간이나 불연속면 내 충전물이 존재하는 구간에서는 그라우트 주입량과 SPI간의 유의미한 상관관계가 나타나지 않는 것으로 확인되었다.

해외연구 사례들을 리뷰한 결과 암반 그라우팅에 영향을 끼치는 주요 지수들은 대부분 현장조사와 시험 그라우팅 결과를 통해 산출되기 때문에, 현장 조사 결과만으로 신뢰도 있는 그라우팅 자료를 수집할 수 없는 한계점이 존재할 것으로 판단된다. 이러한 한계점을 개선하기 위해서는 암반 그라우팅 설계 및 평가에서 다음과 같은 연구들이 필수적으로 진행되어야 할 것으로 사료된다. 먼저, 현장 조사 과정에서 연구지역 내 단층과 절리 등의 분포 특성을 상세히 파악할 수 있는 구조지질학적 연구와 암반의 투수 특성을 파악하기 위한 수리지질학적 연구 등 다양한 분야에서 조사가 병행되어야 할 것으로 판단된다. 또한, 수리지질 및 암반공학 지수들(RQD, Q-value, GSI, Js, Ap, Lu, SPI, K 등)과 그라우트 주입량 사이의 상관관계 분석을 개선하기 위해 새로운 회귀 분석과 수치해석 등의 방법을 도입하여 보다 정확하고 신뢰할 수 있는 그라우팅 계획 수립을 위한 연구가 수행되어야 한다. 이를 통해 암반 그라우팅의 효율성과 안정성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.