절리 암반의 수리지질 및 불연속면 특성 간 상관분석을 통한 그라우팅 계획 수립의 개선 방안

Grouting Improvement through Correlation Analysis of Hydrogeology and Discontinuity Factors in a Jointed Rock-Mass

Abstract

댐은 대규모 토목 구조물로서 안전한 운영을 위해 기초지반의 누수를 차단하고 추가적인 재해를 방지하기 위하여 암반 그라우팅에 대한 체계적인 접근 및 이해가 필요하다. 국내에서는 암반 그라우팅 계획에 있어 현장 기술자의 경험과 유사 사례에 의존하는 경향이 있으며, 보다 신뢰성 있는 그라우팅 계획을 위해 (토목 or 공학적) 이론과 (현장 or 지반) 조사결과를 바탕으로 한 개선방안이 필요한 실정이다. 암반에서 시행하는 그라우팅은 대부분 수리지질 및 불연속면 인자들(RQD, Js, Lu, SPI)에 의해 가장 큰 영향을 받는다. 본 연구에서는 국내 14개 현장에서 실시된 조사 자료를 토대로 수리지질학적 인자(Lu, SPI)와 불연속면 인자(RQD, Js), 그라우트 주입량(grout take) 간의 상관관계를 분석하고 암반 그라우팅 계획의 체계적인 수립 방안을 제시하였다. 연구 인자(RQD, Js, Lu, SPI) 간의 피어슨 상관계수(r)를 분석한 결과, Lu과 SPI의 상관관계(r = 0.92)가 가장 높고, RQD와 Lu(r = -0.75), RQD와 Js(r = 0.69), RQD와 SPI(r = -0.65), Js와 Lu(r = -0.47), SPI와 Js(r = -0.41) 순으로 상관관계가 감소하는 것으로 나타났다. 그라우트 주입량과 연구 인자(RQD, Js, Lu, SPI) 간 상관관계를 분석한 결과, Lu과 SPI는 값이 커질수록 주입량이 증가하는 경향을 보이나 RQD와 Js는 유의한 상관관계가 나타나지 않았다. SPI를 토대로 제안된 그라우팅 계획 수립의 접근 방법은 실제 수행한 차수 그라우팅 시공 자료와 비교‧분석을 통해 검증하였고, 향후 세부 연구 및 실무 수행에 있어 유용한 자료로 활용될 수 있다.

Large-scale civil engineering structures such as dams require a systematic approach to jointed rock-mass grouting to prevent water leakage into the foundations and to ensure safe operation. In South Korea, rock grouting design often relies on the experience of field engineers that was gained in similar projects, highlighting the need for a more systematic and reliable approach. Rock-mass grouting is affected mainly by hydrogeology and the presence of discontinuities, involving factors such as the rock quality designation (RQD), joint spacing (Js), Lugeon value (Lu), and secondary permeability index (SPI). This study, based on data from field investigations of 14 domestic sites, analyzed the correlation between hydrogeological factors (Lu and SPI), discontinuity characteristics (RQD and Js), and grout take, and systematically established a design method for rock grouting. Analysis of correlation between the variables RQD, Js, Lu, and SPI yielded Pearson correlation (r) values as follows: Lu-SPI, 0.92; RQD-Lu, -0.75; RQD-Js, 0.69; RQD-SPI, -0.65; Js-Lu, -0.47; and SPI-Js, -0.41. The grout take increases with Lu and SPI values, but there is no significant correlation between RQD and Js. The proposed approach for grouting design based on SPI values was verified through analysis and comparison with actual curtain-grouting construction, and is expected to be useful in practical applications and future studies.

서론

댐은 수자원 관리와 홍수 통제 등 중요한 사회적 기능을 수행하는 구조물로서, 안전한 운영을 위해 댐 기초의 암반 그라우팅에 대한 철저한 이해가 필요하다. 댐 건설 시 기초 그라우팅 공사는 수밀성(water tightness) 증대와 강도 증진을 위하여 기반암에 분포하는 불연속면의 균열을 메우고, 암반 내 구조적 결함이 있는 부위를 개량하기 위하여 시행된다(Houlsby, 1991). 사업 부지의 지질 특성에 적합한 그라우팅 공사가 이루어지지 않을 경우, 댐 붕괴와 같은 중대한 자연재해를 유발할 수 있기 때문에 설계 및 시공 전반에 걸친 적절한 그라우팅 계획 수립이 필요하며, 이를 위해 수리지질학적 조사 및 분석이 필수적으로 수행되어야 한다(Afiri et al., 2020). 특히, 절리 암반의 지하수 흐름은 암반 내 분포하는 불연속면이 수로의 역할을 하기 때문에 절리나 단층열극의 틈새 및 간격, 파쇄대 특성 등에 영향을 받는다(Patton and Deere, 1971). 따라서, 댐 기초 지반에서 절리 암반의 수리지질학적 주요 인자와 불연속면 특성 등 기반암의 상태를 파악하는 것은 그라우팅 공사에 있어 매우 중요한 요소이다.

암반 그라우팅 계획 수립에 있어 절리 암반의 수리지질학적 및 불연속면 특성 인자들이 그라우팅에 미치는 영향에 대한 연구가 해외에서 활발히 이루어지고 있다(Weaver and Bruce, 2007; Jones et al., 2019). 알제리의 슈크 트레타댐(Souk Tleta dam)과 터키의 뮤티댐(Mut dam)에서는 지반조사와 시험 그라우팅 자료들을 토대로 기초 암반의 공학적 분석을 수행하고 그라우팅에 영향을 미치는 핵심 인자들을 조사하였다(Kayabasi and Gokceoglu, 2019; Afiri et al., 2020). 일부 해외 선행연구의 경우, 시추조사(drilling)와 지질 매핑(mapping) 등을 통해 그라우팅에 영향을 미치는 핵심 인자인 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)와 같은 암반의 공학적 특성 및 불연속면 특성을 평가하였으며(Yea, 2009; Afiri et al., 2020), 수압시험(water pressure test) 결과를 기반으로 루전(lugeon value, Lu), 2차 투수지수(secondary permeability index, SPI), 투수계수(coefficient of permeability, k)를 산정하여 절리 암반의 투수성을 평가하였다(Foyo et al., 2005; Sohrabi-Bidar et al., 2016; Assari and Mohammadi, 2017; Niu et al., 2019). 특히, 이란의 오스투르댐(Ostur dam)에서는 기반암의 수리지질학적 특성을 평가하기 위해 2,739개의 절리를 분석하고, 수압시험에서 산정된 인자들과 그라우트 주입량의 상관관계를 분석하여 최적의 차수 그라우팅 계획 및 설계법을 제시하였다(Sadeghiyeh et al., 2013). 이는 수리지질학적 및 불연속면 특성 인자들의 상관관계 분석을 통한 댐의 기초처리 필요성을 평가 및 그라우트 주입량(grout take, GT) 예측 경험식 도출에 대한 가능성을 시사한다(Snow, 1968; Hoek and Bray, 1981; Kayabasi and Gokceoglu, 2019; Afiri et al., 2020).

이에 반해, 국내에서 수행된 암반 그라우팅 연구는 주로 재료의 특성, 주입 방법, 시공법, 시공 관리기법과 같은 시공적인 측면에 중점을 두어 수행되어왔다. 또한, 실제 그라우팅 시공 현장에서는 체계적인 기초지반 자료 분석보다는 현장기술자의 경험과 기존 시공법에 과도하게 의존하는 경향을 보여왔다. 이로 인해, 국내 암반 그라우팅 분야에서는 시공 현장의 기반암 특성을 정밀하게 분석하고, 그에 따른 그라우팅 계획을 체계적으로 수립하기 위한 방법론적 연구가 미흡한 실정이다(Beck et al., 2023). 기반암의 수리지질학적 특성을 제대로 고려하지 못한 그라우팅 계획 및 시공은 실질적인 누수 방지효과를 발휘하지 못하고 운영 중 안전성 및 경제성에 대한 신뢰도를 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 현장 부지의 기반암 특성에 적합한 방법론적 접근법을 기반으로 그라우팅 계획을 수립하기 위해서 1) 암반 그라우팅 계획 수립을 위해 고려되는 핵심 인자(수리지질학적 및 불연속면 특성 인자)를 선정하고, 2) 선정된 인자들 간의 상관관계를 분석하며, 3) 댐 기초 암반에서 수밀성 확보를 위한 차수 그라우팅 계획의 체계적인 수립 방안을 제시하고자 하였다.

연구 방법

연구 지역 및 연구 방법

본 연구에서 댐 기초 암반의 수밀성 확보를 위한 차수 그라우팅 계획이 실시된 지역은 N 지역으로(Fig. 1), N 지역의 지질은 중생대 쥬라기의 흑운모화강암(biotite granite)이 우세하게 나타나며, 단층대를 따라 관입한 암맥(acidic dyke) 및 석영맥(quartz vein)이 분포한다. 이 지역의 지질 구조는 주향이동성단층(strike-slip fault)과 충상단층(thrust fault)이 분포하고 광화열수작용(hydro-thermal)에 의한 광화대가 형성되어 있다. 댐의 하상부 좌측과 우측에서는 단층의 영향으로 변질대(alteration zone)와 단층대가 두껍게 분포하고 있으며, 댐의 하상부는 차별풍화작용에 의한 양파껍질구조(onion structure)와 풍화암이 나타난다.

Fig. 1. Outline map of South Korea showing that areas A-M represent locations where pilot tests, including geological mapping and water pressure tests, were conducted (circle), while area N indicates the region where cutoff grouting was performed (star).

암반 누수 방지를 위한 댐 기초지반의 그라우팅 계획 수립에 있어 수리지질학적 조건 및 암반 특성에 대한 이해는 필수적이다(Weaver and Bruce, 2007; Jones et al., 2019). 본 연구에서는 댐 기초를 위한 그라우팅 계획 수립에 대한 주요 인자로 Lu, SPI, RQD, Js를 선정하여 총 14개의 댐 건설 지역에서 다양한 암종의 기반암을 대상으로 수행된 현장 지반 조사를 수행하고 시공 자료를 획득하였다(Fig. 1; Table 1). 그 중 13개(A-M site) 지역에 대한 182공의 시추조사 결과를 통해 기초 암반의 RQD와 Js를 측정하였고, 393회의 현장 수압시험 결과로부터 Lu와 SPI를 측정하였다. A-M 부지의 현장 지반 조사를 통해 획득한 인자들 간의 상관관계 분석 결과는 N 지역의 그라우트 주입량을 예측하기 위한 자료로 활용되었다. 이후, N 지역에서 시행된 시험 그라우팅을 통하여 실제 주입된 그라우트 주입량과 연구 인자 간의 상관관계를 확인하고 SPI 암반 분류를 통해 제시한 구역별 그라우팅 계획과 시공 후 그라우트 주입량을 비교 ‧ 분석하여 계획 수립의 적정성을 검증하였다.

Table 1. Summary of field tests at each site used for in this study

수리지질학적 및 불연속면 특성 인자

댐 건설 시 기초 암반의 수리지질학적 및 불연속면 특성은 설계 및 운영 중 안정성 평가에 중요한 핵심 인자 중 하나이다(Afiri et al., 2020). 절리 암반의 수리지질학적 분석을 위한 대표적인 시험으로 수압시험(water pressure test)이 있으며, 이와 관련된 인자들은 Lu, SPI 등이 있다(Foyo et al., 2005; Sohrabi-Bidar et al., 2016; Assari and Mohammadi, 2017; Niu et al., 2019). 불연속면은 암석 내부의 분리된 면을 의미하는 것으로, 절리 및 단층 등과 같은 인장강도가 작거나 거의 없는 모든 연약면(weak plane)을 나타낸다. 불연속면 특성은 방향성(orientation), 간격(spacing), 틈새(aperture), 지속성(persistence), 거칠기(roughness), 벽면강도(wall strength), 충전물(filling), 누수(seepage), 불연속면군의 수(number of joint sets), 암괴의 크기(block size) 등으로 구분된다(Fig. 2; ISRM, 1978). 절리 암반의 불연속면 특성을 조사하기 위한 방법으로 시추조사(drilling)와 지질 매핑(mapping)이 시행되며, 주요 인자들은 암질지수(RQD), 불연속면 간격(Js) 등이 있다. 이러한 수리지질학적 및 불연속면 특성 분석은 댐 기초의 안정성을 높이기 위한 그라우팅 계획 수립에 필수적이다.

Fig. 2. Diagram illustrating the characteristics of discontinuities in rock masses (modified from Wyllie and Mah, 2004).

Lu은 댐 기초 기암반의 수리지질학적 특성을 평가하기 위해 암반 시추공 내에 압력수를 직접 주입하여 암반의 투수성을 결정하는 인자로서 식 (1)과 같이 1 Lu은 10 bar의 압력에서 시험구간(1 m)의 분당 주입량(L/min)을 의미한다. Lu은 0에 가까워질수록 암반의 투수성이 낮은 것으로 평가할 수 있으며, 댐 기초지반의 수밀성 및 그라우팅의 필요성을 평가하는 지표로 사용된다(Houlsby, 1991).

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

여기서, Q는 주수량(L/min), Pe는 유효압력(bar), L은 시험 구간의 길이(m)를 의미한다. 일반적으로 댐 건설 예정지의 기초지반은 계곡부의 투수성 암반이 분포하여 댐 기초의 수밀성 증대를 위한 기초처리 공종이 요구된다.

SPI는 암반의 연악면을 따라 흐르는 지하수 유동을 정량화하는 인자로서 수압시험을 통해 산정되는 Lu과 함께 기초지반의 수리지질학적 평가를 위한 중요한 지수이다(Foyo et al., 2005). Foyo et al.(2005)은 투수성 암반의 등급을 구분하고 암반 분류에 따라 댐 기초지반의 그라우팅 필요성을 평가하는 SPI를 제안하였다. SPI는 식 (2)를 통해 산정할 수 있으며, 아래의 수식은 암반의 방사성 투과성을 고려한 경험식으로 절리 암반의 2차 투수성을 나타낸다.

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

여기서, SPI는 2차 투수지수(L/s/m²), C는 10°C에서 암석의 유체 점도에 따라 결정되는 상수(Snow, 1968)로, r은 시추공 반경(m), L_e은 시험 구간의 길이(m), Q는 암반 불연속면에 흡입된 유량(L), t는 각 단계별 압력의 지속시간(s), H는 수두로 표현한 총압력(m)을 의미한다. SPI를 통해 Table 2와 같이 댐 기초지반의 암반을 Class A에서 Class D까지 암질에 따라 4개의 그룹으로 분류하고 지반 개량의 범위를 정량적인 값으로 평가할 수 있다.

Table 2. Rock mass classification (Classes A-D) derived from SPI and ground treatment considerations (Foyo et al., 2005)

시추공에서 수행되는 시추조사는 기초지반의 특성을 평가하고 그라우팅 계획의 필요성을 결정하기 위해 시행된다. 기초지반의 특성 및 절리의 발달정도를 이용한 암반분류법 중 하나인 RQD는 시추를 통해 획득하는 코어를 활용하여 암반의 파쇄 정도를 평가하기 위한 방법으로 식 (3)과 같이 시추 코어 심도(total length of core run)에 대해 10 cm보다 긴길이의 코어가 차지하는 비율로 표현된다(Deere, 1968).

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

RQD를 통한 일반적인 암질 분류는 90~100%(가장 양호한 암질, Ⅰ), 75~90%(양호한 암질, Ⅱ), 50~75%(보통의 암질, Ⅲ), 25~50%(불량한 암질, Ⅳ), 25% 미만(매우 불량한 암질, Ⅴ)으로 구분하며, 풍화가 매우 심한 코어는 분석 대상에서 제외 및 0%으로 간주한다(Deere and Deere, 1988).

개별 절리간의 평균 수직거리로 정의되는 불연속면의 간격(Js)은 무결암 블록의 크기를 결정하고 암반의 공학적 거동(파쇄 정도, 투수성 등)에 영향을 미치는 인자로 간격이 조밀할수록 암반의 강도는 감소하고 암반의 투수율은 간격에 반비례한다. 불연속면 간격과 층리의 두께에 대한 등급은 Table 3과 같이 5개의 그룹으로 분류할 수 있다(Deere, 1964).

Table 3. Classification schemes for joint spacing and bed thickness based on USACE (modified from Deere, 1964)

상관관계 분석

본 연구에서 사용된 인자들(RQD, Js, Lu, SPI, grout take, depth)간의 상관관계 규명을 위하여 피어슨 상관관계 분석(Pearson correlation analysis, r)을 진행하였으며, 피어슨 상관계수는 식 (4)로 나타낼 수 있다.

\(\begin{align}r=\frac{\sum_{i=1}^{N}\left(x_{i}-\bar{x}\right)\left(y_{i}-\bar{y}\right)}{\left[\sum_{i=1}^{N}\left(x_{i}-\bar{x}\right)^{2}\right]\left[\sum_{i=1}^{N}\left(y_{i}-\bar{y}\right)^{2}\right]}\end{align}\)       (4)

여기서, x와 y는 각 변수를, \(\begin{align}\bar {x}\end{align}\)와 \(\begin{align}\bar {y}\end{align}\)는 각 변수의 평균을 의미하며, 식 (1)에서 분모항은 두 변수의 표준 편차를, 분자항은 두 변수의 공분산(covariance)을 나타낸다. 또한, 피어슨 상관관계 분석 검증을 위해 t-검정 중 양측검정을 실시하였다. 본 연구에서 유의수준(significance level)은 0.05로 설정하였으며, 유의확률(p-value)이 0.05 이상일 경우, 귀무가설(null hypothesis)을 채택하고, 유의확률이 0.05 미만일 경우, 대립가설(alternative hypothesis)을 채택하였다. 여기서 귀무가설은 해당 가설이 처음부터 기각될 것으로 예상되는 가설이며, 대립가설은 해당 가설이 채택될 것으로 예상되는 가설을 의미한다. 따라서, 유의 확률이 0.05 미만일 경우, 두 인자 간 상관관계가 유의함을 나타낸다.

연구 결과 및 토의

깊이에 따른 인자 변화 추세 분석

그라우트 주입량과 밀접한 상관관계를 지니는 인자를 선정하기 위해 A-M 부지에서 총 182개의 시험공으로부터 획득한 불연속면 특성(RQD, Js)과 수리지질학적 특성(Lu, SPI)을 깊이에 따른 변화 추세로 관측하고 각 인자들 간의 피어슨 상관계수(r) 분석을 수행하였다(Table 4; Fig. 3). A-M 부지에서 RQD는 심도에 따라 증가하는 경향성을 보였으나, 다양한 지역에 대한 시추공 데이터를 병합했기 때문에 분산도가 매우 높아 상관관계는 낮게 계산된 것으로 추정된다(r = 0.18, p < 0.05; Fig. 3a). 깊이에 따른 Js는 t-검정 결과, p-value가 0.05 이상으로 유의한 상관관계가 관찰되지 않았다(r = 0.09, p > 0.05; Fig. 3b). 수리지질학적 인자인 Lu과 SPI는 불연속면 특성(RQD, Js)과는 반대로 깊이가 증가할수록 감소하는 유의한 음의 상관관계를 보였다(Lu-depth: r = -0.27, p < 0.05; SPI-depth: r = -0.29, p < 0.05; Fig. 3c and d). 이러한 상관 관계는 기반암의 심도가 깊어질수록 상대적으로 지표보다 더 높은 지중응력을 받아 암반은 더견고해지고 균열과 틈새가 감소하여 투수성이 낮아지기 때문인 것으로 판단된다(Brown and Hoek, 1980).

Table 4. Summary of hydrogeological and joint parameters at A-M site used for this study

Fig. 3. Graphs showing the correlations between depth and (a) RQD, (b) Js, (c) Lu, and (d) SPI, with best-fit lines shown as red dashed lines.

인자 간 상관관계 분석

각 인자들 간의 상관관계를 파악하고 연구 지역의 그라우트 시공 시 소비되는 그라우트 주입량을 예측하기 위한 파라미터를 선정하기 위해 A-M 부지의 수압시험 및 시추조사로부터 획득한 인자들 간의 상관관계를 도식화하였다(Fig. 4). RQD와 Js의 경우, Js가 증가할수록RQD도 증가하는 유의한 양의 상관관계를 보이며(r = 0.69, p < 0.05; Fig. 4a), 이는 일반적으로 기반암의 Js가 클수록RQD는 증가하는 경향과 일치한다(Fig. 4a; Salimi et al., 2019; Doan et al., 2023). RQD와 Lu의 상관관계를 분석한 결과, RQD가 증가할수록 Lu은 감소하는 유의한 음의 상관관계를 나타내었다(r = -0.75, p < 0.05; Fig. 4b). 암반에서의 지하수 유동은 불연속면을 따라 발생하므로 Js는 수리지질학적 특성(Lu, SPI)과 상관관계가 있을 것으로 예상하였으며, Js와 Lu, Js와 SPI의 상관관계 분석 결과, 유의한 음의 상관관계를 보였으며, 다소 높은 분산도를 나타내었다(Js-Lu: r = -0.47, p < 0.05; Js-SPI: r = -0.41, p < 0.05; Fig. 4d and e). 다소 높은 분산도의 원인으로는 불연속면 내부에서 점토와 같은 충진물들이 절리 간의 연결성에 영향을 주었기 때문인 것으로 추정된다. 반면에 Lu과 SPI의 상관관계는 상대적으로 높은 값으로 계산되었으며, 유의한 양의 상관관계를 나타내었다(r = 0.92, p < 0.05; Fig. 4f). SPI는 암반의 투수성을 기반으로 기반암의 암질을 분류할 수 있는 지표로서 활용되는 인자이며, Lu은 암반의 투수율을 추정할 수 있는 인자로서 본 연구에서 사용한 인자들(RQD, Js, Lu, SPI) 중 그라우트 시공 과정에서 사용된 시멘트양을 나타내는 그라우트 주입량과 유사한 특성을 보유한 인자이다. 따라서 본 연구에서 획득한 인자들 중 Lu과 가장 높은 상관관계를 보이는 SPI는 그라우트 시공 시 그라우트 주입량을 예측할 수 있는 주요 인자로 선정하였다.

Fig. 4. Graphs showing the correlations between (a) RQD and Js, (b) RQD and Lu, (c) RQD and SPI, (d) Js and Lu, (e) Js and SPI, and (f) Lu and SPI, with best-fit lines shown as red dashed lines.

댐 기초의 암반 그라우팅 계획을 수립하기 위해서는 기초지반의 암질에 따른 분류가 요구되며, 기반암을 공학적으로 구분하는 것이 필요하다. 일반적으로 암반을 공학적 요소로 분류하기 위하여 RQD, RMR(rock mass rating), Q-분류법(rock mass quality index) 등 전통적인 계산식을 사용하여 암반의 등급을 부여하고 불량한 암질과 양호한 암질을 정량적으로 구분하는 방법을 사용해왔다(Barton, 1988; Bieniawski, 1993; Aydan and Kawamoto, 2000; Rehman et al., 2018; Somodi et al., 2021). 하지만 Ajalloeian and Azimian(2013)과 Foyo et al.(2005)은 암반의 강도 특성만을 고려한 전통적인 암반 분류와는 다른 절리 암반의 투과성(SPI)을 고려하여 암질에 따른 기초지반의 암반 등급도와 기초처리 필요성을 제시하였다. Fig. 5는 RQD와 SPI의 관련성을 비교 분석하기 위하여 Fig. 4c를 RQD와 SPI의 등급에 따라 분류한 그래프이다. 본 연구에서 RQD는 75% 이상으로 암질이 양호할수록SPI-Class A 구역에 수렴하는 것으로 나타난다. 이와 반대로 RQD가 50% 이하인 불량한 암질일수록 기초처리가 필요한 SPI-Class C 구역에 밀집되는 것을 확인할 수 있다. SPI-Class B의 경우, 다른 SPI-Class에 비해서 RQD 등급에 대해서 넓게 분포하는 것을 확인하였다. 따라서, SPI와 RQD는 댐 기초지반의 암질을 구분할 때 서로 유사한 결과를 나타내기 때문에 Table 2의 SPI 암반 분류표에 의한 기초처리 계획을 수립할 때 높은 활용성을 가질 것으로 판단된다.

Fig. 5. Rock mass quality classification based on the relationship between RQD and SPI.

인자 및 그라우트 주입량 상관관계 분석

N 지역의 댐 하상부에 위치한 시험공(PH-10~16)을 대상으로 수압시험 및 그라우트 주입 시험을 진행하였으며, 이러한 결과를 바탕으로 본 연구에서 선정한 연구 인자(RQD, Js, Lu, SPI)들과 그라우트 주입량 간의 상관관계 분석을 수행하였다(Table 5; Fig. 6). Fig. 6a and b는 RQD와 Js의 값이 증가할수록 그라우트 주입량이 다소 줄어드는 음의 상관관계를 보였으나, p-value가 0.05 이상으로 유의한 상관관계가 나타나지 않은 것으로 확인되었다(RQD-GT: r = -0.07, p > 0.05; Js-GT: r = -0.13, p > 0.05). RQD와 Js는 암반의 불연속면 특성과 관련된 인자로, 양호한 암질이 많이 분포할수록 기초처리의 필요성이 감소하였다. 파쇄대가 많이 분포하여 일부 기초처리가 필요한 지점(RQD: 0~20%, Js: < 10 cm)에서 그라우트 주입량이 적게 나온 이유는 절리 틈에 점토와 같은 충진물이 협재된 것으로 사료된다. 하지만, 일부 주입량이 큰값들은 그라우트 주입압 조절에 실패한 작업원의 숙련도와 관련이 있을 것으로 판단된다. 또한, RQD 75% 이상의 양호한 암질에서 다소 높은 그라우트 주입량이 분포하는 것은 불연속면 틈새의 두께에 기인한 것으로 사료된다. Fig 6c and d는 Lu과 SPI의 값이 커질수록 그라우트 주입량이 증가하는 유의한 양의 상관관계를 보였으며, 특히, SPI는 다른 연구 인자들에 비해 가장 큰 상관관계를 보였다(Lu-GT: r = 0.56, p < 0.05; SPI-GT: r = 0.66, p < 0.05). 따라서, SPI를 활용하여 댐 기초처리를 위한 암반 그라우팅 계획을 수립하였다.

Table 5. Comparison of the jointed rock mass quality defined by SPI and the degree of jointing at N site

(A): As there was no injection during the water pressure test, the SPI value was not calculated, and Class A was applied.

Fig. 6. Graphs showing the correlations between grout take and (a) RQD, (b) Js, (c) Lu, and (d) SPI, with best-fit lines shown as red dashed lines.

그라우팅 계획 검증

댐 기초처리를 위한 암반 그라우팅 계획은 시험공(PH-10~16)을 통해 산정된 SPI와 지질공학적 특성(단층, 풍화 등)을 반영하여 수립되었고, 차수 그라우팅 시공 결과 자료와 비교 분석하여 계획의 적정성을 검증하고자 하였다(Figs. 7 and 8). SPI map은 사업현장에 분포하는 지질구조선(단층, 차별풍화대 등)과 함께 작성하였다. SPI를 활용하여 댐 기초지반의 암반을 분류한 결과(Fig. 7), Class B의 비율이 41%로 가장 높았으며, Class A(33%)와 Class C(26%)의 순서로 높은 비율을 차지하였다. 댐 하상부의 암반 그라우팅 계획은 PH-11이 위치한 주변과 각 시험공의 상부층의 경우, Class C 구역으로 집중적인 기초지반 처리가 필요한 것으로 확인되었고, PH-12의 하부 심도 주변과 PH-13~16 중간 심도의 경우, Class B 구역으로 국부적인 지반 처리가 필요할 것으로 예측하였다. 이외 나머지 구간은 Class A 구역으로 기초처리가 불필요한 것으로 나타났다.

Fig. 7. SPI map and grout treatment plan for a dam foundation.

Fig. 8은 댐 하상부에서 수행된 시험공(PH-10~16) 및 차수 그라우트공(C25~42)의 주입 결과를 반영한 그라우트 주입 단면도이다. 시험공(PH-10~16)에서 그라우트 주입 결과, 집중적인 기초처리가 필요할 것으로 예측한 PH-11은 실제 수행된 그라우트 주입에서 10 kg/m이상의 많은 주입량이 기록되었다. Class B 구역으로 예측한 PH-12의 하부와 PH-13~16 중간 심도의 경우, 일부 50~100 kg/m 이상의 많은 주입량이 기록되었으나, 대부분 10 kg/m 이하로 주입된 것을 확인할 수 있다. 이외 Class A 구역으로 예측된 구간 역시 대부분 5 kg/m 이하의 적은 주입량이 확인되었다.

Fig. 8. Analysis profile for grout take along a river bed in a dam foundation.

차수 그라우트공(C25~42)을 대상으로 그라우트를 주입한 결과, 대부분의 구간에서 5 kg/m 이하의 적은 주입량이 기록되었으며, 주입량이 10 kg/m를 상회하는 구간은 비율이 적은 것으로 나타났다. PH-12의 8.0~18.0 m 구간, PH-13의 18.0~23.0 m 구간은 충상단층에 의해 협재된 변질대가 분포하는 곳으로 SPI Class에 비해 다소 많은 주입량이 기록된 것으로 확인되었다. PH-15의 8.0~13.0 m 구간과 PH-16의 0~7.0 m 구간은 핵석 풍화대와 단층대가 발달한 구간으로 기반암 상부로 많은 주입량이 기록되었다.

결론

국내에서는 댐 건설 시 암반의 수리지질학적 및 불연속면 특성을 고려한 기초지반의 그라우팅 계획을 수립하고 그라우트 주입량을 예측하기 위한 연구가 미흡한 실정이다. 대부분의 그라우팅 관련 연구는 주입 재료 및 방법, 시공 관리 기법과 같은 시공적인 측면에 집중되어 연구가 많이 수행되어왔다. 특히, 대규모의 댐 사업 등 암반 그라우팅의 중요도가 강조되는 현장에서도 그라우팅 계획을 수립하는 단계에서 별도의 수리지질조사를 수행하지 않고 일반적으로 수행되는 댐 기초 조사 결과 또는 현장 기술자의 경험을 기반으로 계획이 수립되고 있어, 그라우팅 계획에 대한 신뢰성이 떨어지는 실정이다. 이와는 달리, 해외에서는 기초지반의 그라우팅 계획 수립 단계부터 상세한 지질 매핑을 비롯한 지질학적 조사에 중요한 비중을 두며, 기반암의 수리지질학적 및 공학적 특성을 바탕으로 신뢰성 있는 그라우팅 계획을 수립하는 방법론적 기초 연구가 활발히 진행되고 있다.

본 연구에서는 국내 댐 14개 현장에서 실시된 지반조사 및 시험 그라우팅 자료를 토대로 그라우트 주입량 예측과 체계적인 그라우팅 계획 수립 방안을 제시하였다. 이를 위해 암반 그라우팅 계획 수립에 필요한 수리지질학적 인자(Lu, SPI)와 불연속면 특성(RQD, Js)을 선정하고, 이들 간의 상관관계를 분석한 후 그라우트 주입량 예측 결과를 검증하였다. 연구 인자(RQD, Js, Lu, SPI) 간의 상관관계를 분석한 결과, Lu과 SPI(r = 0.92), RQD와 Lu(r = -0.75), RQD와 Js(r = 0.69), RQD와 SPI(r = -0.65), Js와 Lu(r = -0.47), Js와 SPI(r = -0.41)의 크기 순으로 나타났으며, 모두 유의한 상관관계가 있음을 확인하였다. 그라우트 시공 과정에서 Lu는 그라우트 주입과 유사한 특성을 보유한 인자로 Lu와 가장 높은 상관관계를 보이는 SPI를 활용하여 그라우트 주입량을 예측할 수 있는 주요 인자로 선정하였다.

암반 그라우팅의 계획 수립은 댐의 하상부에 위치한 시험공(PH-10~16)에서 산정된 SPI와 지질공학적 특성(단층, 풍화 등)을 반영하여 작성하고 차수 그라우트공(C25~42)에서 그라우팅 시공 결과와 비교 분석하여 계획의 적정성을 검증하였다. PH-11의 경우 집중적인 기초처리가 필요한 Class C 구역으로, 실제 수행된 차수 그라우트공에서 10 kg/m 이상의 많은 주입량이 기록되었다. 국부적인 기초처리가 필요한 Class B 구역이 비중이 클 것으로 예측한 PH-12와 PH-13~16의 경우 일부 50~100 kg/m 이상의 많은 주입량이 기록되었지만 대부분 주입량이 10 kg/m 이하로 예측한 계획과 부합하는 것으로 판단된다. Class A 구역으로 예측한 구간 역시 대부분 5 kg/m 이하의 적은 주입량이 기록되었다.

본 연구는 그라우트 주입량에 영향을 미치는 주요 인자(RQD, Js, Lu, SPI)를 활용하여 댐 기초에 적용되는 차수 그라우팅 계획의 개선 방안을 모색하기 위해 피어슨 상관관계 분석 및 검증 시험을 수행하였다. 연구 결과, SPI 매핑 기반의 그라우팅 계획 수립 방법이 실무 적용에 유용하다는 결론을 도출하였다. 암반 그라우팅은 수리지질학적 조건과 불연속면 특성 등 지질구조에 크게 영향을 받지만, 현장 기술자의 경험과 제한된 현장조사 결과만으로는 신뢰성 있는 그라우팅 자료 수집 및 계획 수립에 한계가 있다. 더욱 신뢰도 높은 분석 결과를 얻기 위해 주요 인자들과 그라우트 주입량의 자료를 지속적으로 축적하고 분석 방법을 고도화한다면 실무에서의 적용성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.