• 터널과지하공간
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• 제24권3호
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• pp.201-211
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• 2014

본 연구에서는 전산유체역학 코드인 FLUENT를 이용한 열전달 해석을 통해 대규모 열에너지 저장을 위한 다중 암반공동의 이격거리별 열적 성능을 분석하였다. 저장공동 내부의 열성층화와 공동 외부로의 열손실 측면에서 열적 성능을 평가하였으며, 이격거리별로 시간경과에 따른 공동 주변 암반의 히팅 특성을 조사하였다. 분석결과, 주변 암반이 히팅되지 않은 초기 운영단계와 암반이 열적 정상상태에 도달한 장기 운영단계에서는 다중 암반공동의 이격거리에 따른 열적 성능의 차이가 거의 없는 것으로 검토되었다. 그러나 공동간 이격거리가 감소함에 따라 공동 사이의 암반이 열적 정상상태에 더 빠르게 도달하고, 이에 따라 저장공동 외부로의 열손실이 주변 암반의 열적 정상상태 조건에서의 열손실 값으로 빠르게 수렴하는 경향을 보였다. 이러한 결과는 다중 암반공동의 이격거리를 줄임으로써 주변 암반의 히팅에 소요되는 운영비용을 줄일 수 있음을 나타내며, 이로부터 다중 열저장 공동의 이격거리 결정시 공동의 건설비용과 함께 암반히팅에 대한 운영비용을 고려해야 함을 알 수 있었다.

• 터널과지하공간
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• 제23권4호
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• pp.308-318
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• 2013

열저장소 내 열성층화는 에너지저장 시스템의 효율을 향상시키고 수요 발생시 더 많은 유효에너지를 공급하기 위해 필수적인 기술이다. 일반적으로 저장소의 종횡비(폭에 대한 높이의 비)와 크기에 따라 열성층도가 달라지는 것으로 알려져 있다. 본 논문은 열수 저장을 위한 암반공동의 종횡비와 저장용량이 저장공동 내 열성층화와 외부로의 열손실에 미치는 영향을 조사하는 데 연구 목적이 있다. 이를 위해 전산유체역학 코드인 FLUENT를 이용하여 암반공동의 종횡비와 저장용량에 따른 열전달 시뮬레이션을 수행하였다. 성층도 정량화 지수를 이용하여 시간경과에 따른 열성층화의 변화를 분석하였으며, 저장공동 외부로의 열손실을 평가하였다. 분석 결과, 종횡비가 증가함에 따라 공동 내 열성층화가 향상되는 경향을 보였으나, 종횡비 3-4 이상부터는 이러한 영향이 크지 않은 것으로 분석되었다. 저장용량이 작은 암반공동에 비해 용량이 큰 암반공동에서 상대적으로 긴 시간 동안 열성층화가 높게 유지되는 것으로 분석되었으나, 종횡비 증가에 따라 저장용량이 다른 공동들간의 성층화 차이가 줄어드는 경향을 나타냈다. 암반공동의 종횡비가 커질수록 공동의 표면적이 늘어나 종횡비의 증가에 따라 주변 암반으로의 열손실이 증가하는 경향을 보였으며, 단위 저장용량을 줄여 소규모 다중공동을 적용하는 경우, 총 저장용량이 동일한 단일공동에 비해 전체 열손실량이 증가하는 것으로 분석되었다.

• 터널과지하공간
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• 제24권2호
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• pp.155-165
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• 2014

다중 열저장공동은 열에너지의 대규모 저장, 열적 성능 향상을 위한 높은 종횡비의 저장소 설계에 활용될 수 있다. 또한 긴 터널형의 단일공동이 열생산 및 주입을 위한 지상설비와의 연결에 적합하지 않은 경우, 길이를 줄인 다중 암반공동의 활용을 고려할 필요가 있다. 다중 열저장공동 활용시 공동간의 이격거리는 저장공간 설계시 고려해야 하는 주요 설계인자 중 하나이며, 정량적인 안정성 평가기준을 토대로 적정 이격거리가 산정되어야 한다. 본 논문에서는 대규모 열에너지 저장을 위한 다중 암반공동 계획시 공동간 이격거리를 결정하기 위한 수치 해석적 접근법에 대해 기술하였다. 다중 암반공동의 안정성 평가를 위해 기존의 결정론적 접근법과 달리 확률밀도에 의해 입력 매개변수의 불확실성을 정량적으로 고려할 수 있는 확률론적 해석기법을 이용하였으며, 집단열수 공급을 위한 다중 암반공동의 개념모델 설계에 적용하였다. 본 적용을 통해 확률론적 해석기법이 다중 암반공동의 이격거리 산정을 위한 의사결정 도구로서 유용하게 활용될 수 있음을 확인할 수 있었으며, 결정론적 해석결과와의 비교 분석으로부터 결정론적 접근법 적용시 안정성 평가기준을 신중히 설정할 필요가 있는 것으로 검토되었다.

• Geomechanics and Engineering
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• 제10권2호
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• pp.175-188
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• 2016

The construction of a new cavern modifies the state of stresses and displacements in a zone around the existing cavern. For multiple caverns, the size of this influence zone depends on the ground type, the in situ stress, the cavern span and shape, the width of the pillar separating the caverns, and the excavation sequence. Performances of underground twin caverns can be unsatisfactory as a result of either instability (collapse) or excessive displacements. These two distinct failures should be prevented in design. This study simulated the ultimate and serviceability performances of underground twin rock caverns of various sizes and shapes. The global factor of safety is used as the criterion for determining the ultimate limit state and the calculated maximum displacement around the cavern opening is adopted as the serviceability limit state criterion. Based on the results of a series of numerical simulations, simple regression models were developed for estimating the global factor of safety and the maximum displacement, respectively. It was proposed that a proper pillar width can be determined based on the threshold influence factor value. In addition, design charts with regard to the selection of the pillar width for underground twin rock caverns under similar ground conditions were also developed.

• 터널과지하공간
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• 제24권4호
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• pp.297-307
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• 2014

암반공동을 이용한 열에너지 저장은 대용량 저장이 가능하며 열저장매체를 선택할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 사일로 형태의 열저장공동이 지반 내 두 개 이상 배치될 때 공동 사이에 형성되는 암반 필라의 안정성에 대해 3차원 유한차분해석 프로그램인 $FLAC^{3D}$를 이용하여 분석하였으며, 저장된 열에너지로 인해 암반에 발생하는 열응력을 반영할 수 있도록 열-역학적 연계모델을 사용하였다. 해석 결과, 열에너지 장기 저장으로 인해 암반 필라에 작용하는 최대주응력이 상당량 증가하였으며, 필라 폭이 좁아질수록 근접한 열원 때문에 열응력 증가량도 커짐을 확인하였다. 필라 안정성에 영향을 미치는 주요인자로서 저장공동 간격, 측압계수, 심도를 선정하고 민감도 분석을 실시한 결과, 측압계수, 저장공동 간격, 심도 순서로 영향력이 크게 평가되었다. 저장공동 간격의 경우 동일한 크기의 공동 건설 시 필라 폭을 최소 저장공동 직경 이상 확보해야 할 것으로 판단되었다. 큰 규모의 저장공동 주변에 소규모 수직갱이 설치될 때는 최소한 저장공동 직경의 0.5배 이상 이격함으로써 크기 차이로 인해 수직갱에 응력이 집중되는 현상을 해소할 수 있었다. 또한 최대수평주응력 작용방향과 공동 중심을 잇는 축이 평행하도록 배치하여 저장공동에 의한 방패효과가 발휘될 수 있게 함으로써 현지응력이 공동 사이 암반 필라에 미치는 영향을 최소화할 수 있었다.

• 터널과지하공간
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• 제23권2호
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• pp.150-159
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• 2013

일반적으로 열저장소의 종횡비(폭에 대한 높이의 비)가 커짐에 따라 저장된 열에너지의 성층화가 높게 유지될 수 있는 것으로 알려져 있다. 따라서 열저장소의 열적 성능을 높이기 위해서는 저장소 종횡비를 크게 설정하는 것이 유리할 것이다. 그러나 종횡비의 증가에 따라 저장소의 폭에 비해 높이가 커지고, 이는 열저장소의 구조적 안정성 측면에서 불리하게 작용할 수 있으므로 저장소의 최적 종횡비 결정시 열적 성능 분석과 더불어 역학적 안정성에 대한 정량적인 분석이 수행되어야 할 것이다. 본 연구에서는 지하 열에너지 저장을 위한 사일로형 암반공동의 종횡비 변화에 따른 역학적 안정성을 수치해석적으로 조사하였다. 적용한 종횡비는 1-6의 범위이었고, 전단강도 감소기법에 의한 안전율을 토대로 암반공동의 역학적 안정성을 평가하였다. 종횡비별 안정성 분석 결과, 암반공동의 종횡비가 증가함에 따라 안전율이 감소하는 경향을 보였으며, 주변 암반의 측압계수가 안정성에 미치는 영향이 큰 것으로 분석되었다. 또한 동일한 암반특성 및 종횡비 조건에서 암반공동의 규모(저장 용량)가 줄어듦에 따라 안정성이 향상되는 것으로 나타나, 큰 규모의 단일 암반공동을 소규모의 다중 암반공동으로 분할함으로써 높은 종횡비의 암반공동 설계가 가능한 것을 알 수 있었다.

• 터널과지하공간
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• 제25권2호
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• pp.115-124
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• 2015

열에너지 저장은 고온 또는 저온의 잉여 열에너지를 저장하여 수요 발생 시 사용하기 위한 기술로서 에너지의 수요와 공급 사이의 불균형을 해소하고, 이를 통해 에너지 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다. 특히 간헐적인 신재생에너지 자원을 열에너지 형태로 변환하거나 저장함으로써 에너지 믹스에서 신재생에너지의 비중을 제고할 수 있으며, 이를 위해서는 열에너지 저장 장치와의 조합이 반드시 필요하다. 지하 암반공동을 이용한 열에너지 저장은 높은 건설비용이 수반되어 그 활용이 제한적이지만, 대규모의 열에너지를 장기간 저장할 수 있는 가장 현실적인 방법이다. 또한 기후조건에 따라 외부로의 열손실이 영향을 받는 지상의 열저장소와는 달리, 열저장 지하 암반공동은 장기 운영 시 주변 암반의 히팅에 따른 열손실의 감소를 기대할 수 있다. 본고에서는 열저장 암반공동의 형상 및 다중배치 설계 시 고려해야 할 주요 인자들을 소개하고, 저장공간의 설계에 대한 가이드라인을 제안하였다.

• Structural Engineering and Mechanics
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• 제53권3호
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• pp.481-495
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• 2015

Many hydropower stations in southwest China are located in regions of brittle rock mass with high geo-stresses. Under these conditions deep fractured zones often occur in the sidewalls of the underground caverns of a power station. The theory and methods of fracture and damage mechanics are therefore adopted to study the phenomena. First a flexibility matrix is developed to describe initial geometric imperfections of a jointed rock mass. This model takes into account the area and orientation of the fractured surfaces of multiple joint sets, as well as spacing and density of joints. Using the assumption of the equivalent strain principle, a damage constitutive model is established based on the brittle fracture criterion. In addition the theory of fracture mechanics is applied to analyze the occurrence of secondary cracks during a cavern excavation. The failure criterion, for rock bridge coalescence and the damage evolution equation, has been derived and a new sub-program integrated into the FLAC-3D software. The model has then been applied to the stability analysis of an underground cavern group of a hydropower station in Sichuan province, China. The results of this method are compared with those obtained by using a conventional elasto-plastic model and splitting depth calculated by the splitting failure criterion proposed in a previous study. The results are also compared with the depth of the relaxation and fracture zone in the surrounding rock measured by field monitoring. The distribution of the splitting zone obtained both by the proposed model and by the field monitoring measurements are consistent to the validity of the theory developed herein.