KR100284857B1 - 지하암반수의채수공법 - Google Patents

Abstract

본발명은 지하 암반수의 채수공법에 관한 것으로, 지표로부터 소정깊이의 수직 정호를 형성하고, 그 수직 정호의 측벽 하부에서 방사상으로 수평하게 배열되는 다수의 수평굴착공들을 형성하여 수직 정호의 채수 영향권을 확대시키는 지하수의 채수공법에 있어서, 지중의 토사층, 사력층, 풍화·퇴적층(A)을 순차적으로 수직굴착하고, 계속하여 연암층(B)을 지나 경암층(D)의 일정부분까지 굴착하되, 연암층 (B)이 나올 때까지는 수직 굴착공의 측벽에 콘크리트 흄관(40)을 설치해서 지표층의 붕괴를 차단하고, 연암층(B) 및 경암층(D)부분은 암반을 그대로 노출시켜 측벽으로 이용하며, 경암층에 도달하면 수직 정호의 하부 내경을 더 넓게 굴착하여 작업공간을 확보한 수직 정호(10)를 굴착한 다음,

상기 수직 정호(10)의 하부에 수평굴착기(20)를 설치하고 그 수평굴착기(20)로서 수평으로 일정길이를 갖는 수평굴착공(30)을 굴착하여 연암층(B)과 경암층(D)사이에 존재하는 암반 대수층(C)에 관통시켜 암반으로 둘러싸인 자연 그대로의 집수통로를 형성함으로써, 연암층과 경암층사이의 고결암반 대수층에 부존하는 양질의 암반지하수를 다량으로 집수함을 특징으로 한다.

Description

지하 암반수의 채수공법{Gathering Method of Underground Water}

본발명은 연암층과 경암층의 경계면에 형성되어 있는 암반 대수층을 관통시켜서 양질의 지하 암반수를 경제적으로 채수할 수 있도록 하며, 또한 암반상에 굴착되는 수직 정호 및 수평굴착공을 암반으로 둘러싸인 자연그대로 이용하는 지하 암반수의 채수공법에 관한 것이다.

최근 인구증가 및 산업발전으로 인하여 물에 대한 수요가 증가되고 있는 상황하에서 국민의 생활에 필요한 수자원을 충분히 확보하기 위하여 막대한 예산이 투입되고 있음에도 불구하고, 각종 용수에 대한 부족현상은 여전하다. 특히 가뭄이 조금만 지속되어도 산업용수, 농업용수 뿐만 아니라, 음용수마저도 제대로 공급받기가 어려운 지역이 많은 것이 사실이다.

이와 같이 막대한 예산의 투입에도 불구하고 각종 용수에 대한 부족현상을 효율적으로 해결하지 못하는 이유는, 주로 우리나라의 수자원 개발은 대규모의 댐을 건설하여 지표수를 담아 두는 지표수의 이용에 편중되어 왔기 때문이다. 따라서, 가뭄이 들어서 지표수의 수량이 부족해지는 경우, 각종 용수의 수요를 충족시킬 수 없게 되는 일이 발생한다.

따라서, 수자원을 개발함에 있어서 지표수 뿐만 아니라, 지하수의 개발도 중요한데 최근 오염되지 않은 지하수에 대한 수요가 증대되고 있는 점에서 더욱 더 지하수의 중요성이 대두되고 있다.

그런데, 지하수는 오염되지 않은 수자원으로서, 일반적으로 양호한 수질을 가지며, 경제적인 채취가 가능하고, 지표수를 대표하는 하천수의 개발시에 야기되는 지역적인 갈등의 발생을 촉발시키지 않는 등 지표수에 비하여 많은 장점들을 가지는 수자원이다. 특히, 지표수는 출입은 용이하지만 용량이 작은 반면에, 지하수는 출입이 용이하지는 않지만 용량이 크다.

따라서, 이러한 장점을 갖는 지하수를 적절하게 개발하면 물부족 현상을 크게 개선할 수 있는데, 이 지하수를 수자원으로서 적절하게 이용하기 위해서는 정책적인 배려 뿐만 아니라, 경제적으로나 기술적으로 구체적인 지하수의 취수방법이 제시되어야 한다.

일반적으로 지하수는 우물을 통하여 취수되는데, 본발명에 가장 가까운 종래의 기술은 "만주식 집수정"이다.

이 만주식 집수정은 미국의 레니(Ranny)씨가 고안하여 개발한 공법으로서, "콜렉터 월(Collecter Well)"이라고도 불리우며, 일본에서는 淸水本地助 박사에 의하여 1934년 고안개발된 이래 만주에서 널리 활용되어서 붙여진 명칭이다.

이 만주식 집수정은 도1의 도시와 같이, 토사층, 사력층 및 풍화·퇴적층(A)까지 정호(1)를 수직으로 굴착한 후에 지층의 붕괴를 막기 위하여 콘크리트관(2)을 설치하고, 그 콘크리트관(2)의 측벽에서 대수층 속으로 수평 방사상으로 수평굴착공(3)들을 굴착하고 그 속에 다공집수관(4)을 끼워 집수함으로써 집수의 영향권을 확대하여 비교적 많은 량의 물을 얻을 수 있도록 한 것이다.

그러나, 이 만주식 집수정은 풍화·퇴적층(A)에서 측방으로 굴착되어진 수평굴착공(3)내에 다공집수관(4)이 설치되므로, 설치후 사용기간이 경과함에 따라 풍화·퇴적층(A)의 세립사 또는 미립사 등이 다공집수관(4)의 구멍(5)들을 메꾸게 되어 막히므로 우물의 수명이 짧게 되는 결함이 있으며, 또한 지하수를 집수하는 층이 비교적 지표수에 크게 영향을 받는 풍화·퇴적층(A)내에 있는 대수층이므로 지표수의 상태에 따라 그 집수하는 물의 량이 크게 영향을 받을 뿐만 아니라, 양질의 수질을 기대하기가 곤란한 결함이 있었다.

그런데, 지하의 대수층은 점토·실트·모래나 자갈과 같이 흙의 입자들이 고결되지 않은 지층, 소위 풍화·퇴적층내의 대수층에 존재하기도 하나, 혈암·사암·응회암·석회암이나 안산암 등과 같이 고결된 암반 지층속의 대수층에도 존재한다.

이와 같이 표토로부터 풍화·퇴적층까지를 굴착하여 그곳에 존재하는 대수층에서 지하수를 채취하는 우물을 '얕은우물'이라 하며, 풍화·퇴적층을 지나 더 깊이 고결된 암반층까지 굴착하여 그곳에 존재하는 대수층에서 지하수를 채취하는 우물을 '깊은우물'이라 부른다.

이 '깊은우물'은 지표수의 상태에 별로 영향을 받지 않는 연암층과 경암층 사이의 암반층의 대수층에서 채수하는 형태로써, 지상의 기후조건에 따라 그 집수하는 물의 량이 전혀 영향을 받지 아니하며, 양질의 수질이 기대되는 장점을 가진다. 이 경암층에서 채수되는 물을 소위 '암반수'라고 하는 것이다.

그러나, 이러한 깊은우물은 경암층까지 우물을 굴착하는데 많은 비용과 노력이 소요된다. 따라서 경암층까지 우물을 굴착하고서도 대수층을 관통하지 못하는 경우에는 막대한 비용의 손실이 발생된다.

물론, 대수층의 위치를 보다 정확하게 파악하기 위한 여러 가지의 지질조사 방법이 개발되어 사용되고 있는 것이 사실이지만, 아무리 훌륭한 지질조사를 수행한 후에 우물을 굴착한다고 하더라도, 실제로 우물을 굴착하면 지상에서 수행한 지질조사는 그다지 정확하지 못하다는 것을 금방 확인할 수 있다.

따라서, 본발명은 암반층의 대수층에서 수평으로 굴착된 수평굴착공으로 지하수를 집수함으로써 대량으로 채수가 가능할 뿐만 아니라, 암반상에 굴착되는 수직 정호 및 수평굴착공을 암반으로 둘러싸인 자연그대로 이용하여 수직정호의 하부 주면(周面) 측벽이 암반으로 노출된 상태로 그대로 활용함으로써 지반의 붕괴우려가 없으며, 또한 암반층에 수평으로 굴착된 수평굴착공에는 별도의 관을 매설하지 않고서도 집수함으로써 상기의 문제점들을 해결하고자 하는 것이다.

본발명의 목적은 암반층의 대수층에서 수평으로 굴착된 수평굴착공으로 지하수를 집수함으로써 대량으로 채수가 가능하여 가뭄시의 물부족 현상을 손쉽게 해결할 뿐만 아니라, 암반상에 굴착되는 수직 정호 및 수평굴착공을 암반으로 둘러싸인 자연그대로 이용하여 수직 정호의 하부 주면(周面) 측벽이 암반으로 노출된 상태로 그대로 활용함으로써 지반의 붕괴우려가 없으며, 또한 암반층에 수평으로 굴착된 수평굴착공에는 별도의 관을 매설하지 않고서도 집수가 가능한 지하 암반수의 채수공법을 제공하는데 있다.

도1은 종래 만주식 집수정에 의한 집수구조를 개략적으로 나타낸 단면도

도2a는 본발명의 공법으로 채수되는 집수구조를 개략적으로 나타낸 단면도

도2b는 본발명의 공법에 따라 수평굴착공들이 방사선상으로 천공된 일예를 보여 주는 평단면도

도3 내지 도7은 본발명의 공법에 따른 공정순서도로서,

도3은 수직으로 굴착된 정호를 나타낸 단면도

도4는 정호 내부에 수평굴착기를 반입하여 설치한 상태의 단면도

도5a 및 도5b는 수평굴착기로 수평굴착공들을 천공하는 상태를 보여주는 평단면도 및 일측단면도

도6은 흄관의 상, 하단부에 그라우팅을 실시한 상태를 나타낸 일측단면도

도7은 정호내에 양수설비를 설치한 상태의 단면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

A:풍화·퇴적층 B:연암층

C:대수층 D:경암층

10:정호 20:수평굴착기

30:수평굴착공 40:흄관

41, 42:그라우트 50:수중모터펌프

이하, 본발명의 기본적인 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본발명은 지표로부터 소정깊이의 수직 정호(10)를 형성하고, 그 수직 정호 (10)의 측벽 하부에서 방사상으로 수평하게 배열되는 다수의 수평굴착공(30)들을 형성하여 수직 정호의 채수 영향권을 확대시키는 지하수의 채수공법에 있어서,

지중의 토사층, 사력층, 풍화·퇴적층(A)을 순차적으로 수직굴착하고, 계속하여 연암층(B)을 지나 경암층(D)의 일정부분까지 굴착하되, 연암층(B)이 나올 때까지는 수직 굴착공의 측벽에 콘크리트 흄관(40)을 설치해서 지표층의 붕괴를 차단하고, 연암층(B) 및 경암층(D)부분은 암반을 그대로 노출시켜 측벽으로 이용하며, 경암층에 도달하면 수직 정호의 하부 내경을 더 넓게 굴착하여 작업공간을 확보한 수직 정호(10)를 굴착한 다음,

상기 수직 정호(10)의 하부에 수평굴착기(20)를 설치하고 그 수평굴착기(20)로서 수평으로 일정길이를 갖는 수평굴착공(30)을 굴착하여 연암층(B)과 경암층(D)사이에 존재하는 암반 대수층(C)에 관통시켜 암반으로 둘러싸인 자연 그대로의 집수통로를 형성한 다음,

상기 관통작업을 통해 목표량의 지하수가 용출되는 것으로 판명되면, 상기 흄관(40)의 상단 외측에 그라우트(41)를 주입하여 수직 굴착공의 측벽과 흄관(40)의 외부가 일체로 고정되도록 하고, 흄관(40)의 하단에도 그라우트(42)를 주입하여 흄관(40)의 하단을 통하여 오수나 복류수가 수직 정호(10) 내부로 유입되는 것을 차단하는 동시에 집수된 지하수가 흄관(40)의 외부로 누수되는 현상을 방지하는 작업을 통하여, 연암층과 경암층사이의 고결암반 대수층에 부존하는 양질의 암반지하수를 다량으로 집수함을 특징으로 한다.

본발명의 채수공법은 다음의 공정들을 통하여 이루어진다.

본공사에 앞서 사전조사로서, 지질조사를 수행하여 지하수가 풍부하게 저장되어 있을 가능성이 높은 지역을 탐사하여 선정한다. 지하수 탐사방법으로는 시험시추·방사능탐사·광역별 지하수조사(유역별 지하수조사) 등의 여러 가지의 방법이 있는데, 그 중에서 가장 직접적이고 정확한 방법으로는 지하수개발의 예정지 수개 지점에 시험시추보링을 실시하여 각 지층으로부터 시료를 채취한 후, 이를 지질주상도 및 정호주상도를 작성하여 지하에 분포된 지층의 수리성을 알아내어 수직 정호의 위치를 선정한다.

상기 수직 정호(10)의 위치는 하천이나 계곡과 같이 지표수가 흐르는 지역의 주변에 선정하는 것이 바람직하다.

이는 통상적으로 하천이나 계곡과 같이 지표수가 흐르는 지역의 주변지하에 지하수가 풍부하게 존재할 가능성이 높기 때문이다. 따라서 이러한 지역을 우선하여 지질조사를 수행하는 것이 바람직하다.

지질조사가 완료된 후 최적의 집수정 개발예정지를 선정하여 그곳에 공사에 필요한 모든 기계장비 일체를 반입함으로써 사전준비를 완료하고 본공사를 실시한다.

먼저 도3의 도시와 같이, 지표로부터 토사층, 사력층, 풍화·퇴적층(A)을 순차적으로 수직굴착하고, 계속하여 연암층(B)을 관통하여 경암층(D)에 도달할 때까지 정호(10)를 수직으로 굴착하는데, 정호의 굴착심도는 각 지역의 지질에 따라 차이는 있으나, 우리나라의 경우 대수층의 존재확률이 높은 연암층과 경암층의 경계면이 지하 20∼30m 정도에 존재하는 것이 보통이다.

즉, 지표에서 수직으로 굴착작업을 진행하되 풍화·퇴적층(A)까지는 직경이 1.6∼2.0m 정도가 되는 콘크리트 흄관(40)으로 측벽을 설치하여 지표층의 붕괴와 복류수(건수) 및 오수의 유입을 차단하고, 연암층(B)의 하부에 위치하는 경암층(D)에 도달하면 수직 정호(10)의 하부 내경을 2.5∼3.5m 정도로 넓혀서 굴착하여 암반을 노출시킨 상태로 측벽을 형성하여 작업공간을 확보한다.

이후, 도4의 도시와 같이, 수직굴착이 완료된 수직 정호(10)의 하측 작업공간에 수평굴착기(20)를 내려 정호(10)의 암반상의 내측벽에 지지되도록 설치한다.

본발명에 사용되는 수평굴착기(20)는 본 공법과 동시에 출원되는 본 발명자가 개발한 수평굴착기를 사용하는 것이 바람직하다. 왜냐하면 본발명은 경암층(D)에서 수평굴착공(30)을 반경 150∼250m정도까지 길게 굴착하는데 특징이 있는데, 본발명과 동시에 출원되는 수평굴착기(20)가 그 굴착공정을 원활하게 수행하는데 적합하기 때문이다.

이후, 도5a 및 도5b의 도시와 같이, 수평굴착기(20)의 설치가 완료되면, 수평굴착기(20)를 작동시켜서 일정길이를 갖는 수평굴착공(30)들을 방사선상으로 천공하는데, 상기 수평굴착공(30)들의 길이는 수직 정호(10)의 측벽에서 그 말단부까지 150∼250m의 범위를 갖는다.

따라서, 도2a 및 도2b의 도시와 같이, 정호(10)의 하부에서 수평으로 관통되는 수평굴착공(30)들이 대략 200m정도의 길이까지 연장되므로 약 400m정도의 직경을 가지는 대형 집수정을 굴착한 것과 동일한 효과를 가진다. 따라서, 비록 지상에서의 지질조사에 어느 정도 편차가 있다고 하여도 연암층(B)과 경암층(D)의 경계면에 형성되어 있는 대수층(C)을 관통시킬 확률을 크게 증대시킨다.

또한, 도2a의 도시와 같이, 경암층(D)과 연암층(B)의 경계층에 형성되어 있는 대수층(C)에 그 수평굴착공(30)들중 하나이상이 관통될 때까지 수평굴착작업을 반복하여 채수영향권을 크게 확대하여서 경암층(D)과 연암층(B)의 경계층에 형성되는 대수층(C)을 관통할 확률이 높다.

그럼에도 불구하고 하나 또는 수개의 수평굴착공(30)들로서는 대수층(C)을 관통하지 못할 경우도 있다. 그러나 정호(10)의 주변전체를 둘러서 다수의 수평굴착공(30)들을 방사선상으로 천공하는 경우에는, 그것들 중에서 대부분의 것들은 연암층(B)과 경암층(D)의 경계면에 존재하는 대수층(C)을 관통할 확률이 매우 높아진다.

또한, 연암층(B)과 경암층(D)의 경계면에 형성된 대수층(C)에는 비교적 상당히 많은 량의 지하수가 존재하는 편이다. 따라서, 일련의 수평굴착공(30)들이 대수층(C)을 관통하면 수평굴착공들의 집수통로를 통하여 상당량의 지하수가 정호내로 집수되어진다.

한편, 도2a의 도시와 같이, 정호(10)의 하부 측벽을 수평하게 관통하여 수평굴착공(30)들이 경암층(D)을 관통하므로, 일단 굴착이 완료된 수평굴착공(30)들은 암반층내에서 그 자체가 암반으로 둘러싸여 있기 때문에 토사등으로 되메워질 우려가 없으므로 그 내부에 다공집수관을 삽입할 필요가 없을 뿐만 아니라, 집수정의 수명이 길어지는 효과가 있다.

이후, 도6의 도시와 같이, 필요한 량의 지하수가 확보된 것으로 판명되면 공사중에 사용한 정호(10) 내부에 있는 기계기구 및 장비를 철수하고 정호(10)의 내부를 깨끗하게 청소한 다음, 흄관(40)의 상단 외측에는 그라우트(41)를 주입하여 수직굴착공의 측벽과 흄관의 외부가 일체로 고정되도록 하고, 흄관(40)의 하단에도 그라우트(42)를 주입하여 흄관하단을 통하여 오수나 복류수가 정호(10)의 내부로 유입되는 것을 차단함과 동시에 집수된 지하수가 흄관(40)의 외부로 누수되는 것을 방지한다.

한편, 흄관(40)의 하단에서 밑으로 연장되는 연암층(B) 및 경암층(D)에 형성되는 하부공간의 측벽은 그 면을 평탄하게 골라주는 것외에는 별도의 측벽처리 작업을 실시할 필요가 없다. 이는 오수나 복류수가 연암층 및 경암층을 통과하여 하부로 침투하지 않기 때문이다.

이후, 도7의 도시와 같이, 목표치 이상의 취수량이 확보된 것으로 판명된 후에는 하부의 작업 공간부에 수중모터펌프(50)를 설치하고, 그 수중모터펌프(50)에서 양수되는 지하수를 지상으로 연결시키는 수로관 공사와 그 수중모터펌프(50)에 동력을 공급하기 위한 배선공사를 실시한다.

한편, 지하수의 원활한 사용을 위하여 지상에 가압장과 저수조를 설치할 필요가 있을 경우에는 가압장과 저수조를 설치함으로써 집수정의 공사를 마무리한다.

이러한 본발명의 채수공법에 의하여 시공되는 집수정은 다음의 효과를 가진다.

여러 가지 관측결과에 의하면 본발명의 공법에 의하여 일단 연암층과 경암층의 경계면에 형성되어 있는 대수층을 관통하는 집수정의 시공이 성공하면 그 집수정을 통한 물의 취수량은 풍족한 편인데, 지표수가 연암층과 경암층의 경계면으로 스며들어 대수층을 형성하는 데에는 약 10년정도의 세월이 소요되는 것으로 추정되고, 경암층과 연암층의 경계면에 형성되어진 대수층내에는 다량의 암반수가 존재하는 것이 일반적이므로, 이 대수층의 수질은 음용수로 사용하여도 지장이 없을 정도로 매우 양호할 뿐만 아니라, 지상의 기후변화에 전혀 영향을 받지 아니하므로 본발명에 의하여 시공되는 집수정은 갈수기에 수자원의 지속적인 공급처로서의 기능을 하게 된다.

상기와 구성되어진 본발명은 암반층의 대수층에서 수평으로 굴착된 수평굴착공으로 지하수를 집수함으로써 대량으로 채수가 가능하여 가뭄시의 물부족 현상을 손쉽게 해결할 뿐만 아니라, 특히 집수통로를 형성함에 있어, 종래기술과 같이, 굴착공내에 인위적으로 제작한 별도의 다공집수관(스트레이너)을 설치하여 집수하였던 것과 달리, 본발명은 연암층과 경암층 사이의 고결암반 내에 형성된 수평굴착공들이 암석에 둘러싸인 상태, 즉 수평굴착공 그 자체가 뚫려진 상태에서 집수통로로서의 기능을 하기 때문에 별도의 다공집수관(스트레이너)을 설치할 필요가 없으며, 그에 따라 집수통로가 무너져서 막히거나 유실되지 않는 거의 영구적인 수명을 갖는다.

또한, 수직 정호를 형성함에 있어, 종래기술과 같이 정호내의 주면의 측벽이 사력층으로 이루어져 있기 때문에 측벽이 붕괴되지 않도록 별도의 관을 설치하였던 것과 달리, 본발명은 사력층까지는 종래와 같이 관을 설치하나, 연암층으로부터 경암층까지는 주면의 측벽이 암반으로 이루어져 있기 때문에 붕괴되지 않으므로 측벽 주면을 그대로 활용하므로 관 설치작업이 필요없는 부수적인 효과도 있다.

또한, 본발명은 지하수를 개발하는데 소요되는 비용을 최소화시키면서도, 음용수로 사용하여도 지장이 없을 정도의 양질의 지하수를 지상의 기후조건에 관계없이 대량으로 확보할 수 있도록 해주는 매우 유용한 발명이다.

Claims (3)

1. 지표로부터 소정깊이의 수직 정호(10)를 형성하고, 그 수직 정호(10)의 측벽 하부에서 방사상으로 수평하게 배열되는 다수의 수평굴착공(30)들을 형성하여 수직 정호의 채수 영향권을 확대시키는 지하수의 채수공법에 있어서,

   지중의 토사층, 사력층, 풍화·퇴적층(A)을 순차적으로 수직굴착하고, 계속하여 연암층(B)을 지나 경암층(D)의 일정부분까지 굴착하되, 연암층(B)이 나올 때까지는 수직 굴착공의 측벽에 콘크리트 흄관(40)을 설치해서 지표층의 붕괴를 차단하고, 연암층(B) 및 경암층(D)부분은 암반을 그대로 노출시켜 측벽으로 이용하며, 경암층에 도달하면 수직 정호의 하부 내경을 더 넓게 굴착하여 작업공간을 확보한 수직 정호(10)를 굴착한 다음,

   상기 수직 정호(10)의 하부에 수평굴착기(20)를 설치하고 그 수평굴착기(20)로서 수평으로 일정길이를 갖는 수평굴착공(30)을 굴착하여 연암층(B)과 경암층(D)사이에 존재하는 암반 대수층(C)에 관통시켜 암반으로 둘러싸인 자연 그대로의 집수통로를 형성한 다음,

   상기 관통작업을 통해 목표량의 지하수가 용출되는 것으로 판명되면, 상기 흄관(40)의 상단 외측에 그라우트(41)를 주입하여 수직 굴착공의 측벽과 흄관(40)의 외부가 일체로 고정되도록 하고, 흄관(40)의 하단에도 그라우트(42)를 주입하여 흄관(40)의 하단을 통하여 오수나 복류수가 수직 정호(10) 내부로 유입되는 것을 차단하는 동시에 집수된 지하수가 흄관(40)의 외부로 누수되는 현상을 방지하는 작업을 통하여, 연암층과 경암층사이의 고결암반 대수층에 부존하는 양질의 암반지하수를 다량으로 집수함을 특징으로 하는 지하 암반수의 채수공법.
2. 제1항에 있어서, 상기 수평굴착공(30)들은 수직 정호(10)의 측벽에서 그 말단부까지의 길이가 150∼250m인 것을 특징으로 하는 지하 암반수의 채수공법.
3. 제1항에 있어서, 상기 수직 정호(10)의 위치는 하천이나 계곡과 같이 지표수가 흐르는 지역의 주변에 선정함을 특징으로 하는 지하 암반수의 채수공법.