KR20170089063A

KR20170089063A - 지반변형 억제 시스템 및 억제 방법

Info

Publication number: KR20170089063A
Application number: KR1020160008583A
Authority: KR
Inventors: 박남식; 남병희
Original assignee: 동아대학교 산학협력단
Priority date: 2016-01-25
Filing date: 2016-01-25
Publication date: 2017-08-03
Also published as: KR101793360B1

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 피압대수층 및 그 상부의 난투수층을 포함하는 지반에 대한 지반변형을 억제하는 시스템에 있어서, 피압대수층을 양수 또는 주입하는 제1 관정; 및 상기 제1 관정으로부터 소정 거리 이격되어 설치되고, 하단부가 상기 난투수층에 위치하는 하나 이상의 제2 관정;을 포함하고, 상기 각각의 제2 관정에 대해, 제2 관정의 수위를 기설정된 수위 값으로 유지함으로써 상기 피압대수층의 양수에 의해 하강하거나 주입에 의해 상승하는 난투수층의 수두 변화량을 억제하는 지반변형 억제 시스템을 개시한다.

Description

지반변형 억제 시스템 및 억제 방법 {System and method for controlling land deformation}

본 발명은 지반변형 억제 시스템 및 억제 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 피압대수층의 양수(pumping) 또는 주입(injecting)에 의해 피압대수층 상부의 난투수층이 불안정해져 지반침하 또는 지반상승 등의 지반변형이 발생하는 것을 방지하고 억제할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

점토층과 같은 난투수층의 하부에 대수층이 발달한 경우 대수층내 지하수는 자유수면을 가지지 않고 피압 상태가 될 수 있다. 이러한 대수층을 피압대수층이라 부른다. 피압대수층에서 지하수를 양수하면 피압대수층의 지하수위가 낮아지게 되어 인하여 상부 난투수층의 지하수위도 낮아지며 이는 난투수층의 압밀(consolidation)을 야기하여 지반침하라 불리는 현상이 발생한다.

지반침하는 태국, 베트남, 중국, 일본, 멕시코 등 세계 각지에서 일어나며 우리나라에서도 최근 지반침하 현상이 사회적 이슈로 떠오르고 있다. 지반침하는 피압대수층에서의 지하수 양수로 인해 발생하는 경우가 많으며, 압밀된 난투수층은 원 상태로 되돌리는 것이 거의 불가능하기 때문에 압밀을 방지하는 것 외에는 대안이 없는 실정이다. 즉 종래 기술에서는 지반침하 현상이 발견되면 피압대수층에서의 양수를 중단하거나 물을 피압대수층에 다시 주입하는 방법을 사용하였다.

또한 지하수 양수와 반대로 피압대수층에 물을 주입하는 경우, 대수층의 수위가 상승하고 이로 인하여 난투수층의 수두도 상승하며 역시 난투수층의 변형을 일으킬 수 있다. 이 역시 지표면의 변형을 일으키므로 바람직하지 않아 방지가 필요하다.

특허문헌1: 일본 공개특허공보 제2002-54856호 (2002년 2월 20일 공개)

본 발명의 일 실시예에 따르면, 피압대수층 지하수의 양수 또는 물 주입 등의 다양한 피압대수층 활용에 대비하여 실용적인 난투수층 변형관리 방안을 제시한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 피압대수층의 양수/주입 관정 주위에 난투수층에 매설하는 제2 관정을 설치하고 이 제2 관정의 수위를 소정 높이로 제어함으로써, 난투수층의 수두 변화를 억제하는 시스템 및 장치를 개시한다.

이 때 상기 제2 관정은, 상기 난투수층 내에서 상기 피압대수층의 양수 또는 주입으로 인해 수두 증감 영향을 받는 영역 내의 임의의 위치에 설치될 수 있다.

또한 이 때 상기 제2 관정은, 원통 형상의 본체, 및 이 본체 하부에 본체의 둘레를 따라 형성된 다수의 관통구(55)를 갖는 스크린을 포함하고, 상기 스크린이 상기 난투수층 내에 위치할 수 있다.

또한 이 때 상기 제1 관정에서 피압대수층을 양수하고 있는 경우, 상기 제1 관정과 제2 관정 사이의 상기 이격 거리, 상기 기설정된 수위 값, 및 상기 스크린의 높이 중 적어도 하나의 수치가, 상기 난투수층 내의 임의의 깊이에서의 수두 회복비, 수두 회복 체적비, 및 과잉 수두상승 체적비 중 적어도 하나를 고려하여 결정될 수 있다.

또한 이 때 상기 수두 회복비는 상기 피압대수층의 양수로 인한 수두 감소량에 대한 제2 관정으로 인한 난투수층의 수두 회복량의 비에 비례하고, 상기 수두 회복 체적비는 상기 피압대수층의 양수로 인한 난투수층의 수두 감소 영향을 받는 체적에 대한 상기 제2 관정으로 인한 난투수층의 수두 회복 영향을 받는 체적의 비에 비례하고, 상기 과잉 수두상승 체적비는 상기 제2 관정으로 인한 난투수층의 수두 회복 영향을 받는 체적에 대한 상기 난투수층의 최초 수두보다 높은 수두 값을 나타내는 영역의 체적의 비에 비례할 수 있다.

또한 이 때 상기 제1 관정과 제2 관정 사이의 상기 이격 거리, 상기 기설정된 수위 값, 및 상기 스크린의 높이 중 적어도 하나의 수치가, 상기 수두 회복비 및 수두 회복 체적비 중 적어도 하나에 비례하고 상기 과잉 수두상승 체적비에 반비례하는 평가함수의 함수 값에 기초하여 결정될 수 있다.

또한 이 때 상기 지반변형 억제 시스템이, 제2 관정의 수위를 측정하는 수위측정 센서; 일단이 상기 제2 관정의 상단부에 연결되고 타단이 외부 저류조와 연결된 수로관; 상기 수로관에 결합되어, 상기 제2 관정의 물을 배출하거나 제2 관정에 물을 공급하기 위해 동작하는 펌프; 및 상기 수위측정 센서로부터 센싱 값을 입력받고, 이에 기초하여 상기 펌프의 구동을 제어하여 상기 제2 관정의 수위를 상기 기설정된 수위 값으로 유지하도록 구성된 제어부;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 피압대수층 및 그 상부의 난투수층을 포함하는 지반에 대한 지반변형을 억제하는 시스템을 이용한 지반변형 억제 방법에 있어서, 상기 시스템은, 피압대수층을 양수 또는 주입하는 제1 관정; 및 상기 제1 관정으로부터 소정 거리 이격되어 설치되고, 하단부가 상기 난투수층에 위치하는 하나 이상의 제2 관정;을 포함하고, 상기 피압대수층에서 지하수를 양수하거나 상기 피압대수층으로 물을 주입하고 있을 때, 상기 지반변형 억제 방법이, 상기 각각의 제2 관정에 대해, 제2 관정의 수위를 기설정된 수위 값으로 유지하는 단계를 포함하는 지반변형 억제 방법을 개시한다.

이 때 상기 제2 관정의 수위를 유지하는 단계는, 상기 제2 관정의 수위를 측정하는 단계; 및 상기 측정된 수위 값이 상기 기설정된 수위 값보다 작으면 상기 제2 관정에 물을 공급하고, 상기 측정된 수위 값이 상기 기설정된 수위 값보다 크면 상기 제2 관정에서 물을 배출하는 단계;를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 피압대수층의 양수/주입 관정 주위에 난투수층에 매설하는 제2 관정을 설치하고 이 제2 관정의 수위를 소정 높이로 제어함으로써 난투수층의 수두 변화를 억제하는 효과를 가진다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 피압대수층의 양수/주입 관정을 계속 사용하더라도 제2 관정의 수위를 소정 높이로 제어하면 난투수층의 수두 변화를 억제할 수 있으므로, 피압대수층의 지하수를 계속 사용하면서도 지반침하를 방지할 수 있는 이점이 있다.

도1은 지하수 양수시 피압대수층의 수두 변화를 설명하기 위한 도면,
도2는 평형상태에서 지하수 양수시 깊이에 따른 수직적 수두변화를 설명하기 위한 도면,
도3(a)는 양수시 난투수층의 깊이별 수평적 수두변화를 설명하기 위한 도면,
도3(b)는 도3(a)의 수두변화에 따른 유효응력 변화를 나타내는 도면,
도4(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 난투수층 지반변형 억제 시스템을 설명하기 위한 도면,
도4(b)는 깊이(A)에서 난투수층의 수두 변화를 설명하기 위한 도면,
도5는 제2 관정의 설계변수에 따른 난투수층 수두 변화를 설명하기 위한 도면,
도6은 지하수 주입시 피압대수층의 수두 변화를 설명하기 위한 도면,
도7은 평형상태에서 지하수 주입시 깊이에 따른 수직적 수두변화를 설명하기 위한 도면,
도8 및 도9는 본 발명의 일 실시예에 따른 효과를 설명하기 위한 도면으로, 도8은 일 실시예에 따른 제2 관정을 설치하기 전의 수두 강하량을 나타내는 시뮬레이션 결과이고, 도9는 일 실시예에 따른 제2 관정을 설치했을 때의 수두 회복량을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서의 도면에 있어서, 구성요소들의 길이, 두께, 넓이 등의 수치는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장하여 표시될 수 있다.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예를 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

이하에서 도1 내지 도4를 참조하여 피압대수층에서 양수(pumping)를 할 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 지반변형 억제 시스템을 설명하기로 한다.

도1은 지하수 양수시 피압대수층의 수두 변화를 설명하기 위한 도면이다. 지하수를 양수하는 영역의 지층 구조가 도1에 개략적으로 도시되어 있으며, 지표면에서부터 아래쪽으로 표토층(10), 난투수층(20), 및 피압대수층(30)으로 이루어져 있다고 가정한다. 표토층(10)은 지표면에서 수십 센티미터 내지 수십 미터의 두께를 갖는 층이다. 난투수층(難透水層; aquiclude)은 공극이 미세한 토양으로 구성되어 매우 낮은 투수계수를 갖는 지층이다. 도면에서는 난투수층(20)의 구성요소로 점토만을 명시하였지만, 일반적으로 난투수층은 점토나 미사 또는 경반층 등 투수계수가 낮은 임의의 토양 성분으로 구성된다. 이하의 본 발명의 실시예에서는 설명의 편의를 위해 '난투수층' 또는 '점토층'으로 칭하기로 한다.

피압대수층(被壓帶水層; confined aquifer)은 상부와 하부가 난투수층 또는 불투수층으로 둘러싸인 대수층(aquifer)으로 투수계수가 높은 토양 성분으로 구성된다. 도1에서 피압대수층(30)의 구성요소로 모래와 자갈만을 명시하였지만 일반적으로 피압대수층은 모래, 자갈, 사암, 충적층, 공동성 석회암, 균열대리암, 균열화강암, 쇄설성 석영암 등 다양한 암석 성분으로 구성된다.

피압대수층(30)은 상부의 지층으로부터 압력을 받기 때문에 피압대수층(30)까지 삽입된 관정 내의 지하수위는 대수층의 상부 경계보다 높게 형성된다. 즉 도1에 도시한 것처럼 양수 관정(40)을 피압대수층(30)까지 매설한 경우 피압대수층(30)의 초기 지하수위(이하에서 "수두(water head)"라고도 함)는 h1으로 표시한 가상의 수위를 가진다. 그 후 관정(40)의 하부에 형성된 다수의 관통구(45)를 통해 피압대수층(30) 내의 지하수를 양수(pumping)하면 양수 관정(40)을 중심으로 지하수가 점차 줄어들게 되므로, 도시한 것처럼 h2의 그래프와 같이 수두가 하강하게 된다.

도2는 평형상태에서 지하수 양수시 깊이에 따른 수직적 수두변화를 설명하기 위한 도면이다. 도2에서 왼쪽의 지층 구조는 도1과 동일하다. 도2의 오른쪽 그래프에서 수직축은 지층 깊이(d)를 나타내고 수평축은 각 깊이(d)에서의 간극수압(μ)을 나타낸다. 실선 그래프(μ1)로 표시한 것처럼 초기 간극수압(μ)은 깊이(d)에 비례하여 증가한다고 가정한다.

양수를 하지 않는 경우, 즉 양수 관정(40)을 피압대수층(30)에 매설한 직후 피압대수층(30)의 지하수의 수두는 h1이고, 관정(40)을 통해 양수를 함에 따라 수두가 h2로 강하함은 도1을 참조하여 설명한 것과 같다.

양수를 하기 전의 깊이에 따른 간극수압(μ)은 오른쪽 그래프에서 실선 그래프(μ1) 이다. 피압대수층(30)은 투수계수가 높으므로 피압대수층에서 지하수가 양수되면, 피압대수층의 지하수위 변화는 거의 즉각 발생한다. 따라서 피압대수층 내 간극수압(μ)은 피압대수층 전체 깊이에 걸쳐 빠르고 거의 일정하게 감소하여 점선(μ2)과 같이 이동하게 된다.

한편 이 때 난투수층(20)의 수두 변화의 경우, 낮은 투수성으로 인하여 피압대수층(30)과 접해있는 난투수층(20)의 하부에서부터 점차적으로 수두가 변화되기 시작한다. 난투수층(20) 상부에는 하부의 피압대수층(30)과 완전히 분리된 자유면 대수층이 있는 경우가 많고, 이러한 경우 난투수층 상부의 수두는 거의 변화하지 않는다. 따라서 난투수층(20)의 수두 변화는 하부에서 가장 크게 발생하며 시간 경과에 따라 상부로 전파되는 양상을 보인다. 즉, 난투수층(20)에서의 간극수압(μ)은 도2의 점선(μ2)의 그래프의 곡선 구간으로 표시한 것처럼, 상부에는 간극수압에 영향이 거의 없는 반면 난투수층 하부, 즉 피압대수층(30)과 인접한 부분에서는 피압대수층(30)과 거의 동일하게 간극수압이 하강하게 된다.

난투수층(20)의 간극수압(μ) 변화에 대해 좀 더 살펴보면, 도3(a)는 양수시 난투수층(20)의 깊이별 수평적 간극수업의 변화를 설명하기 위한 도면이고 도3(b)는 간극수압 변화에 따른 유효응력 변화를 나타내는 도면이다.

도3(a)를 참조하면, 도3(a)는 피압대수층(30)의 양수시 난투수층(20)의 각 깊이(d1, d2, d3, d4)에서의 간극수압(μ)의 수평적 분포를 나타내며, 각 깊이(d1, d2, d3, d4)에서의 간극수압을 각각 μ1, μ2, μ3, μ4로 나타내었다. 도2에서 설명한 바와 같이, 난투수층(20) 내에서 깊이가 깊을수록 피압대수층(30)의 영향을 많이 받아 간극수압(μ)이 크게 떨어지고 위로 올라갈수록 간극수압(μ)의 변화가 적음을 알 수 있다.

일반적으로 지반 변형의 대부분은 난투수층의 변형에 기인한다. 수위 강하로 인한 난투수층의 압밀의 경우 침하량은 유효응력을 고려하여 산정될 수 있다. 도3(b)는 간극수압 변화에 의한 각 깊이에서의 유효응력 변화를 나타낸다. 유효응력(σ')은 아래 수식에 따라 간극수압(μ)으로부터 곧바로 유도될 수 있으며, 난투수층(20) 내의 각 깊이(d1, d2, d3, d4)에서의 유효응력을 각각 σ'1, σ'2, σ'3, σ'4로 나타내었다.

σ' = σ - μ (단, σ는 전응력(total stress))

본 발명의 일 실시예에 따르면, 피압대수층(30)의 수두 변화가 발생하여도 난투수층(20)의 수위를 기설정한 설계값 대로 일정하게 유지시키면 난투수층의 수두 변화를 경감시킬 수 있고 난투수층의 유효응력 변화에 기인한 지반 변형을 억제할 수 있다.

이에 따라 본 발명의 일 실시예에서는 난투수층(20) 내에 관정을 매설하고 이 관정 내 수위를 일정하게 유지시킨다. 즉 피압대수층(30)의 지하수 양수의 경우 난투수층(20)의 관정내 수위를 높게 유지시키고 피압대수층(30)의 지하수 주입의 경우 난투수층(20)의 관정내 수위를 낮게 유지시키면, 피압대수층(30)에서 발생한 수두 변화가 난투수층(20)으로 전파되는 것을 억제할 수 있다.

도4(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 난투수층 지반변형 억제 시스템을 설명하기 위한 도면이고, 도4(b)는 깊이(A)에서 난투수층의 수두 변화를 설명하기 위한 도면이다.

도4(a)를 참조하면, 일 실시예에 따른 지반변형 억제 시스템은 제1 관정(40) 및 제2 관정(50)을 포함한다. 또한 대안적인 일 실시예에서, 지반변형 억제 시스템은 제1 관정(40) 및 제2 관정(50) 외에, 수로관(60), 펌프(65), 수위측정 센서(70), 및 제어부(80)를 더 포함할 수 있다.

제1 관정(40)은 피압대수층(30) 깊이까지 매설되어 피압대수층의 지하수를 양수하는 양수 관정으로 기능한다. 일 실시예에서 제1 관정(40)의 하부에는 다수의 관통구(45)가 형성되어 있고, 이 관통구(45)를 통해 피압대수층의 지하수가 흡입되어 지상으로 배출된다.

도4(b)는 난투수층(20) 내의 임의의 지점으로서 깊이(A)를 선정하여 이 깊이(A)에서의 난투수층의 수두를 나타내었다. 피압대수층(30)의 양수를 하기 전 최초의 수두 높이를 0이라고 하면, 제1 관정(40)에 의해 피압대수층을 양수함에 따라, 도2 및 도3에서 설명한 것과 같이, 난투수층의 수두가 점차 하강하여 h_A1의 점선과 같은 모양을 나타낸다.

이와 같이 제1 관정(40)의 매설 및 피압대수층(30)의 양수에 의해 수두가 하강한 상태를 전제로 할 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 관정(50)이 난투수층(20)의 깊이까지 매설된다.

제2 관정(50)은 제1 관정(40)으로부터 소정 거리 이격되어 설치되고, 하단부가 난투수층(20)에 위치한다. 도면에서 제1 관정(40)의 위치를 원점(0,0)이라고 하면, 제2 관정(50)은 수평 방향에서 제1 관정(40)으로부터 α(x,y) 지점에 매설된 것으로 예시하였다. 제2 관정(50)의 매설 지점은 특별히 제한되지 않는다. 다만 제2 관정(50)이 난투수층(20)의 수두를 회복시키기 위한 것이므로, 난투수층(20) 중에서도 피압대수층(30)의 양수로 인해 난투수층(20)의 수두 감소 영향을 받는 영역 내에서 임의의 위치에 매설되는 것이 바람직하다. 제2 관정(50)은 제1 관정(40)의 둘레를 따라 하나 이상 설치될 수 있으며, 본 명세서의 실시예에서는 설명의 편의를 위해 1사분면 내에 위치하는 것으로 도시하였다.

일 실시예에서 제2 관정(50)은 일반적으로 사용되는 관정과 같이 원통 형상의 본체 및 이 본체 하부에서 본체의 둘레를 따라 형성된 다수의 관통구(55)로 이루어진 스크린을 포함한다. 스크린의 높이(γ)는 특별히 제한되지 않으며, 다만 제2 관정(50)이 난투수층(20)의 수두를 회복시키기 위해 설치되므로 스크린이 난투수층(20) 내에 위치하는 것이 바람직하다.

제1 관정에 의해 피압대수층의 양수가 진행되고 있는 상태에서 제2 관정(50)을 난투수층(20)에 매설하였다고 가정하였으므로, 제2 관정(50)을 매설한 직후 제2 관정(50) 내의 지하수의 수두는 도4(b)에서 0보다 작은 값(예컨대 h_A1 그래프에서 해당 X축 지점에서의 수두 값 또는 이와 유사한 값)을 가질 것이다.

본 발명의 일 실시예에서, 제2 관정(50)의 수위를 기설정된 값(β)으로 설정하고 이 설정값을 유지시킨다. 이 때 설정값(β)은 현재의 수두 값 보다 큰 값이면 되지만, 바람직하게는 최초 수두(즉, 0)보다 높은 값으로 설정하는 것이 바람직하다. 후술하겠지만, 제2 관정(50)의 위치 α(x,y), 제2 관정 내 수두의 설정값 β, 그리고 관통구(55)로 이루어진 스크린의 높이 γ는 제2 관정(50)에 따른 수두 회복 효과를 고려하여 적절한 값으로 설정될 수 있다.

본 발명에서 난투수층(20)에 매설된 제2 관정(50)의 수위를 기설정된 값(β)으로 유지시키게 되면 도4(b)에 도시한 바와 같이 난투수층의 수두가 h_A1에서 h_A2로 상승하게 된다. 즉 도4(b)에서 빗금 영역(실선과 점선의 차이)은 피압대수층의 양수에 의해 떨어진 난투수층의 수두가 제2 관정(50)에 의해 상승된 효과를 나타낸다. 따라서 본 발명에 따르면 제2 관정(50)을 설치하고 제2 관정 내 수위를 기설정된 값(β)으로 유지시킴으로써 난투수층의 수두 변화를 경감시킬 수 있으므로 유효응력 변화에 기인한 지반 변형을 억제하는 효과를 얻을 수 있다.

제2 관정(50)의 수위를 기설정된 값(β)으로 유지하는 장치는 여러 가지 실시예로 구현될 수 있다. 도4(a)에 도시한 일 실시예에 따르면, 지반변형 억제 시스템은 수로관(60), 펌프(65), 수위측정 센서(70), 및 제어부(80)를 포함할 수 있다.

수위측정 센서(70)는 제2 관정(50)의 수위를 측정할 수 있다. 수로관(60)의 일단은 제2 관정(50)에 연결되고 타단은 외부의 저류조와 연결될 수 있다. 여기서 외부 저류조는 예컨대 호수, 저수지, 하천, 물탱크 등 물을 배출하거나 물을 끌어올 수 있는 임의의 대상물이 될 수 있다.

펌프(65)는 수로관(60)의 임의의 경로상에 결합되어 제2 관정(50)의 물을 외부 저류조로 배출하거나 외부 저류조로부터 제2 관정(50)에 물을 공급하도록 동작한다. 제어부(80)는 수위측정 센서(70)로부터 수두 높이에 관한 센싱 값을 입력받고, 이에 기초하여 펌프(65)의 구동을 제어하여 제2 관정(50)의 수위를 상기 기설정된 값(β)으로 유지시킨다.

이와 같이 본 발명에 일 실시예에 따르면 제2 관정(50) 펌프(65), 센서(70), 및 제어부(80) 등으로 지반변형 억제 시스템을 구성하고 제어부(80)에 의해 자동으로 제2 관정(50)의 수위를 설정값(β)으로 유지시킴으로써 난투수층의 수두 변화를 경감시키고 지반 변형을 억제하는 효과를 얻을 수 있다.

한편, 난투수층(20)의 변형은 지표면에서 지반 침하 등으로 나타나는데 위치에 따라 변형량이 상이하다. 이는 피압대수층의 수두변화 분포나 난투수층의 두께 분포가 균일하지 않기 때문이다. 따라서 제2 관정(50)의 위치(α), 수두의 설정값(β), 그리고 스크린의 높이(γ)를 각각 어떻게 설정하는가에 따라 난투수층의 수두 회복 효과가 달라지게 된다.

제2 관정(50)의 설치 위치(α)는, 가능하면 양수관정, 즉 제1 관정(40)에 가까울수록 제2 관정(50)에 의한 수두 상승 효과가 크겠지만, 실제 환경에서는 난투수층의 두께가 일정하지 않는 등 다양한 변수가 있으므로 반드시 제1 관정에 가까운 것이 가장 효율적인 것은 아니다.

제2 관정(50)의 수두 설정값(β)은, 가능하면 높게 설정할수록 난투수층의 수두 회복량이 많아지지만 과잉 수두상승 영역이 커지므로 효율적이지 않다.

이와 관련하여 도5는 난투수층 내 임의의 깊이(예컨대 A 깊이)에서의 수두의 수평 방향(X방향) 분포를 나타내며, 도5의 h_A1, h_A2 곡선은 도4(b)의 h_A1, h_A2 그래프에 각각 대응한다. 제2 관정(50)의 수두 설정값(β)을 크게 설정한 경우, 수두 상승 효과도 커지므로 예컨대 도5에서 h_A2'로 표시한 것과 같은 그래프를 나타낼 것이다. 그러나 이 경우 X축 상부 영역, 즉 수두가 최초 높이(즉, 0) 이상으로 높아지는 과잉 수두상승 지역이 많아지므로 효율적이지 않다. 반대로, 설정값(β)을 낮추면 h_A2''로 표시한 그래프와 같이 수두 회복이 되므로 수두 상승 효과가 작아지므로 역시 효율적이지 않다.

제2 관정(50)의 스크린 높이(γ)에 대해, 스크린 높이(γ)를 높이면 그만큼 많은 물이 난투수층(20)에 공급되므로 도5의 h_A2'와 유사한 수두 회복량을 나타낼 것이고, 반대로 스크린 높이(γ)를 낮추면 물 공급이 적어지므로 도5의 h_A2''유사한 그래프를 나타낼 것이다.

본 발명의 일 실시예에서, 제2 관정(50)의 설치 위치(α), 수두 설정값(β), 및 스크린 높이(γ) 중 적어도 하나의 값을 난투수층에서의 "수두 회복비", "수두 회복 체적비", 및 "과잉 수두상승 체적비" 중 적어도 하나를 고려하여 결정한다. 이 때 상기 수두 회복비, 수두 회복 체적비, 및 과잉 수두상승 체적비는 난투수층(20) 내의 임의의 깊이(예컨대 도4의 A 깊이 지점)에서 산출한 값이다.

수두 회복비는 [피압대수층의 양수로 인한 수두 감소량]에 대한 [제2 관정으로 인한 난투수층의 수두 회복량]의 비에 비례하는 값으로 정의할 수 있다.

즉, 수두 회복비는 예컨대 도4(b)에서 X축과 h_A1의 그래프에 사이 영역에서의 지하수의 감소량에 대해, 도4(b)에서 h_A2와 h_A1 사이의 빗금친 영역의 지하수의 회복량의 비(ratio)에 비례하는 값이다.

수두 회복 체적비는 [피압대수층의 양수로 인한 난투수층의 수두 감소 영향을 받는 체적]에 대한 [제2 관정으로 인한 난투수층의 수두 회복 영향을 받는 체적]의 비에 비례하는 값으로 정의할 수 있다. 즉 수두 회복 체적비는 예컨대 도4(b)의 X축과 h_A1 사이의 공간(체적)에 대해, 도4(b)의 빗금친 영역의 공간(체적)의 비에 비례하는 값이다.

과잉 수두상승 체적비는 [제2 관정으로 인한 난투수층의 수두 회복 영향을 받는 체적]에 대한 [난투수층의 최초 수두보다 높은 수두 값을 나타내는 영역의 체적]의 비에 비례하는 값으로 정의할 수 있다. 즉 과잉 수두상승 체적비는 예컨대 도4(b)의 빗금친 영역의 공간(체적)에 대해, 도4(b)에서 X축과 h_A2 그래프 사이의 영역의 공간(체적)의 비에 비례하는 값일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 제2 관정(50)의 설치 위치(α), 수두 설정값(β), 및 스크린 높이(γ) 중 적어도 하나의 값을 난투수층에서의 수두 회복비, 수두 회복 체적비, 및 과잉 수두상승 체적비 중 적어도 하나를 고려하되, 구체적으로, 수두 회복비 및 수두 회복 체적비 중 적어도 하나에 비례하고 과잉 수두상승 체적비에 반비례하는 평가함수를 정의하고, 이 평가함수의 함수 값에 기초하여 설정할 수 있다.

예를 들어 위의 3가지 항목(수두 회복비, 수두 회복 체적비, 및 과잉 수두상승 체적비)을 모두 고려할 때, 일 실시예에서 평가함수로서 예컨대 아래 수학식1과 같은 함수를 정의할 수 있다.

[수학식1]

상기 평가함수의 오른쪽 3개 항은 왼쪽부터 차례로 각각 수두 회복비, 수두 회복 체적비, 및 과잉 수두상승 체적비를 의미한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에서, 제2 관정을 최적 설계할 수 있는 최적설계 전산모델을 사용하여 제2 관정(50)의 설치 위치(α), 수두 설정값(β), 및 스크린 높이(γ)를 구할 수 있다. 최적설계모델은 피압대수층과 난투수층의 지하수 흐름을 모의할 수 있는 시뮬레이션 전산모델(예를 들어 MODFLOW)과 유전자 알고리즘(genetic algorithm)과 같은 최적화 알고리즘을 포함할 수 있다. 이러한 방법에 따르면, 예컨대 최적화 알고리즘에 의해 복수개의 후보지를 임의로 선정하고 각 후보지마다 시뮬레이션 모델에 의해 평가함수(F)의 값을 구하고 그 중 평가함수 값이 가장 큰 후보지를 선택하여 이 후보지의 설치 위치(α), 수두 설정값(β), 및 스크린 높이(γ)를 제2 관정의 가장 최적의 설계값으로 선정할 수 있다.

이상과 같이, 피압대수층(30)의 양수시 난투수층(20)에 제2 관정(50)을 매설하고 제2 관정의 수위를 조절함으로써 난투수층 수두 변화를 완화시키는 실시예를 설명하였다.

이하에서는 도6과 도7을 참조하여 피압대수층(30)에 물을 주입할 때 난투수층(20)의 수두 변화 및 이에 대한 본 발명의 지반변형 억제 시스템 구성을 간략히 설명한다.

도6은 물 주입시 피압대수층의 수두 변화를 설명하기 위한 도면이고, 도7은 평형상태에서 물 주입시 깊이에 따른 수직적 수두변화를 설명하기 위한 도면이다.

도6을 참조하면, 피압대수층(30)에 물을 주입할 때의 해당 영역의 지층 구조 및 주입 관정(40)은 도1과 동일 또는 유사하다고 가정한다. 피압대수층(30)에 물을 주입하기 전의 피압대수층의 수두는 h1으로 표시한 가상의 수위를 가진다. 그 후 관정(40)의 하부에 형성된 다수의 관통구(45)를 통해 물을 피압대수층(30) 내부로 주입하면 도6에 도시한 것처럼 h2의 그래프와 같이 수두가 상승하게 된다.

도7에서 왼쪽의 지층 구조는 도2와 동일하고, 도7의 오른쪽 그래프에서 수직축은 지층 깊이(d)이고 수평축은 각 깊이(d)에서의 간극수압(μ)을 나타낸다. 실선 그래프로 표시한 것처럼 피압대수층(30)에 물을 주입하기 전의 초기 간극수압(μ1)은 깊이(d)에 비례하여 증가한다고 가정한다. 피압대수층(30)에 물을 주입하면 피압대수층의 지하수위 변화는 거의 즉각 발생하고, 따라서 피압대수층 내 간극수압(μ)은 피압대수층 전체 깊이에 걸쳐 빠르고 일정하게 감소하여 점선(μ2)과 같이 상승 이동하게 된다.

이 때 난투수층(20)은 투수계수가 매우 작기 때문에 난투수층(20) 상부의 수두는 초기 단계에서 거의 변화하지 않고 피압대수층(30)과 접해있는 난투수층(20)의 하부에서부터 점차적으로 수두가 변화되기 시작한다. 이에 따라 난투수층(20)의 수두 변화는 하부에서 가장 크게 발생하고 시간 경과에 따라 상부로 전파되는 양상을 보인다. 즉 도7의 점선 그래프(μ2)의 곡선 구간으로 표시한 것처럼, 상부에는 간극수압에 영향이 거의 없는 반면 난투수층 하부, 즉 피압대수층(30)과 인접한 부분에서는 피압대수층(30)과 거의 동일하게 간극수압이 상승하게 된다.

이러한 구성에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 지반변형 억제 시스템은 도4(a)에 도시한 것과 동일 또는 유사한 구성을 가질 수 있다. 즉 일 실시예에 따른 지반변형 억제 시스템은 제1 관정(40), 제2 관정(50), 수로관(60), 펌프(65), 수위측정 센서(70), 및 제어부(80)를 포함할 수 있다. 각 구성요소의 구성 및 기능은 피압대수층 양수시 구성 및 기능과 동일 또는 유사하므로 설명을 생략한다. 다만 피압대수층에 물을 주입하는 경우, 제2 관정(50)의 수두의 최초 값은 (도4(b)에서) 0보다 큰 값이며, 본 발명의 일 실시예에서는 제2 관정(50)의 설정값(β)을 최초 수두(즉, 0)보다 낮은 값으로 설정하는 것이 바람직할 것이다.

피압대수층 양수의 경우와 마찬가지로, 피압대수층 주입의 경우에도 제2 관정(50)의 설치 위치(α), 수두 설정값(β), 및 스크린 높이(γ)는 제2 관정(50)에 따른 수두 감소 효과를 고려하여 적절한 값으로 설정할 수 있으며, 상술한 것처럼 평가함수를 정의하고 이에 기초하여 제2 관정(50)의 설계 변수들을 결정할 수 있다.

일 실시예에서, 피압대수층에 물 주입시 수두 설정값(β)을 물 주입전의 원래의 수두 높이로 정하는 것이 바람직하다. 이는 난투수층의 수두가 원래의 수두 이하로 떨어질 경우 지반침하가 야기될 수 있기 때문이다.

따라서 일 실시예에서, 제2 관정(50)의 설치 위치(α), 및 스크린 높이(γ) 중 적어도 하나의 값을 난투수층에서의 수두 회복비 및 수두 회복 체적비 중 적어도 하나를 고려하여 평가함수를 정의할 수 있으며, 예컨대 아래 수학식2와 같은 평가함수를 정의할 수 있다.

[수학식2]

상기 평가함수에서 오른쪽 첫번째 항은 수두 회복비를 의미하며, [피압대수층의 주입으로 인한 수두 증가량]에 대한 [제2 관정으로 인한 난투수층의 수두 회복량]의 비에 비례하는 값으로 정의할 수 있다. 오른쪽 두번째 항은 수두 회복 체적비를 의미하며, [피압대수층의 주입으로 인한 난투수층의 수두 증가 영향을 받는 체적]에 대한 [제2 관정으로 인한 난투수층의 수두 회복 영향을 받는 체적]의 비에 비례하는 값으로 정의할 수 있다.

이와 같이 수학식2의 평가함수는 수두 회복비와 수두 회복 체적비로 구성되어 있으며, 피압대수층 양수시의 평가함수(수학식1)에 포함되었던 과잉 수두상승 체적비는 난투수층의 수두가 원래의 수두로 고정되므로 고려되지 않아도 무방하다.

이하에서는 도8과 도9를 참조하여 본 발명의 효과를 시뮬레이션 결과를 통해 설명하기로 한다. 설명의 편의를 위해 피압대수층을 양수하는 경우만을 실험하였다.

도8은 피압대수층의 양수에 의한 난투수층의 수두 강하량을 나타낸 것으로, 도8에서 X-Y축 평면은 제1 관정이 설치된 영역을 위에서 바라본 평면이고, 제1 관정(40)이 왼쪽 하단 모서리에 위치하는 것으로 가정하였다. 도8에서 알 수 있듯이, 피압대수층의 양수에 의해 양수 관정 근처의 난투수층 수두가 대략 3m 가량 강하 하였고, 제1 관정에서 멀어질수록 수두 강하가 줄어들다가 대략 반경 170m 지점부터는 수두 강하가 일어나지 않는 것으로 표시되었다.

도9는 제2 관정(50)을 설치한 경우의 시뮬레이션 결과로서, 도9(a)는 실험 모형을 위에서 내려다 본 모습이고, 도9(b)는 표토층, 난투수층, 및 피압대수층으로 이루어진 지형의 측단면을 보여주고, 도9(c)는 난투수층을 확대하여 보여주고 있다.

도9(a)와 도9(b)에 나타낸 것처럼, 이 실험 모형에서는 제1 관정(40)에서 대략 30미터 이격된 지점(α)에 제2 관정을 설치하였고, 이 때 제2 관정의 스크린 높이(γ)는 5미터이고 수두 설정값(β)은 10미터로 설정하였다. 그리고 표토층은 지하 10미터까지이고, 난투수층은 지하 10~20미터 사이에 위치하고 그 아래에 피압대수층이 놓여있는 것으로 가정하였다. 도9(a) 내지 도9(c)의 시뮬레이션 결과에서 알 수 있듯이, 제2 관정 근방에서 수두가 설정값(β)과 비슷하다가 주위로 갈수록 수두가 내려가지만, 제1 관정에서부터 대략 반경 70미터에 이르는 영역까지 제2 관정으로 인한 수두 상승 효과가 나타남을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 수 있다. 예를 들어, 상술한 실시예에서는 제1 관정(40)에서 양수 또는 주입을 하고 있는 경우를 전제로 하여, 제1 관정(40) 주위에 제2 관정(50)을 설치하는 것을 예로서 설명하였다. 그러나 대안적 실시예에서, 제1 관정(40)과 제2 관정(50)을 동시에 설치하거나 또는 서로간에 약간의 시간차만 두고서 각기 매설하고 본 발명에서와 같이 제2 관정(50)의 수위를 제어할 수도 있다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10: 표토층
20: 난투수층
30: 피압대수층
40: 제1 관정
50: 제2 관정
60: 수로관
70: 수위측정 센서
80: 제어부

Claims

피압대수층 및 그 상부의 난투수층을 포함하는 지반에 대한 지반변형을 억제하는 시스템에 있어서,
피압대수층을 양수 또는 주입하는 제1 관정(40); 및
상기 제1 관정으로부터 소정 거리 이격되어 설치되고, 하단부가 상기 난투수층에 위치하는 하나 이상의 제2 관정(50);을 포함하고,
상기 각각의 제2 관정(50)에 대해, 제2 관정(50)의 수위를 기설정된 수위 값으로 유지함으로써 상기 피압대수층의 양수에 의해 하강하거나 주입에 의해 상승하는 난투수층의 수두 변화량을 억제하는 것을 특징으로 하는 지반변형 억제 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 관정(50)이, 상기 난투수층 내에서 상기 피압대수층의 양수 또는 주입으로 인해 수두 증감 영향을 받는 영역 내의 임의의 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 지반변형 억제 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 관정(50)이, 원통 형상의 본체, 및 이 본체 하부에 본체의 둘레를 따라 형성된 다수의 관통구(55)를 갖는 스크린을 포함하고,
상기 스크린이 상기 난투수층 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 지반변형 억제 시스템.
제 3 항에 있어서, 상기 피압대수층을 양수하는 경우,
상기 제1 관정과 제2 관정 사이의 상기 이격 거리, 상기 기설정된 수위 값, 및 상기 스크린의 높이 중 적어도 하나의 수치가, 상기 난투수층 내의 임의의 깊이에서의 수두 회복비, 수두 회복 체적비, 및 과잉 수두상승 체적비 중 적어도 하나를 고려하여 결정되고,
상기 수두 회복비는 [상기 피압대수층의 양수로 인한 수두 감소량]에 대한 [제2 관정으로 인한 난투수층의 수두 회복량]의 비에 비례하고,
상기 수두 회복 체적비는 [상기 피압대수층의 양수로 인한 난투수층의 수두 감소 영향을 받는 체적]에 대한 [상기 제2 관정으로 인한 난투수층의 수두 회복 영향을 받는 체적]의 비에 비례하고,
상기 과잉 수두상승 체적비는 [상기 제2 관정으로 인한 난투수층의 수두 회복 영향을 받는 체적]에 대한 [상기 난투수층의 최초 수두보다 높은 수두 값을 나타내는 영역의 체적의 비]에 비례하는 것을 특징으로 하는 지반변형 억제 시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 제1 관정과 제2 관정 사이의 상기 이격 거리, 상기 기설정된 수위 값, 및 상기 스크린의 높이 중 적어도 하나의 수치가, 상기 수두 회복비 및 수두 회복 체적비 중 적어도 하나에 비례하고 상기 과잉 수두상승 체적비에 반비례하는 평가함수의 함수 값에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 지반변형 억제 시스템.
제 3 항에 있어서, 상기 피압대수층에 물을 주입하는 경우,
상기 제1 관정과 제2 관정 사이의 상기 이격 거리 및 상기 스크린의 높이 중 적어도 하나의 수치가, 상기 난투수층 내의 임의의 깊이에서의 수두 회복비 및 수두 회복 체적비 중 적어도 하나를 고려하여 결정되고,
상기 수두 회복비는 [상기 피압대수층의 주입으로 인한 수두 증가량]에 대한 [제2 관정으로 인한 난투수층의 수두 회복량]의 비에 비례하고,
상기 수두 회복 체적비는 [상기 피압대수층의 주입으로 인한 난투수층의 수두 증가 영향을 받는 체적]에 대한 [상기 제2 관정으로 인한 난투수층의 수두 회복 영향을 받는 체적]의 비에 비례하는 것을 특징으로 하는 지반변형 억제 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 관정의 수위를 측정하는 수위측정 센서(70);
일단이 상기 제2 관정의 상단부에 연결되고 타단이 외부 저류조와 연결된 수로관(60);
상기 수로관(60)에 결합되어, 상기 제2 관정의 물을 배출하거나 제2 관정에 물을 공급하기 위해 동작하는 펌프(65); 및
상기 수위측정 센서(70)로부터 센싱 값을 입력받고, 이에 기초하여 상기 펌프의 구동을 제어하여 상기 제2 관정의 수위를 상기 기설정된 수위 값으로 유지하도록 구성된 제어부(80);를 포함하는 것을 특징으로 하는 지반변형 억제 시스템.
피압대수층 및 그 상부의 난투수층을 포함하는 지반에 대한 지반변형을 억제하는 시스템을 이용한 지반변형 억제 방법에 있어서,
상기 시스템은, 피압대수층을 양수 또는 주입하는 제1 관정(40); 및 상기 제1 관정으로부터 소정 거리 이격되어 설치되고, 하단부가 상기 난투수층에 위치하는 하나 이상의 제2 관정(50);을 포함하고,
상기 피압대수층에서 지하수를 양수하거나 상기 피압대수층으로 물을 주입하고 있을 때, 상기 지반변형 억제 방법은,
상기 각각의 제2 관정에 대해, 제2 관정의 수위를 기설정된 수위 값으로 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지반변형 억제 방법.
제 8 항에 있어서, 상기 제2 관정의 수위를 유지하는 단계는,
상기 제2 관정의 수위를 측정하는 단계; 및
상기 측정된 수위 값이 상기 기설정된 수위 값보다 작으면 상기 제2 관정에 물을 공급하고, 상기 측정된 수위 값이 상기 기설정된 수위 값보다 크면 상기 제2 관정에서 물을 배출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지반변형 억제 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 제1 관정(40)에서 피압대수층의 물을 양수하는 경우, 상기 제2 관정(50)의 기설정된 수위 값은 난투수층의 최초의 수두 높이보다 높은 값이고,
상기 제1 관정(40)에서 피압대수층에 물을 주입하는 경우, 상기 제2 관정(50)의 기설정된 수위 값은 난투수층의 최초의 수두 높이인 것을 특징으로 하는 지반변형 억제 방법.