절리 기하학적 물성이 선형, 비선형 수리 유동 특성에 미치는 영향에 대한 연구
A Study on the Effects of Joint Geometric Properties on Linear and Nonlinear Flow Characteristics
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초록
결정질 암반에서의 지하수 유동은 대부분 절리를 통하여 발생하기 때문에 절리를 통한 수리 유동의 자세 한 특성화는 고준위방사성폐기물 처분장 전체의 장기적 안전성 측면에서 매우 중요한 사항이다. 절리 표 면의 기하학적 특성은 다양한 물성으로 표현될 수 있으며, 이는 절리의 수리역학적 거동에 지대한 영향 을 미친다. 본 논문에서는 이러한 표면 물성이 절리를 통한 유동의 선형, 비선형 특성에 미치는 영향을 실 험적으로 파악하고 수치해석을 통해 보다 자세히 확인하였다. 무결암 시험편을 인장 파괴하여 절리 시험 편을 생성했으며, 그 표면 물성은 레이저 스캐너를 활용하여 측정하였다. 처분장의 환경 조건을 반영하 여 일정 압력 조건의 수리시험을 수행한 결과, 표면 기하학적 물성 중 간극의 공간 상관성이 전체적인 수리 유동에 미치는 영향을 파악하였다. 간극 공간에 대한 수치해석 결과, 공간 상관성에 따라 유동의 채널 링 현상이 강화되어 비선형성이 나타날 수 있으며, 동시에 높은 수압 조건에서 국부적인 지역에 발생하 는 와류 역시 비선형성의 원인이 될 수 있음을 확인하였다. 본 논문은 단일 절리를 통한 수리 유동과 관련 된 기초 결과를 제공함으로써 향후 암반 단위의 안전성 해석을 위한 참조자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
Abstract
Groundwater flow in crystalline rock masses occurs predominantly along joints. Therefore, detailed characterization of flow through individual joint is critical to the long-term safety of deep geological repositories for high-level radioactive waste. The geometry of joint surfaces can be described by various properties and exert a significant influence on hydromechanical behavior. This study investigates, experimentally and numerically, the effects of such geo- metric properties on linear and nonlinear flow through a rock joint. Joint specimens were created by inducing tensile failure in intact rock, and their surface geometries were measured using a laser scanner. Then hydraulic tests were conducted under conditions representative of a repository environment. The results indicate that the spatial correlation of aperture can affect the overall flow behavior. Numerical simulations of the aperture field further show that small spatial correlation strengthens flow channeling, giving rise to flow nonlinearity. In addition, localized eddy flows that develop under high pressure can contribute to nonlinearity as well. The findings provide fundamental insights into flow through single rock joint and can serve as reference data for subsequent safety assessments.