2-D DFN 유체유동 모델링을 통한 절리성 암반의 수리적 특성 분석

Abstract

절리의 기하속성에 따른 절리성 암반의 수리적 특성에 대한 확고한 이해는 수리지질학, 지질공학, 암반공학, 석유공학 등 다양한 분야의 연구개발에 있어서 매우 중요하다. 절리성 암반의 수리적 특성은 DFN을 이루는 절리의 방향성, 크기, 간격, 수리간극 등의 다양한 기하학적 속성에 영향을 받는다. 본 연구는 블록크기 및 절리의 기하학적 속성이 절리성 암반의 수리적 특성에 미치는 영향을 평가하기 위하여 이차원 등가파이프 연결구조에 기반을 둔 DFN 유체유동 해석 프로그램 코드를 작성하고 수치실험을 수행하였다. 수치실험에 사용된 이차원 DFN 시스템은 경계효과를 고려하여 32 m×32 m 영역의 중앙에서 설정한 5 m×5 m, 10 m×10 m, 15 m×15 m, 20 m×20 m 크기의 DFN 블록이다. 블록크기와 절리의 기하학적 속성 변화를 반영할 수 있도록 방향분포, 절리 빈도, 길이분포, 간극분포를 달리하며 추계론적으로 생성한 총 172개의 DFN 블록에 대하여 매 30° 간격으로 회전하면서 12 방향으로 구현한 총 2064개 DFN 블록에서 블록수리전도도가 산정되었다. 또한, 각각의 DFN 블록에서 수리전도도텐서 및 평균블록수리전도도를 결정하고 등가연속체로 가정한 이론적 블록수리전도도를 산출하여 비교분석한 결과, 절리군의 교차각이 작을수록, 면적빈도가 낮고 길이분포가 짧을수록 DFN 시스템은 유체유동에 관련된 REV를 정의하기 어려우며 방향에 따른 블록수리전도도의 변동성이 강하게 나타났다. 일반적으로 절리의 면적빈도와 길이분포의 표준편차가 증가할수록 DFN 시스템에 대한 등가연속체 취급 가능성은 높아진다. 등가연속체 유체유동 해석을 위한 REV 크기는 ER 값을 도입하여 결정할 수 있다. 절리의 방향성, 면적빈도, 길이 등의 기하학적 속성과 더불어 절리의 수리간극은 DFN 시스템의 수리적 특성에 큰 영향을 미칠 수 있는 것으로 평가되었다.

Growth in the study of fluid flow through fractured rock masses has been largely motivated by problems surrounding the siting of hazardous waste disposal sites, characterization of fractured hydrocarbon reservoirs, and tunnel designs, including the possibility of prediction. Fracture network systems strongly affect the hydraulic behavior of fractured rock masses. Extensive numerical experiments have been carried out to investigate effect of block size and joint geometry on hydraulic characteristics of jointed rock masses based on connected pipe flow in a DFN model. A rock block of size 32 m×32 m was used to generate the DFN. Smaller DFN blocks of sizes from 5 m×5 m to 20 m×20 m were selected from center of the 32 m×32 m block. Twelve fluid flow directions were chosen every 30° starting at 0°. Using two joint sets, a total of 2064 2-D DFN were generated with different combinations of joint orientation distribution, size distribution, deterministic joint density and hydraulic aperture distribution. The directional block conductivity including the theoretical block conductivity, principal conductivity tensor and average block conductivity for each generated DFN system were calculated using the developed computer code based on the 2-D equivalent pipe network algorithm. There exist significant effect of block size, orientation, density, size and aperture of joints in a fractured rock mass on its hydraulic behavior, such as the directional block hydraulic conductivity and REV. I have been further evaluated that it is more difficult to reach the REV size for the fluid flow network with decreasing intersection angle of two joint sets, joint density and size distribution, and increasing aperture distribution.