절리성 암반매질에 대한 연속체 유체유동 모델의 적용 가능성 분석

Abstract

Studies on fluid flow characteristics in fractured media are important in many fields such as hydrogeology, rock engineering, and petroleum engineering. The fluid flow of a single joint has been studied by a conventional continuum analysis method. In the field scale of the complex fractured rock masses, the analysis using the discrete fracture network (DFN) flow model is more appropriate, but there are limitations in time, cost, and computer system. So, if a continuum model considering the characteristics of the jointed rock mass is applicable, it can be a effective tool to replace the DFN flow model. The correlation analysis between the results obtained from DFN flow model and equivalent continuum flow model were conducted on total of 72 DFN blocks having various fracture geometry and domain size. A strong linear relation seems to exist between the two approaches under condition that normalized relative error for continuum behavior (ER) is less than 0.2, and the results from both methods are found to almost identical. To explore the field applicability of equivalent continuum flow model in DFN media, a total of 48 numerical schemes related to inflow of underground circular openings were implemented under various DFN configurations. The equivalent continuum flow model in DFN media with a constant hydraulic aperture was evaluated as valid. However, as the anisotropy increases due to variation of the hydraulic aperture, the results are likely to be overestimated compare to the DFN flow model. It is considered that the DFN system which is not suitable to apply the continuum flow model can effectively perform the analysis through the cut-off of lower limit of the joint size distribution. Also, this study addresses applicability of upscaling using the fabric tensor parameters for DFN fluid flow analysis in field scale.

절리성 암반에서의 유체 유동 특성에 관한 연구는 수리지질학, 암반공학, 자원공학 등 여러 분야에서 중요한 과제이다. 단일 절리와 같은 절리 스케일에서 유체의 흐름은 전통적인 연속체 해석법에 의하여 연구하는 것이 보편적이지만, 현장 스케일의 절리성 암반에서는 DFN(discrete fracture network) 유동모델에 의한 해석이 합리적일 가능성이 높다. 그러나 시간, 비용, 전산 시스템 등의 여러 가지 제약을 고려할 때 절리성 암반에 대한 연속체 모델이 적용가능하다면 연속체 유동모델은 DFN 유동모델을 대체할 수 있는 효과적인 수단이 될 수 있다. 본 연구는 다양한 기하학적 속성을 갖는 총 72개의 DFN 블록에 대하여 DFN 유동모델과 등가의 수리상수를 사용한 연속체 모델을 각각 적용하여 두 결과 간의 상관성을 분석하였다. DFN을 연속체로 가정한 이론적 블록수리전도도와 DFN 유동모델로 산정한 블록수리전도도 사이의 상대오차(ER)가 0.2 이하로 낮은 DFN 조건에서 두 접근법 사이에 강한 선형 상관관계를 이루며 두 결과가 거의 일치하는 것으로 평가되었다. DFN 매질에 대한 연속체 유동해석의 현장적용 가능성을 검토하기 위하여 지중 원형공동에서의 지하수 유입에 대한 모의 수치실험이 총 48회 수행되었다. 일정한 수리간극의 DFN 매질에 대한 등가연속체 유동모델은 유효한 것으로 평가되었지만 수리간극 변화로 인하여 이방성이 증대되면 DFN 유동모델에 의한 결과에 비하여 과대평가될 가능성이 높다. 연속체 유동모델의 적용이 적합하지 않은 절리의 기하학적 속성을 갖는 DFN 시스템은 절리 길이분포의 하한절삭을 통하여 DFN 유동해석을 효과적으로 수행할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 본 연구는 현장스케일의 DFN 유동해석을 위하여 균열텐서 파라미터를 이용한 업스케일링 기법의 적용 가능성을 논의하였다.