시추공에서 투수시험

투수시험은 현장과 실내시험으로 구분되고 실내시험은 시료에 의하여 실시되는 것이므로 현장의 전구간에 대한 대표치라고 볼 수 없고 부교란시료를 원형대로 채취하여 운반하기가 곤란하므로 현위치 투수시험을 현장의 제조건을 활용하여 실시하는 것이 바람직하다.

현장투수시험은 충적층이나 기반암에 대하여 실시하며 풍화대도 시험이 가능하다. 암반층의 시험은 투수도를 정확하게 측정하여 투수로장의 연장공법이나 상수처리를 위한 기초처리공법 설계의 자료로 이용된다.

시험방법은 토사층에서는 변수위시험법이나 파커투수시험범을 적용하나 현장여건에 따라 공저법이나 관공주수시험법을 적용할 수 있다. 이때 시험구간 상부의 케이싱과 시추공벽 사이에는 공간이 발생하지 않도록 케이싱 타입이 철저하게 되어야 하며, 공간이 발생하였다고 판단될 때에는 이 공간을 주입재로 채워 이 사이에 주수가 되지 않도록 해야한다. 암반층의 투수시험은 파커투수시험법이나 루전시험법으로 하며 하향식으로 싱글파커를 사용해야 하고 시험구간(stage)은 3~5m로 한다. 그러나 무너지는 구간에서는 시험구간을 줄일 수 있다.

일반적으로 속도의 단위를 가지는 투수계수는 기준 정수두압에서 침출수량으로 정의되며 어느 단면의 전체 침출수량은 투수계수와 면적의 곱으로 계산한다. 때로는 구간별 침출수량이 계산되어야 할 때도 있지만 보통은 평균값이면 충분하다. 미고결지층을 보링하여 채취한 시료를 실내시험으로 투수계수를 산출할 수 있으나 만족스럽지 못하다. 이는 시료가 완전한 불교란상태로 채취되지 못할 뿐 아니라 조사를 해야할 구간의 일부분만을 대상으로 채취한 것이기에 대표성이 부족하다. 실제 노후화된 중심점토의 시료는 아무리 조심스럽게 작업을 하여도 비교적 양호한 부분만 채취되며 찬공수가 다량 누수되는 부분의 시료는 인양이 대단히 어렵다. 큰 자갈이 혼재된 경우도 샘플러가 타입되지 못하여 필요한 구간의 시료채취는 항상 애를 먹인다.

일반적으로 필댐과 같이 층상으로 다져서 축조되는 흙 구조물은 그의 역학적 성질이 비등방성인 것이 보통이다. 따라서 수직방향과 수평방향의 투수계수도 비등방성이며 일반적으로 수평방향의 투수계수(Kh)와 수직방향의 투수계수(Kv)와의 비(Kv/Kh)는 탬핑롤러로 다진 경우 1/2~1/10(평균 1/5) 범위이며 타이어롤러인 경우에는 1/20~1/30(평균 1/25)이다.

 

가. 변수위시험법(tubecasing method)

투수시험코저하는 구간 윗부분까지 찬공한 후 케이싱을 타입하고 시험구간 만큼 더 파낸다. 케이싱내의 물을 퍼내거나 주수한 후의 시간별 수위변화를 측정하여 투수계수를 산출하는데, 구경이 작은 케이싱을 사용하므로 공내의 물을 퍼내기가 어려워 대개 케이싱 정부까지 주수한 후 수위변화를 측정한다. 케이싱과 공벽사이의 공간은 그라우팅을 하여 이 사이로 물이 들어가지 않게 하여야 한다. 이 방법은 지층이 점토 또는 실트질점토로서 시험구간이 무너지지 않을 경우에 사용할 수 있다 <그림 5.2-6>.

나. 공저법(孔底法 open-end test)

사력층이나 실트층과 같이 무너지기 쉬운 지반에 대한 투수시험방법으로서 케이싱파이프를 공저까지 박고 케이싱내에 일정 수위를 유지시키면서 주수하여 주수량이 정상류로 될 때의 유량을 측정하여 투수계수를 구한다.

이 방법에서는 아래 사항의 주의가 필요하다.

① 케이싱과 공벽 사이에 물이 새지 않아야 한다.

② 주수량이 거의 일정하게 되었을 때부터 연속 측정하며, 측정시간은 투수도가 높은 경우 30분 이상, 낮은 경우에는 60분 이상으로 한다.

③ 수압을 가하는 경우에는 수압이 일정하도록 조절한다.

④ 수압은 토피압과 동일하거나 1.5배 정도까지로 조절한다.공내를 깨끗하게 청소한 후 깨끗한 물을 유량계를 통해 중력흐름(gravity flow)으로 주수한다. 이때 공내수위 상부에서 투수시험을 할 때는 안정수위가 잘 잡히지 않으나, 단위시간당 일정한 주수량을 5분 정도 넣어보아 3~5cm 정도의 수위 오르내림이 있는 정도이면 만족할만한 시험조건이 된 것으로 볼 수 있다. 그리고 펌프의 압력으로 주수를 하여야 할 때의 수두는 H=Hg+Hp로 산출하여야 한다.

그러나 노후화된 필댐의 중심코어 시추과정에서 굴진용수가 다량 누수되는 부위에서는 주수의 침투는 수평방향이 우세하며 이는 주입재의 이상적인 침투방향과 같다. 따라서 필댐의 개보수공사를 위한 현장투수시험 때 다량 누수되는 부위에 유용하게 적용할 수 있다.

 

라. 파커투수시험법(packer tests)

균열성암반의 투수성을 평가하기 위하여 일반적으로 널리 이용되고 있는 현장 투수시험방법으로서 <그림 5-11>과 같이 시추공내 일정한 길이의 주수구간(stage)에 압력수를 주입하고 주수량과 주수압의 관계를 이용하여 그 구간의 투수계수를 다음의 공식으로 구하는 방법이다.

투수시험은 찬공이 끝난 후 특정한 구간의 상하 2개소에 파커를 설치하여 주수하는 더블파커(double packer) 방식이 있고 찬공을 하는 과정에서 필요한 구간을 정하여 시험하는 싱글파커(single packer) 방식이 있다. 전자는 파커를 빼내지 않고 연속적으로 시험을 할 수 있어 능률적이지만 파커의 암반 밀착 불량으로 누수 될 가능성이 커서 실제보다 큰 값의 투수계수가 산출될 수 있으므로 후자의 방법이 더 좋다.

일반적으로 투수시험 구간은 높은 댐의 기초지반에서는 5m로 하나, 낮은 댐에서는 3m 정도로 구간을 잡아 싱글파커를 사용하여 하향식으로 시험한다. 만약에 무너지는 구간이 길 때는 이 구간을 모두 찬공한 후 투수시험을 하기에는 무리가 있으므로 시험구간을 짧게 하는 방법이 가장 좋으며 시험후 이 구간을 시멘팅하여야 계속 찬공을 할 수 있다. 시험구간을 너무 길게 잡으면 주 투수구간의 위치를 정확하게 잡을 수 없어 주입심도 결정에 오류를 일으킬 수 있다. 투수시험을 실시하기 전에 공내세척을 철저히 하여야 함은 앞에서 설명한 바와 같이 찬공파쇄물이 균열의 입구를 막아 주수를 방해하기 때문이다.

투수시험용 펌프는 주입용으로 쓰는 60ℓ/min 정도의 펌프를 일반적으로 사용하고 있다. 그러나 지층에 규모가 큰 개구상의 파쇄대가 있으면 송수능력이 작은 이런 펌프로는 압력이 걸리지 않아서 “무압상태에서 전량주수”라고 표현하는 수 밖에 없으며 정확한 투수계수를 산출할 수 없다. 따라서 펌프능력이 큰 것이어야 한다. 최소한 200ℓ/min의 능력을 갖춘 펌프이면 만족할만한 값을 구할 수 있을 것이다.

수량계의 용량도 여러 가지 있는데 흡입․배출구경이 25~40㎜이고 최소 200ℓ/min 이상을 측정할 수 있는 디지털 형태의 것이 비치되어야 한다. 수량계 유입부쪽에 파이프 어답터(adapter)를 부착하면 난류발생을 방지할 수 있는데 어답터의 길이는 수량계 파이프 구경의 10배 정도가 되어야 한다. 투수시험 최소시간은 대상구간의 상태에 따라 다르나 압력단계별로 안정이 이루어진 후 5분 간격으로 압력과 주수량이 3회 이상 같은 값이 될 때까지 하여야 한다. 안정은 지하수위 위에서 시험할 때보다 지하수위 아래에서 더 빨리 이루어진다. 댐 기초의 투수시험시 적용압력은 이론적으로는 최대저수압과 동일하게 적용하나 지반여건에 따라 다르다. 압력계는 눈금 단위가 0.1㎏f/㎠인 것을 사용하고 오일을 충전한 안전장치(gauge saver)가 부착되어야 한다.

파쇄암반의 찬공은 공의 유지가 되지 않아 정상적인 방법으로는 투수시험을 할 수 없다. 이때는 <그림 5.2-10>처럼 시험토록 제안한다.

① 시험구간 상단까지 찬공 후 NX구경의 케이싱을 설치한다.

② 시험구간을 AX구경으로 찬공하고

③ 주입관에 스폰지 링(sponge ring, Φ 45mm, 두께 2~3cm)을 꽉 맞게 끼워(sponge packer) 공내에 삽입한다. 이때 주입관에는 스트레나식 파이프를 연결하여 시험구간에 넣어서 공내 붕락을 방지한다.

④ 스폰지 파커 위에는 약 1m 두께의 부배합의 시멘트현탁액 또는 스러리그라우트를 충전한 후 케이싱을 뽑아낸다.

⑤ 채움그라우트가 굳어지면(30~60분후) 투수시험을 실시한다.

⑥ 채움그라우트를 케이싱빗트로 재찬공한 후 주입관을 뽑아낸다.

⑦ 다음단계의 투수시험을 위의 과정처럼 실시한다.

바. 주의사항

현장시험과정에서 시간, 압력, 주수량 등을 정확히 측정해야 함은 물론이고 케이싱과 시추공벽 사이로 물이 새어 나오는지 또는 주변에 누출되는 곳이 있는지? 파커법을 쓸 때는 파커 상부의 공내수위가 변하는지 세심하게 관찰해야 한다. 이러한 현상은 투수계수값의 정확도를 떨어뜨리는 가장 큰 요인이다.

투수시험에 사용하는 수질은 깨끗하고 실트와 같은 미립질이 포함되지 않아야 한다. 미립질이나 공기가 들어가면 비록 그 양이 적더라도 토사나 암반의 공극을 막으므로 시험결과에 오차를 일으킨다. 따라서 침전조나 휠터를 통과한 청수를 사용하는 노력이 필요하며, 주입배관을 통하여 물을 보낼 때 호스나 파이프에 주입재가 붙어 있지 않도록 조심해야 한다. 이 외에도 주입수의 온도가 공내의 수온보다 높은 것을 넣어야 공내에서 기포발생이 억제되며 주수량이 줄어지는 현상을 막을 수 있다.

수량계와 압력계는 나란히 배열되어야하며, 일반적으로 수량계→압력계→주입공의 순으로 물을 보낼 때 파커 상단부에서 90°로 꺽이는 장치를 이용하나 이는 바람직하지 못하며 파이프나 호스의 구경도 불필요하게 변화를 주어서는 안된다<그림 5.2-11>.

 

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