수리지질특성 설명(공극률, 비산출률, 비보유률, 저류계수, 비저류계수, 수리전도도, 투수량계수, 간극비, 기타 인자)

공극률(Porosity)

1. 공극률(Porosity)
시료의 전체적에 대한 시료내의 전공간 및 틈의 체적과의 비. 즉,토양부피에 대한 전공극의 비율

(참조, 공극비 : 공극의 체적과 고체의 체적과의 비)
n = Vv/V       V : 흙의 전체부피(㎤),       Vv : 공극의 부피(㎤)

비산출률(비수율 Specific Yield)

2. 비산출률(비수율 Specific Yield)
매체의 총체적에 대해 중력에 의해 배출 가능한 물의 총체적의 비. 즉 단위수두강하에 의해 단위면적을 통하여 산출되는 물의 부피이다.
자유면대수층에서 적용하는 개념이며 유효공극률 또는 비피압저류계수라고도 한다.

Sy = Vw/Vt       Vw : 중력배수에 의해 추출가능한 지하수량(체적),      Vt : 대수층 전체부피

비보유율(Specific Retention, 비잔유율)

3. 비보유율(Specific Retention, 비잔유율)
매체의 총체적에 대하여 중력에 대항하여 남은 물의 체적비.

Sr = Vr/Vt        Vr : 중력배수에 의해 배출되지 않고 남아있는 양(체적)

저류계수(Storativity) 

4. 저류계수(Storativity) 
대수층내에 저류되어 있던 물이 단위수두변화에 의하여 단위면적을 통해 유입, 유출될 수 있는 물의 양.

S = 배출된 지하수량(체적) / 단위면적×단위수두변화
S = Sy + Ss × b       자유면대수층 : S = Sy

                                       피압대수층 : S = Ss × b

비저류계수(Specific Storativity)

5. 비저류계수(Specific Storativity)
피압대수층에서 단위체적의 대수층내에 저류되어 있던 지하수가 단위수두강하가 발생하면
지하수의 팽창과 대수층의 압축현상에 의하여 함양 또는 배출되는 물의 양,

즉 단위수두강하에
의해 단위체적으로부터 배출되는 물의 부피이며 비저류계수에 대수층의 전두께를 곱하면 저류계수가 된다.

          Ss = L3 / L3×L = L-1  
          S = Ss × b      Ss = S / b

수리전도도(Hydrolic Conductivity)

6. 수리전도도(Hydrolic Conductivity)
Darcy 법칙을 만족시키는 비례상수로서, 일정한 수두구배에서 지하기질 사이를 흐르는 유체의 단위면적 당 유량을 결정하는 상수다.

K = q / (dh/dl)   (Q = KA × dh/dl     K = QL / Ah)
q(Darcy Velosity) = K × dh/dl

 

투수량계수(전도계수 Transmissivity)

7. 투수량계수(전도계수 Transmissivity)
일정한 동점성계수를 갖는 지하수가 단위동수구배하에서 단위폭과 대수층 전두께를 통해 흐르는 유량.
T = K × b           b : 대수층두께

 

간극비

8. 간극비

흙 또는 암석 중 간극을 제외한 순수한 고체의 부피(Vs)에 대한 간극 부피(Vv)의 비율을 간극비(e) (또는 공극비)라 한다.

간극비와 간극률과의 관계는 다음과 같다.

n=[/(1+e)]×100(%) 또는 e=n/(1-n)

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건조밀도

9. 건조밀도

습윤토를 110℃에서 일정 중량이 될 때까지 건조시켜 그 중량을 습윤시의 체적으로 나눈 것을 말한다.

건조밀도 γd는 흙의 습윤밀도 γt와 함수비 w를 구하여, 다음 식에서 얻는다.

γd=γt×[100/(w+100)]

 

공극량(%)

10. 공극량(%)

토양의 공극 : 토양의 입자 사이에 공기나 물로 채워진 틈을 공극(pore space) 이라고 한다.

- 토양의 공극량(%)은 토양의 겉보기 비중과는 반비례관계이다.

- 사질토양이나 심부토양의 경우는 공극량이 30~50% 정도로 낮고, 미사질 또는 점토질토양은 이보다 높은 공극략(40~60%)을 갖는다.

- 균등한 입도(粒度)를 가진 토양이 다양한 입도를 가진 토양에 비해 공극량이 높다.

- 토양의 공극량은 겉보기 밀도(겉보기 비중)와 진밀도(진비중)로부터 다음과 같이 계산할 수 있다.

공극량(%) = (1 - 용적 비중/ 입자 비중) × 100 = (1 - ρd/ρs) ×100

 

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[예제]

부피가 10cm^3, 무게가 14g, 건조한 토양을 물 20mL가 담겨 있는 실린더에 넣었더니 수고의 높이가 25mL이었다.

이 토양의 가밀도, 진밀도 및 공극량은?   1mL = 1c㎥이므로 다음과 같이 계산된다.

① 가밀도(겉보기밀도) 계산

가밀도 = 건조토양 무게(g) / 토양의 부피(c㎥) = 14 / 10 = 1.4(g/c㎥)

② 진밀도 계산

진밀도 = 건조토양 무게(g) / 건조토양의 부피(c㎥) = 14 / 5 = 2.8(g/c㎥)

③ 공극량 계산

공극량(%) = 100 × (진밀도 - 가밀도) / 진밀도 = 100 ×1.4 / 2.8 = 50(%)

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공극률

11. 공극률

n = Vа /V = Vw/V = (V-Vs)/V = 1 - Vs/V

Va : 공극의 체적

V : 시료의 전 체적

Vw : 물의 체적(포화된 시료)

Vs : 입자만의 체적

n=(rt-rd)/rt = 1-rd/rt

rt : 시료의 습윤밀도

rd : 건조단위중량

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[예제]

화강암에서 유래한 토양의 자연상태에서의 습윤 용적밀도가 1.73g/㎤이고, 수분함량이 40.5%일 때 이 토양의 공극량(%)은? (다만, 입자밀도는 2.65g/㎤이고 물의 비중은 1로 가정한다.)

공극량(%) = 100 x (진밀도-가밀도) / 질밀도

진밀도 = 2.65g/㎤

가밀도(겉 보기밀도) = 습윤밀도 / [(1+Xw)/100] = 1.73/[1+(40.5/100)]

= 1.231(g/㎤)

∴ 공극량(%) = 100 x (2.65-1.231) / 2.65 = 53.54 (%)

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공극비(간극비)

12. 공극비(간극비)

토양 또는 암석 내 공극의 체적(Vv)과 고체의 체적(Vs)과의 비이다.

e = n/(100-n)

e : 공극비

n : 공극률

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[예제]

공극률(porosity)이 0.3인 토양의 공극비는?

n에 30을 대입하면, e = 30/(100-30) = 0.43

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모세관현상

13. 모세관현상

모세관을 물 속에 수직으로 세우면 물이 관 속에서 관의 내면을 따라 상승하여 일정한 높이에 이르게 된다. 이는 물의 표면장력에 의해 생기는 현상으로 이를 모세관 현상이라 한다.

모세관 내의 수면은 표면장력에 의해 매니커스(meniscus)가 되며 모세관 벽과는 α인 접촉각을 가진다.

이 표면장력의 단위 길이당 크기를 T(gf/cm)라고 하면 표면으로 상승한 물기둥의 무게와 표면장력의 연직 분력이 평형을 이루게 된다.

γw × πD²/4 × hc = πDTcosα

hc = πTcosα / γwD ……(cm)

여기서, T : 물의 표면장력(gf/cm)

α : 물과 모세관의 접촉각(° )

γw : 물의 비중량 (gf/㎤)

D : 모세관의 안지름(cm)

hc : 모관 상승고(cm)

 

비보유율과 비산출률

14. 비보유율과 비산출률

비산출률은 포화된 토양 또는 암석에서 중력에 의해 배출되는 수량과 암석의 주어진 질량에 대한 용적과의 비율이다.

유효공극률과 같은 개념으로 사용한다.

Sy = Wy*100/V (%)

Sy : 비산출률

Wy : 배출되는 수량

V : 암석 또는 토양의 용적

비보유율은 암석이나 토양의 총 부피에 대하여, 중력에 의한 하향흐름에 반해 보유할 수 있는 물의 부피비를 말한다.

Sr = Wr*100/V (%)

Sr : 비보유율

Wr : 보유한 물의 체적

V : 암석 또는 토양의 체적

비산출률은 매질 내 공극의 일부분이고, 입경, 모양, 공극의 분포 및 치밀도 등에 따라 결정된다. 따라서 대수층의 공극률(n)은 다음과 같이 표현할 수 있다.

n = Sy + Sr

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[예제]

충적대수층의 공극률이 0.29이고 비산출률이 0.24일 때 비보유율(specific retention)은?

공극률(n) = 0.29

비산출률(Sy) = 0.24 이므로,

n = Sy + Sr

0.29 = 0.24 +Sr

∴ Sr = 0.29 - 0.24 = 0.05