The Journal of Engineering Geology ISSN:1226-5268(Print) 2287-7169(Online) 지질공학

지하 심부에 고준위 방사성폐기물 처분장과 같은 시설물을 건설할 때, 방사성 핵종의 장기간 안정적인 격리가 핵심적인 과제로 부각된다. 이 연구에서는 한국 중부지역 복운모 화강암에서 확보한 심도 1,000 m 시추코어를 대상으로, 단열(fracture)의 형태학적 특성과 심도별 분포를 분석하여 수리지질학적 특성과 처분장의 장기적 안정성에 미치는 영향을 평가하였다. 분석 대상 단열은 형태학적으로 단일 열린 단열(single open fracture), 단일 닫힌 단열(single closed fracture), 파쇄대(fractured zone), 단층대(fault zone)로 구분하였으며, 각 유형의 특성과 물리적 분포를 명확히 하였다. 연구 결과, 열린 단열은 방해석과 황철석 등 자형 광물(euhedral minerals)의 존재와 공극 형성을 특징으로 하며, 이는 최근의 지구조 운동과 관련된 유체 이동 경로로 작용할 가능성이 높았다. 닫힌 단열은 광물 충전으로 현재 유체 이동을 차단하고 있지만 장기적 재활성화 가능성을 배제할 수 없었다. 파쇄대와 단층대 단열은 모암의 파쇄 및 변질 흔적이 뚜렷하고, 유체 이동 및 지질공학적 안정성에 중요한 영향을 미칠 수 있음이 나타났다. 단열의 밀도는 심도 400 m까지 증가한 뒤 급격히 감소하였으며, 암반 품질 지수(rock quality designation, RQD)와 평균 코어 길이 분석 결과, 특정 심도에서 파쇄대가 집중적으로 발달하는 것으로 나타나 추가적인 공학적 방벽 설계의 필요성이 제시되었다. 단열 경사 분석에서는 저각(0–30°)의 단열이 우세하였으나 일부 심도에서는 고각(60–90°)의 단열이 증가하는 특징을 보여 국부적 지구조 운동의 영향이 암시되었다. 본 연구는 형태학적 분류 및 심도별 단열 특성 분석을 통해 암반 내 단열의 장기적 진화과정과 수리지질학적 거동에 대한 이해를 높이고, 고준위 방사성폐기물 처분시설의 부지 선정 및 안전성 평가에 실질적으로 활용 가능한 기초자료를 제공하였다.

토석류 확산 범위 예측 모델은 분석에 활용되는 유동 모델에 따라 다양한 예측 모델이 제안되었으며 각 기법은 뚜렷한 장단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 simple flow routing algorithm과 travel-angle 기반의 simplified friction-limited model (SFLM)을 통합한 Flow-R 모델을 활용하여 토석류 확산 범위를 예측하고, 현재 가장 범용적으로 활용되는 수치해석 기반 모델인 FLO-2D와 예측 결과를 비교하였다. 이를 위해 토석류 피해가 보고된 3개 지역(거창군, 충주시, 횡성군)을 대상으로 고해상도 DEM과 항공사진 기반의 토석류 피해 현황도를 구축하여 모델에 적용하였다. 즉, 각각의 연구 지역에 대하여 Flow-R과 FLO-2D를 활용하여 토석류 확산 범위를 산정하고 그 결과를 비교하였으며, 모델의 성능 평가는 confusion matrix 기반의 정량적 지표인 true positive rate (TPR), false positive rate (FPR), false negative rate (FNR), 그리고 area under the ROC curve (AUC)를 통해 수행하였다. 분석 결과, Flow-R은 세 지역에서 우수한 예측 성능을 보였으며(거창군: AUC = 0.862, 충주시: AUC = 0.904, 횡성군: AUC = 0.901), 이는 FLO-2D의 성능(AUC = 0.874, 0.627, 0.765)보다 우수한 성능을 보여준다. 특히 예측 오류를 나타내는 Type I Error 및 Type II Error에서도 FLO-2D보다 낮은 값을 보였으며, Flow-R이 복잡한 유동학적 해석 없이도 지형 특성을 효과적으로 반영할 수 있음을 확인하였다. 따라서 Flow-R은 향후 통계 기반의 예비 조사 목적으로서 토석류 피해 대책 연구에 활용 가능성이 높다고 판단된다.

본 연구는 국내 건설공사 현장에서 활용 가능한 드릴링 데이터 로깅 시스템의 국산화 및 실용화를 목표로, 데이터 수집장치와 분석 프로그램으로 구성된 통합 시스템을 개발하고, 현장 적용성을 확인하기 위한 기초적인 현장실험을 수행하였다. 드릴링 데이터 수집장치는 타격압, 피드압, 회전압, 드릴 붐 각도, 심도 등 다양한 정보를 측정할 수 있도록 최적의 센서 조합으로 구성되었으며, 분석 프로그램은 수집된 데이터를 기반으로 실시간 분석, 도식화, 데이터베이스 구축 및 조회 기능을 수행하도록 설계되었다. 현장실험은 풍화토 지반을 대상으로 수행되었으며, 현장실험 결과를 통하여 개발된 시스템이 실제 드릴링 장비에 안정적으로 설치 및 운영될 수 있음을 확인하였다. 그리고 측정된 드릴링 데이터는 분석 프로그램을 통해 정상적으로 처리 및 시각화되었다. 또한 드릴링 심도에 따른 타격압, 피드압, 회전압 및 드릴 붐 각도의 변화 양상을 분석함으로써, 국내 풍화토 지반에서의 드릴링 작업시 측정되는 데이터의 특성을 파악할 수 있었다. 본 시스템은 고가의 국외 장비를 대체하고 국내 건설현장의 특수성과 운영환경에 적합하도록 개발하였다. 향후 다양한 지질 및 지반조건에 대한 시험 시공과 지반조사 자료와의 비교 분석을 통해 적용성을 검증하고, 분석 프로그램의 고도화와 시스템 성능 최적화를 추진하고 한다.

본 연구는 도로비탈면관리시스템(Cut Slope Management System, CSMS) 기초조사 데이터를 활용하여 비탈면 붕괴 요인이 대책공법 선정에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. XGBoost (eXtreme Gradient Boosting)를 통한 변수 예측 기여도 산출, SHAP (SHapley Additive exPlanations)를 활용한 기여도 해석, Goodman-Kruskal’s λ를 이용한 연관도 평가를 수행한 결과, 붕괴 유형, 붕괴 이력, 뜬돌, 토층심도, 불연속면 등이 핵심 요인으로 도출되었다. 또한 계곡 여부, 비탈면 형상, 상부 경사와 같은 지형·환경적 요인도 중요한 보조 지표로 확인되었다. 세 기법의 변수 순위는 상호 보완적으로 일치하였고 Spearman ρ≈0.8로 일관성이 확인되었다. 반면 Goodman-Kruskal’s λ는 상위 변수에서도 0.00–0.02 수준으로 단변량 연관도의 한계를 시사하였다. 더 나아가 SHAP 상호작용 분석에서는 붕괴 유형-뜬돌(≈0.029), 붕괴 유형-붕괴 이력(≈0.026) 조합이 위험 예측을 크게 강화하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 단일 기법의 해석 한계를 보완하고, 복합적 요인 상호작용을 고려할 수 있다는 점에서 기존 연구와 차별성을 갖는다. 아울러 공법 선정 과정의 객관성과 일관성을 높이고, 향후 관리 정책 수립과 예산 활용의 효율성 향상에 기여하고자 한다.

고준위 방사성폐기물의 심층처분에 있어 암반 내 불연속면은 지하수 유동 경로 및 처분 구조물의 안정성에 중요한 영향을 미치는 핵심 요소로 간주된다. 본 연구는 이러한 불연속면의 특성을 정량적으로 평가하고, 심층처분 부지 특성화에 효과적으로 적용하기 위한 최적화된 조사 방법과 단계별 조사 전략을 제안한다. 제안된 방법론은 불연속면의 주요 특성(방향, 간격, 연장성, 거칠기, 개방 폭 등)에 대한 체계적 정의와 함께, 국제암반공학회(International Society for Rock Mechanics and Rock Engineering, ISRM) 권고안에 기반한 정량화 항목을 정리하였으며, 조사 기법으로는 지표 노두 조사(직접 측정 및 디지털 원격 탐사), 시추공 기반 영상 분석 및 수리 시험, 지하 연구시설을 활용한 굴착 손상대(excavation damaged zone, EDZ) 특성화 등이 포함된다. 조사 전략은 지역 규모 예비조사, 부지 규모 상세 조사, 처분장 규모 심층조사(underground research laboratory, URL 기반)의 세 단계로 구분되며, 각 단계에서의 조사 목적, 기법, 데이터 연계 구조를 체계적으로 제안하였다. 본 연구는 장기 안전성 확보를 위한 암반 불연속면 조사에 있어 기술적·운영적 효율성을 높일 수 있는 실용적인 지침을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 연구에서는 운영 중인 도로 터널 하부 지반 열화로 인한 강도감소에 따른 노면 융기량을 수치해석적 방법을 이용하여 검토하였다. 터널 노면 소성영역구간은 Ⅴ등급 지반, 심도는 터널직경의 약 2D (20.0 m)로 가정하였으며, 터널 노면 융기 억제를 위한 수직보강재는 마이크로 파일을 적용하였다. 마이크로파일 보강 Case는 파일 본수, 설치 길이, 종방향 설치 간격, 설치 각도에 대하여 검토하였다. 연구결과 보강대책 수립전 도로 노면에서 발생되는 융기량은 지반 열화에 의한 강도 감소율 70% 일 때 최대 114 mm가 발생하는 것으로 확인되었다. 마이크로 파일 보강 Case별 수치해석 결과 보강 본 수에 따라 무보강시의 21–60% 수준, 보강 길이에 따라 21–34%, 보강 간격에 따라 21–31%의 융기가 발생되는 것으로 연구되었다. 연구결과 마이크로 파일 보강 시에는 파일 본 수, 설치 길이, 종방향 설치 간격 변경에 따라 융기 억제 효과에 차이를 보이며 설치 각도는 억제 효과에 큰 영향이 없는 것으로 분석되었다. 따라서, 운영 중인 터널의 노면 융기 발생에 대해 마이크로 파일이 효과가 있는 것으로 검증되었으며, 향후 운영 중인 터널 노면 융기에 대한 연구에서는 지층 조건, 지층 경사, 소성영역의 규모 등 보다 다양한 검토 조건에서 대책공법의 효과에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.

본 연구는 라돈 농도를 핵심 지시자로 활용하여 한탄강 지질공원 내 철원 샘통의 대수층 기원을 추정하고, 연천 은대리 물거미 서식지를 비교 사례로 포함하여 해석의 타당성을 검증하는 것을 목적으로 하였다. 이를 위하여 현장 수질(수온, pH, EC, DO, ORP), 주요 이온 조성, 안정 동위원소(δ¹⁸O-δD), 라돈 농도, 시추코어 분석(ST-1, ST-3; 21YD-02, 21YD-04)을 종합적으로 수행하였다. 철원 지역의 지하수는 라돈 농도에 따라 두 그룹으로 구분되었다. CSG1·CSG2는 100,000–1,000,000 Bq/m³의 높은 라돈 농도와 Na-HCO₃ 유형을 보여 화강암 대수층 기원으로 추정되었으며, CSG3·CSG4와 샘통은 1,000–10,000 Bq/m³ 범위의 낮은 농도와 Ca-HCO₃ 유형을 나타내어 현무암 대수층 기원으로 추정하였다. 시추코어 분석에서도 ST-1에서는 약 84 m 두께의 현무암층 하부에 화강암이 분포하고, ST-3에서는 16 m 이후 화강암 기반암이 확인되어 라돈 기반 추정 결과와 정합성을 보였다. 연천 은대리 지하수(EDG3, EDG4)는 1,000–20,000 Bq/m³ 범위로 샘통과 유사한 현무암 대수층 특성을 보였으며, 습지 시료는 50–500 Bq/m³ 수준으로 낮아 대기 접촉 및 지표수 혼합의 영향을 반영하였다. 또한 21YD-02와 21YD-04 코어는 상부 실트질·자갈질 머드층 하부에 현무암 기반암이 분포하여 지하수의 현무암 대수층 기원을 뒷받침하였다. 이러한 결과는 라돈 분석이 지하수 대수층의 기원을 판별하는 데 유효한 지시자임을 뒷받침하며, 한탄강 지질공원 내 지하수 자원의 과학적 이해를 심화하는 데 기여할 것이다.

카르스트 지반의 예측 불가능한 불균질성은 구조물의 안정성을 위협하고 지반 재해를 유발할 수 있다. 본 연구는 대표적인 카르스트 지대인 단양 교량 부지를 사례로 하여 기초 지반을 지질공학적으로 특성화하고, 그 결과에 기반한 개별 기초 단위의 지반공학적 구역 분할 방안을 제시하였다. 이를 위해 석회 공동의 위치, 크기, 충전물, 연결성, 상부 암반 두께 및 기반암선의 기복 등을 주요 특성화 요소로 정의하였다. 연구 결과, 교량 부지의 동쪽 구간은 용해형 돌리네에서 침하형 돌리네로 발달한 지반으로, 서쪽 구간은 공동 붕괴와 관련된 함몰형 돌리네 지반으로 구분되었다. 특히 공동 충전물의 유형은 돌리네 지반 특성을 파악하는 핵심 지표로 확인되었다. 기존의 공학적 카르스트 분류안을 기반으로, 교량 기초 단위 지반을 평가하고 보강 대책을 수립할 수 있는 새로운 카르스트 지반의 구역 분할 기준(karst ground zoning, KGZ)을 제안하였다. 이에 따라 대상 부지의 기초 지반은 KGZ I에서 KGZ IV까지 세분되었으며, KGZ IV에 해당하는 불량 지반 구간은 구체적 보강 방안 검토가 가능하였다. 이와 같이 카르스트 지반의 구역 분할 기준은 카르스트 숙성도에 따른 기존 공학적 카르스트 분류에 비해 기초 단위에서 지반 상태를 상세 구분하여 카르스트 지대 교량의 안정성 확보에 실질적으로 기여할 수 있다.

매년 봄에 유럽 지구과학 연합(European Geosciences Union, EGU)에서 주관하는 EGU 총회가 개최된다. 세계적으로 고준위방사성폐기물 심층처분 시설 건설에 관심이 증가함에 따라 올해 EGU25에서는 고준위방사성폐기물 심층처분(deep geological repository, DGR)에 관한 두 개의 세션이 있었으며 해당 세션에 참관한 후기를 남기고자 한다.

완주군 보은매립장은 고화토의 불법 매립으로 인해 침출수가 외부로 유출되면서 악취와 인근 지표수·지하수 오염을 유발하고 있다. 이에 본 연구에서는 Visual MODFLOW를 이용하여 지하수 흐름 모델을 개발하고, 정류 및 부정류 모의를 통해 침출수 거동을 정량적으로 평가하였다. 모델 보정은 관측정 지하수위와 침출수 처리량 자료를 활용하였으며, 주요 보정 변수는 수리전도도와 함양량으로 설정하였다. 침출수 저감을 평가하기 위해 차수막 설치, 차수벽 추가 설치, 불충분한 양수 운영, 적정 양수 운영의 네 가지 시나리오를 설정하였다. 시나리오별 모의 결과, 차수막은 매립지 내부로의 지하수 유입을 효과적으로 줄였고, 차수벽은 옹벽과 골짜기를 통한 침출수 유출을 차단하였다. 양수를 병행할 경우 매립지 외부로의 침출수 유출이 완전히 제거되는 것으로 나타났다. 부정류 모의에서는 평년해와 다우해 조건을 고려하였으며, 차수막 설치로 강우 증가에 따른 지하수위 상승이 지연되었다. 특히 강수량이 평년 대비 1.6배 증가한 다우해에서도 침출수 처리량 증가는 약 14% 수준에 불과하였다. 본 연구는 매립지에서 차수시설과 양수 운영을 병행하는 방법이 침출수 저감에 효과적임을 보여주었다. 또한 본 연구에서 제시한 수치모의 접근법은 침출수 처리공법 설계의 기초자료로 활용될 수 있으며, 향후 불법 매립지나 노후 매립지의 복원 및 관리에도 적용 가능하다.