서 론

댐은 치수, 이수, 수력발전 등 다양한 기능을 수행하는 국가 핵심 기반시설로서, 물의 저장, 홍수 조절, 에너지 생산 등의 통해 사회 전반의 안전성과 효율성을 보장하는 구조물이다. 댐 건설에는 다양한 기술적 과제가 수반되며, 그 중에서도 기초 지반의 안정성을 확보하기 위한 암반그라우팅은 구조물의 수밀성과 장기적 안전성을 확보하기 위한 핵심 공정 중 하나로 간주된다. 암반그라우팅은 목적에 따라 차수그라우팅과 압밀그라우팅으로 구분되며, 이 중 차수그라우팅은 댐 높이(H)의 0.5~1.0배 깊이까지 시공되어 지하수 유동을 차단하고 기초 지반의 수밀성을 향상시키는 데 기여한다. 지하수는 주로 파쇄대(절리, 단층 등)의 불연속면을 따라 흐르며, 이들 틈을 주입재로 충진함으로써 투수성을 저감시키는 것이 그라우팅의 본질적 목적이다(Houlsby, 1991). 따라서 불연속면의 발달 양상 및 암반의 투수 특성은 암종별로 상이하므로, 그라우팅 계획 수립을 위해서는 이에 대한 정량적 분석이 필수적이다.

국내에 분포하는 암석은 선캠브리아기 변성암, 중생대 화강암, 신생대 화산암, 고생대 및 중생대 퇴적암 등 다양하게 구성되어 있으며, 생성 과정의 차이에 따라 조직, 구조, 강도 및 투수성과 같은 지질공학적 특성에도 뚜렷한 차이를 보인다(Lee et al., 2000; Kihm and Hwang, 2009; Chough and Sohn, 2010). 한국지질자원연구원(KIGAM, 2019)에 따르면 국내 암석 분포는 심성암과 변성암이 각각 약 30%, 퇴적암이 약 25%를 차지하며, 댐 기초 지반은 다양한 암종이 혼재된 복잡한 지질 조건을 갖는 경우가 많다. 이러한 복잡한 지질 조건으로 인해 국내의 암반그라우팅 관련 연구는 주로 시공 기술, 재료 개발, 품질 관리 등에 집중되어 왔으며, 실제 현장에서는 경험 중심의 설계와 판단이 이루어지는 경우가 많다(Yea, 2009; Beck et al., 2024). 하지만 경험 의존적 시공 방식은 암종별로 상이하게 나타나는 불연속면 특성과 수리지질학적 특성을 충분히 반영하지 못하며, 이를 고려한 정량적 상관성 분석 및 평가 기준 설정에 관한 연구는 여전히 부족한 실정이다.

한편, 해외에서는 댐 기초 암반의 수리지질학적 특성과 불연속면 특성을 정량적으로 분석하여 그라우팅 계획 수립에 적용하려는 다양한 연구가 수행되어 왔다. Foyo et al.(2005)은 수압시험을 통해 암반의 이차 투수성을 정량화할 수 있는 2차 투수지수(secondary permeability index, SPI)를 제안하고, 이를 바탕으로 지반 개량의 필요성을 평가하였다. Ajalloeian and Azimian(2013)은 이란의 Nargesi 댐 사례를 분석하여 암반 투수성과 SPI 간의 연관성을 규명하고, 이를 통해 효과적인 그라우팅 계획 기준을 제시하였다. 또한 Assari and Mohammadi(2017)는 암질지수(rock quality designation, RQD)와 루전값(Lugeon, Lu) 간의 관계를 바탕으로 암질 상태에 따른 그라우트 주입량 예측 가능성을 제안하였으며, Sohrabi-Bidar et al.(2016)은 Lu와 그라우트 주입량 간의 경험적 상관식을 활용한 시공 최적화 방안을 제시하였다. Niu et al.(2019)은 카르스트 지역의 지층별 투수성 분석을 통해 단위 그라우트량을 예측하는 모델을 구축하여, 수리지질학적 인자를 기반으로 한 과학적 설계 기법을 실증하였다. 하지만, 국내에서는 이와 같은 정량적 지표를 기반으로 한 암종별 평가 기준이 마련되지 않아, 다양한 암질 조건에 적절히 대응하는 그라우팅 계획 수립에 한계가 존재한다. 특히, 암반 투수성과 직접적으로 관련된 불연속면 특성 인자인 암질지수(RQD)와 불연속면 간격(joint spacing, Js), 그리고 수리지질학적 인자인 루전값(Lu)과 2차 투수지수(SPI) 간의 관계에 대한 통계적 상관성 분석 연구는 미미한 실정이며, 이는 실무적 적용성을 고려할 때 중대한 연구 공백으로 지적된다(Beck et al., 2023).

이에 본 연구에서는 국내 대표적인 5개 댐 건설 예정지를 대상으로, 암종별로 상이한 불연속면 특성과 수리지질학적 인자 간의 상관관계를 정량적으로 분석하여, 댐 기초 암반그라우팅 계획 수립에 활용 가능한 핵심 평가 인자를 도출하고자 하였다. 이를 위해 각 대상 부지의 암종 분포와 지질학적 구조 특성을 분석하고, 시추 및 수압시험 결과를 바탕으로 RQD, Js, Lu, SPI 등 주요 인자 간의 상관관계를 도출하여 암종별 경향성을 파악하였다. 또한, 암반의 투수성과 밀접한 관련이 있는 주요 인자를 식별하고, 암질 등급 및 투수성 평가 기준을 적용하여 기초 지반의 적정성을 정량적으로 평가하였다. 마지막으로, 분석 결과를 바탕으로 댐 기초 그라우팅 계획 수립에 실질적으로 적용 가능한 정량적 평가 지표를 제시하고, 향후 실무적 활용 가능성을 검토함으로써 기존의 경험 중심의 계획 수립 방식에서 벗어난 체계적이고 과학적인 접근법을 제안하고자 하였다. 기존 연구들이 주로 단일 암종 혹은 특정 지역에 국한되었던 것과 달리, 본 연구는 다양한 암종과 지질구조를 고려하여 보다 정량적이고 체계적인 평가를 수행하고자 하였다. 특히, RQD-SPI 간 상관관계를 기반으로 암반의 수리지질학적 특성을 평가하고 기초처리 계획을 동시에 반영하는 지표 체계를 구성함으로써, 경험 중심의 계획 수립에서 벗어나 정량적인 수치를 통해 실무에 적용 가능한 차수그라우팅의 계획 수립 방법을 제안하였다.

연구 방법

연구 지역 및 지질 특성

본 연구는 암종과 지질 구조가 상이한 국내 5개 댐 건설 예정지(A-E)를 대상으로 수행되었다. 각 부지는 한국지질자원연구원(KIGAM)의 암석 분포도 및 선행 조사 자료를 기반으로 선정되었으며, 국내에 분포하는 대표적인 암종과 다양한 구조지질 특성을 포함한다. 현장 조사로 총 122공의 시추 및 289회의 수압시험을 수행하였으며, 이를 통해 불연속면 특성 인자(RQD, Js) 및 수리지질학적 인자(Lu, SPI)에 대한 자료를 확보하였다. 각 부지의 위치는 Fig. 1에 도시하였으며, 주요 현장 조사 내역은 Table 1에 요약하였다.

Fig. 1.

Location map of the five study sites (A-E) across South Korea where geological field investigations were conducted. Each site represents a distinct lithological unit: granitic gneiss (A), mica schist (B), hornfels (C), granite porphyry (D), and granite (E).

A 부지는 한반도 지체구조상 영남육괴에 속하며, 호남전단대의 동측에 위치한다. 이 지역은 부분적으로 연성 전단운동의 영향을 받아 암반 구조에 이방성이 반영되어 있다. 주요 기반암은 선캠브리아기에 형성된 반상화강암질 편마암과 화강암질 편마암으로 구성되며, 상부에는 백악기 퇴적암과 화산암이 부정합으로 피복하고 있다. 지질 구조적으로는 각력암이 발달되어 있으며, 일부 단층에는 단층점토가 협재되어 있다. 단층점토의 구성 성분 분석 결과, 주로 카올리나이트로 구성되어 있는 것으로 확인되었다. 특히, 화강암질 편마암은 연성 전단대의 영향을 받아 일부 구간에서 압쇄작용에 의해 발달된 이방성 압쇄암을 형성하고 있다.

B 부지는 한반도 지체구조상 경기육괴와 영남육괴 사이를 따라 북동-남서(NE-SW) 방향으로 분포하는 옥천지구 내에 위치한다. 해당 지역은 시대미상의 변성퇴적암류로 구성된 옥천누층군이 광범위하게 분포하고 있으며, 이들은 지질구조적으로 다양한 복합변형을 겪은 암종으로 평가된다. 주요 기반암은 규암과 운모편암으로 구성되어 있으며, 이들 암석은 광역적인 습곡 작용에 의해 북-남(N-S) 및 북북동-남남서(NNE-SSW) 방향의 뚜렷한 엽리 구조가 발달하였다. 기반암 내에는 결정질 석회암, 천매암 등의 암종이 부분적으로 협재되며, 중생대에 관입한 화강암류가 인근에 분포한다. 지질구조적으로는 충상단층이 우세하게 발달되어 있으며, 습곡 활동에 따른 배사 및 향사 구조가 관찰된다. 습곡축면과 엽리의 방향이 거의 일치하는 소습곡 구조도 일부 구간에서 확인되며, 이는 암반 내 불연속면의 공간적 분포 특성에 영향을 미친다. 특히 흑운모편암과 화강암류의 접촉부에는 열수 작용에 따른 변질대가 발달해 있으며, 이로 인해 국부적인 투수성 증가와 암반 이완 가능성이 존재한다.

C 부지는 한반도 지체구조상 중생대 백악기의 경상분지에 속하며, 하양층군에 해당하는 퇴적암류가 광범위하게 분포한다. 주요 기반암은 셰일과 실트암으로 구성되어 있으며, 이들은 불국사화강암의 관입에 따른 접촉변성작용에 의해 혼펠스화되어 분포한다. 혼펠스는 전반적으로 매우 치밀하고 견고한 암석으로, 높은 일축압축강도와 우수한 풍화 저항성을 가지며, 절리 등의 파쇄대가 약하게 발달한 특성을 보인다. 이러한 암석학적 특성으로 인해 기반암의 수밀성이 우수할 것으로 판단되며, 지하수 유동은 주로 단층대를 따라 광역적으로 발생할 가능성이 있다. 지질구조적으로는 NW-SE 방향의 단층대가 본 연구지역을 횡단하고 있으며, 주요 구조선으로는 가음단층과 남서 방향의 변환단층이 확인된다. 가음단층은 혼펠스와 불국사화강암의 경계를 절단하고 있으며, 이 단층을 따라 파쇄 및 약한 변질 작용이 일부 구간에서 관찰된다.

D 부지는 한반도 지체구조상 유천(밀양)분지 북부에 위치하며, 북북동-남남서(NNE-SSW) 방향을 주축으로 안산암 및 이를 관입한 중생대 화강암류가 광범위하게 분포한다. 본 지역의 남동부에는 운문사 산성화산암류가 분포하고 있으며, 여기에 언양화강암과 경산화강암의 소규모 암체가 관입하여 주변 암석에 접촉변성작용을 유발하였다. 주요 기반암은 반상 구조를 보이는 중세립질의 흑운모각섬석화강암으로 구성된다. 해당 암석은 전반적으로 높은 일축압축강도와 치밀하고 균질한 조립질 조직을 갖추고 있어, 기반암으로서 구조적으로 비교적 안정적인 특성을 보인다. 그러나 관입 경계부를 중심으로 열수 작용 및 구조 운동으로 인해 변질대와 파쇄대가 발달하고 있으며, 이는 암반의 불연속면 밀도 및 투수성에 영향을 미치는 주요 요인으로 작용한다. 지질 구조적으로는 본 지역이 관입 및 분출 작용의 영향을 강하게 받은 지구대에 속하며, 연구지역 상부를 자인추정단층이 관통하고 있다. 해당 단층은 연구 부지 내 주요 지질 구조선으로서, 기반암 내 파쇄대 발달 및 단열 구조 형성에 지배적인 영향을 미친다.

E 부지는 한반도 지체구조상 중생대 백악기의 경상분지에 위치하며, 본 지역에는 선캠브리아기의 석회암을 포함한 화강암질 변성암류, 중생대 임하화강암 및 다양한 관입암류, 그리고 백악기 경상누층군의 퇴적암류가 함께 분포하고 있다. 연구지역의 주요 기반암은 관입암류에 해당하는 조립질 조직의 임하화강암 및 산성 암맥으로 구성된다. 임하화강암은 일반적인 쥐라기 화강암에 비해 장석 함량이 높게 나타나는 특성을 가지며, 절리면을 따라 급속한 풍화가 진행됨에 따라 일부 구간에서는 깊은 풍화대가 형성되어 있다. 이러한 풍화 특성은 암반의 기계적 강도 및 투수성에 영향을 줄 수 있는 주요 요인이다. 지질 구조적으로는 북동 방향의 단층이 본 지역을 관통하고 있으며, 이와 거의 평행한 1 m 내외 간격의 소규모 단층 및 전단절리가 다수 발달하고 있다. 이러한 지질 구조는 지하수 유로의 통로 역할을 할 수 있으며, 암반의 불연속면 및 수리학적 특성에 큰 영향을 미칠 수 있다.

불연속면 및 수리지질학적 특성 인자

댐 기초 지반의 안정성과 수밀성을 평가하기 위해서는 암반의 구조적 특성 및 투수성에 대한 정량적 파악이 요구되며, 이를 위한 대표적인 현장 조사로 시추조사 및 수압시험이 수행된다. 본 연구에서는 이들 조사를 통해 확보된 자료를 바탕으로 불연속면 특성 인자(RQD, Js)와 수리지질학적 인자(Lu, SPI)를 산정하였다(Foyo et al., 2005; Sohrabi-Bidar et al., 2016; Assari and Mohammadi, 2017; Niu et al., 2019).

RQD는 시추공에서 획득한 코어 자료를 통해 기반암의 파쇄 정도를 정량적으로 평가하는 지표로, 암반의 품질 및 일체성을 나타낸다. 식 (1)과 같이, 10 cm 이상의 연속된 코어 길이의 합을 전체 시추 길이로 나누어 산정하며(Deere, 1968), 그 단위는 %로 표현된다.

RQD는 암질 등급 분류에 활용되며, 90~100%는 ‘매우 양호’(Class I), 75~90%는 ‘양호’(II), 50~75%는 ‘보통’(III), 25~50%는 ‘불량’(IV), 25% 미만은 ‘매우 불량’(V)으로 분류된다(Deere and Deere, 1988). Afiri et al.(2020)은 알제리 Souk Tleta 댐에서 RQD가 50% 미만인 암반 구간에서 투수성이 급격히 증가함을 보고하였다.

불연속면 간격인 Js는 암반을 구성하는 절리군 간의 평균 수직 거리로, 암괴 크기를 결정짓는 주요 인자이다. 일반적으로 간격이 조밀할수록 암반 강도는 낮아지고, 투수성은 증가하는 경향을 보인다. Salimi et al.(2019), Doan et al.(2023)은 Js가 클수록 RQD 또한 증가한다고 보고하였다. 노두조사 시에는 절리군이 기준자에 대해 수직이 되도록 설정한 후, 3 m 이상의 조사 길이에 포함되는 모든 절리 간격을 기록한다. 평균 간격(S)는 식 (2)와 같이 산정된다.

여기서, dm은 측정된 평균거리(m), 𝛼는 기준자와 절리면 간 최소 교차각(°)이다. 노출 암반이 부족한 경우에는 BIPS, 텔레뷰어(Televiewer) 영상, 탄성파탐사 등을 활용할 수 있다. 간격에 따른 암질 분류는 Table 2와 같다.

Lu는 수압시험을 통해 구간별 단위길이당 주입된 수량을 측정하여 산정하며, 암반의 투수성을 정량화하는 수리지질학적 지표이다. 1 Lugeon은 시험 구간 1 m에 대해 10 bar 압력 하에서 분당 1 L의 주입수량에 해당한다. Lu값은 식 (3)과 같이 계산된다.

여기서, Q는 주입 유량(L/min), Pe는 유효수압(bar), L은 시험 구간의 길이(m)이다. 일반적으로 Lu값이 클수록 암반의 투수성이 높고, 그라우팅 필요성이 증가한다. Houlsby(1991)는 Lu < 3의 경우 그라우팅이 불필요하며, 3~10은 단열 그라우팅, 10 이상은 집약적 그라우팅이 필요하다고 제시하였다.

SPI는 암반의 이차 투수성을 정량적으로 표현한 지수로, 주로 수압시험 결과를 바탕으로 계산된다. 본 지수는 암반의 균열 ‧ 절리를 통한 지하수 흐름 특성을 평가하기 위한 경험식으로, 식 (4)와 같이 산정된다(Foyo et al., 2005).

여기서, C는 10°C에서 암석의 유체 점도에 따라 결정되는 상수(Snow, 1968), r은 시추공의 반경(m), Le은 수압시험 구간의 길이(m), Q는 주입된 유량(L), t는 주입압력의 지속시간(s), H는 수두(m)를 의미한다. SPI 값에 따른 암반의 투수 등급 및 기초처리 필요성은 Table 3과 같이 구분된다. Afiri et al.(2020)은 SPI가 RQD와 정(+)의 상관관계를 가지며, 그라우팅 설계 시 주요 판단 지표로 활용될 수 있다고 보고하였다.

상관관계 분석

본 연구에서는 A-E 부지에서 획득된 암종별 주요 연구 인자(RQD, Js, Lu, SPI) 간의 선형적 관계를 규명하기 위하여 피어슨 상관관계 분석(Pearson correlation analysis)을 수행하였다. 이는 두 변수 간의 직선적 상관성을 정량적으로 평가하기 위한 통계적 방법으로, 상관계수(r)의 절댓값이 1에 가까울수록 강한 상관관계를 의미한다. 상관계수는 식 (5)를 통하여 계산되며, 두 변수 간 공분산(covariance)을 각 변수의 표준편차(standard deviation)의 곱으로 나눈 형태로 정의된다.

여기서, xi​와 yi는 두 변수의 개별 관측값, x¯와 y¯는 각 변수의 평균값을 의미한다. 분자는 두 변수 간의 공분산이며, 분모는 두 변수의 표준편차 곱으로 구성된다. 상관계수의 통계적 유의성을 검정하기 위하여 양측 t-검정(two-tailed t-test)을 적용하였으며, 본 연구에서는 유의수준(significance level)을 0.05로 설정하였다. 분석 결과 도출된 유의확률(p-value)이 0.05 이상일 경우 귀무가설(null hypothesis)이 채택되며, 이는 두 변수 간 상관관계가 통계적으로 유의하지 않음을 의미한다. 반면, 유의확률이 0.05 미만일 경우 대립가설(alternative hypothesis)이 채택되며, 두 변수 간의 상관관계가 통계적으로 유의함을 의미한다.

연구 결과 및 토의

암종별 인자 변화 추세 분석

본 연구에서는 A-E 부지에서 확보된 122공의 시추 및 289회의 수압시험 결과를 바탕으로, 암종별 불연속면 특성 인자(RQD, Js)와 수리지질학적 인자(Lu, SPI) 간의 상관관계를 분석하였다. 분석에 사용된 각 인자의 범위와 시료 수는 Table 4에 정리하였으며, 변수 간의 선형적 관계는 피어슨 상관계수(r) 및 유의확률(p-value)을 기준으로 평가하였다. A 부지의 불연속면 특성은 RQD가 매우 불량(4%) - 매우 양호(100%)로 넓게 분포하며, 절리 간격 역시 0.2~100 cm로 다양한 불연속면의 발달 상태를 보인다. 수리지질 특성은 불연속면 발달에 의해 Lu의 경우 0.03~10.61로 투수성이 높은 구간이 일부 포함되어 있으며, SPI는 최대 3.28 × 10^-13 L/s/m²로 상대적으로 높은 투수성을 나타내는 구간이 분포한다. B 부지는 RQD 범위가 매우 불량(1%) - 매우 양호(100%)로, A 부지와 유사한 분포를 보이나 절리 간격(0.4~105 cm)의 최대값이 더 큰 불연속면의 특성을 보인다. Lu은 0.01~10.35로 투수성의 변화 폭이 매우 크며, SPI 값은 최소 9.65 × 10^-17에서 최대 1.41 × 10^-13 L/s/m²까지 넓게 분포하는 불균질한 수리지질 특성을 나타낸다. C 부지는 RQD가 매우 불량(21%) - 매우 양호(100%)로, 다른 부지에 비해 매우 불량한 암반이 적은 경향을 보이며, 절리 간격은 4~90 cm로 불연속면의 발달이 상대적으로 균일한 특성을 보인다. Lu 역시 0.01~9.79로 다른 부지에 비하여 수밀성이 양호하며, SPI의 범위는 1.31 × 10^-16 ~ 2.63 × 10^-13으로 중간 수준의 투수성을 나타낸다. D 부지는 RQD가 매우 불량(1%) - 매우 양호(89%)로 매우 불량한 암반이 포함되어 있으며, 절리의 간격은 0.3~30 cm로 타 부지에 비해 좁은 간격을 보여 불연속면의 밀도가 높은 것으로 해석된다. Lu은 0.10~11.51로 다소 투수성이 높은 경향을 보이며, SPI 또한 2.14 × 10^-15 ~ 2.58 × 10^-13 범위로 일부 구간에서의 높은 투수성을 나타낸다. E 부지는 RQD 매우 불량(1%) - 매우 양호(100%), 절리 간격 0.2~60 cm로 다양한 불연속면 특성을 포함하고 있다. Lu은 0.04~2.97로 비교적 낮은 수준에 분포하며, SPI 역시 9.06 × 10^-16 ~ 1.01 × 10^-13 L/s/m²로 다른 부지에 비해 전반적으로 낮은 투수성을 보인다. 이러한 수리지질학적 특성은 E 부지의 암반이 상대적으로 치밀하고 균질하다는 것을 암시한다.

A 부지는 화강암질 편마암이 분포하는 지역으로, 불연속면은 결정질 암석의 절리 분포 특성에 의해 영향을 받는다. RQD가 증가할수록 수리지질학적 인자들(Lu, SPI)은 감소하는 유의한 음의 상관관계가 나타났다(RQD-Lu: r = -0.86, p < 0.05; RQD-SPI: r = -0.80, p < 0.05; Fig. 2a and c). RQD가 50% 미만의 보통-불량의 암질이 분포하는 구간에서는 Lu 및 SPI 값이 증가하며 다소 투수성이 높은 경향을 보였고, RQD가 75% 이상인 구간에서 투수성이 가파르게 낮아지는 양상을 나타냈다. 일반적으로 암반 내 지하수 유동은 불연속면을 따라 발생하므로, 절리 발달과 연관되는 Js 역시 수리지질학적 인자들(Lu, SPI)과 유의한 상관관계가 있을 것으로 예상되었다. 실제 분석 결과, 다소 높은 분산도를 나타냈으나 절리 간격이 작을수록 Lu 및 SPI가 낮아지는 유의한 음의 상관관계를 나타내었다(Js-Lu: r = -0.59, p < 0.05; Js-SPI: r = -0.54, p < 0.05; Fig. 2b and d). 다소 높은 분산도의 원인으로는 불연속면 내부에 분포하는 카올리나이트와 같은 점토 충진물들이 지하수 유동에 영향을 주었기 때문인 것으로 추정된다.

Fig. 2.

Scatter plots for A-site showing the correlation between (a) RQD and Lu, (b) Js and Lu, (c) RQD and SPI, and (d) Js and SPI, with best-fit red dashed lines. Points represent 70 test results from water pressure tests conducted at the site.

B 부지는 운모 편암이 분포하는 지역으로, 편리의 발달이 추가적으로 불연속면에 영향을 주어 수리지질 인자에 영향을 주는 것으로 분석된다. RQD가 증가할수록 Lu 값이 감소하는 유의한 음의 상관관계가 확인되었으며, 특히 RQD가 80% 이상인 양호한 암질 구간에서는 Lu 값이 급격히 감소하는 경향을 나타냈다(r = -0.89, p < 0.05; Fig. 3a). RQD와 SPI 간의 상관성 또한 유사한 경향을 나타냈으며, RQD 80% 이상의 양호한 암질 구간에서 SPI 값이 뚜렷하게 감소하는 경향을 보였다(r = -0.81, p < 0.05; Fig. 3c). 다만, 본 지역의 투수성 암반에는 N-S 및 NNE-SSW 방향성을 가진 엽리, 교차 균열, 소습곡 등이 복합적으로 분포하고 있어, 이러한 구조적 요인들이 지하수 유동에 영향을 주어 보다 높은 분산이 관찰되었다. Js와 수리지질학적 인자들(Lu, SPI) 간의 상관관계를 분석한 결과, Js가 증가할수록 Lu 및 SPI가 감소하는 유의한 음의 상관관계를 보였다(Js-Lu: r = -0.48, p < 0.05; Js-SPI: r = -0.50, p < 0.05; Fig. 3b and d). Js가 증가할수록 불연속면의 분포가 감소하여 20 cm 이상인 구간에서 Lu 및 SPI가 수렴되는 경향을 보이고 있으나, Js가 20 cm 미만에 측정된 자료들은 높은 분산도로 인해 인자 간의 상관성을 정량적으로 평가하는 데 한계가 존재하였다.

Fig. 3.

Scatter plots for B-site showing the correlation between (a) RQD and Lu, (b) Js and Lu, (c) RQD and SPI, and (d) Js and SPI, with best-fit red dashed lines. Points represent 52 test results from water pressure tests conducted at the site.

C 부지는 혼펠스가 분포하는 지역으로, RQD가 증가할수록 수리지질학적 인자들(Lu, SPI)이 감소하는 유의한 음의 상관관계가 확인되었다(RQD-Lu: r = -0.74, p < 0.05; RQD-SPI: r = -0.66, p < 0.05; Fig. 4a and c). RQD가 70% 미만인 구간에서는 다른 암종에 비해 혼펠스의 치밀한 구조적 특성에 의해 상대적으로 높은 분산도를 보였으며, 75% 이상의 양호한 암질 구간에서는 Lu 및 SPI 값이 급격히 감소하는 경향을 나타냈다. Js와 수리지질학적 인자들(Lu, SPI) 간의 상관관계는 B 부지와 유사하게 높은 분산도를 동반한 약한 음의 상관관계가 관찰되었고, 특히 Js가 10 cm 이상인 구간에서 Lu 및 SPI 값이 수렴되는 경향을 보였다(Js-Lu: r = -0.34, p <0.05; Js-SPI: r = -0.30, p < 0.05; Fig. 4b and d). 이러한 높은 분산도와 약한 상관관계는 접촉 변성 작용에 의해 형성된 혼펠스의 치밀하고 견고한 암종 특성 때문에 균열 및 틈새가 감소하여 지하수 유동과 밀접한 불연속면의 연속성에 영향을 주었을 것으로 판단된다.

Fig. 4.

Scatter plots for C-site showing the correlation between (a) RQD and Lu, (b) Js and Lu, (c) RQD and SPI, and (d) Js and SPI, with best-fit red dashed lines. Points represent 78 test results from water pressure tests conducted at the site.

D 부지는 주로 화강반암이 분포하는 지역으로, 불연속면의 특성은 A 부지와 유사하게 결정질암의 지질 구조적 특성을 보인다. 수집 자료의 제한으로 인해 분산이 크게 나타났으나, 전반적으로 RQD가 증가할수록 수리지질학적 인자들(Lu, SPI)은 감소하는 음의 상관관계가 확인되었다(RQD-Lu: r = -0.65, p < 0.05; RQD-SPI: r = -0.64, p < 0.05; Fig. 5a and c). 또한 Js와 수리지질학적 인자들(Lu, SPI) 간의 상관관계 분석 결과, Lu 및 SPI 모두에 대해 약한 음의 상관관계가 확인되었다(Js-Lu: r = -0.38, p < 0.05; Js-SPI: r = -0.36, p < 0.05; Fig. 5b and d). Js가 증가함에 따라 Lu 및 SPI 값이 다소 감소하는 경향을 보였으나, 전반적으로 Js의 분포가 10 cm 이하 구간에 집중되어 분산이 크게 나타나 변수 간 상관성을 정량적으로 평가하는 데 제한이 있는 것으로 판단된다. 암반의 불연속면의 분포화 밀접한 관련이 있는 RQD는 암반의 투수성과 유의한 상관성을 보였으나, Js는 접촉변질로 인한 지질구조대의 점토 충진물들이 지하수 유동에 영향을 미쳐 상관성이 낮게 나타난 것으로 해석된다.

Fig. 5.

Scatter plots for D-site showing the correlation between (a) RQD and Lu, (b) Js and Lu, (c) RQD and SPI, and (d) Js and SPI, with best-fit red dashed lines. Points represent 65 test results from water pressure tests conducted at the site.

E 부지는 관입암류의 균질한 암반 특성을 보이는 화강암이 분포하는 지역으로, 다른 부지와 유사하게 RQD가 증가할수록 수리지질학적 인자들(Lu, SPI)이 감소하는 유의한 음의 상관관계가 확인되었다. 특히 RQD가 70% 이상인 양호한 암질 구간에서 Lu 및 SPI 값이 뚜렷하게 감소하는 경향을 나타냈다(RQD-Lu: r = -0.70, p < 0.05; RQD-SPI: r = -0.67, p < 0.05; Fig. 6a and c). 반면, RQD가 70% 미만의 암질에서는 분산도가 크게 나타났으며, 이는 본 지역 내 밀집된 소규모 단층 및 전단절리가 지하수 유동에 영향을 주어 수리지질 특성 인자에 반영된 것으로 해석된다. Js와 수리지질학적 인자들(Lu, SPI) 간의 상관관계 분석 결과, Js가 증가할수록 Lu 및 SPI 값이 감소하는 비교적 약한 음의 상관관계가 나타났다(Js-Lu: r = -0.50, p < 0.05; Js-SPI: r = -0.44, p < 0.05; Fig. 6b and d). 특히, Js가 20 cm를 초과하는 구간에서는 불연속면의 분포가 감소함에 따라 Lu 및 SPI 값이 수렴하는 양상이 관찰되었으나, 전체 자료수가 다른 부지에 비해 적어 인자 간 상관관계를 정량적으로 평가하는 데 한계가 있었다.

Fig. 6.

Scatter plots for E-site showing the correlation between (a) RQD and Lu, (b) Js and Lu, (c) RQD and SPI, and (d) Js and SPI, with best-fit red dashed lines. Points represent 24 test results from water pressure tests conducted at the site.

인자 간 상관관계 분석

암종별로 분포하는 불연속면 특성 인자(RQD, Js)와 수리지질학적 인자(Lu, SPI) 간의 상관관계를 종합적으로 분석하고, 그라우팅 계획 수립에 영향을 미치는 핵심 인자를 도출하고자, 5개 부지(A-E)에서 수집된 자료를 바탕으로 인자들 간 상관관계를 도식화하였다(Fig. 7). RQD와 Js 간 상관관계 분석 결과, 모든 부지에서 Js가 증가할수록 RQD 또한 증가하는 유의한 양의 상관관계가 확인되었으며(r = 0.70, p < 0.05; Fig. 7a), 이는 기존 연구 결과와 일치한다(Salimi et al., 2019; Doan et al., 2023). 또한, Lu 및 SPI 간에도 강한 양의 상관관계가 관찰되었으며(r = 0.92, p < 0.05; Fig. 7b), 이는 두 인자 모두 암반의 투수성을 강하게 반영하는 변수임을 시사한다. 한편, RQD와 수리지질학적 인자(Lu, SPI) 간에는 각각 유의한 음의 상관관계가 나타났으며(RQD-Lu: r = -0.78, RQD-SPI: r = -0.69, p < 0.05; Fig. 7c and d), Js와 Lu 및 SPI 간에도 유의한 음의 상관관계가 확인되었다(Js-Lu: r = -0.51, Js-SPI: r = -0.45, p < 0.05; Fig. 7e and f). 이러한 상관관계 분석을 바탕으로 각 부지별 암질 분포 특성과 수리지질학적 인자 간의 경향성을 비교하였다. RQD를 기반으로 분류된 암질 등급(rock class)과 Lu 및 SPI와의 분포 경향을 분석한 결과, 양호한 양질(Rock class Ⅰ-Ⅱ)의 비율이 70% 이상 분포하는 B 및 C 부지에서는 Lu 및 SPI 값이 낮은 범위에 분포하였다(Table 5, Fig. 7c and d). 반면, 보통-불량한 암질(Rock class Ⅲ-Ⅴ)의 비율이 60% 이상을 차지하는 A 및 D 부지에서는 Lu 및 SPI 값이 상대적으로 높게 분포하는 경향을 보였다(Table 5, Fig. 7c and d). E 부지의 경우, 보통-불량한 암질(Rock class Ⅲ-Ⅴ)이 70% 이상 분포함에도 불구하고, Lu 및 SPI 값이 낮은 범위에서 나타났으며, 이는 측정된 자료 수가 적고 공간적 불연속성이 존재함에 따라 명확한 경향성을 도출하기 어려운 것으로 판단된다(Table 5, Fig. 7c and d). Js와 수리지질학적 인자 간의 관계에서는, Js 값이 작을수록 Lu 및 SPI 값이 증가하는 경향이 관찰되었으나, 전반적으로 자료의 분산이 커 명확한 상관성이 확인되기에는 제한적이었다(Fig. 7e and f). 따라서, 본 연구에서는 불연속면의 특성 인자(RQD, Js) 중 수리지질학적 인자들(Lu, SPI)과 보다 유의한 상관관계를 보인 RQD와, Lu과 가장 높은 상관관계를 가지는 동시에 암반의 투수성 기반 암질 분류 지표로 활용 가능한 SPI를 그라우팅 계획 수립을 위한 핵심 인자로 선정하였다.

Fig. 7.

Graphs showing the correlations between (a) RQD and Js, (b) Lu and SPI, (c) RQD and Lu, (d) RQD and SPI, (e) Js and Lu, (f) Js and SPI with best-fit lines shown as red dashed lines.

RQD와 SPI의 상관관계 분석

댐 건설 시 핵심 공종 중 하나인 댐 기초 암반의 차수그라우팅은 지하수 유동 통로인 불연속면들의 균열 및 틈을 충진하고, 구조적 결함을 보강하는 데 필수적인 작업이다(Houlsby, 1991). 암반그라우팅 계획을 합리적으로 수립하기 위해서는 기반암의 특성을 정량적으로 평가하고, 암반 등급을 기준에 따라 명확히 분류하는 작업이 선행되어야 한다. 암반 분류에는 RQD, RMR(rock mass rating), Q-분류법(rock mass quality index) 등이 주로 사용되며, 이는 불연속면 특성과 강도를 기준으로 양호 또는 불량한 암질을 정량적으로 분류하는데 활용된다(Deere and Deere, 1988; Barton, 1988; Bieniawski, 1993; Aydan and Kawamoto, 2000; Rehman et al., 2018; Somodi et al., 2021). Foyo et al.(2005)과 Ajalloeian and Azimian(2013)은 기존의 암반 분류 방식과는 달리, 암반의 방사성 투과성을 고려한 2차 투수성 지수인 SPI를 적용하여 암반 등급과 기초처리의 필요 범위를 제시한 바 있다(Table 3). 본 연구에서는 선행 연구를 바탕으로, RQD 및 SPI의 등급 분포에 따른 암종별 상관관계를 비교 분석하여 Fig. 8에 시각화하였으며, 각 부지별 수리지질학적 시험 결과로 SPI 등급(SPI-Class A-C)으로 분류한 비율을 Table 6에 정리하였다. 분석 결과, RQD가 90% 이상인 ‘매우 양호’한 암질은 대체로 SPI-Class A(댐 기초처리가 불필요한 구간)에 수렴하는 유의한 상관관계를 보였으며, 특히 혼펠스가 분포하는 C 부지의 전체 시료 중 65.4%가 이 구간에 포함되었다(Table 6, Fig. 8). 반면, RQD가 50% 미만인 ‘불량’한 암질일수록 SPI-Class C(기반암의 기초처리가 필요한 구간)에 주로 분포하며, A 부지의 화강암질 편마암은 28.6%가 Class C에 포함된 것으로 나타났다(Table 6, Fig. 8). 기초처리가 국부적으로 필요한 SPI-Class B 구간은 RQD 50% 이상의 ‘보통’ 이상의 암질에서 분포가 밀집되는 경향을 보였으나, 전반적으로 인자들의 분산도가 큰 것으로 나타났다(Fig. 8). RQD와 SPI는 암종별 고유한 특성에 따라 영향을 받는 것으로 분석되며, 차수그라우팅과 같은 기초처리 공법을 수립하는데 철저한 지질학적 평가가 요구됨을 알 수 있다.

Fig. 8.

Classification of rock mass quality based on the relationship between RQD and SPI.

불연속면의 특성 인자 중 상대적으로 유의한 상관관계를 보인 RQD와 투수성을 기반으로 암질을 분류할 수 있는 SPI는 댐 기초 지반의 암반 분류에 있어 상호 보완적이며 일관된 분포 경향을 나타냈다. 이에 따라, RQD 분류 기준과 SPI 기반 암반 분류 기준(Table 3)은 향후 암반그라우팅 계획 수립 시 적용 가능성이 높은 지표로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

결 론

국내 암반그라우팅 연구는 시공기술, 관리, 주입재료 개발에 집중되어 왔으며, 기초 지반의 암종별 수리지질학적 특성을 반영한 정량적 계획 수립에 관한 연구는 상대적으로 미흡한 실정이다. 특히, 투수성 암반에서 시공되는 댐 기초 그라우팅은 기반암의 수밀성과 구조물 안전성 확보를 위한 핵심 공종임에도 불구하고, 국내에서는 설계 단계에서 구조물 중심의 현장 조사와 기술자의 경험에 의존하고 있어 신뢰도 높은 계획 수립이 어려운 실정이다. 반면, 해외에서는 댐 기초 현장 조사 자료를 기반으로 암반의 수리지질 및 지질공학적 특성을 반영한 신뢰도 높은 그라우팅 계획 수립 연구가 활발히 진행되고 있다.

본 연구에서는 다양한 암종에서 건설되는 댐 기초 그라우팅 계획 수립에 필요한 인자를 선정하고 개선 방안을 모색하기 위하여, 연구 대상 5개 부지(A-E)에 분포하는 암종별로 불연속면 특성 인자(RQD, Js)와 수리지질학적 인자(Lu, SPI) 간의 상관관계 분석을 수행하였다. 분석 결과, 모든 부지에서 상관관계가 유의하게 나타났다. RQD와 수리지질학적 인자 간에는 비교적 강한 음의 상관관계가 나타났으며, RQD-Lu의 상관계수는 -0.89에서 -0.65 범위, RQD-SPI는 -0.81에서 -0.64 범위 내에 분포하였다. 반면, Js와 수리지질학적 인자 간에는 상대적으로 높은 분산도를 보였고, 다소 약한 음의 상관관계가 확인되었다. Js-Lu의 상관계수는 -0.59에서 -0.34, Js-SPI는 -0.54에서 -0.30 범위에 해당하였다. 이러한 결과는 RQD가 수리지질학적 인자와 밀접하게 연관되어 있음을 시사하며, 향후 그라우팅 계획 수립 시 RQD를 핵심 지표로 활용될 수 있음을 보여준다.

또한, 불연속면 특성 인자인 RQD와 수리지질학적 인자 SPI 간의 상관관계 분석을 통해 암반의 기초 처리 필요 여부를 평가하였다. 연구 결과, RQD가 90% 이상인 매우 양호한 암질은 기초처리가 불필요한 SPI-Class A 구간에 분포하는 반면, RQD가 50% 미만의 불량한 암질일수록 SPI-Class C 구간에 속하여 기초처리가 필요함을 시사하였다. SPI-Class B 구간은 RQD 분포의 분산이 커 두 인자 간의 상관관계를 명확히 해석하기 어려우며, 추가적인 현장 분석이 요구된다. 결과적으로, RQD는 암반의 투수성을 나타내는 중요한 지표로, 암반그라우팅 계획 수립에 필수적인 역할을 할 것으로 판단된다. 실제 설계 단계에서 RQD가 90% 이상일 경우 SPI-Class A로 분류하여 기초처리 여부를 결정하는 것이 유효할 것으로 판단되나, SPI-Class B와 C 분류는 추가적인 현장 조사를 통한 정교한 기준 개발이 필요하다. 이러한 기준 설정은 기초처리의 효율성을 높이고, 그라우팅 계획 수립 시 신뢰도를 높이는 데 기여할 것이다. 그러나 암종별 특성을 고려할 때, 결정질암에서는 절리가 주요한 불연속면으로 작용하고, 운모편암과 같은 변성암에서는 편리가 추가적인 불연속면으로 작용하여 유체가 통과할 수 있는 경로를 형성하고 사면 파괴의 가능성을 높이는 요인이 된다. 따라서 변성암에서는 사면 안정성 확보를 위한 보강이 상대적으로 더 많이 요구된다. 이러한 특성으로 인해 암종별 물리적 ‧ 역학적 특성에 따른 불연속면의 발달 양상을 고려한 추가 연구가 필요하다.

본 연구는 그라우팅 계획 수립과의 밀접한 관련이 있는 주요 인자(RQD, Js, Lu, SPI)를 활용하여, 투수성 암반에 시공되는 댐 차수그라우팅의 개선 방안을 모색하였다. 연구 결과, 암종별 지질학적 특성과 RQD-SPI 기반 암반 분류를 연계한 그라우팅 계획 수립 방법은 실무 적용 가능성이 높은 것으로 평가되었다. 암반그라우팅은 기반암의 불연속면 및 수리지질학적 특성에 지배적인 영향을 받는 공종으로, 신뢰도 높은 기초 자료 확보를 위해 정밀한 지질조사가 필수적이다. 본 연구에서 도출된 암종별 인자 간 상관성 분석 결과는 향후 암반그라우팅 설계 및 시공 과정에 있어 유용한 기초자료로 기여할 수 있을 것으로 기대된다.