관측공의 설치 및 운영
지하수정은 생활용수, 공업용수 및 농업용수 등의 수자원확보를 위한 취수정과 지하수위 및 수질 감시를 위한 관측정으로 대별된다. 하지만 그 설치 규모 및 위치에 따른 차이는 있어도 그 시공법에 있어서는 큰 차이가 없다. 여기서는 지하수의 수위 및 수질변화를 감시할 목적으로 설치되는 관측정(Monitering Well)을 중심으로 그 시공법을 간략히 설명하기로 한다.
◈ 시추 및 우물시공일반
깊은 정호(deep wells)의 대부분은 케이블을 이용한 cable-tool 방식의 퍼커션(percussion)굴착이나 회전굴착(rotary) 방식을 사용한다. 특히 우물굴착에 있어서 우리나라에서 가장 널리 사용하는 방법은 회전식굴착(rotary drilling) 방법이다.
관측전용으로 사용되는 관측공의 구경은 관측기기의 설치와 물 시료의 채취가 가능한 규모로 하는 것이 원칙이다. 수질 샘플링을 통한 수질 관측이 필요한 경우 구경이 최소한 150mm 이상 되어야 하나 단순히 지하수위만을 관측하기 위한 것이라면 54mm(NX규격) 이상이면 가능하다.
1. 보링의 종류
(1) 오거보링(auger boring)
현장에서 인력으로 간단히 할 수 있는 보링으로 심도는 10m까지도 가능하지만 사질토의 경우 3~4m가 한도임
(2) 충격보링(percussion boring)
기계 보링으로 와이어로프 끝에 percussion bit를 붙여 기계적으로 60~70m 올려 동력으로 되풀이 낙하시켜 그 충격으로 굴착하는 방법. 부서진 암편과 느슨한 물질 그리고 물이 섞여 슬러리(slurry)가 형성되며 일정 시간 간격으로 모래펌프나 베일러(bailer)로 슬러리를 제거함
(3) 회전식보링(rotary boring)
모든 지반에 적용되는 기계 보링으로서 현재 가장 많이 사용되며 작업도 능률적으로 확실하게 할 수 있음. 로드 끝에 비트를 회전시킴과 동시에 굴착 이수 혹은 압축공기를 사용해 굴착된 흙이나 암반을 지상으로 배제시킴. 공사비가 많이 들고 이수회전방식의 경우 윤활제에 의한 오염발생 가능성이 있지만 확실한 Core를 얻을 수 있으며 깊은 심도까지 수평, 수직 굴착이 가능함.
2. 비트(bit)의 종류 및 크기
(1) 재질에 따른 분류
① 텅스텐 비트(Metal Bit) : 수직으로 최대 1500m까지 굴착이 가능
② 다이아 비트(Diamond Bit) : diamond bit을 이용, 심도는 6000m이상, 어떤 방향으로도 굴착가능하며 가장 많이 이용되고 있음.
✎ 특징
▪ 극경암(규암, 규질사암)의 굴착에 용이
▪ 각종 화강암, 역암 등에서 효율적
▪ 코어의 채취율이 높아서 탐광용, 지질조사용으로 많이 사용된다.
▪ sludge가 metal bit보다 적다
▪ 개당 굴착 깊이가 metal bit보다 10～100배 길어서 bit의 교체가 적어 시간과 경비가 감소됨
(2) 비트의 크기에 따른 분류(Core Barrel Size) ☞ 필수 숙지사항(순서)
| 종류 | 공경(surface bit, mm) | Core경(impregment bit, mm) |
| NX | 76.2 | 54.0 |
| BX | 60.3 | 41.3 |
| AX | 48.4 | 30.2 |
| EX | 38.1 | 20.6 |
◈ 시추주상도의 작성 및 우물시공
1. 시추주상도 작성
(1) 시추조사 주상도에 다음과 같은 사항을 기록하여야 한다.
◦ 조사명
◦ 조사기간
◦ 조사위치 및 표고
◦ 조사자 및 시행자
◦ 시추번호, 시추구경, 경사 및 방향, 굴진심도 등
◦ 시추장비명, Core Tube 및 케이싱 구경
◦ 케이싱 설치 심도
◦ 각 채취 시료의 위치 및 심도
◦ 시추 중에 나타난 층의 관찰
◦ 공내 최초수위, 안정수위, 측정일시
◦ 구간별 수압시험 자료
◦ 코아 회수율과 RQD
◦ 시추 중에 판단하는 토층 / 암층의 분류 및 심볼표시
◦ 기타 시추작업 중에 나타나는 관찰사항
(2) 시추주상도 작성 중 심도별 지층상태에 대한 설명에는 다음과 같은 사항들이 포함되어야 하며 설명순서도 아래 사항들의 나열순으로 함을 원칙으로 한다.
◦ 풍화상태, 구조, 색, 입도/조직, 변질상태, 교결상태, 암석명 등
(3) 시추주상도 작성 중 파쇄대 구간에서는 자세한 설명이 필요하며 특히 불연속면의 발달상태에 대해서는 아래사항들을 관찰, 기록하여야 한다.
◦ 불연속면의 종류, 방향, 경사 및 빈도
◦ 불연속면의 형태, 간격, 충진상태, 오염상태 및 충진물질
◦ 불연속면의 조도
◦ 지하수 유동의 흔적
2. 관측공 설치 절차
어떤 지역에서 지하수의 부존여부와 개발 가능성 여부를 조사할 때 지표 및 지하의 지질과 대수층에 대한 조사가 선행된다. 설치목적 및 기초자료 검토(예비조사) ⇒ 적정 위치 선정(탐사 및 수리지질조사 등) ⇒ 정호굴착 및 우물시공이 관측공 설치의 기본절차이다.
(1) 기초자료 검토 : 입지 또는 기본조사보고서를 참고하여 아래사항들을 검토한다.
◦ 지질, 지질구조, 층서, 암반의 공학적 특성, 암반의 수리적 특성 등
(2) 지하수의 탐사 방법 ☞ 탐사공학 참조
① 시추
② 지구물리검층
③ 전기비저항탐사
④ 탄성파탐사
⑤ 방사능탐사
(3) 우물의 굴착(착정, well drilling) 및 관측공 설치개요
☞ 천공 → casing의 설치 → 내부케이싱(screen)의 설치 → 자갈충전 및 그라우팅 처리
채수 및 관측공 운영 등 그 목적에 따라 우물의 종류는 다양하지만 우물은 통상 ‘(시멘트 그라우트) → 외부케이싱 → 자갈 → 내부케이싱 및 스크린(PVC 유공관)’으로 구성되어 있다. 설치 개요 및 주요 사항은 다음과 같다.
① 착정: 통상 시추기(착정기)를 이용하여 우물을 굴착하며 기계에 의해 시추된 관정을 기계관정, drilling well)이라고 함
② 케이싱(casing): 풍화토로 이루어진 상부층 혹은 비고결층의 착정시 공벽의 붕괴를 막기 위해 지하수공 외벽에 설치하는 철관으로서 통상 목적 심도까지 케이싱을 박는다.
③ 스크린(=스트레나, screen): 구경에 따라 PVC 또는 철재로 된 유공관으로서 인위적으로 구멍(slot)을 뚫어 지하수가 유입되도록 함. 대수층 가운데 투수성이 가장 양호한 부분에 스크린을 설치해야 양수량을 극대화 시킬 수 있음.
④ 여과력(filter gravel): 세립물질이 지하수공 내로 유입되는 것을 방지하기 위해 착정공벽과 우물 자재 사이에 부설하는 자갈로서 양호한 투수대를 조성함. 우물개량방법(수질개량)으로 사용.
⑤ 그라우팅(통상, 시멘팅): 케이싱을 원활하게 설치하기 위해서 통상 착정구경이 케이싱구경보다 크게 됨. 따라서 그 주변공간에 시멘트 그라우팅을 실시하여 오염된 지표수의 유입을 차단하도록 함. 한편, 케이싱과 스크린 사이에 자갈을 채우는 경우가 많음
(4) 참고 : Double Completion의 설치
① 관측공의 심도는 현장 여건에 따라 정하되 충적층 관측공은 지하수면의 변화 심도보다 낮게 설치해야 하며, 암반층 관측정은 반드시 풍화대 하부의 신선한 암반 심도에 설치해야 한다.
② 더블공(Double Completion)은 이러한 수리지질학적 Boundary에 따른 지하수위의 변화양상을 측정하고 그에 따른 지하수의 차이 및 지하수 이동양상을 파악하기 위하여 상하부 지하수위를 동시에 측정할 수 있도록 경제성을 고려해 설치된 관측공이다.
③ 더블공의 상하 지하수위가 다르듯 상부수위는 통상 표토 및 풍화대를, 하부수위는 암반대수층을 지시하는 경우가 많으며 지질에 따라 그 양상이 다양하다.
그림. (예) 관측정의 구조
◈ 관측공의 운영
1. 관측공의 표준화 및 보호시설설치
(1) 관측공의 표준화 : 관측공의 효율적인 운영 관리를 위해서는 관측공이 단일한 명명 체계를 부여해 관측공에 대한 정보를 포괄적으로 반영하도록 한다. 지하수 관측공 명칭은 설치 목적 및 현장 여건을 고려하되 통상 설치지역, 좌표, 우물의 종류 및 일련번호 등이 포괄적으로 포함될 수 있는 명칭으로 구성되도록 해야 한다.
(2) 관측공 보호시설 : 지하수 관측공 보호시설 역시 소규모의 안내판을 작성하고 부착하여 쉽게 인지할 수 있도록 해야 한다. 아울러 표준화된 서식을 이용해 관측공의 시설 제원 역시 자세히 기록해 두는 것을 원칙으로 한다.
다음은 지하수 관측공 보호시설의 설치 방법을 간략히 수록한 것이며 현장 여건을 고려하여 설치하거나 설계도면을 적절히 수정, 보완하는 것도 가능하다. (다음 표 참조)
[표] 관측공 보호시설의 설치 방법
[표] 관측공의 명칭과 제원관리의 예시
(3) 정호관리의 대표적 사항
➀ 과잉양수를 피함
➁ 양수기나 양수관 내에 생기는 피복물질을 제거함
➂ 양수기에 알맞는 일정전압과 전류를 수시로 점검
➃ 정호의 수질을 보호
➄ 오염방지를 위해 연 1회 정도로 정기적인 수질검사 실시
2. 수리자료의 측정 및 분석
지하수 수위/수질 등의 측정은 자동측정과 수동측정으로 구분된다. 측정방법은 기본적으로 수동측정을 우선 하되 필요에 따라 자동측정장비를 설치할 수 있다. 즉, 보조지하수 관측정의 지하수 관측은 인력을 동원하는 수동측정방법과 예산이 소요되는 자동측정방법의 적절한 조화가 필요하다고 할 수 있다.
지하수의 기본 조사 항목은 지하수위, 수온, 수질(대표적으로 EC), 수량, 수압 및 유속 등이다.
(1) 지하수위 측정
➀ 지하수위 수동 측정
이 방법은 여러 가지가 있으며 장비를 직접 제작해 사용할 수도 있다. 이중 전기적 측정방법은 선단이 지하수면에 닿았을 때 전류가 흐르는 것을 이용해 검류계, 램프, 부저 등을 확인하여 지하수위를 측정하는 방법이다. 시판되는 수위측정기 중 휴대용으로 많이 사용하는 디퍼는(Deeper, 왼쪽 그림) 전기적 측정방법의 일종이다.
➁ 지하수위 자동 측정
자동측정장비가 필요한 조건은 다음과 같으며 이 경우 역시 지속적인 장비의 유지관리 계획과 이에 따른 비용이 확보되어야 한다.
▪ 측정의 연속성 및 실시간 계측관리에 따른 신속성과 정확성이 요구되는 경우
▪ 지역의 특성상 접근이 어렵거나 수위 측정에 지나치게 많은 시간이 소요되는 경우
✎
[참고] 자동관측시스템
➀ 지하수 자동관측시스템은 매일 일정한 시각에 지하수위, 수온, 전기전도도 등을 측정하고 전송하며, 원거리에서 측정 및 전송주기 등을 자동 제어할 수 있는 방식으로서 그 이용이 증가되고 있는 추세이다. (현, 수자원공사, 농기반, SK가스 등 운영 중)
➁ 지하수위 자동측정장비와 관련된 부대 장비로는 관측 장비에 전원을 공급하는 전원장치(통상 태양전지), 데이터 등을 중앙제어실로 송신하는 데이터 송신장비 및 송신 받은 자료를 종합적으로 취합 관리하는 중앙제어실 등으로 구분할 수 있다.
(2) 수질분석(생략)
– 지하수의 수질 및 “먹는 물 기준” 직접 확인해 볼 것
(3) 수리자료의 분석 및 활용
➀ 수리자료의 기록 및 저장
측정한 수리자료는 스프레드시트 프로그램(엑셀 등) 또는 관측자료 데이터베이스를 활용하여 지속적으로 저장한다(PC 또는 디스크 등). 정해진 주기로 측정된 값은 별도 서식지에 기록하여 관리하거나 보고하도록 한다.
➁ 수리자료의 분석 및 활용
지하수 관측 자료는 그 지역의 수리적 안정성과 수질 보호가 주 목적이므로 시간적 또는 공간적인 변화상태 파악을 위해 주기적 분석을 시행하여 향후 수리적 안전시공 및 운영의 기초 자료로 활용해야 한다. 지하수의 통계적 혹은 시계열 분석은 시공간적인 지하수의 수위 또는 수질 변화의 경향성을 정량화 혹은 시각화하여 그 변동요인을 분석하고 예측하는데 많은 도움을 준다.