고정응력 분할 안정화를 적용한 OGS-FLAC3D 순차 연계해석의 열-수리-역학 복합거동 검증

김태현; 박찬희; 이창수; 김진섭

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저자정보: 김태현 (한국원자력연구원) 박찬희 (한국지질자원연구원) 이창수 (한국원자력연구원) 김진섭 (한국원자력연구원)

저널정보: 한국암반공학회 터널과 지하공간 터널과 지하공간 제36권 제5호(통권 제184호)

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고준위 방사성폐기물 심층처분장의 안전성 평가에는 붕괴열에 의한 열-수리-역학(THM) 복합거동의 신뢰성 있는 예측이 필수적이다. 열-수리 해석에 강점을 지닌 OpenGeoSys와 다양한 지반역학 구성모델을 갖춘 FLAC3D를 결합한 순차 연계해석 시뮬레이터(OGS-FLAC3D)는 모듈성의 장점을 지니나, 물리과정 간 결합이 강한 조건에서는 순차 반복의 수렴성과 안정성이 저하될 수 있다. 본 연구에서는 이러한 한계를 해소하기 위해 고정응력 분할(fixed-stress split) 기반의 안정화항을 유체 방정식에 도입하고, Booker-Savvidou 점열원 문제의 해석해를 이용하여 연계해석의 수렴성과 정확성을 검증하였다. 수치해석 결과 온도· 간극수압·변위·응력이 해석해와 잘 일치하였으며, 간극수압의 첨두 상대오차는 점열원으로부터 거리가 다른 두 계측점에서 각각 −2.73%, −1.60%로 나타났다. 안정화항을 제거하고 작은 비저류계수를 부여한 고정변형 분할 해석에서는 주어진 반복 횟수 내에서 수렴 기준에 도달하지 못하고 간극수압이 해석해보다 약 67% 크게 나타났다. 이는 본 강결합 벤치마크에서 고정응력 분할 안정화가 실용적인 반복 횟수 내에서 연계 수렴을 확보하는 데 중요한 역할을 함을 보여준다. 또한 안정화항을 적용한 경우, 본 벤치마크 조건에서 시험한 안정화항 계수와 T-H-M 및 H-T-M 연계 순서에 따른 최종 수렴 해의 차이는 매우 작게 나타났다. 이상의 결과로부터 고정응력 분할 안정화를 적용한 OGS-FLAC3D가 본 벤치마크의 THM 복합거동을 안정적으로 재현할 수 있음을 확인하였다.

Reliable prediction of coupled thermo-hydro-mechanical (THM) behavior induced by decay heat is essential for the safety assessment of deep geological repositories for high-level radioactive waste. OGS-FLAC3D, a sequential coupling simulator that combines OpenGeoSys for thermo-hydraulic analysis with FLAC3D equipped with various geomechanical constitutive models, offers the practical advantages of a modular framework; however, the convergence and stability of sequential iterations may deteriorate under strongly coupled conditions. In this study, a fixed-stress split stabilization term was introduced into the fluid mass balance equation, and the convergence and accuracy of the coupled analysis were verified against the analytical solution of the Booker-Savvidou point heat source problem. The numerical results for temperature, pore pressure, displacement, and stress showed good agreement with the analytical solution, with peak relative errors in pore pressure of −2.73% and −1.60% at two monitoring points located at different distances from the heat source. In the unstabilized fixed-strain split analysis, in which a small specific storage coefficient was introduced, the prescribed convergence criterion was not satisfied within the given number of coupling iterations, and the pore pressure was overestimated by approximately 67% relative to the analytical solution. This result demonstrates that fixed-stress stabilization plays an important role in achieving convergence within a practical number of coupling iterations for the strongly coupled benchmark considered in this study. For the stabilized cases, the final converged solutions showed only negligible differences among the tested stabilization coefficients and the T-H-M and H-T-M coupling sequences. These results confirm that the fixed-stress- stabilized OGS-FLAC3D framework can reliably reproduce the coupled THM response of the present benchmark problem.

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