전기비저항 탐사법은 저수지 누수구간 탐지에 매우 효과적이고 실질적인 물리탐사법이다. 일반적으로 저수지 제체의 마루에서 수행되는 전기비저항 탐사는 저수지가 2차원 구조를 갖고 있다고 가정한다. 하지만 저수지 제체에서 수행되는 전기비저항 탐사 자료는 저수지의 3차원 지형에 의해 크게 영향을 받는다. 본 연구에서는 유한요소법을 사용하는 3차원 전기비저항탐사 모델링 프로그램을 통하여 저수지의 3차원 구조가 전기비저항 탐사자료에 미치는 영향을 평가하였다. 제체의 상류사면, 상류쪽 마루, 마루중앙, 하류쪽 마루와 하류사면에 위치한 측선에서 얻어진 전기비저항 탐사자료를 비교하였다. 3차원 효과는 측선의 위치에 따라 서로 다른 양상을 보였으며, 측선이 하류사면 쪽에 위치할 경우 그 영향이 더 크게 나타났다. 또한 지형효과보다는 저수지를 구성하는 요소들의 전기비저항 값이 전기비저항 탐사자료에 더 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 마지막으로 누수구간이 존재하는 제체에 대한 3차원 모델링 자료에 대하여 2.5차원 역산을 수행하여 2차원 전기비저항 탐사법을 이용한 누수구간 탐지의 가능성을 분석하였다.
전기비저항 탐사법은 저수지 누수구간 탐지에 매우 효과적이고 실질적인 물리탐사법이다. 일반적으로 저수지 제체의 마루에서 수행되는 전기비저항 탐사는 저수지가 2차원 구조를 갖고 있다고 가정한다. 하지만 저수지 제체에서 수행되는 전기비저항 탐사 자료는 저수지의 3차원 지형에 의해 크게 영향을 받는다. 본 연구에서는 유한요소법을 사용하는 3차원 전기비저항탐사 모델링 프로그램을 통하여 저수지의 3차원 구조가 전기비저항 탐사자료에 미치는 영향을 평가하였다. 제체의 상류사면, 상류쪽 마루, 마루중앙, 하류쪽 마루와 하류사면에 위치한 측선에서 얻어진 전기비저항 탐사자료를 비교하였다. 3차원 효과는 측선의 위치에 따라 서로 다른 양상을 보였으며, 측선이 하류사면 쪽에 위치할 경우 그 영향이 더 크게 나타났다. 또한 지형효과보다는 저수지를 구성하는 요소들의 전기비저항 값이 전기비저항 탐사자료에 더 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 마지막으로 누수구간이 존재하는 제체에 대한 3차원 모델링 자료에 대하여 2.5차원 역산을 수행하여 2차원 전기비저항 탐사법을 이용한 누수구간 탐지의 가능성을 분석하였다.
Resistivity method is a practical and effective geophysical technique to detect leakage zones in embankment dams. Generally, resistivity survey conducted along the crest assumes that the embankment dam has a 2D structure. However, the 3D topography of embankments distorts significantly resistivity d...
Resistivity method is a practical and effective geophysical technique to detect leakage zones in embankment dams. Generally, resistivity survey conducted along the crest assumes that the embankment dam has a 2D structure. However, the 3D topography of embankments distorts significantly resistivity data measured on anywhere of the dam. In this study, we analyse the influence from 3D effects created by specific dam geometry through the 3D finite element modeling technique. We compared 3D effects when resistivity surveys are carried out on the upstream slope, left edge of the crest, center of the crest, right edge of the crest and downstream slope. We ensure that 3D effect is greatly different according to the location of the survey line and data obtained on the downstream slope are most greatly influenced by 3D dam geometry. Also, resistivity data are more influenced by the electrical resistivity of materials constituting reservoir than 3D effects due to specific dam geometry. Furthermore, using resistivity data synthesized with 3D modeling program for an embankment dam model with leakage zone, we analyse the possibility of leakages detection from 2D resistivity surveys performed along the embankment dam.
Resistivity method is a practical and effective geophysical technique to detect leakage zones in embankment dams. Generally, resistivity survey conducted along the crest assumes that the embankment dam has a 2D structure. However, the 3D topography of embankments distorts significantly resistivity data measured on anywhere of the dam. In this study, we analyse the influence from 3D effects created by specific dam geometry through the 3D finite element modeling technique. We compared 3D effects when resistivity surveys are carried out on the upstream slope, left edge of the crest, center of the crest, right edge of the crest and downstream slope. We ensure that 3D effect is greatly different according to the location of the survey line and data obtained on the downstream slope are most greatly influenced by 3D dam geometry. Also, resistivity data are more influenced by the electrical resistivity of materials constituting reservoir than 3D effects due to specific dam geometry. Furthermore, using resistivity data synthesized with 3D modeling program for an embankment dam model with leakage zone, we analyse the possibility of leakages detection from 2D resistivity surveys performed along the embankment dam.
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문제 정의
본 논문에서는 지형을 고려할 수 있는 유한요소법 모델링을 통하여 저수지의 3차원적 형상과 저수지를 구성하는 저수지 물, 상, 하류사면, 중심점토, 기반 암의 물성 대비를 고려한 쌍극자 배열 전기비저항 탐사자료의 변화를 고찰, 분석하였다. 또한 3차원적 누수구간을 가정하고 측선의 위치에 따른 누수 구간 탐지능력을 비교, 분석하여 효과적인 탐사설계의 지침을 제시하고자 하였다.
이러한 저수지 제체의 기하학적 형상과 2차원 가정의 위배에서 오는 전기비저항 탐사자료의 왜곡은 이미 이명종 등(2000)에 의해 분석된 바 있다. 본 논문에서는 지형을 고려할 수 있는 유한요소법 모델링을 통하여 저수지의 3차원적 형상과 저수지를 구성하는 저수지 물, 상, 하류사면, 중심점토, 기반 암의 물성 대비를 고려한 쌍극자 배열 전기비저항 탐사자료의 변화를 고찰, 분석하였다. 또한 3차원적 누수구간을 가정하고 측선의 위치에 따른 누수 구간 탐지능력을 비교, 분석하여 효과적인 탐사설계의 지침을 제시하고자 하였다.
본 연구에서는 저수지 제체의 3차원 효과와 구성요소들의 물성 차이가 2차원 전기비저항 탐사자료와 그 역산 결과에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 분석 결과 측선의 위치에 따라 지형효과 및 구성요소들의 영향은 서로 다른 양상을 보였다.
이러한 가정상의 모순에도 불구하고 제체 마루부에서 수행되는 전기비저항 탐사는 매우 효과적으로 누수구간의 분포 양상을 제시하고 있으며, 실제 제체 누수조사에 널리 사용되고 있다. 여기서는 저수지의 3차원 구조가 쌍극자 배열 전기 비저항 탐사자료에 미치는 영향을 분석하고자 한다.
가설 설정
모든 측선에서 측점 간격은 5 m이며, 측선의 길이는 100m로 설정하였다. Fig. 5에 나타낸 바와 같이 저수지 물의 전기비저항은 80 ohm-m, 상류사면은 200 ohm-m, 중심점토는 50 ohm-m, 하류사면은 400 ohm-m, 세굴현상에 의해 훼손된 중심점토의 전기비저항은 100 ohm-m, 그 크기는 5m × 2m ×6m로 가정하였으며, 중심점토를 기준으로 상류부와 하류부 쪽으로 전기비저항이 감소한 모델을 설정하였다.
1에도시하였다. 국내의 일반적인 농업용 저수지(embankment dam)를 가정하고 제체의 경사는 상, 하류 사면 모두 1 : 2로, 제체의 높이는 20.5 m로 설정하였다. 제체 마루부의 너비는 6 m, 마루 상류 쪽 가장자리에서 수면까지의 수평 거리는 7이이다.
이들은 모두 서로 다른 물성을 가지며, 그 대비도 상당히 큰 것으로 알려져 있다. 우선 여기서는 저수지의 기하학적 특성에 기인한 전기비저항 탐사자료의 왜곡만을 알아보기 위하여 저수지를 구성하는 모든 요소들의 전기비저항이 일정하다고 가정하고 3차원 모델링을 수행하였다. 편의를 위하여 전기 비저항값은 100 ohm-m, 측선의 길이는 100 m, 측점 간격은 5 m로 설정하였다.
제안 방법
중심점토는 점토광물의 함량이 높기 때문에 제체를 구성하는 요소들 중에서가장 낮은 전기비저항을 나타낸다. 여기서는 저수지를 구성하는 각 요소들의 물성 차이에 의한 영향을 분석하기 위하여 각 구성요소들의 전기비저항을 Fig. 3에서와 같이 설정하고 Fig. 1에서와 동일한 지점에 대하여 쌍극자 배열 전기 비저항 탐사모델링을 수행하였다. 유한요소법에 의한 3차원 모델링 시 찌그러진 육면체 요소를 사용하였기 때문에 물과 상류사면, 그리고 하류사면과 기반 암의 경계에서는 실제 모델은 Fig.
편의를 위하여 전기 비저항값은 100 ohm-m, 측선의 길이는 100 m, 측점 간격은 5 m로 설정하였다. 유한요소법을 사용하는 모델링에서 매측점사이를 4개의 요소로 분할하였으며, 저수지의 구조는 Fig. 1에도시하였다. 국내의 일반적인 농업용 저수지(embankment dam)를 가정하고 제체의 경사는 상, 하류 사면 모두 1 : 2로, 제체의 높이는 20.
제체 마루부의 너비는 6 m, 마루 상류 쪽 가장자리에서 수면까지의 수평 거리는 7이이다. 측선은 물과 상류사면의 경계면, 마루 상류 쪽 가장자리, 마루 중앙, 마루하류 쪽 가장자리와 이로부터 하류사면 방향으로 수평 거리가 7 m인 지점 등 5개에 대하여 쌍극자 배열 전기 비저항 탐사자료에 미치는 3차원 지형효과를 분석하였다.
대상 데이터
5는 중심점토의 훼손에 의한 누수 구간 모델과 3차원 모델링을 통하여 상류사면, 마루 상류 쪽 가장자리, 마루 중앙부, 마루 하류 쪽 가장자리 및 하류사면에 제당과 평행하게 설정된 측선에서 쌍극자 배열 전기 비저항 탐사를 수행한 결과이다. 모든 측선에서 측점 간격은 5 m이며, 측선의 길이는 100m로 설정하였다. Fig.
성능/효과
즉 중간심도에서 가장 비저항이 높은 형태의 역산단면을 나타내게 될 것이다. 마지막으로 마루하류 쪽 가장자리에서 얻어진 결과는 n=l일 때 86 ohm-m에서 출발하여 n=10일 때 65 ohm-m로 감소한다.
이때 측 점의 위치는 측선의 중앙부이지만, 이 경우에는 제체 방향의 물성 변화가 없다고 가정하였기 때문에 측 점의 위치에 관계없이 동일한 결과를 나타낸다. 우선 상류 사면에서 얻어진 자료는 n=l일 경우에 115 ohm-m 정도의 높은 비저항을 보이며, n이 증가할수록 감소하여 n=10일 경우에는 93 ohm-m 정도의 낮은 겉보기 비저항 값을 나타낸다. 즉 천부는 고비저항, 심부는 저비저항층을 보이게 된다.
중요한 요소가 된다. 이번 수치모형 시험 결과에 의하면 상류부보다는 하류부에 측선을 설치하는 것이 유리하며, 특히조사의 편의를 위하여 측선을 마루부에 설치할 경우에도 마루하류쪽 가장자리에 측선을 설치하는 효과적인 것으로 판단된다. 또한 전기비저항역산단면에서 얻어진 결과는 제체의 구조와 유사한 경향을 보이지만 이는 실제 구조로 보기 어려우며, 단지 정성적인 해석근거로만 사용 가능한 것으로 보인다.
이상에서 상류 쪽에 측선이 위치할 경우 3차원 효과가 적고 하류 쪽에 위치할수록 3차원 효과가 커짐을 알 수 있는데, 이는 상류부가 저수지 물 때문에 하류부에 비하여 지형적인 변화가 적어서 3차원 지형 효과가 덜 나타나기 때문인 것으로 판단된다. 일반적으로 3차원 효과는 전류 전극과 전위전극 사이의 거리가 커질수록 더 크게 나타난다.
즉 쌍극자 배열 전기 비저항 탐사에서 전극전 개수가 클수록 지형의 기복에 의한 영향을 더 많이 받는 것으로 해석되며, 상류사면, 마루 중앙, 마루하류 쪽 가장자리에서 얻은 결과가 이를 뒷받침해준다. 하지만 마루 상류 쪽 가장자리 및 하류사면에서 얻어진 결과는 이와는 차이를 보인다.
3). 즉 지형에 의한 효과만을 고려할 경우에는 n=6일 때의 값이 n=l일 때의 56 %로 지형의 효과가 매우 크게 나타나는 반면, 물성까지 고려한 경우에는 n=6일 때의 값이 n=l일때의 72 %로 상대적으로 지형 효과가 감소 되었음을 알 수 있다. 따라서 저수지에서 수행되는 전기 비저항 탐사에서 저수지의 기하학적 영향보다는 구성요소의 물성에 의해 겉보기비저항이 더욱 크게 영향을 받는 것으로 해석되며, 이러한 특성이 전기비저항 탐사가 저수지의 안전진단에 적용 가능한 이유 중의 하나로 생각된다.
분석 결과 측선의 위치에 따라 지형효과 및 구성요소들의 영향은 서로 다른 양상을 보였다. 지형효과의 경우 측선의 위치에 따라 차이는 있으나 대개 전극전개수가 증가할수록 겉보기 비저항이 감소하는 양상을 보였다. 이는 전류전극 쌍과 전위전극 쌍 사이의 거리가 증가할 경우 3차원 지형 효과를 더 많이 받기 때문인 것으로 해석된다.
후속연구
전기비저항이 증가하는 양상을 보인다. 미세하기는 하지만 누수구간의 수직상부에서 저비저항 이상대가 나타나고 있으므로, 물성 변화가 더 커진다 거나 혹은 누수 구간의 크기가 커진다면 누수구간의 탐지가 가능할 수도 있을 것으로 보인다. 하지만 중심점토의 전기 비저항 증가, 상류 및 하류사면 쪽의 전기비저항 감소가 서로 상쇄되는 효과가 있으므로 해석이 쉽지 않을 것으로 보이며, 전반적으로 본 시험에서 얻어진 결과만을 놓고 본다면 누수 구간의 탐지는 쉽지 않은 것으로 해석된다.
미세하기는 하지만 누수구간의 수직상부에서 저비저항 이상대가 나타나고 있으므로, 물성 변화가 더 커진다 거나 혹은 누수 구간의 크기가 커진다면 누수구간의 탐지가 가능할 수도 있을 것으로 보인다. 하지만 중심점토의 전기 비저항 증가, 상류 및 하류사면 쪽의 전기비저항 감소가 서로 상쇄되는 효과가 있으므로 해석이 쉽지 않을 것으로 보이며, 전반적으로 본 시험에서 얻어진 결과만을 놓고 본다면 누수 구간의 탐지는 쉽지 않은 것으로 해석된다.
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