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문제 정의
- 그러나 이와 같은 계측시스템은 특정 지점을 대표하는 정보에 국한되므로 방조제의 전체 구간에 대해 연속적으로 관측하는 것은 실제적으로 불가능하다. 따라서 본 과정에서는 단주기 탐사와 모니터링 방법을 동시에 제시하였다. 모니터링 방법은 기본적으로 상시 관측을 위한 자동측정시스템이 필수적이지만, 시스템을 설치하기에는 현실적으로 어려움이 따른다.
- 본 연구에서는 앞서 사례로 제시된 지구물리학적 방법들을 초기 탐사, 장주기 탐사, 단주기 탐사와 모니터링 단계로 구분하여 방조제 유지·관리의 적용 가능성을 검토하였다.
제안 방법
- 측선간격 15 m, 길이 275 m인 4개의 수평측선을 전개하였고, 이에 수직한 방향으로 측선간격 25 m, 길이 65 m인 10개의 수직측선을 설정하였다. 각 측선의 측점간격은 동일하게 5 m로 설정하였으며, 총 2회에 걸쳐 약 2개월 간격으로 3차원 전기비저항 탐사가 수행되었다. 시간경과 역산을 위하여 1차 및 2차 탐사 시 모든 측선 및 측점의 위치는 동일하게 유지하였으며, 동일한 전극배열인 변형된 단극배열법을 적용하였다.
- 그러나 지금까지 적용된 지구물리학적 방법들은 특정 구간에 대해 필요에 의해 적용된 사례로 본 연구에서는 방조제의 피복상태 및 축조재료에 맞는 맞춤형 지구물리학적 방법들을 제시한 후, 방조제 유지·관리 과정에 맞는 체계적인 접목을 시도하였다.
- 자연전위 차가 조위 차와 직접적으로 비례한다면, 자연전위 차의 정도는 특정 위치에서 상대적인 누수 유동량을 평가하기 위한 주요 변수로 해석할 수 있다. 따라서 전체 모니터링 기간 중에 각 지점에서 자연전위 차의 평균 크기를 계산하였다. Fig.
- 이와 같은 정밀조사 단계에서 단주기 탐사는 근본적으로 측정 주기를 조절하기가 매우 어렵다. 따라서 측정주기를 조절하기 쉽고, 원하는 시간대에 측정이 가능한 모니터링 방법으로 자연전위 탐사를 실시하였다. 자연전위 탐사는 최대 조위차가 2.
- 제안 내용에 의하면 제체의 안전성 검사 방법으로 다양한 지구물리학적 방법의 필요성을 역설하고, 통합 물리탐사 방법을 일본의 토목연구소의 사례를 통해 구체적으로 언급하였다. 또한 댐 안정성 검토를 위해 각종 계측 방법과 함께 물리탐사의 최근 기술 동향에 대해 정리한 내용에 따르면, 지리정보 시스템(GPS), 경사계, 인공위성영상, 사진촬영 등을 이용한 댐의 표면변위 측정방법과 층별침하계, 시추공 변위 측정계, 광섬유 및 동축케이블을 이용한 실시간 변위 측정계 등을 이용한 내부변위 측정방법을 소개하였다.
- 방조제의 안전점검 중 분기별로 수행하는 정기점검 시기에 맞추어 겉으로 문제가 드러나지 않는 제체를 대상으로 위험요소들을 사전에 확인하기 위한 소형루프 전자 탐사방법을 제시하였다. 소형루프 전자 탐사는 비접촉식 탐사가 가능하여 별도의 전극과 전선의 설치가 불필요하므로 방대한 규모의 방조제 초기 탐사에 매우 적합한 방법으로 신속한 탐사가 가능하다.
- 또한 소형루프 전자 탐사는 전자기적인 잡음에 매우 취약할 뿐만 아니라 송수신기간의 거리가 제한되어 있으므로 비교적 규모가 큰 방조제의 경우 주파수 수직탐사의 가탐심도에 한계가 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 새만금방조제의 동일구간에 대해 장주기 탐사방법으로 2차원 전기비저항 탐사를 제시하였다. 사용된 전극배열은 해수의 영향을 받는 방조제와 같은 제체에서 효과적으로 적용할 수 있는 변형된 단극-단극 배열이며, 측점간격은 10 m, 전극 전개 수는 8로 탐사변수들을 모두 고정하였다.
- 최소 3회의 반복적인 장주기 탐사가 완료되면 각각의 자료에 대한 결과를 비교하여 이상대 확장 가능성을 평가할 수 있다. 이상대 확장 가능성 평가를 위해 Fig. 4와 같이 새만금 2호 방조제 내측사면 아래 5 m 이격된 제체 종방향 측선을 따라 No.23+60 ~ 25+40, No.28+20 ~ 29+10, No.29+30 ~ 30+10 구간에서 2010년 12월 8일과 2012년 7월 3일에 각각 2차원 전기비저항 탐사를 수행하였다. Fig.
- 이와 같이 지구물리학적 방법들은 방조제 유지·관리 과정에서 효과적으로 적용될 수 있으므로, 본 연구에서는 앞서 검토된 소형루프 전자 탐사, 2차원 및 3차원 전기비저항 탐사, 다중채널 표면파 탐사와 자연전위 탐사를 중심으로 제체의 유지·관리를 위한 흐름도를 제시하였다(Fig. 11).
- 기준전극은 측정위치에서 조사지역의 영향이 미치지 않는 2 km 이상 이격된 비교적 원지반에 가까운 지점에 설치하였다. 전원은 태양열 전지판으로부터 발생된 열에너지를 전기에너지로 변환하여 자체 배터리에서 에너지가 저장되어 최소 소비전력으로 이용하는 방식을 채용하였다. Fig.
- 최근 국내에서 가장 취약한 부분 중 하나인 제체의 침투수에 의한 안정성 문제를 개선하기 위한 방안으로 지구물리 탐사법의 적용이 가장 현실적인 대안으로 제안한 사례가 있다(Yu and Lee, 2012). 제안 내용에 의하면 제체의 안전성 검사 방법으로 다양한 지구물리학적 방법의 필요성을 역설하고, 통합 물리탐사 방법을 일본의 토목연구소의 사례를 통해 구체적으로 언급하였다. 또한 댐 안정성 검토를 위해 각종 계측 방법과 함께 물리탐사의 최근 기술 동향에 대해 정리한 내용에 따르면, 지리정보 시스템(GPS), 경사계, 인공위성영상, 사진촬영 등을 이용한 댐의 표면변위 측정방법과 층별침하계, 시추공 변위 측정계, 광섬유 및 동축케이블을 이용한 실시간 변위 측정계 등을 이용한 내부변위 측정방법을 소개하였다.
- 11). 제안된 방법은 측정 주기에 따라 단계별로 적용될 수 있는데, 초기 탐사단계에서는 연 1회의 조사결과에 따라 다음 단계의 과정으로 이동하게 된다. 또한 장주기 탐사 단계는 동일 구간에 대해 6개월 주기로 3회 이상의 자료 분석이 필요하며, 단주기 탐사 및 모니터링 단계는 적어도 최소 3개월 주기로 3회 이상의 자료 분석이 수반되어야 할 것으로 판단된다.
- 지금까지 지구물리학적 방법을 초기 탐사, 장주기 탐사, 단주기 탐사 및 모니터링 단계별로 나누어 방조제 제체에 대한 적용 가능성을 검토하였다. Table 1은 지구물리학적 방법들을 비교적 적용 가능성이 높은 방법들을 열거하여 방조제 유지·관리의 단계별 과정으로 제안한 것이다.
- 시설관리자는 유지·관리로서 안전점검 또는 정밀안전진단 결과에 의해 시설의 개보수계획을 수립해야 하는데, 안전성 평가를 위하여 다음과 같이 시설물 종류 및 구조적 특성에 따라 계측, 측정, 조사 및 시험 등을 선택하여 실시해야한다(MOLIT, 2013). 평가 대상은 통상적으로 방조제의 경우 둑마루, 해측사면, 호측사면으로 나누어 평가한다. 시설물 외관조사 및 재료조사 결과를 토대로 한 시설 상태 평가 부문과 기능성 및 안정성을 검토하는 안전성 평가 부문을 종합하여 시설물 전체에 대한 종합평가 결과로부터 안전등급을 지정한다.
- 한편, 각 측선에 대해서 2차원 단면상에 전기비저항의 변화가 나타나는 점에 착안하여 총 14 지점의 심도에 대한 전기비저항의 변화를 파악해 보았다. Fig.
대상 데이터
- 본 연구에서는 앞서 사례로 제시된 지구물리학적 방법들을 초기 탐사, 장주기 탐사, 단주기 탐사와 모니터링 단계로 구분하여 방조제 유지·관리의 적용 가능성을 검토하였다. 본 논문에서 제시한 물리탐사 사례 중 자연전위 모니터링은 전라남도 완도군의 약산방조제를 대상으로 하였으며, 그 외 자료는 전라북도 군산시와 부안군을 해상으로 연결한 새만금 방조제로부터 획득하였다.
- 이러한 문제점을 극복하기 위해 새만금방조제의 동일구간에 대해 장주기 탐사방법으로 2차원 전기비저항 탐사를 제시하였다. 사용된 전극배열은 해수의 영향을 받는 방조제와 같은 제체에서 효과적으로 적용할 수 있는 변형된 단극-단극 배열이며, 측점간격은 10 m, 전극 전개 수는 8로 탐사변수들을 모두 고정하였다.
- 6은 새만금방조제 일부구간의 내측사면을 대상으로 시행한 3차원 전기비저항 탐사를 위한 측선도를 나타낸 것으로 방조제 내측사면 아래의 녹지대에서 방조제와 평행한 방향으로 측선을 설정하였다. 측선간격 15 m, 길이 275 m인 4개의 수평측선을 전개하였고, 이에 수직한 방향으로 측선간격 25 m, 길이 65 m인 10개의 수직측선을 설정하였다. 각 측선의 측점간격은 동일하게 5 m로 설정하였으며, 총 2회에 걸쳐 약 2개월 간격으로 3차원 전기비저항 탐사가 수행되었다.
이론/모형
- 각 측선의 측점간격은 동일하게 5 m로 설정하였으며, 총 2회에 걸쳐 약 2개월 간격으로 3차원 전기비저항 탐사가 수행되었다. 시간경과 역산을 위하여 1차 및 2차 탐사 시 모든 측선 및 측점의 위치는 동일하게 유지하였으며, 동일한 전극배열인 변형된 단극배열법을 적용하였다. 1차 측정은 2012년 6월 22일에, 2차 측정은 2012년 8월 23일에 각각 수행되었다.
- 따라서 측정주기를 조절하기 쉽고, 원하는 시간대에 측정이 가능한 모니터링 방법으로 자연전위 탐사를 실시하였다. 자연전위 탐사는 최대 조위차가 2.5 m 정도인 약산방조제에서 수행되었으며, 과거에 재해예방목적으로 자동측정시스템이 설치된 지역으로 현장자료를 자동으로 측정하여 전송하는 코드분할 다중접속(code division multiple access; CDMA) 방식을 적용하였다.
성능/효과
- 결과적으로 2차원 전기비저항 탐사결과에서 해수면 아래의 낮은 전기비저항 구간은 분해능의 한계에도 불구하고 신호대 잡음비가 상대적으로 높은 변형된 단극배열법을 적용하였음에도, 누수의 영향에 의한 제체 변위의 가능성이 상대적으로 높은 것으로 해석된다. 이와 같이 2차원 전기비저항 탐사결과로도 시간경과에 따른 이상대 확장 가능성 평가를 통하여 규모가 큰 방조제에서 집중관리 구역을 선정하여 효율적인 방조제 유지·관리에 도움이 될 수 있을 것으로 판단된다.
- 3(b)는 9월 27일과 10월 25일에 측정한 결과를 9 지점의 심도에서 line 1, 2, 3, 4, 5, 6에 해당하는 전기비저항의 비를 표현한 것이다. 대체로 1~5 m 심도에서 전기비저항이 전반적으로 낮아지는 경향이 나타났으며, 심도 6 m에서는 측선의 시점부와 해측과 가장 가까운 line 1에서 전기비저항이 낮아지는 현상이 나타났다. 반면, 심도 7 m 이하에서는 전기비저항의 변화가 거의 나타나지 않았다.
- 이와 같이 자연전위 탐사를 이용한 모니터링 방법은 주로 조위의 영향에 따라 누수 지점의 누수량 변화가 많은 경우 매우 유용한 방법으로 적용할 수 있다. 또한 본 연구지역과 같이 자동측정시스템이 설치된 경우 다량의 모니터링 자료를 통해 시간경과에 따른 자연전위 차를 계산하여 조위 차와의 상관관계를 분석할 수 있으며, 조위의 상승, 하강에 따른 방조제 제체의 누수에 의한 유동전위를 효과적으로 분석할 수 있다. 이를 위해서는 장기간의 모니터링 자료가 필요하며, 자연전위 자동측정시스템을 통한 안정적인 자료가 확보될 경우 방조제의 정밀 모니터링 단계에서 유용하게 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 평가 대상은 통상적으로 방조제의 경우 둑마루, 해측사면, 호측사면으로 나누어 평가한다. 시설물 외관조사 및 재료조사 결과를 토대로 한 시설 상태 평가 부문과 기능성 및 안정성을 검토하는 안전성 평가 부문을 종합하여 시설물 전체에 대한 종합평가 결과로부터 안전등급을 지정한다.
- 8(b)에서 심부에 전기비저항이 감소한 영역이 매우 폭 넓게 발달하고 있음을 확인할 수 있다. 이 조사지역이 과거에 그라우팅으로 보강된 지역이지만, 2개월 이후에 비저항이 낮아진 것으로 보아 누수에 취약한 구간임을 알 수 있다. 또한 이 구간은 끝막이 구간에 해당하는 구간으로 전기비저항의 변화량이 비교적 크게 나타날 가능성이 높으므로 향후 정밀 탐사를 지속적으로 수행하여 전기비저항의 경과추이를 확인해야 할 구간으로 판단된다.
- 최소 3회의 반복적인 장주기 탐사가 완료되면 각각의 자료에 대한 결과를 비교하여 이상대 확장 가능성을 평가할 수 있다. 이상대 확장 가능성 평가를 위해 Fig.
- 3(a)는 1차원 역산결과의 전기비저항 값을 이용하여 약 1개월 경과시점에서 전기비저항의 변화를 정밀하게 파악하기 위해 동일 측선 자료를 대상으로 9월 27일의 전기비저항 값에 대한 10월 25일의 전기비저항 값의 비를 나타낸 것이다. 탐사자료는 동상성분만을 사용하여 역산을 수행한 경우에 대한 현장자료와 이론자료를 비교한 결과 거의 모든 주파수에서 오차가 작게 나타났음을 확인할 수 있었으며, 역산 결과의 신뢰도 또한 높은 것으로 나타났다. 전반적으로 큰 차이는 없었으나, 9월 27일 자료를 기준으로 분석한 결과, 비저항이 감소하는 경향이 나타났다.
후속연구
- 이와 같이 소형루프 전자 탐사는 심도 10 m 이내의 물성을 신속하게 파악할 수 있는 방법으로 방조제 제체의 초기 탐사단계에서 유용하게 적용될 수 있을 것으로 판단된다. 다만, 이 방법은 전자 탐사의 특성상 전자기적 잡음에 매우 취약하여 자료의 변화가 민감하게 나타나므로 동일 지점에서 서로 다른 시점에 해당되는 각각의 역산결과로부터 전기비저항 비를 이용한 분석이 방조제 침윤선 상부의 매질에 대한 물성변화를 파악하는데 보다 효과적일 것으로 판단된다.
- 이 조사지역이 과거에 그라우팅으로 보강된 지역이지만, 2개월 이후에 비저항이 낮아진 것으로 보아 누수에 취약한 구간임을 알 수 있다. 또한 이 구간은 끝막이 구간에 해당하는 구간으로 전기비저항의 변화량이 비교적 크게 나타날 가능성이 높으므로 향후 정밀 탐사를 지속적으로 수행하여 전기비저항의 경과추이를 확인해야 할 구간으로 판단된다.
- 제안된 방법은 측정 주기에 따라 단계별로 적용될 수 있는데, 초기 탐사단계에서는 연 1회의 조사결과에 따라 다음 단계의 과정으로 이동하게 된다. 또한 장주기 탐사 단계는 동일 구간에 대해 6개월 주기로 3회 이상의 자료 분석이 필요하며, 단주기 탐사 및 모니터링 단계는 적어도 최소 3개월 주기로 3회 이상의 자료 분석이 수반되어야 할 것으로 판단된다. 특히 모니터링의 경우는 자동측정 시스템을 이용한 상시관측이 가장 이상적으로 측정 주기는 조위에 의해 영향 받는 방조제의 특성상 조위의 최고, 최소 시점에 측정할 수 있도록 보정하는 과정이 요구된다.
- 방조제의 유지·관리 단계별로 살펴보면 초기 탐사 단계에서 유용하게 적용할 수 있는 방법은 소형루프 전자 탐사와 지표레이더 탐사가 유리할 것으로 생각되며, 2차원 전기비저항 탐사, 자연전위 탐사, 다중채널 표면파 탐사는 경우에 따라서 부분적으로 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 방조제 안전진단 및 해수침투 방지대책에 관한 연구에 의하면 기존 안전점검 체계의 문제점과 개선방안에 대하여 방조제의 특성상 조수간만의 차 또는 내수면의 관리수위 변화에 따라 기존의 안전점검 뿐만 아니라 별도의 제체 누수조사 방법의 필요성이 보고된 바 있다(KRC, 2006). 이러한 연구결과는 방조제 안전관리에 필요한 조사 방법 및 시기 등 방조제 안정성에 관한 과학적인 조사가 필요한 것으로 요약된다.
- 또한 본 연구지역과 같이 자동측정시스템이 설치된 경우 다량의 모니터링 자료를 통해 시간경과에 따른 자연전위 차를 계산하여 조위 차와의 상관관계를 분석할 수 있으며, 조위의 상승, 하강에 따른 방조제 제체의 누수에 의한 유동전위를 효과적으로 분석할 수 있다. 이를 위해서는 장기간의 모니터링 자료가 필요하며, 자연전위 자동측정시스템을 통한 안정적인 자료가 확보될 경우 방조제의 정밀 모니터링 단계에서 유용하게 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 이와 같이 2차원 전기비저항 탐사결과로도 시간경과에 따른 이상대 확장 가능성 평가를 통하여 규모가 큰 방조제에서 집중관리 구역을 선정하여 효율적인 방조제 유지·관리에 도움이 될 수 있을 것으로 판단된다.
- 이와 같이 소형루프 전자 탐사는 심도 10 m 이내의 물성을 신속하게 파악할 수 있는 방법으로 방조제 제체의 초기 탐사단계에서 유용하게 적용될 수 있을 것으로 판단된다. 다만, 이 방법은 전자 탐사의 특성상 전자기적 잡음에 매우 취약하여 자료의 변화가 민감하게 나타나므로 동일 지점에서 서로 다른 시점에 해당되는 각각의 역산결과로부터 전기비저항 비를 이용한 분석이 방조제 침윤선 상부의 매질에 대한 물성변화를 파악하는데 보다 효과적일 것으로 판단된다.
- 최근 저수지 둑 붕괴 등 수리시설물에 대한 관심이 급증하고 있는 추세로 본 연구에서 제시한 지구물리학적 방법들은 일반적인 수리시설물에 대해 적용될 수 있을 것으로 기대되며, 지구물리학적 방법들이 체계적으로 적용된다면 항구적인 방조제의 유지·관리에 크게 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
- 특히 지구물리학적 방법을 이용한 방조제 유지·관리 흐름도는 반복적인 순환 시스템으로 방조제의 체계적인 유지·관리를 위한 조사와 평가기술로 활용될 수 있을 것으로 기대하며, 취약 구간에 대한 감시 기능을 담당할 수 있을 뿐만 아니라 육안조사 결과 이상대가 발생되지 않은 구간에 대해 선별적으로 적용할 경우 사전 재해예방에도 큰 도움이 될 것으로 판단된다.
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