[논문]제방에서의 전기비저항 모니터링

안태규; 고지혜; 정유정; 이희순; 송성호; 용환호

doi:10.5467/jkess.2015.36.1.59

문제 정의

본 연구에서는 서해안에 위치한 제방에서의 3개 구간(case1; 인도부, case2; 도로부, case3; 사면부)에 대한 전기비저항 탐사 및 모니터링을 수행하였고 조석 변화 자료와의 상관성 분석을 통해 전기비저항 분포 및 변화 양상에 대한 영향 여부를 검증하고자 하였다. 먼저 사면부에서와 같이 인위적인 잡음이 적은 균질한 구간에서는 다소 평행한 층서 변화를 보였으며 인도부 및 도로부와 같이 인위적인 잡음 요소가 존재하는 구간에서는 수직적인 전기비저항 분포 변화 양상이 나타났다.
본 연구에서는 제방 내에 동일한 위치 및 거리에 대한 측선 구역(3 측선)을 설정하고 조석 주기를 고려하여 3 시간 주기 단위로 측정을 수행한 현장 자료로부터 도출된 일회적인 역산 결과 및 일정 시간 변화에 따른 전기비저항 변화비(ratio)의 분석을 시도하였으며, 전기비저항 모니터링 결과와 조석 변화 자료의 상관성 분석을 통해 서로간의 영향성이 존재하는지 여부를 검증하고자 한다.
9 km에 달하며, 주로 농업 및 생태환경 용도로 활용되고 있다. 본 연구에서는 제방 하부 구조 양상을 기반으로 해수측 조석 변화와의 상관성을 검증하기 위해 일정 구역을 채택하여 동일한 거리로 측선을 설정하였다. 각 측선은 해수측의 인도부(Case-1)와 도로부(Case-2) 및 반대편 사면부(Case-3)에서 수행하였으며 각 위치에 대한 모식도는 Fig.

제안 방법

본 연구에서는 제방 하부 구조 양상을 기반으로 해수측 조석 변화와의 상관성을 검증하기 위해 일정 구역을 채택하여 동일한 거리로 측선을 설정하였다. 각 측선은 해수측의 인도부(Case-1)와 도로부(Case-2) 및 반대편 사면부(Case-3)에서 수행하였으며 각 위치에 대한 모식도는 Fig. 1, 세부 제원은 Table 1에 나타내었다.
, 2009). 따라서 일정 주기의 조석 변화에 따라 내수면 높이 차이가 발생할 수 있으며 이러한 원인이 전기비저항 분포치에 영향을 미칠 수 있을 것이라 판단하여 전기비저항 모니터링 기법을 활용하였다. 기존 방식의 전기비저항 탐사는 일회적인 측정 방식으로 지하 물성의 계속적인 변화를 파악하기 어려우나, 전기비저항 모니터링 기법은 일정 시간주기에 따른 전기비저항 분포의 지속적인 관찰 및 분석이 가능하다.
, 2001). 또한 조석 간만의 차이에 따른 전기비저항 분포 변화 영향성을 검증하기 위해 수행된 전기비저항 탐사 기반 모니터링은 조석 주기를 고려하여 약 3일 동안 3시간 단위로 측정하였다. 이러한 방식으로 측정된 각 자료들은 동일한 환경 및 측정 방법을 통해 일정히 획득되었으며, 본 연구의 전기비저항 모니터링 측정 주기에 대한 세부 제원은 Table 2와 같다.
전기비저항 탐사 장비로는 AGI(社)의 SuperSting R8 IP를 사용하였으며, 배열법은 변형된 단극배열(modified pole-pole)을 적용하였다. 변형된 단극 배열법은 기존의 단극 배열을 변형한 것으로 음의 전류 및 전위 전극을 원거리 접지하는 대신에 측선의 양단에 각각 고정시키고 단극법과 같은 방법으로 양의 전류 및 전위 전극을 이동하면서 측정하는 방법이다.

대상 데이터

본 연구의 대상은 서해안에 위치한 제방이며 간척지 개발에 필수적인 외곽시설로, 해안의 조석 영향 차단 및 내수위 조절을 통한 농경지의 안정적 확보를 위한 필수 시설물이다. 그러나 이러한 제방은 조간대의 연약지반 위에 수km 이상의 길이로 축조되기 때문에, 각 지점별 연약지반 성질에 따른 침하량 차이와 성토단면 이음구간의 불연속면 등에서 취약부분이 발생할 수 있다(Song et al.
연구지역은 전라북도 군산시와 고군산군도, 부안군을 연결하는 수리시설물로 길이는 약 33.9 km에 달하며, 주로 농업 및 생태환경 용도로 활용되고 있다. 본 연구에서는 제방 하부 구조 양상을 기반으로 해수측 조석 변화와의 상관성을 검증하기 위해 일정 구역을 채택하여 동일한 거리로 측선을 설정하였다.

이론/모형

, 2003)이 개발되어 보다 효과적인 지하영상화가 시도되고 있다. 이러한 다양한 역산법들 가운데 제방 하부 분포 양상을 파악하기 위한 전기비저항 모니터링 자료 처리 방식에 보다 적용성이 높은 라그랑지 곱수 행렬을 사용한 ACB 역산법을 적용하였다.

성능/효과

전기비저항 역산 결과, 인위적 잡음(해측부 대형 우수관로, 소규모 우수관로, 도로 재포장 구간)과는 비교적 멀리 이격되어 위치하고 있는 측선이며 하부구조가 비교적 균질한 성토재로 이루어져 있어 보다 양질의 자료를 획득할 수 있는 조건이다. 두 역산 결과에서 전기비저항 분포가 수평 층서 구조를 잘 이루고 있으며, 특히 심도 5 m 이하에서부터는 전체 구간에서 비저항대가 비교적 작아짐을 나타냈다. 또한 지표 천부는 전극봉과 사면부 토양 표면에서의 접지 저항으로 인해 상대적으로 높은 비저항 값을 나타내고 있다.
또한 사면부에서의 전기비저항 모니터링 결과 자료와 해수측 조석 변화(약 12시간 주기) 자료의 비교·분석 결과 전기비저항 분포 양상에 변동성이 나타남을 확인할 수 있었다.
또한 사면부에서의 전기비저항 모니터링 결과 자료와 해수측 조석 변화(약 12시간 주기) 자료의 비교·분석 결과 전기비저항 분포 양상에 변동성이 나타남을 확인할 수 있었다. 만조일 때 일정 구간에서 전기비저항 분포 변화가 감지되었고, 간조일 때는 어느 구간에서도 전기비저항 분포 변화가 감지되지 않았다. 이를 통해 제방 해수측 조석 변화가 전기비저항 분포 양상에 영향을 미친다는 것을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 서해안에 위치한 제방에서의 3개 구간(case1; 인도부, case2; 도로부, case3; 사면부)에 대한 전기비저항 탐사 및 모니터링을 수행하였고 조석 변화 자료와의 상관성 분석을 통해 전기비저항 분포 및 변화 양상에 대한 영향 여부를 검증하고자 하였다. 먼저 사면부에서와 같이 인위적인 잡음이 적은 균질한 구간에서는 다소 평행한 층서 변화를 보였으며 인도부 및 도로부와 같이 인위적인 잡음 요소가 존재하는 구간에서는 수직적인 전기비저항 분포 변화 양상이 나타났다. 또한 사면부에서의 전기비저항 모니터링 결과 자료와 해수측 조석 변화(약 12시간 주기) 자료의 비교·분석 결과 전기비저항 분포 양상에 변동성이 나타남을 확인할 수 있었다.
상관성 분석 결과, 만조 시점에 겉보기 비저항 가단면도 및 2차원 역산 결과 단면의 특정 구간에서 수평층이 심도 하부 방향으로 움푹 파이는 양상을 보이고 있으며, 또한 비저항 값이 다소 증가하는 양상을 나타내고 있음을 확인할 수 있다(각 단면에 표시된 빨간색 원형 마크). 반면에 간조 시점에는 특정구간에서 움푹 파이거나 비저항대가 순간적으로 변화하는 양상이 나타나지 않는다.
하지만 10/7 03시, 10/7 06시 자료와의 변화비에서만 대체적으로 1보다 확연히 큰 값으로 튄 양상을 보이는데 이는 역산 결과의 중점관리 구간 좌측부에서 다른 결과들은 비저항대가 상대적으로 작은 값을 나타내는데 반해 비교적 비저항대가 크게 나타난 것을 확인할 수 있다. 시간 흐름에 따라 분석했을 때 일정 주기에 대한 특성을 나타내지 않고 있는 것으로 보아, 두 결과는 측정시의 오차 발생 및 잡음 영향에 의해 왜곡되었을 가능성이 큰 것이라 판단된다.
반면에 간조 시점에는 특정구간에서 움푹 파이거나 비저항대가 순간적으로 변화하는 양상이 나타나지 않는다. 이를 통해 본 연구에서는 해수측 조석 변화 주기(약 12시간)에 따라 전기비저항 분포 양상에 변화가 나타난다는 것을 상관성 검증을 통해 파악할 수 있었다.
만조일 때 일정 구간에서 전기비저항 분포 변화가 감지되었고, 간조일 때는 어느 구간에서도 전기비저항 분포 변화가 감지되지 않았다. 이를 통해 제방 해수측 조석 변화가 전기비저항 분포 양상에 영향을 미친다는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 일반적인 일회성 탐사를 수행 및 분석할 때 이에 따른 고려를 해주어야 하며, 향후 본 연구의 정밀 분석을 위해서는 연구 지역에 설치된 계측 센서로부터 측정되는 자료뿐만 아니라 내수측 수위 자료가 추가되어 복합적으로 비교 · 분석을 수행한다면 보다 더 유의미한 결과를 도출할 수 있을 것으로 사료된다.
3은 콘크리트 도로부 측선으로, Lee et al(2014)에서 적용한 알루미늄 재질의 비파괴 전극과 스펀지를 활용하여 측정한 10월 06일 21시와 10월 07일 21시의 전기비저항 역산 결과이고, 세 번째 결과는 두 역산 결과에 대한 전기비저항 변화비를 나타낸 것이다. 전기비저항 역산 결과, 전극 11-12번을 기준으로 저비저항대와 고비저항대 구조가 수직적으로 분리되어 있는 양상을 보이고 있다. 이는 해측부에 위치한 대형 우수 관로와 소규모 우수 관로에 의한 영향으로 판단할 수 있으며, 인도부와 마찬가지로 대형 우수관로에 의해 전극 12번 이내 구간에서 전체적으로 저비저항대 양상이 나타남을 확인할 수 있다.
전기비저항 변화비는 비교시점 결과를 기준시점 결과로 나눈 것으로 그 값이 1이면 변화가 거의 없는 것을 의미하고, 1보다 크면 전기비저항이 증가, 1보다 작으면 전기비저항이 감소한 것을 의미한다. 전기비저항 역산 결과를 분석해보면, 전체적으로 제방 상부 표면과 전극봉의 접지 저항으로 인해 천부는 비저항이 지역적으로 비교적 높게 나타났다. 특히 해측부에 위치한 대형 우수관로의 영향으로 측선의 절반 정도인 전극 16번 이내로는 지표 천부에서 대체로 비저항대가 더욱 높게 분포하고 있으며, 심도 약 5 m 이상에서는 저비저항대의 양상을 나타내고 있음을 확인할 수 있다.
7은 인도부에서 일정 주기별(3시간) 전기비저항 모니터링을 통해 측정한 2차원 역산 모니터링 결과 및 10월 06일 21시를 기준 시점으로 10월 07일 00시~10월 08일 12시까지의 역산 결과에 대한 전기비저항 변화비를 종합하여 나타낸 것이다. 전체적인 전기비저항 변화비 모니터링 결과, 우선 본 측선과 평행한 인도부와 도로부에서의 결과에 비해 전체적으로 변화비가 확연히 작은 것(1에 가까움)을 확인할 수 있다. 이는 해측부와 거리가 다소 이격되어 있으며 계측 센서 및 대형 우수관로 등에 의한 인위적인 잡음 영향이 비교적 적어 측정 때마다 도출되는 결과가 유사하게 나타나는 것이라 예상할 수 있다.
전체적인 전기비저항 변화비 모니터링 결과, 중점 관리 구간에서는 모든 심도에서 전기비저항 변화비가 ‘1’에 가까운 양상을 나타내고 있다.
예를 들어, 변화비 결과는 제일 좌측부에 표기된 “10/7 21”은 10월 06일 21시 역산 결과 기준으로 10월 07일 21시(기준 시점으로부터 24시간 경과)에 대한 전기비저항 값의 변화비를 나타낸 것을 의미한다. 전체적인 전기비저항 변화비 모니터링 결과, 중점관리 구간에서는 초기 기준자료와의 변화비가 1에 가까우며, 이는 3시간 주기로 측정한 결과 자료가 거의 차이가 없다는 것을 나타낸다. 하지만 중점관리 구간 좌측부 위치에서는 변화비가 1보다 크거나 작은 값을 나타내는 곳을 확인할 수 있는데, 이는 전체적인 비저항 변화비 결과에서 유사하게 나타나는 것으로 보아 기준 자료 값에 의한 상대적인 변화 혹은 연구 지역 특성상 주변 잡음 영향에 의해 나타나는 결과인 것으로 확인된다.
전기비저항 역산 결과를 분석해보면, 전체적으로 제방 상부 표면과 전극봉의 접지 저항으로 인해 천부는 비저항이 지역적으로 비교적 높게 나타났다. 특히 해측부에 위치한 대형 우수관로의 영향으로 측선의 절반 정도인 전극 16번 이내로는 지표 천부에서 대체로 비저항대가 더욱 높게 분포하고 있으며, 심도 약 5 m 이상에서는 저비저항대의 양상을 나타내고 있음을 확인할 수 있다. 중점관리 구간에서는 심도 약 5 m 이상에서 낮은 비저항대를 보인다.

후속연구

따라서 일반적인 일회성 탐사를 수행 및 분석할 때 이에 따른 고려를 해주어야 하며, 향후 본 연구의 정밀 분석을 위해서는 연구 지역에 설치된 계측 센서로부터 측정되는 자료뿐만 아니라 내수측 수위 자료가 추가되어 복합적으로 비교 · 분석을 수행한다면 보다 더 유의미한 결과를 도출할 수 있을 것으로 사료된다.
중점 관리 구간인 전극 20-29번 하부에서는 지표 천부는 저비저항대이고 심부로 갈수록 점차 고비저항대로 변화하는 모습을 볼 수 있는데, 이를 통해 제방 하부 구조가 층서 형태를 비교적 잘 나타고있음을 확인할 수 있다. 보다 정확한 파악을 위해서는 Fig. 6의 전기비저항 모니터링 결과를 바탕으로 분석해야 될 것으로 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비파괴 탐사 기법의 목적은 무엇인가?	제방 수리시설물 등의 안전 관리 및 예방을 위해 비파괴 탐사 기법이 많이 활용되고 있는 실정이다. 대표적으로 전기비저항 탐사 기법이 활용되고 있으며 이를 통해 제방 하부의 전기비저항 분포 양상을 파악하고 있다.
	비파괴 탐사 기법중 대표적으로 쓰이는 기법은 무엇인가?	제방 수리시설물 등의 안전 관리 및 예방을 위해 비파괴 탐사 기법이 많이 활용되고 있는 실정이다. 대표적으로 전기비저항 탐사 기법이 활용되고 있으며 이를 통해 제방 하부의 전기비저항 분포 양상을 파악하고 있다.
	제방의 한계점은 무엇인가?	본 연구의 대상은 서해안에 위치한 제방이며 간척지 개발에 필수적인 외곽시설로, 해안의 조석 영향 차단 및 내수위 조절을 통한 농경지의 안정적 확보를 위한 필수 시설물이다. 그러나 이러한 제방은 조간대의 연약지반 위에 수km 이상의 길이로 축조되기 때문에, 각 지점별 연약지반 성질에 따른 침하량 차이와 성토단면 이음구간의 불연속면 등에서 취약부분이 발생할 수 있다(Song et al., 2009).

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