[논문]저수지 안전진단을 위한 3차원 전기비저항 탐사

조인기; 용환호

doi:10.7582/gge.2019.22.3.099

저수지 안전진단을 위한 3차원 전기비저항 탐사
3D Resistivity Survey for Dam Safety Inspection 원문보기

지구물리와 물리탐사 = Geophysics and geophysical exploration, v.22 no.3, 2019년, pp.99 - 106

조인기 (강원대학교 지질.지구물리학부) , 용환호 (한국농어촌공사 농어촌연구원)

초록
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전기비저항 탐사법은 저수지 누수 구간의 탐지를 위한 효과적인 물리탐사법으로 저수지 안전진단을 위해 널리 사용되어 왔다. 저수지에서 수행되는 대부분의 전기비저항 탐사는 현장자료획득의 편의성을 고려하여 제체에 평행한 측선에 대한 2차원 탐사가 주로 적용되고 있다. 그러나 저수지는 3차원 구조를 갖기 때문에 2차원 가정에 위배되며, 2차원 해석 결과는 3차원 효과에 의한 왜곡을 피할 수 없다. 또한 2차원 탐사는 전기비저항의 2차원 단면만을 제공하므로 저수지의 3차원 구조에 대한 해석이 어려우며, 3차원적 누수 경로의 파악이 불가능하다. 이 연구에서는 저수지에서 3차원 전기비저항 탐사를 실시하고, 그 해석 결과를 2차원 탐사와 비교 분석하여 2차원 탐사의 한계 및 3차원 탐사의 장점을 제시하였다. 3차원 탐사는 2차원 탐사에 비하여 보다 정밀하게 저수지 상태 및 누수 경로에 대한 3차원적 정보를 제공해 주는 것으로 확인되었다. 따라서 3차원 탐사는 보다 정확한 저수지 안전진단을 위하여 적극 확대되어야 할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Resistivity method has been used for the dam safety inspection and, for the convenience of fieldwork, two-dimensional (2D) resistivity data has been usually measured along the dam crest. However, since the dam has three-dimensional (3D) structure, 2D resistivity survey along the dam crest violates 2D assumption and 3D effects caused by 3D topography and material properties in the dam distort the inversion result of 2D resistivity data acquired along the dam crest. Furthermore, it is really hard to evaluate the 3D structure of the dam and 3D leakage pathway using 2D resistivity survey because 2D resistivity survey can provide only 2D resistivity section beneath the survey line. In this study, 3D resistivity survey was conducted at a dam in Korea. By comparing the results from 3D and 2D resistivity surveys, merit and demerits of 3D survey were investigated. Finally, it was confirmed that 3D survey can provide more accurate information about the dam status and 3D leakage pathway compared to the 2D survey. Therefore the 3D resistivity survey should be actively expanded for more accurate dam safety inspection even though more time and expense are required.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Dam geometry and location of the resistivity monitoring lines and 6 boreholes. Resistivity monitoring data are measured automatically and stored at the data-base via bi-directional internet communication.
그림 Fig. 2. Survey lines for 3D resistivity survey. The solid circles indicate the electrode positions. There are 8 in-lines (H1 ~ H8) and 9 cross-lines (V1 ~ V9) with a station spacing of 3 m.
그림 Fig. 3. 2D resistivity sections from the 2D inversion along the inlines. Survey line H2 and H3 are located at the crest-upstream and crest-downstream boundary. There appear conductive zones at the near surface and resistive zones from the middle depth around borehole S3, S4, S5 and S6.
그림 Fig. 4. 2D resistivity sections from the 2D inversion along the cross-lines. 2D sections along the in-line H1, H2 and H3 are added to aid understanding.
그림 Fig. 5. 3D resistivity distribution from the 3D inversion. Ground water level at each borehole is marked as dark blue color.
그림 Fig. 6. Depth slices of the resistivity model from 3D inversion at the depth of (a) 0.75 m (b) 2.25 m (c) 5 m (d) 8 m (e) 12.5 m and (f) 19.25 m, respectively.
그림 Fig. 7. Sliced sections of the resistivity model from 3D inversion. Ground water level at each borehole is marked as dark blue color.

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서는 조사대상 저수지의 3차원 전기비저항 분포 양상을 파악하기 위하여 3차원 전기비저항 탐사를 수행하였다. 우선 제체에 평행한 방향으로 길이 132 m인 8개 종측선, 수직한 방향으로 길이 30 m인 9개의 횡측선을 설정하고, 측점 간격 3 m, 최대 전극전개수 10인 쌍극자 배열을 적용하여 자료를 획득하였다.

가설 설정

반면, 심부의 경우에는 2차원 역산 결과가 3차원 역산 결과에 비하여 왜곡된 값을 추정하게 된다. 2차원 역산에서는 주향방향으로 물성변화가 없다고 가정한다. 감도가 높은 천부의 모델은 전극전개수가 작은 자료에 의해 결정되므로 2차원 역산에서도 참 값에 근접한 값을 추정하게 된다.
수평방향 모델링 요소(modeling element)는 측정 간격을 4개의 요소로 분할하였으며, 4개의 모델링 요소를 하나의 역산 요소(inversion block)로 설정하였다. 수직방향으로는 깊이가 깊어질수록 모델링 요소 및 역산 요소의 크기가 증가하도록 설정하였다. 자료가중은 상반성 측정과 자료 오차를 사용하여 계산하였으며, 반복계산회수는 5회로 설정하였다.

제안 방법

6%로 나타났다. 2차원 역산과 동일하게 상반성 오차와 자료 오차를 사용하여 자료가 중을 가하는 방법을 적용하였다.
2차원 자료처리 과정을 거친 각 측선의 자료를 통합하여 3차원 역산을 수행하였다. 역산방법은 감쇠최소제곱법이며, 모형반응의 계산은 유한요소법을 사용하였다.
저수지 제체에 평행한 8개의 종측선(in-line), 수직한 9개의 횡측선(cross-line)에서 쌍극자 배열을 사용하여 2차원 자료를 획득하였다. 가탐심도의 확보를 위하여 기본 측점 간격의 2배인 측점 간격 자료도 동시에 획득하였으며, 순방향(forward) 및 역방향(reverse) 자료를 함께 얻는 상반성(reciprocity) 측정을 수행하였다. 얻어진 상반성 자료를 사용하여 역산의 자료가중값을 계산하였다.
얻어진 상반성 자료를 사용하여 역산의 자료가중값을 계산하였다. 각 측선에 대한 2차원 역산을 통하여 얻어진 2차원 전기비저항 단면을 해석하였으며, 이들 자료를 통합하여 3차원 역산을 수행하고, 3차원 해석을 시도하였다. 이를 근거로 2차원 및 3차원 탐사 해석 결과를 비교하여 차원에 따른 해석 결과의 특징을 분석하였다.
각 측선에서 얻어진 탐사자료의 2차원 해석을 위하여 자료 처리를 수행하였다. 상반성 원리에 따르면 순방향 및 역방향 측정 자료는 같은 값을 보여야 한다.
또한 상류사면은 사석이 도포되어 있어 양호한 접지저항을 확보하기 어렵다. 따라서 마루부와 상류사면에는 측선을 설정하지 못하였으며, 마루부와 상류 사면 경계부, 상류사면과 저수지 물의 경계부에 측선을 설정하였다. 또한 횡측선은 하류사면에 국한하였다.
모든 측선에서 가탐심도의 한계를 극복하기 위하여 측점 간격 6 m인 자료를 함께 획득하였으며, 이 때 공간적 측정 빈도를 확보하기 위하여 1번 측점과 2번 측점에서 시작하는 자료를 각각 측정하였다. 또한 상반성 측정을 통하여 자료의 신뢰도를 확보하고, 이를 사용하여 역산에서 자료 가중값을 산출하였다. 따라서 모든 측선에서 측점간격 3 m 자료 1조, 측점간격 6 m 자료 2조와, 각각의 자료에 대한 상반성 자료 등 총 6조의 2차원 전기비저항 탐사자료를 획득하였다.
2는 이 저수지에서 3차원 탐사를 위하여 설정된 측선 및 측점위치를 나타낸 것이다. 모든 측선에서 가탐심도의 한계를 극복하기 위하여 측점 간격 6 m인 자료를 함께 획득하였으며, 이 때 공간적 측정 빈도를 확보하기 위하여 1번 측점과 2번 측점에서 시작하는 자료를 각각 측정하였다. 또한 상반성 측정을 통하여 자료의 신뢰도를 확보하고, 이를 사용하여 역산에서 자료 가중값을 산출하였다.
역산방법은 모형반응(forward modeling)에 유한요소법(finite element method: FEM)을 적용한 감쇠최소제곱법(damped least-squares method)을 사용하였다. 수평방향 모델링 요소(modeling element)는 측정 간격을 4개의 요소로 분할하였으며, 4개의 모델링 요소를 하나의 역산 요소(inversion block)로 설정하였다. 수직방향으로는 깊이가 깊어질수록 모델링 요소 및 역산 요소의 크기가 증가하도록 설정하였다.
역산방법은 감쇠최소제곱법이며, 모형반응의 계산은 유한요소법을 사용하였다. 수평방향 모델링 요소의 분할은 각 측점 간격을 4개의 요소로 분할하였으며, 수직방향은 깊이가 깊어질수록 요소의 크기를 증가시켜 계산 시간의 절감을 꾀하였다. 수평방향 역산 요소는 4개의 모델링 요소를 하나의 역산 요소로 설정하였으며, 깊이 방향 역산 요소는 천부에서는 2개로 시작하여 깊이가 깊어질수록 모델링 요소의 수를 증가시켰다.
수평방향 모델링 요소의 분할은 각 측점 간격을 4개의 요소로 분할하였으며, 수직방향은 깊이가 깊어질수록 요소의 크기를 증가시켜 계산 시간의 절감을 꾀하였다. 수평방향 역산 요소는 4개의 모델링 요소를 하나의 역산 요소로 설정하였으며, 깊이 방향 역산 요소는 천부에서는 2개로 시작하여 깊이가 깊어질수록 모델링 요소의 수를 증가시켰다. 역산에 사용된 측점 수는 405개이며, 측점 간격 3 m 및 6 m인 총 자료의 수는 6,478 개이며, 역산 요소의 수는 7,680개로 설정하였다.
잘 알려진 바와 같이 저수지는 3차원 구조를 가지고 있으며, 2차원 탐사 결과는 필연적으로 3차원 효과에 의해 왜곡된다. 이 연구에서는 충남에 위치한 모 저수지에서 3차원 전기비저항 탐사를 수행하여 저수지의 3차원적 전기비저항 분포 양상을 파악하고, 2차원 해석 결과와 비교, 분석하였다.
각 측선에 대한 2차원 역산을 통하여 얻어진 2차원 전기비저항 단면을 해석하였으며, 이들 자료를 통합하여 3차원 역산을 수행하고, 3차원 해석을 시도하였다. 이를 근거로 2차원 및 3차원 탐사 해석 결과를 비교하여 차원에 따른 해석 결과의 특징을 분석하였다.
이상의 자료처리를 통하여 각 측선에서 얻어진 순방향과 역방향 자료를 하나의 자료로 변환하고, 측점간격 3 m와 6 m 자료를 모두 사용하여 2차원 역산을 수행하였다. 역산방법은 모형반응(forward modeling)에 유한요소법(finite element method: FEM)을 적용한 감쇠최소제곱법(damped least-squares method)을 사용하였다.
수직방향으로는 깊이가 깊어질수록 모델링 요소 및 역산 요소의 크기가 증가하도록 설정하였다. 자료가중은 상반성 측정과 자료 오차를 사용하여 계산하였으며, 반복계산회수는 5회로 설정하였다. 모든 측선에 대한 역산에서 가중 오차가 5% 이하로 수렴하였다.

대상 데이터

또한 상반성 측정을 통하여 자료의 신뢰도를 확보하고, 이를 사용하여 역산에서 자료 가중값을 산출하였다. 따라서 모든 측선에서 측점간격 3 m 자료 1조, 측점간격 6 m 자료 2조와, 각각의 자료에 대한 상반성 자료 등 총 6조의 2차원 전기비저항 탐사자료를 획득하였다. 종측선 H3는 전기비저항 모니터링 측선과 거의 일치하지만, 측점간격 및 자료획득 방식(상반성 측정 등)이 서로 다르기 때문에 모니터링 자료는 해석에 사용하지 않았다.
수평방향 역산 요소는 4개의 모델링 요소를 하나의 역산 요소로 설정하였으며, 깊이 방향 역산 요소는 천부에서는 2개로 시작하여 깊이가 깊어질수록 모델링 요소의 수를 증가시켰다. 역산에 사용된 측점 수는 405개이며, 측점 간격 3 m 및 6 m인 총 자료의 수는 6,478 개이며, 역산 요소의 수는 7,680개로 설정하였다. 반복계산회수는 7회로 설정하였으며, 최종 가중 rms 오차는 8.
이 연구에서는 조사대상 저수지의 3차원 전기비저항 분포 양상을 파악하기 위하여 3차원 전기비저항 탐사를 수행하였다. 우선 제체에 평행한 방향으로 길이 132 m인 8개 종측선, 수직한 방향으로 길이 30 m인 9개의 횡측선을 설정하고, 측점 간격 3 m, 최대 전극전개수 10인 쌍극자 배열을 적용하여 자료를 획득하였다. Fig.
이 연구에서는 충청남도에 위치한 농업용 저수지에서 3차원 전기비저항 탐사를 수행하였다. 저수지 제체에 평행한 8개의 종측선(in-line), 수직한 9개의 횡측선(cross-line)에서 쌍극자 배열을 사용하여 2차원 자료를 획득하였다.
이 연구에서는 충청남도에 위치한 농업용 저수지에서 3차원 전기비저항 탐사를 수행하였다. 저수지 제체에 평행한 8개의 종측선(in-line), 수직한 9개의 횡측선(cross-line)에서 쌍극자 배열을 사용하여 2차원 자료를 획득하였다. 가탐심도의 확보를 위하여 기본 측점 간격의 2배인 측점 간격 자료도 동시에 획득하였으며, 순방향(forward) 및 역방향(reverse) 자료를 함께 얻는 상반성(reciprocity) 측정을 수행하였다.
또한 마루부와 하류사면 경계에 위치한 제체에 평행한 종측선에서 전기비저항 모니터링이 수행되고 있다. 탐사변수는 측점 간격 5 m, 측선 길이 160 m, 전극전개수 8로 설정되어 있으며, 매 6시간 마다 자료를 획득하고 있다. 이들 계측자료는 인터넷 기반 양방향 통신을 통하여 자료센터에 저장되며, 자료처리 및 해석을 통하여 저수지 안전진단을 위한 기본정보로 활용된다.

데이터처리

가탐심도의 확보를 위하여 기본 측점 간격의 2배인 측점 간격 자료도 동시에 획득하였으며, 순방향(forward) 및 역방향(reverse) 자료를 함께 얻는 상반성(reciprocity) 측정을 수행하였다. 얻어진 상반성 자료를 사용하여 역산의 자료가중값을 계산하였다. 각 측선에 대한 2차원 역산을 통하여 얻어진 2차원 전기비저항 단면을 해석하였으며, 이들 자료를 통합하여 3차원 역산을 수행하고, 3차원 해석을 시도하였다.
이 연구에서는 우선 두 측정값 중 반복측정의 표준편차가 작은 값을, 표준편차가 같은 경우에는 주입 전류량이 큰 자료를 선택하였다. 자료의 불확실성(uncertainty)은 순방향 및 역방향으로 얻어진 두 측정값의 차이를 이들의 평균값에 대한 백분율을 사용하였다(Cho et al., 2015).

이론/모형

2차원 자료처리 과정을 거친 각 측선의 자료를 통합하여 3차원 역산을 수행하였다. 역산방법은 감쇠최소제곱법이며, 모형반응의 계산은 유한요소법을 사용하였다. 수평방향 모델링 요소의 분할은 각 측점 간격을 4개의 요소로 분할하였으며, 수직방향은 깊이가 깊어질수록 요소의 크기를 증가시켜 계산 시간의 절감을 꾀하였다.
이상의 자료처리를 통하여 각 측선에서 얻어진 순방향과 역방향 자료를 하나의 자료로 변환하고, 측점간격 3 m와 6 m 자료를 모두 사용하여 2차원 역산을 수행하였다. 역산방법은 모형반응(forward modeling)에 유한요소법(finite element method: FEM)을 적용한 감쇠최소제곱법(damped least-squares method)을 사용하였다. 수평방향 모델링 요소(modeling element)는 측정 간격을 4개의 요소로 분할하였으며, 4개의 모델링 요소를 하나의 역산 요소(inversion block)로 설정하였다.

성능/효과

3차원 전기비저항 해석 결과는 전반적으로 2차원 역산 결과와 유사하지만 구체적으로는 유의미한 차이를 나타내었다. 특히 2차원 해석의 경우 3차원 효과에 의해 중심점토의 두께가 얇게 나타나는 문제점과, 중심점토로 해석되는 낮은 전기비저항 층 하부에 나타나는 비정상적 높은 전기비저항 이상대도 효과적으로 억제하는 것을 확인하였다.
자료가중은 상반성 측정과 자료 오차를 사용하여 계산하였으며, 반복계산회수는 5회로 설정하였다. 모든 측선에 대한 역산에서 가중 오차가 5% 이하로 수렴하였다.
4에 나타난 바와 같이 횡측선의 경우에는 종측선과 매우 다른 양상을 나타내고 있다. 전반적으로 종측선에 비하여 낮은 전기비저항 값을 보이고 있으며, 특히 Fig. 3의 종측선에 대한 역산 영상에서 시추공 S3, S4, S5, S6 주변에 나타나던 전기비저항 이상대가 사라진 것을 확인할 수 있다. 이는 횡측선의 경우 측선의 길이가 지표거리로 30 m에 지나지 않기 때문에 심부를 영상화하기에는 자료의 수가 너무 부족하며, 높은 전기비저항 이상대가 측선의 가장자리에 위치하기 때문인 것으로 해석된다.
3차원 전기비저항 해석 결과는 전반적으로 2차원 역산 결과와 유사하지만 구체적으로는 유의미한 차이를 나타내었다. 특히 2차원 해석의 경우 3차원 효과에 의해 중심점토의 두께가 얇게 나타나는 문제점과, 중심점토로 해석되는 낮은 전기비저항 층 하부에 나타나는 비정상적 높은 전기비저항 이상대도 효과적으로 억제하는 것을 확인하였다. 더욱이 3차원 해석 결과는 누수 구간으로 해석 가능한 낮은 전기비저항 이상대의 3차원적 분포, 즉 누수 경로의 파악은 물론 주변의 물성 분포에 대한 부수적인 정보도 제공해 준다는 장점이 있다.

후속연구

특히 2차원 탐사가 단면상에서 누수 가능성이 높은 영역의 위치만을 제공하는데 비하여 3차원 탐사는 누수 경로의 3차원적 해석이 가능하며, 누수 경로 주변의 물성 분포에 대한 정보도 제공해 주는 장점이 있다. 따라서 3차원 전기비저항 탐사는 저수지 안전진단은 물론 보수보강 공사가 필요한 경우 적정 공법의 선정, 효과적인 설계 및 시공을 유도하여 제체의 안정성을 확보하고 시공비용을 획기적으로 절감할 수 있는 유용한 정보를 제공해 줄 것으로 기대된다.
일반적으로 제체의 경우 시추는 금기시되고 있으며, 시추가 꼭 필요한 경우에도 무수 보링 공법을 적용하여 제체의 손상을 최소화해야 한다. 따라서 일반 시추가 경제적이라 해도, 향후 제체에서의 시추는 제체 안전성을 고려하여 무수 보링 공법의 적용이 필요한 것으로 판단된다.
한편 2차원 및 3차원 탐사 결과 영상에서 시추공 S3, S4, S5, S6 주변에 나타나는 비정상적인 전기비저항 이상대는 분석이 필요하다. 우선 천부에 나타나는 수 ohm-m의 낮은 전기 비저항 이상대는 비록 중심점토의 전기비저항이 낮다고 해도 설명하기 어렵다.
특히 누수의 징후를 보이는 저수지의 경우 누수 경로 파악이나 그 원인 규명을 위해서는 필히 3차원 탐사를 통하여 정밀한 해석을 수행하는 것이 바람직해 보인다. 향후 3차원 전기비저항 탐사는 모니터링과 함께 저수지 안전진단을 위한 효과적인 물리탐사 기법이 될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기비저항 탐사법이란 무엇인가?	전기비저항 탐사법은 지하의 전기비저항 분포 영상을 제공해 주는 효과적인 물리탐사 방법으로 다양한 분야에 다양한 목적을 위하여 널리 적용되고 있다. 전기비저항 탐사는 국내의 경우 지반의 높은 전기비저항으로 인하여 신호대 잡음비(S/N ratio)가 좋은 양질의 자료획득이 용이하며, 자료획득의 자동화, 처리 및 해석기술의 발달에 힘입어 적용분야가 더욱 확대되어 가고 있다.
	2차원 탐사의 한계점은 무엇인가?	그러나 저수지는 3차원 구조를 갖기 때문에 2차원 가정에 위배되며, 2차원 해석 결과는 3차원 효과에 의한 왜곡을 피할 수 없다. 또한 2차원 탐사는 전기비저항의 2차원 단면만을 제공하므로 저수지의 3차원 구조에 대한 해석이 어려우며, 3차원적 누수 경로의 파악이 불가능하다. 이 연구에서는 저수지에서 3차원 전기비저항 탐사를 실시하고, 그 해석 결과를 2차원 탐사와 비교 분석하여 2차원 탐사의 한계 및 3차원 탐사의 장점을 제시하였다.
	3차원 탐사는 보다 정확한 저수지 검사를 하기 위해 필요한 이유는 무엇인가?	저수지에서 수행되는 대부분의 전기비저항 탐사는 현장자료획득의 편의성을 고려하여 제체에 평행한 측선에 대한 2차원 탐사가 주로 적용되고 있다. 그러나 저수지는 3차원 구조를 갖기 때문에 2차원 가정에 위배되며, 2차원 해석 결과는 3차원 효과에 의한 왜곡을 피할 수 없다. 또한 2차원 탐사는 전기비저항의 2차원 단면만을 제공하므로 저수지의 3차원 구조에 대한 해석이 어려우며, 3차원적 누수 경로의 파악이 불가능하다. 이 연구에서는 저수지에서 3차원 전기비저항 탐사를 실시하고, 그 해석 결과를 2차원 탐사와 비교 분석하여 2차원 탐사의 한계 및 3차원 탐사의 장점을 제시하였다.

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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