[논문]GPR을 이용한 상수관로의 누수 탐사

박인찬; 조원철

GPR을 이용한 상수관로의 누수 탐사
Detection of the Pipe Leak for Water Distribution System Using Ground Penetrating Radar 원문보기

박인찬 (연세대학교 대학원 토목공학과) , 조원철 (연세대학교 사회환경시스템공학부)

지하레이다(Ground Penetrating Radar, GPR)를 이용하여 지표하의 상수관로를 지표에서 송신안테나와 수신안테나를 이용해서 손쉽게 측정하게 된다. 송신안테나는 지표하에 전자기파를 송신하고 지하 매질을 투과한 파가 수신안테나에 도달하는 시간을 측정하여 지표하 매질의 특성을 파악할 수 있다. 수신파의 도달시간은 지표하 매질의 특성에 따라서 변화하며, 이를 통해 지표하 매질과 매질 깊이 등을 파악할 수 있다. 일반적으로 상수관로를 매설할 경우 관로 주변의 토양은 균등하게 되므로 기 매설된 상수관로 주변에 누수가 발생하게 되면, 관로 주변의 토양은 포화상태이거나 수압으로 인해서 공동이 형성될 경우가 많다. 이때 반사에너지의 유전율 증가 혹은 감소 특성으로 인해서 주변 매질과는 매우 상이한 결과를 보이게 된다. GPR탐사는 단순히 반사된 신호진폭의 크기를 나타내며 이러한 반사에너지의 크기에 관계되는 것은 매설물의 유전율이 주위 지반이 갖는 유전율과의 차이에서 기인하기 때문이다. 탐사 대상 상수관로에 대한 정보를 확보하여 GPR 탐사를 수행한 결과 관로 탐사를 위한 GPR의 결과는 매우 유용하게 사용될 것으로 판단되며, 이를 바탕으로 누수 발생 이력이 있는 다양한 관로주변 조건을 대상으로 탐사를 실시할 경우 상수관망시스템의 효율적인 관리 및 보수에 매우 유용한 방법이 될 수 있을 것으로 판단된다.

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문제 정의

본 연구에서는 관로의 일부분에서 누수가 발생하여 교체를 실시한 지점을 대상으로 GPR 탐사를 실시하였다. GPR 탐사를 위해서 관로 굴착을 실시한 지하매설물에 대한 정보를 확보하였고, 이를 활용하여 GPR 탐사 결과의 검정을 실시하였다.
GPR탐사는 단순히 반사된 신호진폭의 크기를 나타내며 이러한 반사에너지의 크기에 관계되는 것은 매설물의 유전율이 주위 지반이 갖는 유전율과의 차이에서 기인하기 때문이다. 본 연구에서는 이와 같은 상수관로 주변의 물리적 변화를 GPR을 활용하여 측정함으로써 새롭고 효과적인 누수 지 점 탐사 연구를 수행하였다.
현장 조사를 위해서 2006년 3월 GPR 탐사를 그림 2와 같이 상수관로의 횡단방향으로 총 8개 측선을 대상으로 실시하였다. 본 연구의 주요 목적은 상수관로의 누수 지점 탐사를 위한 것이므로이에 앞서 지하 매설 상수관로의 GPR 탐사에 따른 이미지를 먼저 분석하여야 하며, 이를 바탕으로 누수 발생 이력이 있는 지점의 GPR 이미지 변화 양상을 분석하여야 할 것이다. 일반적으로 GPR 반사파는 상수관로 주변에서 가장 크게 나타나지만, 누수가 발생할 경우 상수관로 주변이 포화됨에 따라 토양내의 함수량 변화가 급격한 경사를나타내어 반사파 특성이 변화되는 구간을 선정하는 것이다.

제안 방법

실시하였다. GPR 탐사를 위해서 관로 굴착을 실시한 지하매설물에 대한 정보를 확보하였고, 이를 활용하여 GPR 탐사 결과의 검정을 실시하였다. 이와 같은 절차를 통해서 GPR 탐사를 수행할 경우 관로 탐사를 위한 GPR 자료는 매우 유용하게 사용될 것으로 판단되며, 이를 바탕으로 누수 발생 이력이 있는 다양한 관로주변 조건을 대상으로 탐사를 실시할 경우 누수 탐사를 위한 보조적 기능을 수행할 수 있을 것이며, 상수관망시스템의 효율적인 관리 및 보수에 매 우유의 한 방법이 될 수 있을 것으로 판단된다.

대상 데이터

GPR 조사를 위해서 사용된 장비는 미국 GSSI(Geophysical Survey Systems Inc.)사의 SIR-2000 system이며, 안테나의 중심주파수는 400 MHz를 사용하였다. 그림 2의 좌측 하단에 제시한 바와 같이 2005년 8월 누수로 인해서 배수관로 교체 작업을 시행하고 있는 지점을 대상으로 현장자료 분석을 실시하였으며, 새롭게 매설되는 관로는 직경 350 mm 주철관으로 지표면에서 약 1.
)사의 SIR-2000 system이며, 안테나의 중심주파수는 400 MHz를 사용하였다. 그림 2의 좌측 하단에 제시한 바와 같이 2005년 8월 누수로 인해서 배수관로 교체 작업을 시행하고 있는 지점을 대상으로 현장자료 분석을 실시하였으며, 새롭게 매설되는 관로는 직경 350 mm 주철관으로 지표면에서 약 1.5 m 지점에 시공되었다. 본 대상 구간은 배수관로뿐만 아니라 송수관로가 나란하게 설치되어 있는 지점으로 상수관로 주변에는 기타 지하매설물이 없는 것으로 조사되어 GPR 결과 분석을 위해서는 최적의 조건으로 판단되었다.
본 대상 구간은 배수관로뿐만 아니라 송수관로가 나란하게 설치되어 있는 지점으로 상수관로 주변에는 기타 지하매설물이 없는 것으로 조사되어 GPR 결과 분석을 위해서는 최적의 조건으로 판단되었다. 현장 조사를 위해서 2006년 3월 GPR 탐사를 그림 2와 같이 상수관로의 횡단방향으로 총 8개 측선을 대상으로 실시하였다. 본 연구의 주요 목적은 상수관로의 누수 지점 탐사를 위한 것이므로이에 앞서 지하 매설 상수관로의 GPR 탐사에 따른 이미지를 먼저 분석하여야 하며, 이를 바탕으로 누수 발생 이력이 있는 지점의 GPR 이미지 변화 양상을 분석하여야 할 것이다.

이론/모형

실제 상수 관로의 파손 등 요인으로 인해 도심 지역 등과 같이 혼잡하고 교통량이 많은 지역의 경우, 굴착에 많은 어려움이 수반되며 또한 상대적으로 많은 경비가 요구되므로 누수음을 측정하는 탄성파 탐사, 누수탐지기 등의 기술이 주로 이용되고 있다. 본 연구에서는 현재 주로 이용되고 있는 음파 탐사법과는 다르게 지하에 매설된 관로 및 인공구조물의 수평수직적 위치 및 구조물의 상태 등을 직접 굴착 등의 물리적 교란 없이 조사하기 위해 다양한 분야에서 사용되고 있는 지구물리탐사법 중의 하나인 지하레이다(Ground Penetrating Radar, GPR) 탐사를 적용하였다. GPR을 이용하여 지표하의 상수관로를 지표에서 송신안테나와 수신안테나를 이용해서 손쉽게 측정할 수 있으며, 송신안테나는 지표하에 전자기파를 송신하고 지하 매질을 투과한 파가 수신안테나에 도달하는 시간을 측정하여 지표하 매질의 특성을 파악할 수 있다.

성능/효과

5 m 지점에 시공되었다. 본 대상 구간은 배수관로뿐만 아니라 송수관로가 나란하게 설치되어 있는 지점으로 상수관로 주변에는 기타 지하매설물이 없는 것으로 조사되어 GPR 결과 분석을 위해서는 최적의 조건으로 판단되었다. 현장 조사를 위해서 2006년 3월 GPR 탐사를 그림 2와 같이 상수관로의 횡단방향으로 총 8개 측선을 대상으로 실시하였다.
측선별 GPR 탐사 결과를 제시한 그림 2를 살펴보면 약 30 ns 지점에서 강한 포물선 형태의 난반사가 발생하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 전 측선에 대해서 일정하게 관찰되었다. 이는 매질이 건조한 사질토(유전상수 약 5 - 10)로 균일하다고 판단하여 매설깊이를 분석한 결과 약 1 ~ 1.

후속연구

그러나 GPR 탐사는 지하 매질에 따라서 그 양상이 매우 유사하기 때문에 매질의 변화에 따른 그 특성을 찾기는 매우 복잡한 후처리 과정이 요구되고 그 신뢰성 증진을 위한 다양한 시험탐사가 필요하게 된다. 누수에 따른 매질 내의 공동 생성이나 포화도의 차이에 의한 유전율 변화 정도를 파악하기 위해서 누수가 발생한 상수관로를 굴착을 통해 실제 현장에서 다양한 방법으로 시험 탐사하여 변화성향에 대한 통계적 자료 분석을 수행하여 본 연구에서 적용한 바와 같이 GPR 조사를 실시할 경우 상수관로와 같은 라이프라인 시스템의 효율적인 관리 및 보수에 매우 유용한 방법이 될 것이다.
5 m로 현장에서 굴착시 조사된 관로 매설 깊이와 유사한 결과로 나타났다. 이와 같은 GPR 탐사 결과를 바탕으로 상수관로의 지하 매설 위치를 파악하는 것은 먼저 대상지점의 지하매설물의 현황을 사전에 분석할 경우 매우 용이하게 적용할 수 있을 것으로 판단되며, 이를 바탕으로 누수지점을 검출할 경우 유의할만한 결과를 획득할 수 있을 것으로 사료된다. 그러나 GPR 탐사는 지하 매질에 따라서 그 양상이 매우 유사하기 때문에 매질의 변화에 따른 그 특성을 찾기는 매우 복잡한 후처리 과정이 요구되고 그 신뢰성 증진을 위한 다양한 시험탐사가 필요하게 된다.
GPR 탐사를 위해서 관로 굴착을 실시한 지하매설물에 대한 정보를 확보하였고, 이를 활용하여 GPR 탐사 결과의 검정을 실시하였다. 이와 같은 절차를 통해서 GPR 탐사를 수행할 경우 관로 탐사를 위한 GPR 자료는 매우 유용하게 사용될 것으로 판단되며, 이를 바탕으로 누수 발생 이력이 있는 다양한 관로주변 조건을 대상으로 탐사를 실시할 경우 누수 탐사를 위한 보조적 기능을 수행할 수 있을 것이며, 상수관망시스템의 효율적인 관리 및 보수에 매 우유의 한 방법이 될 수 있을 것으로 판단된다.

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