† Ph.D, Asin C&T Co., Ltd. (Corresponding Author : [email protected]) 1) Ph.D, Asin C&T Co., Ltd.
2) Professor, Department of Civil Engineering, Andong National University
현장 시험시공을 통한 저수지 댐의 재해예측 무선센서 네트워크 시스템 적용성 평가
Application for Disaster Prediction of Reservoir Dam Wireless Sensor Network System based on Field Trial Construction
유 찬 호†･ 김 승 욱1)･ 백 승 철2)･ 나 기 혁3)･ 유 광 호4)
Chanho Yoo ･ Seungwook Kim ･ Seungcheol Baek ･ Gihyuk Na ･ Kwangho You
Received: October 12
th, 2018; Revised: October 23
rd, 2018; Accepted: November 19
th, 2018
ABSTRACT : In this present study, to evaluate the applicability of the monitoring system of the entire reservoir dam facility using the wireless sensor network system and a section representative of the domestic reservoir dam was selected as the test bed site and to operated a system that can evaluate the condition of the facility at the real time with monitoring. In order to set up a wireless sensor network system, the system assessment of present state was carried out for confirmation the risk factors and the limit values of the risk factors in limit state were calculated. The type and position of the sensor to be measured in the field were determined by setting the measurement items suitable for the hazardous area and the risk factor. In this paper, we evaluated the feasibility of the system by monitoring and constructing a wireless sensor network system in a field for a fill dam that can represent a domestic reservoir dam. Applicability evaluation was verified by comparing directly with the measurement of partial concentration method which is the measurement management technology of the dam.
Keywords : Field trial construction, Monitoring system, Real time system assessment, Wireless sensor network, Reservoir
요 지 : 본 연구에서는 무선 센서 네트워크 시스템을 이용한 저수지 댐 시설물 전체의 모니터링 시스템의 적용성을 평가하고자 국내의 저수지 댐을 대표할 수 있는 구간을 시범구축 현장으로 선정해, 계측과 동시에 시설물의 상태를 평가할 수 있는 시스템을 구축, 운영하였다. 무선 센서 네트워크 구축을 위해 시설물의 현재 상태를 평가하여 위험인자를 도출함과 동시에 극한상태에서의 위험인자의 한계값을 도출하였다. 위험구역, 위험인자에 적합한 측정항목을 설정하여 현장에서 측정할 센서의 종류 그리고 위치를 결정하였다. 국내의 저수지 댐을 대표할 수 있는 필댐을 대상으로 현장에서 무선 센서 네트워크 시스템을 구축하여 모니터링 함으 로써 시스템의 적용성을 평가하였으며, 현재 댐의 계측관리 기술인 부분 집중방식의 계측과 직접 비교함으로써 시스템의 적용성을 검증하였다.
주요어 : 현장 시험시공, 계측 시스템, 실시간 상태평가, 무선 센서 네트워크, 저수지 Journal of the Korean Geo-Environmental Society
20(1): 19～25. (January 2019) http://www.kges.or.kr
ISSN 1598-0820 DOI https://doi.org/10.14481/jkges.2019.20.1.19
1. 서 론
저수지 및 댐의 계측관리는 공사 중 및 공용 중 시설의 거동특성을 파악하고 안전한 공사 및 시설물의 관리를 위해 시행되고 있으며, 지속적인 계측기술이 발달함에 따라서 자 동화계측 그리고 최근에는 무선 통신방법의 계측 기술에 이 르기까지 확장되고 있다. 계측 통신기술은 빠른 속도로 발 전하고 있지만, 계측결과를 활용하는 기술은 현재까지도 설 계 시에 예측한 결과를 기준으로 설정해 단순히 결과만을 전송하는 종래의 기술 활용에 관한 단점은 개선되지 못하고 있는 실정이다. 또한, 사업예산 문제로 시설 전체에 계측기
를 설치하지 못하고 특정구간에 집중적으로 계측관리가 이 루어지다 보니 계측기가 설치되지 않은 지점에서 발생하는 시설물 손상은 인지하기 어려운 문제가 있다. 특히 최근 라 오스 및 미얀마 댐과 같이 계측관리가 진행되는 과정에서도 시설물의 붕괴가 발생하는 사례가 보고되는 등 기존 계측기 술의 문제점이 노출되고 있으며, Yoo et al.(2018)은 이러한 문제를 해결하기 위하여 전문지식이 부족한 시설관리자 또 는 지자체 관리자가 계측결과를 효율적으로 이용할 수 있는 기술개발의 필요성을 보고하였다.
이에 본 연구에서는 Anita et al.(2015)가 댐 구조물에 무 선 센서 네트워크 시스템을 적용하여 관리하도록 제안하고,
(a) Conventional monitoring system (b) WSN monitoring system Fig. 1. Conventional and WSN monitoring system
(a) Panorama on reservoir dam (b) Typical cross section of reservoir dam (fill dam) Fig. 2. Panorama and typical cross section of reservoir dam (fill dam)
Yoo et al.(2018)이 계측과 동시에 실시간으로 시설물의 상 태를 평가하여 재해발생 여부를 예측할 수 있도록 제안한 무선 센서 네트워크 기법의 실시간 시설물 상태평가 시스템 에 대한 적용성을 확인하고자 하였다.
시스템의 적용성 평가를 위해 국내의 저수지 댐을 대표 할 수 있는 구간을 시범구축 현장으로 선정해, 실제 현장에 서 무선 센서 네트워크 시스템을 구축하고 센서마다 기준값 을 설정하여 계측과 동시에 시설물의 상태를 평가할 수 있 는 시스템을 구축 운영함으로써 시스템의 적용성을 평가하 였다.
2. 무선 센서 네트워크(WSN) 시스템 및 시범현장 현황
2.1 저수지 댐의 무선 센서 네트워크 시스템 및 원리 무선 센서 네트워크 시스템은 Fig. 1과 같이 계측점으로 구성되는 각 설치점을 node로 설정하여 sensor field를 구축 하고, 각 node 별로 실시간으로 계측하며 계측결과가 상호 통신하여 전송되는 방식의 통신 네트워크를 말한다(Yoo et al., 2018). 즉 기존의 대표단면 위주의 계측시스템을 시설 물 전체에 분산 배치하여 전체 시설물의 거동을 평가하는 시스템으로써 계측과 동시에 시설물의 상태를 평가하는 방 식이다. Yoo et al.(2018)은 저수지 댐에서의 실시간 상태평
가 시스템은 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 시설물의 사전평가 를 통해 위험인자와 위험인자별 취약지점을 선정하여 계측 센서를 시설물 전체에 설치하고, 실시간 통신장치를 이용해 계측 및 상태평가 결과를 전송하도록 시스템을 구성하였다.
2.2 시범현장 현황
KRC(2017)의 통계연보에 따르면 국내의 저수지 댐은 총 17,313개소이고 51.2% 이상이 1945년 이전에 시공되었으 며, 중심코어 필댐이 주를 이루고 있는 것으로 보고되고 있 다. 이에 본 연구에서는 국내 저수지 댐을 대표할 수 있는 중심코어형 필댐 저수지 중에 하부에 민가 또는 민간시설이 존재하여 재해 발생 시 시설피해뿐만 아니라 인명피해도 예 상되어 적극적으로 재난 재해 예측이 필요한 저수지 댐을 시범현장으로 선정하였다.
인천광역시 강화군에 위치한 ○○저수지는 제체 길이 640m, 높이 21.5m의 1종 농업용 저수지로 하류에 민가가 인접해 있어 재해발생 시 대형피해가 예상되어 시범현장으로 설정 하였다(Fig. 3). 저수지 댐은 Fig. 4에 도시한 바와 같이 중 심코어형 필댐으로 만수위가 EL.(+) 25.8m, 사수위 EL.(+) 14.0m, 최대높이 21.5m 여유고가 2.5m이다. 댐은 중심코어 로 점토가 시공되어 있으며 상류 측 제체 비탈면은 사석 피 복공이 설치되어 있는 대표적인 중심코어 필댐으로 구성되 어 있다.
(a) Present state piping analysis (b) Limit state piping analysis Fig. 3 Risk zone analysis resutls by seepage analysis
(a) Present state slope stability analysis (b) Limit state slope stability analysis Fig. 4. Risk zone analysis resutls by slope stability analysis
(a) Present state numerical analysis (b) Limit state numerical analysis Fig. 5. Risk zone analysis resutls by numerical analysis
3. 무선 센서 네트워크(WSN) 실시간 상태평가 시스템 구축
3.1 저수지 댐의 무선 센서 네트워크 시스템 및 원리 실시간 상태평가가 가능한 무선 센서 네트워크 시스템은 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 현장 모니터링 시스템 설치 전에 시설물의 상태평가를 우선 시행함으로써 시설물의 위험인자 와 취약지점을 도출하고, 취약구간을 중심으로 센서를 설치 하여 시설물 전체에 분산 배치하는 형태로 구성된다. 작동원 리는 각각의 센서가 위험값을 가지고 있어 현장에서 측정과 동시에 위험값을 비교함으로써 통신하는 형태로 작동된다.
이에 본 연구에서는 ○○저수지의 표준단면을 이용하여 침투안정성, 사면안정성 그리고 변위해석을 시행하여 저수
지 댐의 지반공학적 위험인자를 파악함과 동시에 취약지점 을 선정하여 취약지점에 센서가 배치되도록 하였다.
3.2 사전 상태평가를 통한 위험인자 및 취약구간 선정 저수지 댐의 지반공학적 위험인자는 파이핑 파괴와 비탈 면의 활동파괴가 대표적이다. 이에 본 연구에서는 침투해석 과 비탈면 안정해석 그리고 변위해석을 통해 현재 상태 그 리고 댐의 극한상태를 평가함으로써 취약지점과 극한상태 의 한계값을 도출하였고, 해석결과는 Fig. 5에 나타내었다.
현장에서 무선 센서 네트워크를 구축함에 있어 효율적인 센서 설치위치 결정을 위해 Fig. 5에서 분석된 위험구간에 계측기를 배치하는 것으로 계획하였다. 많은 센서를 이용해 시설물 전체에 설치하는 경우에는 시설물의 거동을 정확하 게 예측할 수 있지만 이러한 경우 사업비가 과다하게 책정
(a) Current & detail monitoring plan (a) General monitoring plan
(c) Current & WSN monitoring plan
Fig. 6. Field monitoring system plan using wireless sensor network
(a) Photo on devices before installation (b) Photo on devices after installation (Crest) (c) Photo on devices after installation (Berm) Fig. 7. Photos on wireless sensor network by rield trial construction
Table 1. Risk factor and limit value for real time system assessment
Classification Limit value
Groundwater level Lower limit : GL.(-)8.98m Upper limit : GL.(-)6.98m
Inclinometer (Position)
GL.-2m GL.-4m GL.-6m GL.-8m GL.-10m GL.-12m GL.-14m GL.-16m GL.-18m GL.-20m
±94.8mm ±27.2mm ±26.8mm ±26.3mm ±25.6mm ±24.8mm ±24.0mm ±23.3mm ±22.8mm ±22.5mm
Pore pressure meter Berm position : 5.0kPa Toe position : 30.0kPa
Volumetric water contents Crest position Lower : 0.40, Upper : 0.55
Berm position Lower : 0.40, Upper : 0.55
Toe position Lower : 0.35, Upper : 0.55
되어 경제성이 저하되어 본 연구에서는 지중경사계와 지하 수위계 등과 같이 설치비가 고가인 계측기는 최소화하고 비 교적 경제적으로 센서 설치가 가능한 간극수압계와 체적함 수비계의 수량을 늘려서 센서 필드를 구축하도록 계획하였 다. 분석결과를 종합적으로 고려해 계획한 센서설치 위치는 Fig. 6에 나타내었다.
저수지 댐이 극한 상태에 대한 수치해석기법을 이용하여 파이핑 발생을 유발하는 한계값을 도출하여 Table 1에 나타 내었으며, 여기에서 산출된 한계값은 실제 현장에서 센서 각각에 한계값으로 입력하여 측정 시에 한계값에 도달하는
지 여부를 즉시 평가하도록 시스템을 구성하였다.
3.3 현장 시험시공을 통한 시스템 구축
위험인자에 대한 사전분석을 통해 센서의 설치지점과 센 서별 한계값을 결정하고, 실제 저수지에서 현장시험시공을 통해 시스템 구축을 수행하였다. 센서의 설치방법은 현 계 측기 설치방법을 준용하여 표준시방에 따라 설치하였으며, 통신기기는 2~4개의 센서가 연결될 수 있도록 제체의 제당 과 소단부분에 설치하였다. 현장에 설치한 무선 센서 네트 워크의 전경은 Fig. 7에 나타내었다.
(a) Maximum horizontal displacement curve (b) Maximum pore pressure curve Fig. 8. Field monitoring results on current monitoring system
(a) Maximum horizontal displacement curve (b) Maximum pore pressure curves on berm position
(C) Maximum pore pressure curves on toe position (D) Maximum pore pressure curves on current VS WSN system Fig. 9. Field monitoring results on wireless sensor network system
4. 실시간 상태평가 시스템 적용성 평가
4.1 기존 계측관리 기법에 의한 분석결과
현 계측방법인 부분 집중방식에 의한 계측구간은 Fig. 6 에 나타낸 Section 1구간으로, 당 구간의 경우 현재 상태에 대한 안정검토 결과를 이용하여 설계 시 예측한 결과를 토대 로 관리기준을 설정하는 경우에 관리기준치는 설계예측치 의 100%로 설정한다(Korea Occupational Safety and Health Agency, 2014). 이러한 방법으로 Section 1에서 측정한 지 중경사계 및 간극수압의 주간 최대값과 관리기준치 결과를 Fig. 8에 나타내었다. Fig. 8의 결과를 살펴보면, 지중경사계 로 측정되는 수평변위는 약 0.01~0.04mm로 극히 미소하게
나타나고 있어 수평변위는 발생하지 않는 것으로 분석되었 으며, 선단부에서 측정한 간극수압은 약 7~12kPa로 측정되 어 설계 시 예측한 관리기준 20kPa에 미치지 못하는 안전한 상태로 측정되었다. 부분적으로 주간별로 간극수압의 변화가 나타나는데 이는 강우에 의한 영향을 판단된다. 이를 종합적 으로 고려해 볼 때 일반 계측기법을 통해 집중 관리하는 방 식으로는 저수지 댐 구조물은 안정적인 상태로 나타났다.
4.2 무선 센서 네트워크 상태평가 시스템 분석결과 본 연구에서는 실시간 상태평가가 가능한 무선 센서 네 트워크를 현장에 시범 구축하였으며, 측정 위치별로 측정된 결과는 Fig. 9에 나타내었다.
Fig. 9의 내용을 살펴보면, 우선 Section 3에 설치된 지중 경사계의 주간 최대값은 0.02~0.05mm로 일반 계측관리 구 간에서 설치한 지중경사계의 값과 유사하게 측정되었고, 관 리기준치에 미치지 못하는 안정적인 상태로 측정되었다. 소 단부분에 설치된 간극수압계의 경우 0.1~0.4kPa로 비교적 작게 평가되었는데, 이는 계측관리 동안 강우 또는 수위변 화로 인해 제체 내의 침윤선이 소단부분만큼 상승할 정도로 증가하지 않고 안정적인 상태였기 때문에 비교적 작게 평가 된 것으로 판단된다.
선단부에서 측정된 간극수압의 경우 약 7.4~13.1kPa의 범위로 측정되었고, 한계값인 30kPa에 미치지 않는 안정적 인 상태로 평가되었다. 선단부의 간극수압은 Section 4 및 5가 다른 지점에 비해 크게 측정되는 것으로 보아 당 구간 의 경우 제체 내부의 침윤선 또는 지하수위가 다른 지점보 다 높거나 침투수로 인하여 선단부분이 포화되어 있을 수 있는 것으로 판단된다.
마지막으로 일반계측과 무선 센서 네트워크를 이용한 계 측관리의 최대변위를 기준으로 분석한 결과, 무선 센서 네 트워크 시스템을 이용한 계측결과가 상대적으로 크게 나타 났으며, 이 또한 Section 3 및 4에서 간극수압이 크게 작용 하는 것을 부분적인 계측으로는 예측하기 어려웠기 때문으 로 판단된다. 따라서 무선 센서 네트워크 계측방법으로 시 설물 전체를 관리하는 것이 시설물 전체의 거동평가를 하는 데 있어 더 효율적인 것으로 판단된다.
5. 결론 및 제언
이에 본 연구에서는 무선 센서 네트워크 시스템을 이용 한 시설물 전체의 모니터링 시스템의 적용성을 평가하고자 국내의 저수지 댐을 대표할 수 있는 구간을 시범구축 현장 으로 선정해, 계측과 동시에 시설물의 상태를 평가할 수 있 는 시스템을 구축 운영하였으며, 본 연구를 통해 얻어진 주 요 내용을 요약, 정리하면 다음과 같다.
(1) 시스템 구축에 있어 효율적인 센서 설치위치 결정을 위 해 사전 안전검토를 통해 위험인자에 대한 취약구간을 선정하였으며, 취약구간으로 선정된 구간에 설치비가 고가인 계측기는 최소화하고 비교적 경제적인 센서의 수량을 늘려서 센서 필드를 구축하도록 계획하였다.
(2) 현 계측방법인 부분 집중방식에 의한 계측결과, 지중경 사계로 측정되는 수평변위의 주간 최대값은 약 0.01~
0.04mm로 극히 미소하게 나타나고 있어 수평변위는 발 생하지 않는 것으로 분석되었으며, 선단부에서 측정한
간극수압은 약 7~12kPa로 측정되어 설계 시 예측한 관 리기준 20kPa에 미치지 못하는 안전한 상태로 측정되 었다.
(3) 무선 센서 네트워크 시스템을 이용한 계측결과, 지중경 사계의 주간 최대값은 0.02~0.05mm로 일반 계측관리 구간에서 설치한 지중경사계의 값과 유사하게 측정되 었고, 관리기준치에 미치지 못하는 안정적인 상태로 측 정되었다. 소단부분에 설치된 간극수압계의 경우 0.1~
0.4kPa로 비교적 작게 평가되었는데, 이는 계측관리 동 안 강우 또는 수위변화로 인해 제체 내의 침윤선이 소 단부분만큼 상승할 정도로 증가하지 않고 안정적인 상 태였기 때문에 비교적 작게 평가된 것으로 판단된다.
(4) 선단부에서 측정된 간극수압의 경우 약 7.4~13.1kPa의 범위로 측정되었고, 한계값인 30kPa에 미치지 않는 안 정적인 상태로 평가되었다. 선단부의 간극수압은 Section 4 및 5가 다른 지점에 비해 크게 측정되는 것으로 보아 당 구간의 경우 제체 내부의 침윤선 또는 지하수위가 다른 지점보다 높거나 침투수로 인하여 선단부분이 포 화되어 있을 수 있는 것으로 판단된다.
(5) 일반계측과 무선 센서 네트워크를 이용한 계측관리의 최대변위를 기준으로 분석한 결과, 무선 센서 네트워크 시스템을 이용한 계측결과가 상대적으로 크게 나타났 으며, 이 또한 Section 3 및 4에서 간극수압이 크게 작 용하는 것을 부분적인 계측으로는 예측하기 어려웠기 때문으로 판단된다.
(6) 무선 센서 네트워크 계측방법으로 시설물 전체를 관리 하는 것이 시설물 전체의 거동평가를 하는 데 있어 더 효율적인 것으로 판단되지만, 현재 측정기간이 짧아 충 분한 신뢰성을 확보하기 위해 보다 장기적인 모니터링 그리고 결과분석이 뒤따라야 할 것으로 판단된다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 기술 사업화 지원으로 수행된 성 과의 일부로 지원에 감사드립니다.
References
