하천제방의 안전성 평가를 위한 전기비저항탐사
윤종렬*․김진만**․최봉혁**
*(주)삼보지오텍
**한국건설기술연구원 지반연구부
Assessment of Levee Safety Using Electrical Surveys
Jong-Ryeol Yoon*․Jin-Man Kim**․Bong-Hyuck Choi**
*SamboGeotek Co.
**Geotechnical Engineering Research Dept., KICT, KOREA
요 약 합천군 덕인2제를 대상으로 시트파일과 그라우팅 차수벽의 차수효과를 비교 판정하고 제방하부에서 발생하는 파이 핑 현상을 감지하기 위하여 갈수기와 우수기에 걸쳐 2차원 및 3차원 전기비저항탐사를 실시하였다. 자료의 해석결 과 2차원이나 3차원탐사 모두 시트 파일과 일반 그라우팅 차수벽의 경계부나 육안으로 관찰된 파이핑 발생지점을 비교적 정확하게 탐지하였다. 그러나, 보다 양호한 자료를 얻기 위해서는 전극의 접지상태를 향상시키고 가탐심도 와 분해능을 고려한 적절한 탐사파라미터의 설정이 필수적이라고 할 수 있다.
주요어 제방, 세굴, 전기비저항탐사, 접지, 분해능
ABSTRACT 2-D and 3-D resistivity surveys were carried out at the Deok-In2 levee during the period of arid and rainy seasons to assess the waterproof effectiveness of sheet pile and grouting sections and detect the location of pipings. Inverted resistivity sections clearly indicated the boundaries of sheet pile and grouting sections and the locations of pipings observed at the ground surface. It is necessary that proper survey parameters are determined considering inverted depth and resolution and contacting resistance is decreased to obtain favorable result.
Key words levee, piping, electrical survey, grounding, resolution
1. 서 론
제방의 붕괴로 인한 인명 및 경제적 피해는 매우 심각 한 것이므로 제방의 안전진단을 위한 효과적인 방법에 대한 연구는 필수적이라 할 수 있다. 1987년부터 2003 년까지의 제방붕괴 유형을 분석한 자료에 의하면 제방 파괴의 주원인으로는 월류와 침식이 40%와 39%로 대 부분을 차지하며, 세굴현상(piping)으로 인한 제체 불 안정이나 통문과 같은 구조물 접합부의 붕괴에 의한 제 방 파괴도 각각 10%와 11%를 차지하고 있다(건설교통 부, 2004). 제방파괴의 주요 원인인 세굴현상이나 배수 통문 구조물 접합부의 붕괴에 의한 제방파괴는 세밀한 조사를 통해 파이핑의 분포양상과 규모, 구조물 배면 공
동의 특성 등을 파악하여 보강책을 마련해야 한다. 이와 같은 제방의 안전진단을 위한 평가방법을 적용하기 위 해서는 전국에 산재해 있는 제방의 양적인 측면을 고려 할 때 신속성과 경제성이 우선적으로 고려되어야 한다.
종래의 제방 누수 확인방법으로 이용된 육안조사 방 법은 대부분의 누수현상이 지반과 제방의 경계면이나 제체와 구조물 경계 또는 제체 내부에서 발생하기 때문 에 정확한 제방 안전성 평가 방법으로 활용되기 힘들다.
이에 반하여 지구물리탐사방법은 지하매질의 물리적 성 질 차이에 따라 발생하는 다양한 물리현상을 계측하고, 계측결과를 해석하여 지하 매질의 구조와 성질을 알아 내는 비파괴 조사법의 일종으로 제방 내부의 침투수위 및 제체 구조 파악이 가능하므로 제방의 누수 탐지 및
Fig. 1 Location map of resistivity survey.
Table 1 Details of 2-D resistivity survey line.
측선명 측선길이
(m)
전극간격 (m)
최대
전극분리계수 구 간
L1 75 3 11 시트 파일 구간
L2 75 3 11 시트 파일/그라우팅 경계부
L3 75 3 11 그라우팅 구간
L4 42 3 10 그라우팅 구간 법면
L5 42 3 10 시트 파일 구간 법면
안전진단에 있어서 가장 경제적이고 효과적인 방법으로 적용가능할 것이다.
현재 국내에서는 제방의 누수부위를 탐지하거나 제 체구조의 건전성을 평가하기 위하여 자연전위탐사나 전 기비저항탐사, 지온탐사와 같은 물리탐사법이 다양하게 적용되고 있다(농업기반공사, 2001; 박삼규와 김희준, 1999; 송성호 외, 2000; 이명종 외, 2000; 송성호 외, 2002;
정승환 외, 1992; 조진동 외, 1996).
본 연구에서는 여러 지구물리탐사법중 파이핑 현상 과 관련된 제방의 안전진단에 가장 효과적이며 널리 적 용되고 있는 2차원 및 3차원 전기비저항탐사를 갈수기 와 우수기에 걸쳐 실시하여 그 자료를 비교 분석하였다.
2. 전기비저항탐사
경남 합천군 청덕면 성태리 덕인2제를 대상으로 2003 년 5월과 9월에 걸쳐 갈수기와 우수기로 나누어 2차원 전기비저항탐사를 실시하였다. 탐사 대상 제방인 덕 인 2제는 원지반이 사질토로 이루어져 있으며, 널말뚝 (sheet pile)과 그라우팅 구간으로 나뉘어 차수벽이 설
치되어 있다. 그러나 갈수기에도 시트 파일 차수벽 구간 의 파이핑 현상이 다수 육안으로 관찰되었으며, 우수기 에는 파이핑 현상이 한층 심화된 상태였다.
비저항탐사 측선은 시트 파일과 그라우팅 차수벽 경 계부를 중심으로 차수벽의 종류에 따른 차수효과를 비 교할 수 있도록 경계부에서 1측선, 양쪽 차수벽 구간에 서 각각 1측선, 법면을 따라 2측선 등 모두 5측선을 설정 하였으며, 갈수기와 우수기에 걸쳐 동일 측선상에서 자 료를 취득하여 강우에 따른 제방의 누수양상 변화를 비 교하고자 하였다(Fig. 1, Table 1). 또한 차수벽 경계부 를 중심으로 3차원 비저항탐사를 실시하여 보다 정확한 비저항구조를 영상화 하고자 하였다.
3. 자료해석
3.1 2차원 전기비저항탐사(갈수기: 2003년 5월)
3.1.1 L1
시트 파일 차수벽이 설치된 제방 소단에서 제방 방향 과 평행하게 탐사를 실시하였다. 전체적으로 10∼1,700
Fig 3. Inverted resistivity section of L2(arid season).
Fig 2. Inverted resistivity section of L1(arid season).
ohm-m의 비저항값 분포를 보이며 27∼39 m 구간과 60∼69 m 구간에서 20 ohm-m 내외의 저비저항대가 나타나고 있다(Fig. 2). 이러한 저비저항대는 표고 9 m 하부에서 나타나며 이는 원지반을 기준으로 1∼2 m 심 도에 해당한다.
본 측선의 33∼40 m 구간에서는 파이핑 현상이 관찰 되므로 27∼39 m에 나타난 저비저항대는 파이핑과 관 련된 것으로 판단된다. 또한 측선의 60∼69 m에 나타나 는 저비저항대에 해당하는 구간에서는 파이핑 현상이 육안으로 관찰되지 않으나 이상대의 규모나 연속성, 비 저항값으로 볼 때 파이핑 현상과 관련이 높을 것으로 생 각된다.
3.1.2 측선 L2
시트 파일 차수벽과 그라우팅 자수벽이 설치된 경계 구간을 중심으로 제방 정상부에서 제방 방향과 평행하 게 탐사를 실시하였다. 전체적으로 수 ohm-m에서 수 만 ohm-m의 넓은 비저항 분포를 보이며 측선 33 m를 기준으로 비저항 분포가 확연히 달라지는 양상을 보인 다(Fig. 3). 이러한 비저항 분포 경계는 시트 파일과 그 라우팅 구간의 경계부가 측선의 35 m 지점으로 예상되 므로 매우 정확하게 차수벽의 경계를 지시한다고 할 수
있다.
측선 L2의 역산단면을 보면 33∼36 m 지점을 경계로 좌측의 비저항은 높으며 우측의 비저항은 상대적으로 낮은 분포를 보인다. 측선의 좌측은 시트 파일 설치구간 이며 우측의 비저항은 그라우팅 구간에 해당하는 것으 로 역산단면상으로는 제방 상부구간에서는 시트 파일의 차수효과가 높은 것으로 판단된다.
한편 그라우팅 차수벽이 설치된 33∼70 m 구간에서 는 지표하 심도 7 m 정도까지 10 ohm-m 내외의 저비 저항대가 폭넓게 나타나고 있다. 이러한 저비저항대는 분포범위가 상부쪽에 치우쳐 있으며, 같은 구간의 소단 에서 실시한 측선 L3 해석단면의 같은 고도상에서 저비 저항대가 나타나지 않는 점 등으로 미루어, 침투수와 직 접적으로 관련있다기 보다는 접지 상태가 불량하여 전 위차가 작게 측정되었기 때문으로 판단된다. 그러나 그 하부에 나타나는 100 ohm-m 이하의 저비저항대는 3차 원 전기비저항탐사 단면에서도 폭넓게 나타나므로 제체 내로의 침투수 유입에 의한 것으로 판단된다.
3.1.3 측선 L3
일반 그라우팅 차수벽이 설치된 제방 소단에서 제방 방향과 평행하게 탐사를 실시하였다. 전체적으로 10∼
Fig. 4 Inverted resistivity section of L3(arid season).
Fig. 5 Inverted resistivity section of L4(arid season).
3,000 ohm-m의 비저항값 분포를 보이며 12∼27 m 구 간과 42∼54 m 구간에서 20 ohm-m 내외의 저비저항 대가 나타나고 있다(Fig. 4). 이러한 저비저항대는 표고 9∼10 m 하부에서 나타나며 이는 원지반을 기준으로 1 m 내외의 심도에 해당한다.
저비저항 이상대의 비저항값은 5∼30 ohm-m 내외 로 측선 L1의 저비저항대에 비하여 약간 낮은 편이며 그 규모가 비교적 크고 이상체의 연속성이 좋으므로 제방 누수나 파이핑 현상과 관련이 높을 것으로 생각된다.
3.1.4 측선 L4
일반 그라우팅 차수벽이 설치된 구간에 위치한 측선 L3의 60 m 지점에서 제방 법면을 따라 제내지에서 제 외지 방향으로 탐사를 실시하였다. 본 측선 자료의 해석 을 통해 제방 단면상에서의 침윤선 분포를 파악하고 차 수벽 내측과 외측부의 비저항 분포를 규명하고자 하였 으나 제외지쪽 사면에 존재하는 호안 블럭으로 인하여 제외지 쪽에서는 탐사가 이루어지지 못하였다. 따라서 제방 중심부에서 충분한 심도의 자료가 측정되지 못하 였으며 좌우 경계부에서의 자료 손실도 많아 다른 측선
에 비해 자료의 신되도가 떨어진다고 할 수 있다.
전체적으로 20∼1,000 ohm-m의 비저항값 분포를 보여 다른 측선과 비슷한 비저항값 범위를 갖는다. 측선 21 m 구간을 중심으로 우측에는 비저항값이 매우 낮은 저비저항 이상대는 아니지만 수십 ohm-m의 상대적인 저비저항대가 나타난다(Fig. 5).
3.2 2차원 전기비저항탐사(갈수기: 2003년 9월)
자료의 해석결과 전체적인 비저항구조는 갈수기 때 와 대체로 유사한 양상을 보이며, 접지상태의 개선으로 인해 신호대 잡음비도 비교적 높은 값을 보였다. 그러나 역산된 비저항값은 갈수기와 비교하여 감소하였다.
측선 L1과 L3의 저비저항대는 파이핑과 연관된 것으 로 판단되며, 저비저항대의 규모가 커지고 비저항값도 최대 50%까지 감소한 것으로 나타나 강수가 파이핑 현 상에 미치는 영향을 비저항탐사를 통해 효과적으로 감 지하였다고 할 수 있다(Fig. 6, 7).
또한 갈수기와 마찬가지로 일반 그라우팅 구간과 시 트 파일 구간의 경계부를 정확히 감지할 수 있었으며, 시트 파일 구간의 비저항값이 높게 나타나 그라우팅 구 간의 차수상태가 상대적으로 불량한 것으로 판단된다 (Fig. 8, 9, 10).
3.3 3차원 전기비저항탐사
탐사 측점은 서로 다른 차수벽 설치 구간에서의 비저 항 분포를 해석하여 2차원 전기비저항탐사 결과에서 나 타난 차수벽의 종류에 따른 차수효과의 비교와 파이핑 과 관련된 저비저항대의 3차원적 해석이 가능하도록 시 트 파일과 그라우팅 차수벽 경계부를 중심으로 x 방향
Fig. 6 Inverted resistivity section of L1(rainy season).
Fig. 7 Inverted resistivity section of L2(rainy season).
Fig. 8 Inverted resistivity section of L3(rainy season).
Fig. 9 Inverted resistivity section of L4(rainy season). Fig. 10 Inverted resistivity section of L5(rainy season).
(a)
(b)
Fig. 11 Survey lines of 3-D electrical imaging using roll along technique. (a)x direction (b)y direction.
으로 12점, y 방향으로 9점을 설정하였다(Fig. 1).
3차원 전기비저항탐사시 해상도와 가탐심도를 고려 하여 전극간격은 5 m로 설정하였으며, 본 제방의 전기 비저항값은 일반적인 지역에 비해 낮은 편이므로 신호 대 잡음비가 뛰어나고 3차원 탐사시 최대의 측정자료를 획득할 수 있는 Pole-Pole 배열법을 사용하였다.
3차원 측점은 모두 108(12*9)개이나 측정 시스템의 전극수가 27개로 제한되어 있으므로 x 방향과 y 방향으 로 각각 4개의 roll로 나누어 8번에 걸친 측정을 실시하 여 3차원 정보를 최대한 획득하고자 하였다. 한 roll당 측점수는 27개의 전극을 설치한 후 중앙제어 방식으로 2개의 전극을 사용하였으므로 27C2개, 즉 351개이며 전
체 단면의 측점수는 2,808개 이다(Fig. 11).
3차원 전기비저항탐사 자료는 각 측점별 지형자료를 입력하여 유한요소법을 이용한 지형보정 및 3차원 역 산과정을 통해 해석되었다(Dey and Morrison, 1989;
Loke and Barker, 1996; Yoon, 2000). 해석단면상의 x 방향은 제방의 종방향, y 방향은 횡방향, z 방향은 표고 에 각각 해당된다(Fig. 1).
일반적으로 3차원탐사 자료는 측점수가 매우 많고 지 형의 영향을 많이 받으므로 3차원 역산시 다양한 제한 조건을 가하여 보다 합리적이고 타당성 있는 해석단면 을 도출해야 하며 본 연구에서는 지하매질의 비저항값 은 급격히 변화하지 않는다는 평활화제한법(smooth-
(a) (b)
Fig. 12 3-D inverted resistivity section. (a)xy-yz plane (b)xz-yz plane.
ness constraint)을 역산의 제한조건으로 사용하였다 (Constable et al., 1987).
자료의 해석결과 전체적인 비저항구조는 2차원 탐사 결과와 큰 차이가 나지 않았으나 전반적인 비저항값은 낮게 나타났다. 이는 3차원 탐사에서 사용된 단극배열 법의 특성과 탐사당시 제방 보수공사로 인해 지표 접지 상태가 불량하여 충분히 큰 전류가 지하에 주입되지 못 하였기 때문으로 판단된다. 따라서 해석단면의 절대적 인 비저항값보다는 상대적인 비저항구조에 중점을 두어 분석하는 것이 타당할 것이다. 또한 3차원 해석단면 최 하부(z=-10∼-30 m)에서는 모든 구간에서 50 ohm-m 이하의 저비저항대가 나타나는데 이는 가탐심도를 벗어 난 구간이며 상부구간의 자료를 하향 연속 내삽한 자료 를 도시한 것이므로 고려대상에서 제외하는 것이 타당 하다.
3차원 해석단면을 살펴보면 지표에서 x 방향 20∼25 m를 기준으로 좌측의 비저항이 우측에 비하여 높게 나 타나며 이러한 비저항 분포는 그 경계부가 심도가 증가 할수록 오른쪽으로 치우쳐 나타나게 된다. 이는 전년도 의 2차원 비저항단면상에서 나타난 시트파일과 그라우 팅 차수벽의 경계부 좌우측에서 나타난 비저항 분포와 수평적, 수직적으로 모두 유사한 결과이다(Fig. 12).
한편 2차원 비저항단면 L1과 L3에서 나타난 파이핑 과 관련된 저비저항대는 3차원 단면상에서 시트파일 구 간에서는 y 방향 20∼40 m, 그라우팅 구간에서는 y 방 향 0∼25 m 사이에서 100 ohm-m 이하의 저비저항대 로 나타난다. 또한 y=5 m인 xz 평면의 비저항구조를 살 펴보면 양쪽 구간의 비저항값이 뚜렷한 대비를 보인다.
이러한 저비저항대의 y, z 방향 분포로 판단할 때 파이 핑 현상은 시트파일 구간에서는 제방내 차수벽 하부로 진행되는 반면에 그라우팅 구간에서는 차수벽 구간에서 진행되는 것으로 보이며 이는 그라우팅 구간의 차수효 과가 상대적으로 떨어지기 때문인 것으로 판단된다.
제방의 3차원 비저항구조를 xy 평면상에서 살펴보면 차수벽 경계의 좌측과 제내지 방향의 비저항값이 높은 분포를 보이나 심도가 증가함에 따라 전체적인 비저항 값이 감소하는 것을 볼 수 있다. 이는 하부의 파이핑 현 상이 광범위하게 진행되었다는 것을 암시한다고 할 수 있다.
4. 결 론
합천 덕인2제를 대상으로 갈수기와 우수기에 걸쳐 시 트파일과 그라우팅 차수벽의 차수효과를 비교 판정하고
(a)
(b)
Fig. 13 Fence diagram of 2-D inverted resistivity sections. (a)arid season (b)rainy season.
제방하부에서 발생하는 파이핑 현상을 효과적으로 감지 하기 위하여 2차원 및 3차원 전기비저항탐사를 실시하 였다.
자료의 해석결과 2차원이나 3차원탐사 모두 시트 파 일과 일반 그라우팅 차수벽의 경계부나 육안으로 관찰 된 파이핑 발생지점을 비교적 정확하게 탐지하였다 (Fig. 13). 그러나, 분해능을 높이기 위하여 전극 간격을 매우 작게 설정할 경우 가탐심도가 낮아지게 되므로, 일 정 규모 이상의 제방에서는 전극 간격을 적정 간격 이상 으로 유지해야 하며 결과적으로 역산 단면의 분해능 저 하로 이어진다. 본 탐사자료의 해석단면상에서도 가탐 심도를 고려하여 전극 간격을 3 m나 5 m로 설정한 결 과 개개의 파이핑이 단면상에서 독립적으로 나타나지 않고 하나의 저비저항대 형태로 중첩되어 나타나는 것 을 볼 수 있다.
이처럼 전기비저항탐사를 비롯한 모든 물리탐사법은 분해능과 가탐심도가 서로 trade-off 관계에 있으므로
탐지하고자 하는 제방의 규모나 누수 예상 심도 등 여러 가지를 신중히 고려하여 최적의 조건으로 탐사를 하였 을 때 만족할 만한 결과를 얻을 수 있다. 또한 중규모 이 상의 제방 외측 사면에는 대부분 호안 블록이 존재하며 제방 정상부는 다져진 상태이기 때문에 비저항탐사시 전극의 접지상태를 향상시킬 수 있도록 물이나 이온수 를 이용하는 등의 노력이 필요하다.
또한 제방과 같은 구조물은 제방의 횡방향만을 고려 하면 2차원 구조체로 가정할 수 있지만 종방향을 고려 할 때는 2차원 구조체로 가정할 수 없다. 따라서 현재 제 방에서 주로 실시되고 있는 2차원 탐사법은 3차원 구조 체를 2차원 구조체로 가정할 때 생기는 비저항 이상을 제거할 수 없다. 이러한 비저항 이상을 제거하고 실제 3 차원 구조에 보다 유사한 제방의 안정성을 정밀하게 조 사하기 위해서는 3차원 비저항탐사법의 적용이 필요하 며 이러한 3차원 탐사법의 적용 가능성이 본 연구를 통 해 제시되었다고 할 수 있다.
한편 파이핑과 함께 제방붕괴의 주요원인중 하나인 배수통문 배면의 공동을 조사하기 위하여 특별히 고안 된 수리응답시험의 국내적용이 현재 진행중이다. 이 방 법은 경제적으로 통문하부 공동의 연속성을 조사할 수 있는 시험으로 현재까지 일본 국토기술연구원(JICE)의 주도아래 일본 전역의 주요 하천 제방 배수통문 구조물 의 안전성 평가에 적용되고 있다. 특히 우리나라에서는 배수통문 구조물이 대부분 말뚝기초 형식으로 처리되어 압밀침하에 의해 내부와 외부 토체 경계 및 저판 하부에 서 공동이 형성되고 점차 이완되어 시간이 지남에 따라 제체의 불안전성이 급속히 증가하는 경우가 많다. 따라 서 하천 제방 및 배수통문 관련 설계기준의 개선을 위한 연구 및 수리응답시험의 도입이 현재 활발하게 추진되 고 있다.
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