KR101182414B1 - 온도 모니터링을 이용한 산사태 예측 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 온도 모니터링을 이용한 산사태 예측 방법에 관한 것으로, 지중 온도 변화를 근거로 하여 지중 물의 유동과 포화과정 및 사면의 미세한 거동을 감지함으로써 산사태가 발생하기 전에 산사태를 경보함을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 온도 모니터링을 이용한 산사태 예측 방법은, 지중에 시추공을 형성하는 제1단계와; 상기 제1단계를 통해 형성된 시추공에 서로 다른 심도로 하나 이상의 온도 센서를 설치하여 상기 지중의 온도를 검출하는 제2단계와; 상기 제2단계를 통해 검출한 현재 온도와 기 저장된 기준 온도를 비교하여 이 비교값을 산사태 예측 정보로 제공하되, 상기 기준 온도를 계절별 또는 월별로 설정하는 제3단계와; 상기 제3단계를 통해 획득한 산사태 예측 정보와 기 저장된 산사태 예측 기준 온도를 비교하여 상기 산사태 예측 정보가 산사태 예측 기준 온도보다 같거나 크면 알람을 출력하는 제4단계를 포함하고, 상기 제4단계에서는 산사태 예측 온도를 근거로 하여 주의 단계, 경보 단계 및 심각 단계로 구분하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명에 의한 온도 모니터링을 이용한 산사태 예측 방법은, 지중에 시추공을 형성하는 제1단계와; 상기 제1단계를 통해 형성된 시추공에 서로 다른 심도로 하나 이상의 온도 센서를 설치하여 상기 지중의 온도를 검출하는 제2단계와; 상기 제2단계를 통해 검출한 현재 온도와 기 저장된 기준 온도를 비교하여 이 비교값을 산사태 예측 정보로 제공하되, 상기 기준 온도를 계절별 또는 월별로 설정하는 제3단계와; 상기 제3단계를 통해 획득한 산사태 예측 정보와 기 저장된 산사태 예측 기준 온도를 비교하여 상기 산사태 예측 정보가 산사태 예측 기준 온도보다 같거나 크면 알람을 출력하는 제4단계를 포함하고, 상기 제4단계에서는 다수의 온도센서에서 측정값 중에서 산사태 예측 온도가 검출되는 온도센서의 수량을 근거로 하여 주의 단계, 경보 단계 및 심각 단계로 구분하는 것을 특징으로 한다.

Description

온도 모니터링을 이용한 산사태 예측 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PREDICTING LANDSLIDES USING MULTIPOINT TEMPERATURE MONITORING}

본 발명은 산사태 예측 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지중 온도 변화를 근거로 하여 지중 물의 유동과 포화과정 및 사면의 미세한 거동을 감지함으로써 산사태가 발생하기 전에 산사태를 경보할 수 있는 온도 모니터링을 이용한 산사태 예측 방법에 관한 것이다.

우리나라는 산지가 전 국토의 70% 이상을 차지하며, 매년 장마와 같은 집중 호우로 인한 산사태에 의해 막대한 피해가 발생한다. 특히, 산의 계곡을 따라 급격히 흘러내리는 토석류에 의한 산사태는 다른 종류의 산사태에 비하여 피해규모가 가장 크다.

산사태 및 절토사면의 붕괴는 주로 장마철이나 게릴라성 호우 등 강우가 집중되거나 봄철의 해빙기에 주로 발생한다. 특히 호우에 의한 산사태의 진행과정을 살펴보면 ① 강우로 인해 토사층으로 물이 침투하는 과정, ② 그 이후 지속적인 강우에 의해 토사층과 암반층 경계면의 물이 포화되는 과정, ③ 토사층의 물의 포화로 인해 간극수압 및 전단력이 상실되는 과정, ④ 전단력 상실로 인해 소규모 슬라이딩이 발생되는 과정, ⑤ 소규모 슬라이딩이 시발점이 되어 대규모 산사태로 이어지는 과정으로 크게 분류할 수 있다.

한편, 최근 기상이변에 따른 집중호우에 의해 산사태 발생빈도가 증가하고 있으며 대규모 절토사면 조성 및 급경사지 인근의 공동주택 신축 등으로 인한 피해 규모가 대형화되고 있다. 이에 따라 경사면의 안전을 확보하기 위한 각종 경사면 보강 공법 및 산사태 조기경보 시스템에 관한 연구가 적극적으로 이루어지고 있다.또한, 고속도로 또는 국도에서는 차량이 고속으로 달리기 때문에 도로변 절개지에서 낙석이 발생하면 대형사고로 이어질 수 있으므로 낙석의 방지책과 낙석이 발생할 경우 이에 대한 조기경보 체계에 대한 대책이 절실히 필요하다.

지금까지는 산지재해에 대한 대책으로 예방보다는 복구에 초점을 맞추어 왔다. 그러나 산사태에 대한 과학적인 분석을 통해 사전에 산사태 예상 지역 및 위험 지역을 미리 예측하고, 관측함으로써 이에 대한 적절한 대책을 세운다면 산사태로 인한 피해를 최소화시킬 수 있을 것이다.

현재, 산사태 발생 징후의 파악을 위해 산 경사면의 움직임을 계측하는 여러 가지 방법이 수행되고 있다. 그러나 단지 경사면의 움직임을 계측하는 것만으로는 다양한 요인들이 복합적으로 연관되어 발생하는 산사태를 정확하게 측정, 예측하는 데에 어려움이 따랐다. 특히, 토석류 산사태의 경우, 산사태의 정확한 발생 위치와, 속도를 아는 것이 중요하지만 이를 측정할 수 있는 방법은 실질적으로 전혀 없는 실정이다.

종래의 산사태 예측을 위한 계측시스템에 대해 좀 더 구체적으로 설명하면, 크게 실시간 강우량 계측을 통해 산사태 예측방법과, 산사면이나 절토사면에 대한 거동을 감지하는 센서를 장착하여 그에 대한 실시간 계측으로 산사태를 예측하는 방법으로 분류할 수 있다.

전자의 실시간 자동 우량계 시스템을 이용한 산사태 경보시스템은 다양한 산사태 사례를 토대로 산사태 발생과 강우의 상관관계 결과를 바탕으로 24시간의 연속강우량과 1시간의 강우량을 근거로 산사태를 예측 분석하는 방법이다. 이 방법은 홍콩의 산사태경보시스템으로 활용되고 있다.

후자의 절토사면 및 산사면의 거동을 실시간으로 계측하는 방법은 절토사면 내지 산사면 내의 인장균열의 발생 및 진행을 계측하기 위한 신축계, 절토사면 표면에 있는 암괴의 기울어짐을 감시하는 경사계, 암괴의 이동을 감지하는 전자거리 측정장치, 인공위성의 SAR(Synthetic Aperture Radar) 자료를 이용한 지표 변위계측 방법, 광섬유센서를 이용한 지반거동 감지 방법 등을 이용하여 산사태를 예측하는 방법이다. 이러한 방법들은 미국, 일본, 유럽 등지에 채택하고 있는 방법이다.

우선 강우를 계측하여 산사태를 예측하는 방법은 우리나라에서도 현재 채택하여 활용하고 있는 방법으로 단순히 강우만을 계측하여 산사태를 예측하므로 산사태가 발생되지도 않는 지역에서 산사태 경보가 난발되는 우려가 있어 그에 대한 신뢰성이 크게 떨어지고 있다.

산사면의 거동을 감시하는 방법은 이미 사면이 움직이고 있기 때문에 경보발령시 이에 대처할 수 있는 시간이 부족하다는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허 제10-0814470호 대한민국 공개특허 제10-2000-0012330호 대한민국 공개특허 제10-2010-0053830호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 종래의 방법으로는 강우에 의한 단순경보로 그의 신뢰성이 제기되고 있는 문제와 사면의 거동하는 것을 감지하여 경보 발령하므로 그에 대한 대처시기가 늦어질 수 있다는 문제점을 보완하기 위해 다점온도모니터링 기법을 이용하여 산사태가 발생되는 가장 큰 요소인 사면 내로의 물 침투, 유동, 포화 및 사면의 미세 거동 과정을 실시간으로 파악함으로써 산사태 예측 정보의 신뢰성을 향상할 수 있는 온도 모니터링을 이용한 산사태 예측 방법을 제공하려는데 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 다점온도모니터링을 이용한 산사태 예측 방법은, 지중에 시추공을 형성하는 제1단계와; 상기 제1단계를 통해 형성된 시추공에 서로 다른 심도로 하나 이상의 온도 센서를 설치하여 상기 지중의 온도를 검출하는 제2단계와; 상기 제2단계를 통해 검출한 현재 온도와 기 저장된 기준 온도를 비교하여 이 비교값을 산사태 예측 정보로 제공하되, 상기 기준 온도를 계절별 또는 월별로 설정하는 제3단계와; 상기 제3단계를 통해 획득한 산사태 예측 정보와 기 저장된 산사태 예측 기준 온도를 비교하여 상기 산사태 예측 정보가 산사태 예측 기준 온도보다 같거나 크면 알람을 출력하는 제4단계를 포함하고, 상기 제4단계에서는 산사태 예측 온도를 근거로 하여 주의 단계, 경보 단계 및 심각 단계로 구분하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명에 의한 온도 모니터링을 이용한 산사태 예측 방법은, 지중에 시추공을 형성하는 제1단계와; 상기 제1단계를 통해 형성된 시추공에 서로 다른 심도로 하나 이상의 온도 센서를 설치하여 상기 지중의 온도를 검출하는 제2단계와; 상기 제2단계를 통해 검출한 현재 온도와 기 저장된 기준 온도를 비교하여 이 비교값을 산사태 예측 정보로 제공하되, 상기 기준 온도를 계절별 또는 월별로 설정하는 제3단계와; 상기 제3단계를 통해 획득한 산사태 예측 정보와 기 저장된 산사태 예측 기준 온도를 비교하여 상기 산사태 예측 정보가 산사태 예측 기준 온도보다 같거나 크면 알람을 출력하는 제4단계를 포함하고, 상기 제4단계에서는 다수의 온도센서에서 측정값 중에서 산사태 예측 온도가 검출되는 온도센서의 수량을 근거로 하여 주의 단계, 경보 단계 및 심각 단계로 구분하는 것을 특징으로 한다.

지중에 시추공을 형성하는 제1단계와; 상기 제1단계를 통해 형성된 시추공에 서로 다른 심도로 하나 이상의 온도 센서를 설치하여 상기 지중의 온도를 검출하는 제2단계와; 상기 제2단계를 통해 검출한 현재 온도와 기 저장된 기준 온도를 비교하여 이 비교값을 산사태 예측 정보로 제공하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

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본 발명에 의한 온도 모니터링을 이용한 산사태 예측 방법에 의하면, 산사태 진행과정과 토양 내의 물의 유동에 따라 토양 내지 암반 내의 온도가 변화한다는 특징을 통해 산사태 진행과정을 정확하게 파악하여 산사태가 발생되기 이전에 산사태 경보를 제공함으로써 여유있는 대피 시간을 확보하여 산사태로 인한 안전사고를 미연에 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 온도 모니터링을 이용한 산사태 예측 장치의 모식도.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 의한 온도 모니터링을 이용한 산사태 예측 방법에 따른 결과 예시도.

먼저, 본 발명의 배경을 설명하면, 일반적으로 토양 내의 온도는 외부 기온의 영향을 받는 범위(대체로 약 1m 이내)보다 깊은 심도에서는 서서히 변화하는 계절별 온도변화만 있을 뿐 짧은 기간 내에서는 대체로 거의 온도가 변하지 않고 일정하게 온도가 유지된다. 그러나 이러한 토양 내에 물이 침투하거나 물이 유동하게 되면 그(물의 침투와 유동)로 인해 온도변화가 유발된다. 즉 토양 내 온도센서를 일정 간격으로 설치하고 상기 온도센서에서 검출되는 온도의 변화를 확인함으로써 산사태를 예측할 수 있는 것이다.

도 1에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 따른 온도 모니터링을 이용한 산사태 예측 장치는, 다점 온도 케이블(10), 다점 온도 케이블(10)의 온도센서에서 검출된 온도를 모니터링 하기 위한 온도 모니터링기(20)로 구성된다.

다점 온도 케이블(10)은 일정 간격(예컨대 50cm)을 두고 이격되는 다수의 온도 센서(11,12,13,,,n)가 포함된다. 온도센서(11,12,13,,,n)는 스틸 관이나 유연성 있는 띠를 통해 보호될 수 있으며 물론, 지중 물의 온도를 검출할 수 있도록 보호된다.

다수의 온도센서(11,12,13,,,n)는 각 위치별 모니터링이 가능하도록 고유의 어드레스가 부여된다.

지중 온도를 검출하기 위한 온도센서를 하나만 사용하여도 상기 온도센서가 장착된 부분에서 물의 온도 변화 등을 감지하여 산사태를 예측할 수 있다. 하지만, 산사태는 사면의 여러 심도에서 발생되는 것이며 여러 심도에서 산사태를 파악하기 위해서는 하나의 온도센서가 장착된 다수의 케이블을 설치하여야 하므로 다수의 시추공과 다수의 케이블의 사용에 따른 경제적 손실이 발생되므로 다수의 온도센서(11,12,13,,,n)를 하나의 케이블을 통해 설치하는 것이 바람직하다.

온도 모니터링기(20)는 온도센서(11,12,13,,,n)와 접속되어 각각의 온도센서(11,12,13,,,n)에서 검출되는 온도를 실시간으로 디스플레이하는 것으로, 온도 변화를 색상, 그래프, 수치 등으로 디스플레이할 수 있는 공지의 온도 모니터링기가 사용 가능하며, 산사태가 발생되지 않는 지역에 보호용 함체 등을 통해 설치될 수 있다.

온도 모니터링기(20)에서 모니터링되는 데이터는 무선 통신, 유선 통신을 통해 통제본부에 전송되어 통제본부의 관리자가 산사태 계측 데이터를 확인할 수 있다. 이때, 온도 모니터링기(20)와 통제본부간의 통신을 위한 장비(CDMA)의 전원은 태양광 에너지가 이용될 수 있고, 태양광 집광판 등이 갖추어진다.

본 발명은 지중 온도 변화를 근거로 하여 산사태 예측 정보를 제공하는 것으로, 온도 변화의 차이를 근거로 하여 산사태를 예측한다. 즉, 앞서 설명한 것처럼 지중 온도는 외부 기온의 영향을 받지 않는 심도(대략 지표면에서부터 1m) 이상의 심도에서는 계절에 따라서만 변화하며, 따라서, 산사태가 예측되지 않는 상태에서는 온도 변화가 거의 없을 것이며, 온도 변화가 발생되면 산사태가 예측되는 것으로 판단할 수 있는 것이다. 즉, 본 발명에 따르면 지중 온도의 변화 값을 근거로 하여 산사태를 예측하는 것이므로 평상시 지중 온도는 의미가 없다.

산사태가 발생되지 않는 조건의 기준온도를 필요로 한다. 앞서 설명한 것처럼, 외부 기온의 영향을 받지 않는 심도(대략 지표면에서부터 1m) 이상의 심도에서는 계절에 따라서만 온도가 변화하므로 기준온도는 계절에 따라 달라진다. 물론, 기준온도는 계절별로 설정되는 것에 한정되는 것은 아니며 일정한 기간별(월별 등)로 설정될 수도 있다.

한편, 본 발명은 컨트롤러를 통해 산사태의 예측을 알람할 수 있도록 구성될 수도 있다.

컨트롤러는 온도센서별 기준 온도와 현재 온도를 비교하여 현재 온도와 기준 온도의 차이를 근거로 하여 산사태를 예측할 수 있는 온도차가 발생되면 알람을 작동시키며, 산사태 예측 기준 온도값과 비교값(현재 온도와 기준 온도의 차이)을 비교하여 비교값이 산사태 예측 온도값과 동일하거나 높으면 알람을 작동시킨다.

이를 위해서는 기준 온도를 설정하여야 하는데, 지중의 기준 온도는 계절별, 월별 등을 근거로 하여 설정될 수 있다. 다시 말하면, 계절별에 지중 온도의 변화가 있는데, 이를 감안하지 않고 모든 계절에서 기준 온도를 동일하게 설정하면 현재 온도와 기준 온도 차이를 산사태 예측을 위한 온도차로 볼 수 없기 때문이다. 예를 들어 동일 지역의 지중 온도가 여름에는 10℃이고 봄에는 5℃이며, 계절에 상관없이 기준 온도를 10℃로 산사태 예측 온도차를 5℃로 설정한 전제하에서, 봄에 검출한 현재 온도가 10℃인 경우 봄의 기준 온도를 5℃로 설정하면 현재 온도와 기준 온도 차이가 5℃이므로 산사태를 예측할 수 있지만 기준 온도를 봄에 맞는 온도로 설정하지 않았기 때문에 기준 온도와 현재 온도의 차이가 없으므로 산사태를 예측할 수 없다.

본 발명에 의하면, 기준 온도와 산사태 예측 온도(기준 온도와 현재 온도와의 차이)의 차이를 근거로 하여 산사태를 예측하는 것이므로 기준 온도와 산사태 예측 온도를 설정하여야 하는데, 이 기준 온도와 산사태 예측 온도는 지질 특성, 토사심도, 풍화암 상태 등에 따라 달라질 것이므로 구체적인 수치로 한정하지 않는다. 다만 일 예를 설명한다면, 기준 온도가 5℃이고, 산사태 예측 온도의 차이가 주의단계는 0.5~1.0℃, 경보단계는 1.0~3.0℃, 심각단계는 3℃ 이상으로 설정한 경우 기준 온도와 현재 온도의 차이가 상기 단계 중 어느 단계에 해당되느냐를 검출하여 산사태를 예측한다. 상기 온도는 일 예를 들은 것일 뿐이며 현장 조건 등에 따라 달라질 수 있는 것이다.

또한, 다수의 온도센서가 적용된 경우 몇 개의 온도센서에 측정한 값을 근거로 하여 산사태를 예측할 것인지도 설정할 수 있으며, 예를 들어 10개의 온도센서에서 측정한 값 중에서 1~3개는 주의단계, 3~5개는 경보단계, 5개 이상은 심각단계로 설정할 수 있다.

본 발명에 따른 온도 모니터링을 이용한 산사태 예측 방법은 다음과 같다.

(S10) 시추공 천공.

산사태 위험지역에서 산사태를 예측하기 위하여 다점 온도 케이블(10)을 설치하며, 이를 위하여 시추공을 천공하되, 토양 및 풍화토, 풍화암층을 통과하여 신선한 암반층(약 5m 정도)까지 시추공을 천공한다.

(S20) 다점 온도 케이블 설치.

시추공(1)에 다점 온도 케이블(10)을 설치하고, 다점 온도 케이블(10)을 온도 모너터링기(20)에 연결한다.

(S30) 온도 검출.

다점 온도 케이블(10)의 각각의 온도센서(11,12,13,,,n)는 각각 온도를 측정한다.

(S30) 온도 모니터링.

온도 모니터링기(20)는 다점 온도 케이블(10)의 각각의 온도센서(11,12,13,,,n)에서 검출된 온도를 모니터링한다. 다수의 온도센서(11,12,13,,,n)에서 검출한 온도의 모니터링은 다양한 방법으로 가능하며, 단 온도차를 확인할 수 있어야 한다.

도 2a 내지 도 2d는 산사태 위험지역에 상기 시스템을 이용하여 온도를 모니터링하는 경우 각 산사태 진행과정에 따른 온도모니터링 결과의 범례를 나타낸 것으로, 여기서 수직(y)축은 심도이고, 가로(x)축은 시간경과를 나타내고 있으며 여기에 온도변화 즉, 기준 시점의 온도 값으로부터 변화된 값(온도차)을 나타내고 있다.

도 2a는 강우가 없는 맑은 날씨의 경우에 대한 온도모니터링 결과를 범례로 나타낸 것으로써 지표 부근의 외부 기온에 대해 영향을 받는 지역이외의 그 하부 간에 대해서는 온도변화가 거의 나타나지 않고 있다.

도 2b는 강우가 시작되어 토양 및 풍화토 층으로 물이 침투되는 과정을 나타내고 있다. 여기에서는 물이 침투됨에 따라 점차 온도차가 나타나는 현상이 관찰되고 있으며 투수성이 좋은 상부 토양이나 풍화토 구간까지 물이 침투하는 과정을 보여주고 있다.

도 2c는 물이 침투된 후 지속적인 강우로 인해 기반암 상부에 물이 포화되는 과정을 나타내고 있다. 기반암 상부구간에서 물이 포화됨에 따라 온도차가 뚜렷하게 나타나는 것을 볼 수 있다.

도 2d는 토양 내지 풍화토층 내에 물이 포화됨으로써 간극수압이 높아짐에 따라 전단강도가 약해져 토양층 내부에서 미세한 거동이 발생하고 있는 경우의 온도모니터링 결과를 나타내고 있다. 여기에서는 토양 내의 거동에 의해 생성된 공간으로 상부의 물이 침투되어 거동이 발생된 구간에서 큰 온도차가 발생되는 것을 보여주고 있다.

즉, 산사태 위험지역에서 다점 온도 케이블(10)을 이용한 온도 모니터링을 수행하면 상기 온도 모니터링 범례와 같이 산사태 발생의 원인이 되는 물의 침투, 포화 및 미세 거동의 상황을 순차적으로 확인할 수 있다. 따라서 본 발명은 산사태 예측 및 경보를 위해 종래의 방법으로 제공하지 못했던 정보를 제공함으로써 산사태 예측 및 경보의 신뢰성 제고는 물론 종래의 방법으로 암반 거동 후 경보를 발령하여 대처할 시간이 부족한 문제점을 해소시킬 수 있을 것으로 판단된다.

1 : 시추공, 10 : 다점 온도 케이블
20 : 모니터링기,

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 지중에 시추공을 형성하는 제1단계와;
   상기 제1단계를 통해 형성된 시추공에 서로 다른 심도로 하나 이상의 온도 센서를 설치하여 상기 지중의 온도를 검출하는 제2단계와;
   상기 제2단계를 통해 검출한 현재 온도와 기 저장된 기준 온도를 비교하여 이 비교값을 산사태 예측 정보로 제공하되, 상기 기준 온도를 계절별 또는 월별로 설정하는 제3단계와;
   상기 제3단계를 통해 획득한 산사태 예측 정보와 기 저장된 산사태 예측 기준 온도를 비교하여 상기 산사태 예측 정보가 산사태 예측 기준 온도보다 같거나 크면 알람을 출력하는 제4단계를 포함하고,
   상기 제4단계에서는 다수의 온도센서에서 측정값 중에서 산사태 예측 온도가 검출되는 온도센서의 수량을 근거로 하여 주의 단계, 경보 단계 및 심각 단계로 구분하는 것을 특징으로 하는 온도 모니터링을 이용한 산사태 예측 방법.

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