KR101269517B1

KR101269517B1 - 실시간 전기비저항 측정 시스템

Info

Publication number: KR101269517B1
Application number: KR1020120050767A
Authority: KR
Inventors: 이승희; 김기석; 김대영
Original assignee: (주)희송지오텍; 현대건설주식회사; 이승희
Priority date: 2011-05-24
Filing date: 2012-05-14
Publication date: 2013-06-04
Also published as: KR20130009606A

Abstract

본 발명은 댐과 같은 수리구조물의 안정성 평가를 위하여 전기비저항 측정을 실시간으로 상시 관측할 수 있는 실시간 전기비저항 측정 시스템을 개시하며, 상기 실시간 전기비저항 측정 시스템은, 탐사제어를 위한 실시간 전기비저항 탐사 제어 프로그램과 탐사 결과의 분석을 위한 분석 프로그램을 탑재한 프로세싱 유니트, 상기 탐사 결과에 대응하는 계측 정보를 저장하는 데이터베이스, CDMA 모뎀 및 제1 시스템 제어부를 포함하며 제1 시스템 제어부를 기반으로 상기 프로세싱 유니트가 상기 데이터베이스를 참조하여 동작되고 상기 제1 시스템 제어부는 CDMA 모뎀을 통하여 데이터 송수신을 수행하는 오피스 시스템 및 전기비저항 측선이 다수의 채널에 구성되고 상기 오피스 시스템의 상기 실시간 전기비저항 탐사 제어 프로그램에 의한 주기적인 요청에 대응하여 주기적으로 실시간 취득되는 특정 전기비저항 측선에 대한 상기 계측 정보를 상기 오피스 시스템과 CDMA로 통신을 수행하면서 원격으로 전송하는 필드 시스템;을 포함함을 특징으로 한다.

Description

실시간 전기비저항 측정 시스템{Real-time resistivity measurement system}

본 발명은 실시간 전기비저항 측정 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 댐과 같은 수리구조물의 안정성 평가를 위하여, 또한 터널 시공 중 지하수위 변화 파악, 지하수 유출 예측 등을 위하여 전기비저항 측정을 실시간으로 상시 관측할 수 있는 실시간 전기비저항 측정 시스템에 관한 것이다.

전기비저항 탐사는 다양한 분야에 이용되는 물리탐사법 중 하나로서 국내에서 가장 많이 활용되는 탐사법이다.

전기비저항 탐사는 단층, 파쇄대 등의 지질이상대 탐지에 효과적이며, 댐과 같은 수리구조물의 안정성 평가를 위한 기초 물리탐사법 중 하나이다.

일반적으로 지반구조물의 연약대나 누수구간 탐지를 위해서 전기비저항 탐사가 수행된다. 특히 댐과 같은 대규모 구조물의 경우 정기적으로 정밀안전진단이 실시되고 있다. 그러나 이러한 정밀안전진단은 1회의 전기비저항 탐사로 얻은 자료로써 모니터링 및 분석하는 방법으로 이루어지는 실정이다.

이와 같은 일반 탐사 시스템은 연속성의 개념이 누락되어 있다. 즉 지구물리 모니터링은 시간이 흐름에 따라 지하물성이 서서히 변하는데 일반적인 측정시스템은 시간의 흐름이라는 연속 개념에서 한 순간을 측정하는 개념으로 측정방법이 이루어진다. 이와 같은 1회 측정한 자료로써 댐과 같은 수리구조물의 안정성을 평가하는 것은 인정성을 평가하는데 충분하지 않다.

따라서, 댐과 같은 대규모 수리구조물은 1회의 탐사로 누수구간을 탐지하는 것보다 지속적인 자료획득으로 그 변화를 비교 분석하는 모니터링 기법의 적용이 절실한 실정이다.

전기비저항 탐사로써 지하 매질의 물성을 추정하는 방법에 있어서, 최근 시간경과에 따른 지하물성의 변화를 파악하기 위한 모니터링의 중요성이 부각되고 있으며 이에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다.

결국, 댐과 같은 대규모 수리구조물에 대하여 시간적 변화에 따른 지반 물성의 변화를 전기비저항 값의 변화로 탐지하도록 상시관측을 수행할 수 있는 모니터링이 가능한 측정 시스템의 제시가 소망되는 실정이다.

한편, 공동 및 지반이완영역 등에 의한 지반침하 대책과 연약지반의 보강을 위하여 그라우팅에 의한 지반보강법이 널리 시공되고 있다.

그라우팅의 주입재는 주로 시멘트를 사용하고 있으며, 지하공동의 형상 및 규모, 암반의 절리, 토립자의 공극 등을 고려하여 벤토나이트, 모래, 유동화제 및 급결제 등을 혼합하여 사용하기도 한다.

상기 그라우팅에 의한 지반보강은 지하공동이나 암반의 절리 및 토립자의 공극에 주입재를 압력을 가해 침투시키는 것으로, 현장에서 여러 가지 기초실험을 통해 주입 재료 및 주입압력를 결정하게 되며, 그라우팅에 의한 지반보강 효과평가는 시추공을 이용한 시추공영상화검층과 현장투수시험 등으로 그라우팅 전과 후의 조사결과를 비교하여 주입재가 어느 정도 채워져 있는 지를 판단하는 것이 일반적이다.

그러나 검사공의 위치, 시험시기 선정, 검사공의 시추비용 증가 및 검사공 시추에 의한 지반의 2차 손상 등이 발생하여 비파괴적인 방법으로 평가기법이 요구된다.

이에 반해 전기비저항 모니터링 방법은 비교적 쉬울 뿐만 아니라 전기비저항이라는 물리적인 특성의 지반상태 변화를 2차원 또는 3차원 영상으로 묘사할 수 있으므로, 대상지반 전체의 보강영역을 비교적 비파괴적인 방법으로 평가할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 컴퓨터 및 해석기법의 발달에 힘입어 전기비저항 모니터링 방법의 해석방법도 다양하게 개발되어 있다.

지반의 전기비저항을 좌우하는 요인으로는 포화도, 공극률, 공극수의 전기전도도, 점토함유량 등이 있다.

일반적으로 신선한 암석보다 풍화 변질된 암석은 점토를 수반하고 있어 저비저항을 나타내는 경향이 있으며, 그라우팅 주입재로 널리 사용되고 있는 시멘트와 벤토나이트는 풍화변질에 수반된 점토광물처럼 전기비저항을 저하하는 역할을 한다.

상기 시멘트 시간경과에 따른 전기비저항 값은 재료의 특성에 따라 차이가 있으나 20 ohm-m 이하의 전기비저항 값의 범위를 보이며, 20일 이후는 전기비저항 값의 변화가 거의 없는 것으로 보고된 바 있다.

특히, 시멘트 모르타르의 전기비저항은 상당히 낮으므로 전기비저항 모니터링이 시멘트 그라우팅에 의한 지반보강 판정에 효율적이다.

전기비저항 모니터링 탐사는 환경 분야의 오염원 탐지 등에 먼저 활용되었으며 현재는 토목, 유지관리 등 다양한 분야에 응용되고 있는 탐사법으로, 모니터링 탐사 방법은 통상적인 물리탐사에 비하여 측정의 정밀도가 훨씬 높아야 하며, 또한 각종 인공잡음에 의한 영향을 최대한 억제할 수 있는 시스템이 요구되는데, 현재 사용되는 전기비저항 측정시스템은 실시간으로 전기비저항을 모니터링할 수 없었다.

따라서 토목, 건설뿐만 아니라 자원, 환경에 적합한 시스템을 개발하여 현장 응용에 활용할 수 있는 실시간 전기비저항 측정시스템의 필요성이 대두되고 있다.

공개번호 10-2011-0119402(공개일자 2011년11월02일)

본 발명은 댐과 같은 지반 구조물의 연약대나 누수구간 탐지를 위하여 전기비저항 탐사를 수행하며 전기비저항 탐사를 지속적으로 실시하여 상시관측한 자료를 획득하며 시간적 변화에 따른 자료의 변화를 비교분석하는 모니터링 기법을 적용한 실시간 전기비저항 측정 시스템을 제공함을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 지하구조 모델을 구성하는 각 블록의 분해능에 따라 능동적으로 랑그랑지 곱수의 공간 분포를 계산하여 역산을 수행하는 기법을 적용한 실시간 전기비저항 측정 시스템을 제공함을 다른 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 최초 측정 자료를 역산하여 얻어진 모델 변수를 기준 모델로 설정하고 시간 경과후 변화된 모델 변수를 효과적으로 얻는 시간경과 역산법을 적용한 실시간 전기비저항 측정 시스템을 제공함을 또 다른 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 그라우팅 지반보강영역에 전기비저항을 측정할 수 있는 시추공을, 지표 등에 원격 자료측정송수신 장치를 설치하고, 코드분할다중접속(CDMA) 무선통신방식과 2차원 또는 3차원의 해석결과를 이용하여 그라우팅 보강영역에 대해 영상화하고 그라우팅 공법에 의한 지반보강효과를 판정할 수 있는 실시간 전기비저항 측정 시스템을 제공함을 또 다른 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 지하구조를 단순한 공간모델이 아닌 시간에 따라 연속적으로 변화하는 시공간 모델로 정의하여 공간영역뿐만 아니라 시간 축에 따른 제한을 도입하는 4차원 역산법으로 해석함으로써 역산의 안정성은 물론 역산잡음의 최소를 기할 수 있으며, 터널 시공현장에 적용하여 단층대에 대한 보강영역을 효과적으로 파악할 수 있는 실시간 전기비저항 측정 시스템을 제공함을 또 다른 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 실시간 전기비저항 측정 시스템은, 탐사제어를 위한 실시간 전기비저항 탐사 제어 프로그램과 탐사 결과의 분석을 위한 분석 프로그램을 탑재한 프로세싱 유니트, 상기 탐사 결과에 대응하는 계측 정보를 저장하는 데이터베이스, CDMA 모뎀 및 제1 시스템 제어부를 포함하며 제1 시스템 제어부를 기반으로 상기 프로세싱 유니트가 상기 데이터베이스를 참조하여 동작되고 상기 제1 시스템 제어부는 CDMA 모뎀을 통하여 데이터 송수신을 수행하는 오피스 시스템; 및 전기비저항 측선이 다수의 채널에 구성되고 상기 오피스 시스템의 상기 실시간 전기비저항 탐사 제어 프로그램에 의한 주기적인 요청에 대응하여 주기적으로 실시간 취득되는 특정 전기비저항 측선에 대한 상기 계측 정보를 상기 오피스 시스템과 CDMA로 통신을 수행하면서 원격으로 전송하는 필드 시스템;을 포함함을 특징으로 하는 한다.
여기에서, 상기 필드 시스템은 제2 시스템 제어부, 센서부 및 전기비저항 제어부를 포함하며, 상기 센서부는 디지털 센서류와 아날로그 센서류를 포함하고, 상기 전기비저항 제어부는 전기비저항 측선 연결 전극 어레이와 복수 개의 채널을 가지면서 각 채널에 대한 스위칭을 수행하는 스위칭 박스를 포함하며, 상기 제2 시스템 제어부는 중앙처리부, 메모리, 전송부, 수신부, 전송 스위치 제어부, 수신 스위치 제어부 및 CDMA 모뎀을 포함하며, 상기 중앙처리부는 CDMA 모뎀을 통하여 상기 오피스 시스템과 통신을 수행하면서 전기비저항 탐사의 송수신을 제어하며 전기비저항 측선을 이용하여 탐사를 수행하여 자료를 획득하는 제어를 수행하고, 탐사된 자료를 상기 메모리에 저장하며, 상기 센서부의 상기 디지털 센서류 및 상기 아날로그 센서류들이 접속되어서 탐사 환경에 대한 종합적인 정보를 취득하고, 정방향과 역방향 순서로 측정을 수행하기 위한 계측 신호를 상기 전송부를 통하여 상기 스위치 박스로 전송하며, 상기 전송부에서 상기 스위치 박스로 상기 계측 신호를 전송하기 위하여 상기 전송 스위치 제어부를 제어하여서 상기 스위칭 박스의 타이밍을 제어하고, 상기 수신부를 통하여 계측 정보를 전달받으며, 상기 스위칭 박스로부터 상기 계측 정보가 상기 수신부로 전달되도록 상기 수신 스위칭 제어부를 제어하여서 상기 스위칭 박스의 타이밍을 제어한다.
여기에서, 상기 필드 시스템은 아날로그 디지털 변환기를 구비하고, 이 아날로그 디지털 변환기를 이용한 신호처리방식을 채택하여 송신주파수 및 측정자료의 샘플수를 조절하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 전기비저항을 측정할 수 있는 시추공을 설치하고 지표 등에 원격 자료측정 송수신 장치를 설치하여, 2차원 또는 3차원의 해석결과를 이용해서 그라우팅 보강영역에 대해 영상화하고 지반보강효과를 판정하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 전기비저항을 측정할 수 있는 시추공을 설치하고 지표 등에 원격 자료측정 송수신 장치를 설치하여, 지반보강 전, 지반보강 중, 지반 보강 후에 전기비저항을 측정하고 비교 분석하여 해석하되, 공간영역뿐만 아니라 시간 축에 따른 제한을 도입하여 해석하는 것을 특징으로 하는 실시간 전기비저항 측정 시스템.
본 발명에 따른 실시간 전기비저항 측정 시스템은 상기 오피스 시스템 및 필드 시스템으로부터 측정한 값을 이용하여 전기비저항 탐사 자료의 역산을 수행하며, 상기 역산은

로 수행되며,

로 정의되고,

는 전기비저항분포 ρ(x,y,z)로부터 계산되는 이론치로 정의되며, g는 현장측정값으로 정의되고,

는 지하구조모델을 구성하는 각 블록의 분해능에 따라 계산된 랑그랑지 곱수의 공간함으로 정의되며,

는 전기비저항분포로 정의됨을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 실시간 전기비저항 측정 시스템은, 상기 오피스 시스템 및 필드 시스템으로부터 측정한 값을 아래의 목적함수로 해석하되,

를 목적함수로 사용하고,

은 측정자료와 이론자료 간의 오차,

은 모델제한자 그리고

은 시간제한자로 정의되며, 모델변수의 시간적 변화량

는

로 정의되고, 시간제한자

는

,

으로 정의되며, τ는

,

로 정의되고, 증분벡터

는

로 정의되는 시간경과 역산법을 수행함을 특징으로 한다.

여기에서, 상기

은 '0' 그리고 상기

는 '1'로 적용될 수 있다.

삭제

를 목적함수로 사용하고(여기서

와

는 각각 공간 영역과 시간 영역에서 역산에 제한을 가하는 함수, λ와 α는 이들 두 제한의 정도를 제어하는 라그랑지 곱수),

상기

는

,

는

로 정의되며(여기서 행렬 M은 대각열과 한 개의 부대각열(sub-diagonal elements)이 각각 1과 -1로 구성된 정방행렬),

증분벡터 ΔU는

로 정의되는(여기서 W_d 는 자료 가중행렬, A는 기준 공간모델 벡터로 구성된 시공간 모델 U에 대한 편미분 행렬, C는 공간 영역에서의 평활화 제한 연산자) 4차원 역산법을 수행함을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명에 의하면 댐과 같은 지반 구조물의 연약대나 누수구간 탐지의 전기비저항 탐사를 위한 원격 제어를 통한 모니터링이 가능하고, 상기 모니터링에 의하여 전기비저항 탐사가 상시관측에 의하여 지속적으로 이루어질 수 있어서 시간적 변화에 따른 자료의 변화를 효과적으로 비교분석할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 지하구조 모델을 공간적으로 해석하여 역산을 수행함으로써 실시간 전기비저항 측정 효율을 개선할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 최초 측정 자료를 역산하여 얻어진 모델 변수와 시간 경과후 변화된 모델 변수를 비교분석한 시간경과 역산법을 적용하여 실시간 전기비저항 측정 효율을 개선할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 그라우팅 지반보강영역에 전기비저항을 측정할 수 있는 시추공을, 지표 등에 원격 자료측정송수신 장치를 설치하고, 코드분할다중접속(CDMA) 무선통신방식과 2차원 또는 3차원의 해석결과를 이용하여 그라우팅 보강영역에 대해 영상화하고 그라우팅 공법에 의한 지반보강효과를 판정할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 지하구조를 단순한 공간모델이 아닌 시간에 따라 연

속적으로 변화하는 시공간 모델로 정의하여 공간영역뿐만 아니라 시간 축에 따른 제한을 도입하는 4차원 역산법으로 해석함으로써 역산의 안정성은 물론 역산잡음의 최소를 기할 수 있으며, 터널 시공현장에 적용하여 단층대에 대한 보강영역을 효과적으로 파악할 수 있다.

도 1은 일반적인 전기비저항 탐사기의 모식도.
도 2는 균질 매질에서의 전류 및 등전위선 분포도.
도 3은 비균질 매질에서의 전류 및 등전위선 분포도.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 실시간 전기비저항 측정 시스템의 블록도.
도 5는 전기비저항 측선의 위치 선정을 위한 전기비저항 탐사 측선도.
도 6은 Line 1 위치의 전극간격 5m의 쌍극자 배열에 따른 결과단면에 대한 전기비저항탐사 결과에 대한 시뮬레이션 차트.
도 7은 Line 1 위치의 전극간격 5m의 변형된 단극배열에 따른 결과단면에 대한 전기비저항탐사 결과에 대한 시뮬레이션 차트.
도 8은 Line 1 위치의 전극간격 10m의 쌍극자 배열에 따른 결과단면에 대한 전기비저항탐사 결과에 대한 시뮬레이션 차트.
도 9는 Line 1 위치의 전극간격 10m의 변형된 단극배열에 따른 결과단면에 대한 전기비저항탐사 결과에 대한 시뮬레이션 차트.
도 10은 Lin 1 위치의 전위감쇄곡선.
도 11은 Line 1 내지 Line 4 위치들에 대한 전위감쇄곡선.
도 12는 분석 프로그램의 유저 인터페이스.
도 13은 도 12의 전기비저항 기본 측정변수를 입력하는 유저 인터페이스.
도 14는 도 12에 연동하여 결과(Result)를 보여주는 그래프.
도 15는 도 12에 연동하여 이차원 분석 결과를 보여주는 차트.
도 16은 도 12에 연동하여 결과와 이차원분석을 같이 대비하여 도시하는 차트.
도 17은 본 발명의 제2실시예에 따른 임베디드 기반 실시간 전기비저항 측정 시스템의 개요도.
도 18a 내지 도 18c는 전기비저항 모니터링 해석 알고리즘의 개념을 나타내는 도면.
도 19a 내지 도 19c는 댐 그라우팅 보강 효과 파악을 위한 전기비저항 모니터링 탐사 영상.
도 20은 댐마루에서의 전기비저항 변화비를 나타내는 영상.
도 21a 내지 도 21d는 댐체의 단계별 전기비저항 영상.
도 22는 도 21에 나타낸 Phase 3/Phase 2의 전기비저항 변화비를 나타내는 영상.
도 23은 터널 내 낙반구간 뒷채움시 전기비저항 토모그래피 탐사 결과 영상.
도 24a 내지 도 24c는 도 23에 나타낸 phase5/phase4, phase6/phase5, phase7/phase6의 전기비저항 변화비를 나타내는 영상.
도 25a 내지 도 25c는 터널 예정지역에서의 전기비저항 영상 및 phase5/phase4, phase7/phase6의 전기비저항 변화비를 나타내는 영상.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 시간적 변화에 따른 지반 물성의 변화를 탐지하는 기술을 개시하며 전기비저항 값의 변화를 실시간으로 상시관측하는 구성을 갖는다.

본 발명에 따른 상시관측은 일반적인 물리탐사에 비하여 측정의 정밀도가 훨씬 높아야 하며 매 측정은 동일한 위치에서 이루어져야 한다. 그리고 측정을 위한 송수신기는 동일한 위치에 고정되어야 한다.

대부분의 물리탐사 자료는 송수신기간의 거리 및 위치에 따라 매우 민감하게 변화하므로 상시관측을 위해서는 송수신의 기하학 위치는 물론 각종 탐사변수가 동일한 값으로 고정되어야만 한다. 또한, 각종 인공잡음에 의한 영향을 최대한 억제할 수 있는 시스템의 구축이 요구된다.

따라서, 본 발명에 따른 실시예는 상시관측 모니터링을 위하여 설계된 시스템을 구성하며 모니터링을 제어하기 위한 소프트웨어(프로그램)를 탑재한다.

먼저, 본 발명의 제1실시예에 대하여 설명한다.

제1실시예

<전기비저항 탐사의 원리>

지구의 내부를 이루고 있는 암석들은 암석의 공극률, 공극내의 유체의 성질, 유체의 포화도(saturation), 조암광물의 종류, 암석 구성 입자의 크기 및 성질, 암석의 고화도, 점토광물의 존재 여부 등 암석 자체의 성질과 파쇄대, 균열대, 단층 등의 외부적인 요인에 의해 각기 다른 전기비저항 값을 갖게 된다. 전기비저항 탐사는 이러한 지하의 전기비저항 분포를 알아내서 지하구조를 규명하기 위한 것이다.

전기비저항은 암석시료에 전류 I를 흘려보내고 시료의 양단에 걸리는 전압차 △V를 측정하여 <수학식 1>에 의하여 계산될 수 있다.

따라서 전기비저항 ρ는 물체의 모양이나 크기에는 관계없는 물체의 전기적 특성을 나타내는 것으로 단위는 ohm-m가 된다. 여기에서 A는 단위 면적 그리고 L은 측정 거리를 의미하는 상수이다.

암석의 전기비저항에 영향을 주는 요소는 (1) 암석내의 유체 함량 및 공극의 연결성, (2) 유체의 이온 농도, (3) 유체의 온도, (4) 점토광물의 함량 등이다. 이중 유체 함량 및 공극의 연결성은 암석의 종류 및 지질학적 변형에 크게 좌우되므로 전기비저항 탐사에서 가장 중요하게 고려되어야 할 사항이다.

도 1은 전기비저항 탐사기에 대한 개략적인 모식도를 나타낸 것이다.

전기비저항 탐사기는 전원과 연결되어 있는 전류계를 통해 두 개의 전류전극(C_1, C₂)에 전원을 공급한 후 두 개의 전위전극(P₁, P₂)과 연결되어 있는 전위계(Voltmeter)를 통해 전위차를 측정하고 전위차를 흘려준 전류로 나눈 값 즉 저항 값을 읽게 된다.

도 2와 같이 전기비저항 탐사를 위하여 균일한 지하매질에 전류 전극 C₁과 C₂를 통해 일정한 전류를 흘려주면 전류는 도 1과 같이 전류 경로(Path)를 통해 C₁에서 C₂로 흘러간다. 이때 전류 경로에 수직하게 같은 값의 전위를 갖는 등전위선이 형성되는데 이 등전위선은 지면까지 이어지게 되고 지표에 설치된 전위계는 전위전극 P₁과 P₂ 사이의 전위차를 측정한다.

전류전극과 전위전극의 위치, 흘려준 전류량과 측정된 전위차를 이용하면 균질한 지하 매질의 정확한 참 비저항 값을 알 수 있게 된다.

그러나 도 3과 같이 이상체가 지하에 존재하게 되면 전기비저항 탐사를 위하여 흘려주는 전류는 전기비저항이 낮은 물질 쪽으로 더 많이 흐르게 되며 결국 전류 경로에 수직인 등전위선에 변형을 일으키고 지표면에서 측정되는 전위차에도 영향을 미치게 된다. 이로부터 지표면에서 측정한 전위차를 이용하여 지하매질의 전기적인 이상대에 관한 정보를 가지고 있는 겉보기 비저항을 얻을 수 있다.

이와 같이 전기비저항 탐사는 상술한 바와 같은 방법으로 지하에 일정한 전류를 흘려보낸 후, 전위차를 측정하여 겉보기 비저항을 구하고 이를 해석하여 지하의 지질구조, 파쇄대나 균열대, 지하수 등의 분포를 파악하는 탐사방법이다.

전기비저항 탐사에 사용되는 전극배열법은 단극(Pole-Pole), 단극-쌍극자(Pole-Dipole), 쌍극자(Dipole-Dipole), 슐럼버져(Schlumberger), 웨너(Wenner), 변형된 단극(Modified Pole-Pole) 및 변형된 쌍극자(Modified Dipole-Dipole) 배열 등이 있다.

<전기비저항 탐사 방법>

전기비저항 모니터링 기법은 일반적인 전기비저항 탐사 방법의 수행순서와 동일하다. 다만, 정기적인 자료 측정을 위해 전극 및 케이블 매설 작업이 추가로 발생하게 되며, 탐사방법의 수행 순서는 다음과 같이 진행된다.

(1) 조사 지역에 대한 고찰을 통해 측선 설계

(2) 해석하고자 하는 범위와 심도에 따라 적절한 측선 및 전극 간격 선정

(3) 현장 탐사

① 측량 자료 및 줄자 등을 통한 측점 위치 선정

② 측점 위치에 전극 및 전기비저항 측선 매설

③ 전선을 각 전극에 연결

④ 전선을 배전반에 연결

⑤ 멀티메터(Multimeter)를 통해 각 측점의 접촉 저항 측정

⑥ 접촉 저항이 불량한 곳에 대해서 염수 주입 또는 측점 위치 조정

⑦ 배전반과 탐사기를 전선으로 연결하여 전류 전극에 전류를 보내준 후 전위전극을 통해 전위차 측정

⑧ 해당 전기비저항 측선에 대한 최종적인 가단면도 작성

⑨ 각 전기비저항 측선에 대해 ①~⑧ 과정 반복

(4) 자료 처리 및 해석

① 가단면도상의 측정값을 자료처리 소프트웨어에 입력

② 각 측선에 대한 측점 좌표 및 지형값 입력

③ 지형 보정

④ 정밀지표지질 조사 및 시추 자료 등의 타조사 자료 검토

⑤ 이용 가능한 모든 자료를 분석하여 종합 해석

<자료처리 및 해석>

-전기비저항 탐사 자료처리 및 해석-

전기비저항 탐사 자료처리 및 해석을 위한 역산은 대부분 현장에서 측정된 측정값과 수치 지하구조 모델에서 계산되는 이론 측정값의 차이, 즉 실측치와 이론치 간의 오차 ε을 최소화하는 모델을 찾는 데 목적이 있다. 즉 지하 전기비저항 분포를 ρ라고 하고, 현장 측정값을 g라고 하면, 오차 ε은 <수학식 2>와 같이 표시될 수 있다.

여기서 전기비저항 분포를 ρ(x,y,z)로 나타낸 것은 3차원 탐사자료의 해석을 위함이므로 지하 전기비저항 분포가 3차원 공간좌표의 함수임을 의미하며, 물론 2차원 탐사자료의 역산일 경우에는 ρ(x,z)와 같이 (x,z)의 2차원 공간좌표로 표시되어야 할 것이다.

여기에서,

는 전기비저항 분포 ρ(x,y,z)로부터 계산되는 이론치를 의미하고, 함수 F는 주어진 지하구조 모형으로부터 측정값을 계산하는 수치 모델링을 의미하며 대부분 유한차분 또는 유한요소 모델링 방법을 이용한다. 조사자료의 역산에 유한요소 수치 모델링 기법이 이용될 수 있다.

전기비저항 탐사 자료의 역산은 오차 ε을 최소화하는 모델 ρ(x,y,z)를 찾는 데에 목적이 있다. 실제적으로는 오차의 제곱을 최소화하는 방법을 취하며, 따라서 최소자승 역산이라고 한다. 그러나 오차만을 최소화하는 지하구조 모델을 계산함은 실제로는 의미가 없는 모델이 계산될 가능성이 클 뿐만 아니라, 계산과정에서 오차가 수렴하지 않고 발산하여 역산할 수 없지는 경우가 대부분이다. 이 때문에 단순히 오차를 최소화하는 방법을 취하지 않고, 지하 구조모델에 어떤 규칙성을 갖도록 하면서 오차를 최소화하는 방법이 선택된다. 모델에 규칙성을 부여하는 방법 중 가장 많이 사용되는 것이 물성이 부드럽게 변화하도록 하는 것인데, 이를 평활화제한 최소자승역산이라 한다. 이는 <수학식 3>으로 표시된다.

<수학식 3>에서 λ는 상수로서, 오차의 최소화와 지하구조 모델에 가하는 제한 즉 두 항목 사이의 균형을 유지하는 역할을 하며 라그랑지 곱수(Lagrangian multiplier)라고 한다. λ가 작은 경우에는 주로 오차를 최소화하는 방향으로, λ가 큰 경우에는 지하 모델의 규칙성을 강조하는 방향으로 역산이 진행된다. 현재까지의 대부분의 전기비저항 역산은 이 알고리즘에 의존하고 있다.

한편, 본 출원인은 역산에 있어서 분해능을 좌우하는 주요한 요소의 하나가 라그랑지 곱수 λ에 있음을 주목하고, λ를 상수가 아닌 공간 함수로서 개념을 새로이 설정하였다. λ를 지하구조 모델을 구성하는 각 블록의 분해능에 따라 능동적으로 λ의 공간 분포를 계산하여 이를 역산에 이용하는 방법을 개발하였으며, 이를 ACB(Active Constraint Balancing) 법이라고 명명한다.

ACB 법을 이용한 역산은 <수학식 4>와 같이 표시된다.

ACB 법에서 상수가 아닌 공간함수 λ는 각 블록의 분해능을 계산하여 그 분해능의 고저에 따라 자동으로 결정될 수 있다. 이와 같이 능동적으로 계산된 라그랑지 곱수 λ를 이용함으로써 역산결과 얻어지는 지하구조모형은 주어진 자료에 대해 최대한의 분해능을 갖는 영상이 된다. 이와 같은 접근은 2차원 탐사자료의 역산에서도 동일하게 이용될 수 있으며, 2차원의 경우

및

가

및

로 표시되는 것이 다를 뿐이다.

-전기비저항탐사 모니터링 자료처리 및 해석-

일반적인 전기비저항 탐사의 경우 1회의 측정에서 얻어진 자료를 단독역산하여 지하 매질의 물성을 추정하는데 사용되고 있다.

본 발명에서 사용된 시간경과 역산법은 모니터링 자료의 해석을 위한 역산방법으로서 최초 측정 자료를 역산하여 얻어진 모델변수를 기준모델로 설정하고, 시간경과 후 변화된 모델변수를 얻는다.

이를 위해서 모델변수의 시간적 변화량에 제한을 가하는 방법이 요구된다. 지하 모델변수가 시간이 경과해도 큰 변화가 없다고 가정하고 시간경과에 따른 모델변수의 변화량을 최소화하는 방법이 적용될 수 있다. 이러한 접근법은 모델변수에 공간적 평활화제한을 가하는 동시에 시간적 제한을 가하는 방법이다.

이러한 가정을 모두 만족하는 목적함수는 <수학식 5>와 같이 쓸 수 있다.

: time weighting matrix

: normalized changes of model parameters in time

<수학식 5>는

에 시간경과 역산에 필요한 시간제한자(time constraint)를 포함시킨 함수이다. 첫째 항은 측정자료와 이론자료 사이의 오차, 둘째 항은 모델제한자, 셋째 항은 시간경과 역산에서 제안된 시간제한자를 나타낸다.

모델변수의 시간적 변화량

는 로

정의된다. 이는 모델변수가 시간적으로 지수 함수적으로 변화한다는 가정에서 로그스케일 상에서의 차를 변화량으로 정의하였다.

Loke (1999)는 기준모델에 대한 모델변수의 변화량을 최소화하는 교차 모델 제한법(cross-model constraint)을 사용하면 효과적으로 변화된 영역을 탐지할 수 있다고 주장한 바 있다. 물론 이 방법은 변화량을 추정하는데 효과적이지만 지하매질은 시간에 따라 물성변화가 발생하는 영역의 크기와 물성의 차이가 크지 않다는 점을 고려하면, 일률적으로 모델의 물성변화를 억제할 경우 오히려 변화가 크지 않은 변화대는 탐지가 어려워질 수도 있다. 따라서 시간적 변화가 있는 모델변수는 그 변화를 강조하고, 거의 변화가 없는 모델변수는 기준모델과 근접한 값을 나타내는 역산법이 모니터링 자료의 해석에 효과적일 것이다.

이러한 관점에서 본다면 모델변수의 시간적 변화량

에 가해지는 시간제한자

는

가 작으면 큰 제한을 가하여 기준모델 값에 근접하게 하고,

가 클 경우 약한 제한을 가하여 역산에 의해 모델변수의 해를 찾아가게 된다. 이런 조건을 만족시키는 시간적 가중함수는 MGS법(Portniaguine and Zhdanov, 1999)과 유사하게 <수학식 6>과 같이 생각할 수 있다.

<수학식 6>에서 τ는 매우 작은 양수이며,

일 경우

이 되고,

은 일반적인 평활화제한법이 된다. 반면 모델변수의 시간적 변화량

이면

이 되고, 해당 모델변수에 강한 제약을 가하여 기준모델 값에 근접하도록 제한하다. 또한, 시간적 가중함수는

의 값을 가지므로 공간적 평활화 모델제한자

과 유사한 범위를 갖도록 설정해 줌으로서 가중함수들 사이의 균형(balance)도 유지할 수 있다는 장점이 있다.

<수학식 6>에 주어진 τ는

와 함께

의 값을 결정하는 요소이다. τ 값이

에 비하여 매우 클 경우에는

이 되어 시간적 변화를 억제하게 될 것이며, 또한 τ가

에 비하여 너무 작게 되면

이 되어 시간적 변화량에 제한을 가하는 의미를 상실하게 된다. 따라서 적절한 τ의 결정은 역산결과 영상을 좌우하는 중요한 역할을 하게 된다. τ는 크기가 작을수록 현장자료에 근거한 모델변수 값을 가지도록 제한을 가하며, 클수록 모델변수의 변화를 강하게 억제하여 기준모델에 근접한 모델변수 값을 산출하게 된다.

본 발명에 따른 실시예에서는

가 작은 모델변수는 큰 τ 값을 부여하여 모델에 큰 제한을 가하여 기준모델에 근접시키고,

가 클 경우에는 작은 τ값을 부여하여 모델에 가하는 제한을 최소화 함으로서 자료에 근거한 모델변수 값을 역산하도록 하였다. 즉, τ를 모델변수의 시간적 변화량

에 따라 유동적으로 연결하여, 기준모델에서 크게 변화된 모델변수는 강조하고, 상대적으로 미세한 변화를 보이는 모델변수는 기준 모델에 근접하도록 하였다. 이러한 특성을 잘 반영하는 τ는 ACB법의 공간함수와 유사하게 <수학식 7>을 사용하여 결정할 수 있다.

여기서

과

는 ACB법에서의 라그랑지 곱수 λ와 유사하게 적절한 범위를 설정해 주면 되며, 본 발명에선

,

의 값을 사용하였다.

<수학식 7>의 시간제한자를 사용한 역산은 모델변수 중 가장 변화가 큰 모델 변수를 강조하는 특성을 보이는 단점을 가지게 된다.

즉 이 방법은 시간적 변화량이 큰 모델변수의 변화를 가속시키게 되며, 결과적으로 변화영역이 한 곳으로 한정되어 가장 변화가 큰 모델변수에 대해서만 응집된 영상(focused image)을 제공하게 된다. 따라서 변화된 영역이 작고, 변화대의 수가 한 개일 때만 효과적인 역산법이 된다.

그러나 대부분은 이러한 조건을 만족하기 어렵다. 즉 모니터링 자료에서 변화대가 1개 이상인 경우가 비일비재하며, 변화량의 크기도 변화대에 따라 다를 수밖에 없다. 이러한 경우에 위의 방법을 그대로 적용하게 되면 변화량의 크기에 따라 제한을 가하므로, 여러 변화대중 변화량의 크기가 가장 큰 모델변수만이 최종 역산 영상에 강조되어 나타나게 되며, 나머지 변화대는 기준모델에 근접한 결과를 보이게 된다. 이러한 방법은 조사 영역내에 존재하는 최대 변화대를 탐지하는 데는 효과적일 수 있으나, 조사지역의 전반적인 변화대 파악에는 적용성이 떨어진다는 한계가 있다.

<수학식 6>에 목적함수를 최소화하는 증분벡터 △ρ를 구하면 <수학식 8>이 된다.

<측정 시스템>

본 발명에 따른 실시간 전기비저항 측정 시스템은 도 4와 같이 오피스(Office) 시스템(10)과 필드(Field) 시스템(20)을 포함한다.

본 발명에 따른 실시예는 모니터링이라는 관점에서 측정자료의 실시간 측정과 시간의 흐름이라는 연속성이라는 개념을 구현하는 구성을 갖는다.

즉, 본 발명에 따른 실시예는 실시간 측정뿐만 아니라 무선 원격 제어방식중의 하나인 CDMA(코드분할다중접속)방식을 채용함으로써 사무실에서 연속적인 측정을 위한 시스템의 제어가 가능한 구성을 갖는다.

그리고 본 발명에 따른 실시예는 일반적인 전기비저항 측정시스템에 제공하지 않는 측정방법을 추가하였다. 일반적으로 2차원 전기비저항 탐사의 자료측정은 C₂ C₁ P₁ P₂의 정방향 순서로 측정하게 된다. 이론적으로는 한 번의 측정으로 측정자료는 기록되며, 일반적인 전기비저항 탐사 시스템이 그러하다. 그러나 본 발명에 따른 실시예는 P₂ P₁ C₁ C₂의 역방향 자료를 함께 측정하고 그 값을 정규화(normalize)하여 측정값의 정밀도를 높일 수 있으며, 측정값의 위상 및 오차값을 함께 기록하여 주변 잡음정도도 쉽게 확인할 수 있도록 설계되었다.

그리고 본 발명에 따른 실시예는 다중 채널을 이용한 시스템으로 구성되었다. 또한, 뇌우 등의 자연현상으로부터 시스템 보호기능이 추가되어 송수신이 분리되게 시스템이 구성되었다.

한편, 본 발명에 따른 실시예는 양방향 CDMA 통신 방법을 이용하여 시스템의 자체 점검 및 자료 획득의 시기 조절이 가능하다. 이러한 변수는 후술되는 프로그램에 의한 제어 방식으로 이루어진다.

또한, 본 발명에 따른 실시예는 아날로그/디지털 센서류의 구성으로 측정물성의 특징에 따라 일차적인 전기비저항, 수위, 수온, 지중경사계 등의 종합 자료 획득이 가능한 장점이 있다.

상술한 구성을 이루는 본 발명에 따른 오피스 시스템(10)과 필드 시스템(20)의 구성을 더욱 상세히 살펴본다.

도 4와 같이 오피스 시스템(10)은 시스템 제어부(12)를 기반으로 동작되는 프로세싱 유니트(14)와 데이터베이스(16)를 구비하며, 시스템 제어부(12)는 CDMA 모뎀(18)을 통하여 필드 시스템(20)과 데이터를 송수신하는 구성을 갖는다.

여기에서 시스템 제어부(12)는 프로세싱 유니트(14)를 구동하여 탐사 제어 및 분석을 수행하며, 프로세싱 유니트(14)는 탐사 제어를 위한 실시간 전기비저항 탐사 제어 프로그램과 탐사 결과의 분석을 위한 분석 프로그램을 탑재할 수 있다. 그리고 데이터베이스(16)는 탐사 결과에 대응하는 데이터를 저장한다.

그리고 필드 시스템(20)은 시스템 제어부(22), 센서부(24) 및 전기비저항 제어부(26)를 포함한다.

여기에서 센서부(24)는 디지털 센서류(30)와 아날로그 센서류(32)를 포함하며, 디지털 센서류(30)에는 틸트 센서 및 가속 센서 등이 포함될 수 있고, 아날로그 센서류(32)에는 온도 센서나 습도 센서 등이 포함될 수 있다.

그리고 전기비저항 제어부(26)는 스위칭 박스(40)와 전기비저항 측선 연결 전극 어레이(42)가 구성되며, 스위칭 박스(40)는 복수 개의 채널을 가지며 각 채널에 대한 스위칭을 수행하여서 전기비저항 측선 연결 전극 어레이(42)와 시스템 제어부(22) 간의 통신을 수행하는 허브 역할을 수행한다. 그리고 전기비저항 측선 연결 전극 어레이(42)는 전기비저항 측선을 연결하는 전극들이 어레이로 구성되고 각 전극들이 스위칭 박스(40)의 각 채널에 병렬로 연결된 구성을 갖는다.

한편, 시스템 제어부(22)는 중앙처리부(50), 메모리(52), 전송부(54), 수신부(56), 전송 스위치 제어부(58), 수신 스위치 제어부(60) 및 CDMA 모뎀(62)을 포함하는 구성을 갖는다.

여기에서, 중앙처리부(50)는 CDMA 모뎀(62)을 통하여 오피스 시스템(10)과 통신을 수행하면서 전기비저항 탐사의 송수신을 제어하며 전기비저항 측선을 이용하여 탐사를 수행하여 자료를 획득하는 제어를 수행한다. 그리고 중앙처리부(50)는 탐사된 자료를 저장하는 플래시 저장소인 메모리(52)를 구비한다.

중앙처리부(50)는 센서부(24)의 디지털 센서류(30) 및 아날로그 센서류(32)들이 접속되어서 탐사 환경에 대한 종합적인 정보를 취득한다.

중앙처리부(50)는 C₂ C₁ P₁ P₂의 정방향 순서로 측정과 P2 P1 C1 C₂의 역방향 순서로 측정을 수행하기 위한 계측 신호를 전송부(54)로 전송하는 구성을 가지며, 전송 스위치 제어부(56)는 중앙처리부(50)의 제어에 동기하여서 스위칭 박스(40)를 제어하도록 구성되어서 전송부(54)에서 전송하는 계측 신호가 스위칭 박스(40)에 연결된 전기비저항 측선 연결 전극 어레이(42)로 전달되는 타이밍을 제어한다.

그리고 중앙처리부(50)는 수신 스위칭 제어부(60)의 수신 타이밍을 제어하도록 구성되며, 그에 따라서 수신 스위칭 제어부(60)는 계측 신호에 대응하여 발생되는 전기비저항 측선 연결 전극 어레이(42)의 계측 정보를 스위칭박스(40)를 통하여 수신부(56)로 전달하도록 구성되고, 수신부(56)는 이와 같이 수신된 계측 정보를 중앙처리부(50)로 전달하는 구성을 갖는다.

스위칭 박스(40)는 전기비저항 측선 연결 전극 어레이(42)의 각 전극에 연결된 전기비저항 측선을 명령에 따라 연결해 주는 시스템이며 일반적인 전기비저항 탐사에서 많이 사용되는 배전반의 기능을 통합하여 구성될 수 있다. 그리고 시스템 제어부(22)와 기능적으로 분리되게 구성되며 그에 따라 낙뢰 등에 의한 시스템의 손상을 방지할 수 있다.

<측선의 구성>

본 발명에 따른 실시예에 구성되는 전기비저항 측선은 모니터링을 위하여 지중에 매설될 수 있으며, 댐과 같은 구조물의 경우 누수구간 탐지를 위해 대부분 댐마루에 전기비저항 측선을 설계하게 된다.

그러나 댐의 경우에는 지중 센서 등의 장비가 이미 매설되어 있으며, 이러한 상시 관측 장비들은 전기비저항 탐사 측면에서는 측정자료의 전기적 잡음 요소로 작용하므로 전기적 잡음 수준을 파악한 후 효과적인 모니터링을 수행하기 위한 전기비저항 측선의 위치 선정이 필요하다.

하나의 예로서 도 5와 같이 댐에 4 개의 위치를 선정하여 예비조사를 함으로써 이들 중 최적의 전기비저항 측선의 위치를 결정할 수 있다.

도 5는 전기비저항 측선의 지중 매설 위치 선정을 위해서 누수구간 탐지 및 안전성 검토를 위해 댐마루와 평행한 본 댐 구간에 대하여 4개의 측선(Line 1, Line 2, Line 3, Line 4)을 선정한 것을 예시하였으며, 댐의 상류에서 하류로 평행하게 측선들이 위치된다. 그리고 각 측선에서 예비조사를 위한 전기비저항탐사의 자료측정은 전극간격 5, 10m 쌍극자배열법 및 변형된 단극배열법의 방식을 적용하여 실시될 수 있다.

도 6은 Line 1의 전극간격 5m의 쌍극자 배열에 따른 결과단면에 대한 전기비저항탐사 결과에 대한 시뮬레이션 차트이며, 도 7은 Line 1의 전극간격 5m의 변형된 단극배열에 따른 결과단면에 대한 전기비저항탐사 결과에 대한 시뮬레이션 차트이고, 도 8은 Line 1의 전극간격 10m의 쌍극자 배열에 따른 결과단면에 대한 전기비저항탐사 결과에 대한 시뮬레이션 차트이며, 도 9는 Line 1의 전극간격 10m의 변형된 단극배열에 따른 결과단면에 대한 전기비저항탐사 결과에 대한 시뮬레이션 차트이다.

도 6 내지 도 9의 탐사결과를 참조하면 측선을 따라 불규칙적인 잡음이 존재함을 보여주며, 이는 인공구조물이나 기존 매설물에 의한 영향에 의한 것이다. 도 10의 전위감쇄곡선은 측선을 따라 전기적 잡음이 혼재되어 있음을 명확히 보여준다.

상술한 방법으로 여러 위치(Line 1, Line2, Line 3, Line4)에 대한 전기비저항탐사를 실시할 수 있다. 지중에 매설된 전력선, 계측 자료 전송을 위한 광케이블 등 각종 인공 구조물들이 전기비저항 탐사에서 전자기적 잡음의 요인이 되며 전기비저항 결과를 왜곡할 수도 있다.

지중 매설 위치 선정을 위한 전기비저항탐사 결과는 각 측선에 따라 전기적 잡음 수준을 판단하여 가장 안정적인 특성을 갖는 위치를 전기비저항 측선의 설치 위치로 정할 수 있으며, 본 발명을 실시하기 위한 예비조사 결과 도 11의 전위감쇠곡선으로써 Line 2의 위치가 가장 신뢰할 수 있는 결과를 얻을 수 있을 위치로 확인되고 Line 2의 위치에 전기비저항 측선이 설치되어서 본 발명에 따른 실시예로 구성될 수 있다.

<프로그램>

도 4와 같이 오피스 시스템(10)은 시스템 제어부(12)를 기반으로 동작되는 프로세싱 유니트(14)를 구비하며, 프로세싱 유니트(14)는 탐사제어를 위한 실시간 전기비저항 탐사 제어 프로그램과 탐사 결과의 분석을 위한 분석 프로그램을 탑재할 수 있다.

본 발명에 따른 실시예로 구성되는 프로세싱 유니트는 상술한 자료처리 및 해석에 따른 알고리즘을 수행하도록 설계되며, 쌍극자 배열과 변형된 단극배열의 측정할 수 있도록 설계될 수 있다. 제작자의 의도에 따라 파라메터의 조작으로 다양한 배열의 측정이 옵션으로 선택되어서 이루어지도록 프로그램이 구성될 수 있다.

<분석 프로그램>

본 발명에 따른 분석 프로그램은 도 12와 같은 유저 인터페이스를 제공하면서 실행될 수 있도록 설계될 수 있다. 도 12의 유저 인터페이스는 접속(Connect), 결과(Result), 이차원분석(2D-Analysis), 결과+이차원분석(Result+2D-Anlysis) 및 종료(Close)를 실행하기 위한 버튼을 제공할 수 있다. 이들 버튼을 클릭하면 유저 인터페이스는 해당 동작을 실행한다.

-접속(Connect)-

이 명령어는 실시간 전기비저항 탐사기 제어 프로그램의 하나인 측정프로그램의 제어를 통해 자료 분석에 효과적으로 적용하기 위한 것이다. 일반적으로 측정프로그램의 경우 하드웨어 제어가 우선적으로 수행되어야 한다. 따라서 프로그램의 구성을 오피스 시스템(10)의 프로그램과의 통신, 자료측정, 측정된 자료를 오피스 시스템(10)으로 저장하는 기능으로 구분할 수 있다.

접속(Connect)은 오피스 시스템(10)과 필드 시스템(20)을 CDMA로써 연결하는 기능을 가지며 이 기능은 3가지의 세부 기능을 가질 수 있다.

즉, 접속 기능은 리셋(Reset), 전송(Send), 자료 획득(Acquire)와 같은 세부 기능을 갖는다.

이중 리셋은 필드 시스템(20)의 원격 리부팅 기능이며, 현장 장비의 기능적 문제가 발생하였을 때 원격으로 장비를 리부팅하는데 이용될 수 있다. 그리고 전송은 오피스 시스템(10)에서 필드 시스템(20)으로 측정 변수를 전송하는 기능을 수행하는데 이용될 수 있다. 그리고 자료 획득은 측정 변수의 전송이 완료된 후 필드 시스템(20)이 자료 획득을 시작하도록 하는 기능이다. 부가적으로 실행(Execute) 명령은 명령의 실행 그리고 측정자료의 폴더나 측정파일의 저장에 이용될 수 있다.

그리고 접속 명령은 유저 인터페이스에 제공되는 도 13의 전기비저항 기본 측정변수를 입력하는 란에 입력되는 변수에 따라 제어를 수행할 수 있다. 즉, 도 13의 유저 인터페이스를 이용하여 접속 명령은 접속방식으로 많이 사용하는 쌍극자 배열(Dipole-Dipole) 및 변형된 단극배열(Modified Pole-Pole)을 선택하거나 측정가능한 최대 전극수(No. of station)를 가변하거나 또는 전극간격 및 2차원 전기비저항탐사의 가탐심도를 결정하는 전극전개수(Electrode Separation Index(N))를 가변하여 실행될 수 있다.

-결과(Result)-

도 14는 결과(Result)를 보여주는 그래프이며, 결과 명령은 필드 시스템(20)에서 얻는 자료를 측정과 동시에 전위감쇠 곡선을 확인하는 기능을 제공한다.

도 14를 참조하면 전위감쇠곡선의 최대 전극수는 21개가 한번에 나타나며, 도 14의 결과창은 측정자료의 전극수가 21개보다 초과하는 경우 하단의 스크롤바를 이용하여 전위감쇠곡선의 유무를 확인하도록 설정될 수 있다.

-이차원분석(2D-Analysis)-

도 15는 이차원 분석 결과를 보여주는 차트이며, 이차원분석 명령은 필드 시스템(20)에서 얻는 자료를 측정과 동시에 확인하는 기능으로 2D 가상단면도 및 역산결과를 도 15와 같이 제공하는 기능을 갖는다.

-결과+이차원분석(Result+2D-Anlysis)-

도 16은 결과와 이차원분석을 같이 대비하여 도시하는 차트이며, 결과+이차원분석 명령은 도 16과 같이 측정 자료의 질을 분석할 수 있는 창을 제공한다.

-종료(Close)-

이 기능은 프로그램을 종료하는 것이다.

<실시간 전기비저항 탐사 제어 프로그램>

본 발명에 따른 실시간 전기비저항 측정 시스템은 원격 통신을 위한 모뎀, 스위칭 박스 및 디지털 센서 등의 하드웨어를 제어하는 실시간 전기비저항 탐사 제어 프로그램을 포함한다.

본 발명에 따른 시스템은 마이크로프로세서에 의하여 제어하며 실시간 전기비저항 탐사 제어 프로그램을 운용하기 위하여 하이퍼터미널(HyperTerminal)방식을 갖는다. 하이퍼터미널은 라우터나 스위치 등의 장비들을 COM포트나 TCP/IP방식의 LAN포트를 이용한 파일 전송을 통해 장비의 환경 설정을 수행할 수 있는 프로그램이며 손쉽게 시스템의 통신정보를 확인할 수 있다.

측정 프로그램에 의한 측정자료의 제어는 CDMA 모뎀을 구동하기 위한 명령어와 현장 자료 측정을 위한 명령어를 포함하며 하이퍼터미널 기반의 프로그램이므로 사용자입력 타입으로 키보드를 이용한 명령어 입력방식이 선택될 수 있다.

먼저, CDMA 모뎀 구동을 위한 명령어는 at, at+crm, atd의 세 가지 명령어를 포함할 수 있으며, at와 at+crm은 마이크로프로세서의 프로그램 구동을 위하여 일반적으로 사용되는 명령어이며 atd는 현장에 설치된 시스템과 연결하기 위하여 통신을 명령이며 호출을 위한 CDMA 모뎀의 호촐 코드(전화번호 등)와 같이 사용된다. 즉 atd 0108887777와 같이 사용될 수 있다.

그리고 현장 자료 측정을 위한 명령은 측정 시스템 실행을 위한 명령과 측정 자료의 편집이나 측정 자료 입력 변수를 사용하기 위한 편집 프로그램에 의한 명령을 포함할 수 있다.

이 중 측정 시스템을 위한 명령은 자동으로 시스템의 자료 측정을 수행하는 것과 자동으로 시스템을 재부팅하는 것 등 다양한 명령어를 포함할 수 있다. 이때 측정 시스템을 위한 명령은 자료 측정의 주기를 포함할 수 있으며 일정 단위 시간(예를 들면 6 시간)로 주기가 설정될 수 있다. 그리고 편집 프로그램에 의한 명령은 자료의 편집에 이용될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 실시간 전기 비저항 측정 시스템이 구현될 수 있으며, 실시간 전기 비저항 측정 시스템은 오피스 시스템(10)과 필드 시스템(20)이 구분되며, 현장의 필드 시스템(20)에 설치되는 전기비저항 측선은 예비조사를 통하여 최적의 위치로 판단된 곳에 설치되어서 모니터링될 수 있고 원격 제어를 통하여 전기비저항이 상시관측될 수 있다.

그리고 오피스 시스템(10)은 상술한 탐사제어를 위한 실시간 전기비저항 탐사 제어 프로그램과 탐사 결과의 분석을 위한 분석 프로그램을 탑재함으로써 원격에서 현장의 전기비저항 측선을 이용한 모니터링을 할 수 있고, 미리 설정된 주기에 따라서 시간 흐름을 가지고 모티터링한 자료를 확보하여 분석할 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 실시예는 시간 흐름에 기반한 역산을 수행하며 다양한 전극배열로 측정을 수행하도록 설정될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 실시예는 지하구조 모델을 공간적으로 해석한 역산과 최초 측정 자료를 역산하여 얻어진 모델 변수와 시간 경과후 변화된 모델 변수를 비교분석한 시간경과 역산법이 적용되어 실시간 전기비저항 측정 효율이 개선될 수 있다.

다음 본 발명의 제2실시예에 대하여 설명한다.

제2실시예

<임베디드 기반 실시간 전기비저항 측정 시스템>

도 17은 본 발명에 따른 임베디드 기반 실시간 전기비저항 측정 시스템의 개요도이다.

도시된 바와 같이 CDMA(코드분할다중접속)방식을 채택하여 현장인 필드 시스템과 사무실인 오피스 시스템에서도 실시간으로 자료획득이 가능하여 시간과 장소에 제약이 없이 실시간으로 전기비저항을 측정할 수 있다.

이를 통해 본 발명은 정밀도가 높은 만큼 그라우팅 효과 판정뿐만 아니라 지하수, 수리구조물의 누수탐지, 터널예정지역에서의 지하수 유동성 파악 등에 활용이 가능하다.

본 발명에 따른 임베디드 기반 실시간 전기비저항 측정 시스템의 구성은 도 4에 도시된 바와 같이 필드 시스템(20)과 오피스 시스템(10)으로 크게 나눌 수 있으며, 필드 시스템(20)은 센서부(26), 전기비저항 제어부(24), 시스템 제어부(22)로 이루어지고, 오피스 시스템(10)은 D/B(16)와 시스템 제어부(12)로 이루어진다.

각 시스템의 구성과 기능에 대해서는 도 4에서 설명했으므로 여기서는 상세한 설명을 약하고 제2실시예에 따른 특징에 대해서 설명한다.

필드 시스템(20)은 그라우팅 지반보강영역에서 그라우팅 유량 및 유압, 온도 센서부의 제어를 통하여 실시간 기록하고, 전기비저항 제어부(24)와의 간섭없이 유량 및 온도 데이터를 기록 오피스 시스템(10)에서 DB(16)로 데이터를 전송한다.

그라우팅 지반보강영역에서 시추를 목적(目的)하여 뚫은 구멍 즉 시추공을 통해 전기비저항을 측정하고, 이를 지표 등에 설치된 원격 자료측정 송수신 장치를 통해 시스템 제어부(22)에 전송한다.

측정시스템의 신호처리 방식은 아날로그 디지털 변환기(A/D CONVERTER)를 채택하여, 송신 주파수를 측정 프로그램에서 제어함으로써 측정자료의 샘플수를 임의로 조절하여 측정 자료의 신뢰성을 높일 수 있다.

또한, 상기 아날로그 디지털 변환기의 채택으로 측정물성의 특징에 따라 일차적인 전기비저항, 수위, 수온, 지중경사계 등의 종합 자료 획득 시스템 구축이 가능하고, 이를 통해 측정한 자료는 많은 양의 D/B 구축이 가능하여 모니터링을 통한 안전진단 비용 절감 효과, 지반의 안정성 평가의 기초자료를 실시간으로 제공한다.

일반적으로 2차원 전기비저항 탐사의 자료측정은 C2 C1 P1 P2의 정방향 순서로 측정하게 되나, 본 발명에서는 P2 P1 C1 C2의 역방향 자료를 함께 측정하고 그 값을 정규화(normalize)하여 측정자료의 신뢰성을 확인할 수 있고 측정값의 정밀도가 높다.

또한, 필드 시스템(20)에는 측정값의 위상 및 오차값을 함께 기록하여 주변 잡음정도도 쉽게 확인이 되는 모듈이 내장되고, 측정 채널의 무한 확장 및 뇌우 등의 자연현상으로부터 시스템 보호기능이 추가되어 전송부(54)와 수신부(56)가 분리된다.

그리고 양방향 CDMA 통신 방법을 이용하여 시스템의 자체 점검 및 자료 획득의 시기 조절이 가능하고, 이러한 자료획득 변수는 소프트웨어 제어 방식으로 이루어진다.

<해석 알고리즘>

도 18a 내지 도 18c는 전기비저항 모니터링 해석 알고리즘의 개념을 나타내는 도면이다.

모니터링 탐사의 궁극적인 목적은 지하의 변화를 정량적으로 평가하는데 있다.

도 18a에 도시된 바와 같이 일반화된 모니터링 해석방법은 다른 시간대에 획득한 탐사 자료(t1)를 독립적으로 역산하여 각 시간대의 영상을 얻은 후, 그들을 비교함으로써 시간에 대한 지반의 변화를 해석하고 관찰하는 접근 방식을 취한다.

그러나 이러한 접근 방식은 대부분 물성의 변화 정도가 그다지 크지 않기 때문에 역산잡음(inversion artifacts)이 포함될 가능성이 매우 높다.

지반 변화를 정량화하기 위해 변화량을 계산하여야 하며, 이때에 역산잡음이 증폭되어 정량적인 지반 변화의 평가는 물론 정성적으로도 잘못된 해석을 유발할 가능성이 크다.

한편, 실제 지반은 자료를 측정하는 순간에도 지하구조는 서서히 변화하고 있으며, 그라우팅 주입 중 또는 주입 완료 후의 경우가 대표적이라고 할 수 있다.

따라서 이러한 지반조건을 포함하여 정량적으로 신뢰할 수 있는 해석기법의 요구된다.

도 18b에 도시된 바와 같이 시간경과 역산법은 특정시간 대 기준자료(reference data)를 설정하고, 이 자료를 함께 다른 시간대 획득자료와 함께 해석함으로써 지반상태변화를 파악하는 방법이다.

도 18c에 도시된 바와 같이 4차원 역산법의 기본은 지하구조를 단순한 공간모델이 아닌 시간에 따라 연속적으로 변화하는 시공간 모델로 정의함에 있다.

이 방법은 앞선 해석방법과 달리 공간영역뿐만 아니라 시간 축에 따른 제한을 도입함으로써 역산의 안정성은 물론 역산잡음을 최소화할 수 있으며, 이를 터널 시공현장에 적용하여 단층대에 대한 보강영역을 효과적으로 파악할 수 있다.

4차원 역산법을 좀 더 구체적으로 설명하면, 시간에 따라 연속적으로 변화하는 지하구조를 일정한 시간간격으로 샘플링하면 지하구조는 다음과 같이 시공간 벡터 P는 수학식 9로 정의된다.

여기서 p_i는 시간 i에 대한 공간 모델 벡터이다.

시공간 벡터 P를 구성하는 공간 모델 벡터 p_i의 수가 대단히 많으므로, 이를 줄이기 위하여 다음과 같이 m(m<<n)개의 미리 선정된 시각

에 대한 기준 공간 모델 벡터

로 구성되는 새로운 공간 모델을 수학식 10으로 정의한다.

동일한 공간좌표에 대한 지하 물성이 시간에 대해 선형적으로 변화한다고 가정하면, 두 개의 시각

와

사이에 발생하는 물성변화 속도 벡터를 수학식 11로 정의할 수 있다.

이를 이용하여 임의의 시간 t에 대한 지하 공간 벡터를 수학식 12로 정의할 수 있다.

이와 같은 가정을 통하여 공간영역 지하공간 모델의 수를 줄였다고 하더라도, 시간의 흐름에 따른 지하구조의 반응을 계산하기 위한 수치 모델링은 원래의 수의 지하공간 모델에 의거 계산하여야 한다.

그러나 이는 대단히 긴 계산시간을 필요로 한다.

이 문제를 해결하기 위해 임의 시각

의 지하구조에 대한 수치 모델링을 다음과 같이 두 기준 시각의 수치 모델링 결과,

,

의 테일러(Taylor) 1차 급수 전개로 근사하여 이를 역산에 이용하면 수학식 13이 된다.

여기서

는 기준 공간 모델

에 대한 모델 반응의 편미분, 즉 자코비안 (Jacobian) 행렬이다.

위에서 논의한 바와 같은 가정과 근사를 채택하면 시공간 전체에 걸친 4차원 지하구조를 찾는 역산은 수 개의 기준 공간 모델, 즉 벡터 U를 구하는 문제로 단순화된다.

다음과 같이 측정자료를 벡터 d로 표시하고 오차 벡터 e와 예측오차 벡터 e'을 정의하자.

본 발명에서는 시공간 영역의 지하구조를 역산하는 알고리즘을 위해 통상적으로 채택하는 역산 제한, 즉 공간 영역의 제한뿐만 아니라 시간 축에 따른 제한을 도입한다.

본 발명에 따른 최소자승 역산은 다음의 목적함수를 최소화하는 문제로 정의된다.

여기서

와

는 각각 공간 영역과 시간 영역에서 역산에 제한을 가하는 함수이며, λ와 α는 이들 두 제한의 정도를 제어하는 라그랑지 곱수(Lagrangian multiplier)이다.

공간영역 제한으로는 평활화 제한을 도입하고, 시간 영역의 제한으로 시간적으로 인접하는 두 기준 공간 모델,

와

?사이에는 큰 변화는 발생하지 않는다는 가정을 도입하여 이와 같은 제한은 다음과 같은 수학식 16과 수학식 17 함수로 정의될 수 있다.

여기서 행렬 M은 대각열과 한 개의 부대각열(sub-diagonal elements)이 각각 1과 -1로 구성된 정방행렬이다.

목적함수를 증분 벡터 ΔU에 대해 미분하면 다음과 같은 증분 벡터에 대한 해를 얻을 수 있다.

여기서 W_d 는 자료 가중행렬이며 A는 기준 공간모델 벡터로 구성된 시공간 모델 U에 대한 편미분 행렬, 그리고 C는 공간 영역에서의 평활화 제한 연산자이다.

공간영역 제한의 경우, ACB(Active Constraint Balancing) 법을 도입하였으므로 공간영역 제한을 제어하기 위한 라그랑지 곱수는 대각행렬 A로 정의된다.

<적용례>

아래는 상기한 시스템과 분석 알고리즘을 적용한 결과이다.

첫 번째는 가물막이 제체의 지반보강 효과를 파악한 경우이다.

댐 비상여수로 건설을 위해 축조된 상류가물막이 구조물에 대하여 6개측선 전기비저항 모니터링탐사를 2회에 걸쳐 수행하여, 구조물 하부에 존재하는 누수 가능구간을 파악하고, 이를 토대로 그라우팅 보강구간을 선정하며, 그라우팅 시공 후 전기비저항 값의 변화를 분석하여 구조물의 보강영역 파악 및 구조물 안정성 검토를 위한 설계에 활용한다.

도 19a 내지 도 19c는 댐 그라우팅 보강 효과 파악을 위한 전기비저항 모니터링 탐사 영상으로서, 도 19a는 그라우팅 보강전, 도 19b 그라우팅 보강후, 도 19c는 그라우팅 보강 전/후 영상 비교이다.

전기비저항 모니터링 탐사는 동일 측선에서 주기적으로 자료를 획득하여 조사 지역 내의 전기비저항 물성의 변화를 분석하는 기술로서, 전기비저항의 물성 변화를 산출하기 위하여 각 단계별 전기비저항 영상을 나누는 방법으로 계산하는데, 이를 통상적으로 전기비저항 변화비라 정의한다.

전기비저항 변화비를 산정하기 위해서는 기준이 되는 단면과 변화 정도를 파악하고자 하는 단면이 필요하며, 변화비 산정결과에서 1 미만의 값은 전기비저항의 감소, 1 이상은 증가, 1은 변화가 없음을 의미한다(도 19c 참조).

포화상태에서 양생된 시멘트 모르타르는 양생 초기에서 전기비저항이 증가하는 양상을 나타내나 20일이 지난 후부터 그 증가 속도가 대단히 느리며, 60일이 지난 후에도 15 ohm-m 정도의 매우 낮은 전기비저항 값을 갖는다고 보고된 바 있다.

조사 지역의 경우 계절적인 요인으로 인해 침윤 수위의 등락이 있었으나 중심코어가 함수비가 높은 점토로 구성된 만큼 침윤선 상부 구간 역시 습윤한 상태를 유지할 것으로 판단되므로, 주입된 시멘트 모르타르는 포화, 또는 최소한 습윤 상태로 존재한다고 가정하여도 무리가 없다고 판단할 수 있다.

1차 측정을 통해 중심 점토 구간의 전기비저항이 대략 300 ohm-m 내외의 분포를 갖는 것으로 파악되었다.

이미 알려진 바와 같이 그라우팅의 주입은 전기비저항의 감소를 초래할 것은 자명하며, 2차 측정의 라인(Line) 4~5 결과에서와 같이 유사한 특성을 갖는 지층일 경우 그라우팅 주입재의 많을수록 전기비저항의 감소 폭은 더 크다는 것이 확인되었다.

1차 측정 결과와 2차 측정 결과의 변화비를 분석할 경우 그라우팅 주입에 따른 지반의 물성 변화 및 보강 평가에 효율적임을 알 수 있다.

도 20은 댐마루에서의 전기비저항 변화비를 나타내는 영상으로서, 그라우팅이 시공된 3m 하부에서부터 수평적으로 전기비저항의 감소가 관찰되며 변화 정도의 차이는 있으나 20m 심도 하부까지 전기비저항이 감소함을 알 수 있다.

기반암까지 연장되어 전기비저항의 감소하는 구간은 크게 4개소(A,B,C,D)로 판단되며 이들 중 B, C, D로 표기된 부분은 도 19에 나타낸 전기비저항 탐사 결과 저비저항 이상대와 일치하는 구간이다.

일반적으로 암반에서 관찰되는 저비저항 이상대는 단층등과 같은 지질 구조선의 영향일 가능성이 크며 이들은 대부분 암반의 파쇄를 수반하므로 투수계수가 높다.

또한, 전술한 바와 같이 그라우팅 주입재가 많을수록 전기비저항의 감소 폭은 더 크게 나타나므로 상대적으로 큰 폭의 전기비저항 감소 양상을 나타내는 A, B, C, D 구간은 인근의 그라우팅 주입재가 파쇄 및 절리면을 따라 유입된 것으로 분석할 수 있다.

두 번째는 3차원 전기비저항 탐사를 이용해 댐체에서 그라우팅 주입재의 영향을 파악한 경우로서, 댐체내 파이핑 현상으로 누수현상이 장기간 진행되면서 코아존에서 다량의 점토재료와 사력존에서 세립토가 유실되어 댐 정상부의 일부 구간에서 함몰이 발생한 경우이다.

3회에 걸쳐 전기비저항 모니터링 탐사를 수행하여 구조물의 안정성을 검토하고, 댐체의 보수, 보강 설계에 활용한다.

도 21a 내지 도 21d는 댐체의 단계별 전기비저항 영상으로서, 도 21a는 보강전(phase 1), 도 21b는 1차 보강후(phase 2), 도 21c는 2차 보강후(phase 3), 도 21d는 예상 그라우팅 주입영역을 나타낸다.

도 21에서 Phase 2(도 20b)를 Phase 1(도 21a)로 나누면 1차 보수, 보강의 효과에 대한 전기비저항 변화가 관찰되고, Phase 3(도 21c)을 Phase 1(도 21a)로 나누면 1차 및 2차 보수, 보강에 의한 효과를 Phase 1에 대해 전기비저항 물성변화 파악이 가능하다.

또한, Phase 3(도 21c)을 Phase 2(도 21b)의 결과로 나누면 1차 보강 및 2차 보수 보강 효과에 대한 판단을 할 수 있다(도 21d 참조).

도 22는 도 21에 나타낸 Phase 3/Phase 2의 전기비저항 변화비를 나타내는 영상이다.

도 22의 (a)에서 2차원 전기비저항 탐사 결과를 이용하여 변화비를 주입량과 함께 도시하였다.

도 22의 (e) Dist. 150m 이전구간 전기비저항 변화비는 하류방향보다는 수평적으로 전기비저항 변화비가 낮아지고 있는데, 하류 방향으로 갈수록 주입재 영역에 넓게 형성된 것으로 분석할 수 있다.

보강재의 주입량 결과와 비교했을 때, 주입량이 많고 저비저항 이상대가 분포하는 Dist. 80~150m 구간에서 전기비저항 변화비가 낮게 관찰되었으며, 그 결과는 댐 하류사면에서 유출된 주입재료의 위치와 일치하였다.

세 번째는 터널 내 낙반구간 뒷채움을 파악하는 경우이다.

터널 굴착기술의 발달로 인하여 연장이 길어지고 굴착단면의 크기가 증가하는 추세이며, 터널이 장대화됨에 따라 터널 굴착시 예기치 않은 단층이나 공동 등의 지질이상대의 영향으로 낙반 사고가 발생할 가능성이 커, 이에 대한 영향 평가와 처리 대책이 요구된다.

또한, 이러한 낙반 사고에 대해 여러 대책 중 뒷채움을 할 경우 뒷채움재의 종류 및 2차 탈락 등을 방지하기 위한 보강대책도 필요하다.

일반적으로 뒷채움에 사용되는 보강공법으로 시멘트 밀크 또는 시멘트 몰탈 그라우팅에 의한 충전공법이 적용되고 있다.

터널의 낙반구간에 대하여 배면 공동의 유무를 파악하고, 뒷채움후의 그라우팅 보강재의 영향을 살펴보고자 전기비저항 토모그래피 모니터링을 한다.

조사지역의 터널고가 높아 시추작업이 어려워 터널 내에서 상향으로 NX 규격(시추공경은 76mm(코아직경 54.7mm))의 시추조사를 수행한 후 상향시추공에 매설에 특수하게 고안된 케이블을 설치한다.

1차적으로 낙반구간 내 전기비저항 영상을 획득하고 뒷채움 보강을 위한 주입공 선정 및 뒷채움 보강효과 검증을 위해 총 6회에 걸쳐 전기비저항 토모그래피 모니터링 탐사를 수행한다.

도 23은 터널 내 낙반구간 뒷채움시 전기비저항 토모그래피 탐사 결과 영상이다.

1차 탐사에서 총 2회에 걸쳐 측정한 자료의 해석은 불량자료를 제거한 후 양질의 해석결과를 획득하고자 모든 자료를 취합한 후 복합역산을 수행한 결과이다.

전반적으로 50~50,000 ohm-m의 전기비저항 분포를 보이고 있으며, 상대적으로 낮은 전기비저항이 분포하고 있는 구간은 단층대 및 3차 낙반구간으로 긴급 복구에 사용된 경량콘크리트 설치 구간과 일치하고 있다.

또한, TM-1-1의 0~25m 구간과 TM-2-1의 0~14m 구간은 전기비저항의 경계부가 두 시추공과의 연결성을 갖고 분포하고 있는데, 회수된 시추코어의 암질평가 결과와 비교했을 때, 지질 구조적으로 연약대가 분포하고 있음을 확인할 수 있다.

시추조사 결과에서 고철질 암맥이 나타나는 이전구간에서 10cm 이상의 순수 그라우팅 코어가 회수되고, 10cm 이상의 순수 그라우팅 코어는 이 구간이 빈 공동이었다는 것을 의미하며, 낙반발생시 결과와 유사하다.

따라서 고철질 암맥 경계부에서 낙반사고가 발생한 연약대와 일치한다.

표 1은 전기비저항 토모그래피 모니터링 및 주입량 현황을 나타낸다.

도 24a 내지 도 24c는 도 23에 나타낸 phase5/phase4, phase6/phase5, phase7/phase6의 전기비저항 변화비를 나타내는 영상이다.

도 24a는 그라우팅 1 및 3 주입공, 도 24b는 2 및 4 주입공에 대해 그라우팅 주입재가 집중적으로 주입되었다.

도 24a와 도 24b는 표 1과 비교했을 때, 그라우팅 보강범위를 잘 반영하고 있음을 알 수 있다.

도 24c는 그라우팅 주입 완료 후 24시간 양생 후 측정 결과로서, 전반적으로 예상 단층경계부에서 전기비저항 감소가 두드러지게 나타나고 있는데, 단층은 함수비가 높아 그라우팅 양생 시간에 의한 차이로 전기비저항 감소 영역이 나타난 것으로 판단된다.

넷째는 터널 예정지역에서의 지질이상대 그라우팅 보강을 확인하는 경우이다.

전기비저항 탐사법은 터널설계 단계에서 미리 조사가 수행되어 시공비용을 절감하고 안정성을 확보하기 위한 중요한 자료로 이용되고 있다.

터널 굴착이나 기굴착된 터널의 유지관리를 위해서는 터널 주변의 시간에 따른 지하수의 분포상황 변화 등이 관측되어야 하는데 이를 위해서 터널 굴착에 따른 전기비저항 변화 파악을 위하여 격자형 측선을 설치하여 총 6회의 전기비저항 모니터링을 수행하고 4차원 해석방법을 적용한다.

도 25a 내지 도 25c는 터널 예정지역에서의 전기비저항 영상 및 phase5/phase4, phase7/phase6의 전기비저항 변화비를 나타내는 영상이다.

전기비저항 모니터링 탐사방법은 단층대에 상세한 정보를 제공할 뿐만 아니라 단층대의 보강영역에 대하여 효과적으로 영상화하고 있다.

이러한 결과는 전기비저항 모니터링 시스템을 통해 터널 보강영역 확인 및 조사지역에 분포하는 단층대/지하수의 상세한 정보를 제공함으로써 지반 상태 예측 및 유지관리 시스템으로서의 가능성을 시사하는 것이다.

본 발명은 현장에 실시간 모니터링 시스템을 설치하고, 현장에서뿐만 아니라 사무실에서도 자료 획득이 가능한 기술로서 다양한 분야의 활용이 예상된다.

특히 장비의 접근성이 어려운 지역에 시스템을 설치하여 무선으로 자료를 획득하는 방식이기 때문에 경제적이며, 터널 및 철도 건설 예정지역, 수리시설물 유지관리, 지하수 및 오염원 유출 등의 환경분야 등에 활용할 수 있다.

Claims

탐사제어를 위한 실시간 전기비저항 탐사 제어 프로그램과 탐사 결과의 분석을 위한 분석 프로그램을 탑재한 프로세싱 유니트, 상기 탐사 결과에 대응하는 계측 정보를 저장하는 데이터베이스, CDMA 모뎀 및 제1 시스템 제어부를 포함하며 제1 시스템 제어부를 기반으로 상기 프로세싱 유니트가 상기 데이터베이스를 참조하여 동작되고 상기 제1 시스템 제어부는 CDMA 모뎀을 통하여 데이터 송수신을 수행하는 오피스 시스템; 및
전기비저항 측선이 다수의 채널에 구성되고 상기 오피스 시스템의 상기 실시간 전기비저항 탐사 제어 프로그램에 의한 주기적인 요청에 대응하여 주기적으로 실시간 취득되는 특정 전기비저항 측선에 대한 상기 계측 정보를 상기 오피스 시스템과 CDMA로 통신을 수행하면서 원격으로 전송하는 필드 시스템;을 포함하고,
상기 필드 시스템은 제2 시스템 제어부, 센서부 및 전기비저항 제어부를 포함하는 필드 시스템을 구비하며,
상기 센서부는 디지털 센서류와 아날로그 센서류를 포함하고,
상기 전기비저항 제어부는 전기비저항 측선 연결 전극 어레이와 복수 개의 채널을 가지면서 각 채널에 대한 스위칭을 수행하는 스위칭 박스를 포함하며,
상기 제2 시스템 제어부는 중앙처리부, 메모리, 전송부, 수신부, 전송 스위치 제어부, 수신 스위치 제어부 및 CDMA 모뎀을 포함하며, 상기 중앙처리부는 CDMA 모뎀을 통하여 상기 오피스 시스템과 통신을 수행하면서 전기비저항 탐사의 송수신을 제어하며 전기비저항 측선을 이용하여 탐사를 수행하여 자료를 획득하는 제어를 수행하고, 탐사된 자료를 상기 메모리에 저장하며, 상기 센서부의 상기 디지털 센서류 및 상기 아날로그 센서류들이 접속되어서 탐사 환경에 대한 종합적인 정보를 취득하고, 정방향과 역방향 순서로 측정을 수행하기 위한 계측 신호를 상기 전송부를 통하여 상기 스위칭 박스로 전송하며, 상기 전송부에서 상기 스위칭 박스로 상기 계측 신호를 전송하기 위하여 상기 전송 스위치 제어부를 제어하여서 상기 스위칭 박스의 타이밍을 제어하고, 상기 수신부를 통하여 계측 정보를 전달받으며, 상기 스위칭 박스로부터 상기 계측 정보가 상기 수신부로 전달되도록 상기 수신 스위치 제어부를 제어하여서 상기 스위칭 박스의 타이밍을 제어하는 실시간 전기비저항 측정 시스템.
삭제
제1항에 있어서,
상기 필드 시스템은 아날로그 디지털 변환기를 구비하고, 이 아날로그 디지털 변환기를 이용한 신호처리방식을 채택하여 송신주파수 및 측정자료의 샘플수를 조절하는 것을 특징으로 하는 실시간 전기비저항 측정 시스템.
제1항에 있어서,
상기 전기비저항을 측정할 수 있는 시추공을 설치하고 지표에 원격 자료측정 송수신 장치를 설치하여, 2차원 또는 3차원의 해석결과를 이용해서 그라우팅 보강영역에 대해 영상화하고 지반보강효과를 판정하는 것을 특징으로 하는 실시간 전기비저항 측정 시스템.
제1항에 있어서,
상기 전기비저항을 측정할 수 있는 시추공을 설치하고 지표에 원격 자료측정 송수신 장치를 설치하여, 지반보강 전, 지반보강 중, 지반 보강 후에 전기비저항을 측정하고 비교 분석하여 해석하되, 공간영역뿐만 아니라 시간 축에 따른 제한을 도입하여 해석하는 것을 특징으로 하는 실시간 전기비저항 측정 시스템.
제1항, 제3 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 오피스 시스템에서 상기 필드 시스템으로 상기 계측 정보를 전송하면, 상기 필드 시스템은 전송받은 상기 계측 정보를 바탕으로 측정하여 그 값을 상기 오피스 시스템으로 재전송하며, 상기 오피스 시스템에서 전송받은 상기 값을 아래의 목적함수에 의하여 해석하되,

를 목적함수로 사용하고,
은 측정자료와 이론자료 간의 오차,
은 모델제한자 그리고
은 시간제한자로 정의되며, 모델변수의 시간적 변화량
는
로 정의되고, 시간제한자
는
으로 정의되며, τ는
로 정의되고, 증분벡터
는

로 정의되는 시간경과 역산법을 수행하되, 상기
은 '0' 그리고 상기
는 '1'로 적용되는 실시간 전기비저항 측정 시스템.
제1항, 제3 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 오피스 시스템에서 상기 필드 시스템으로 상기 계측 정보를 전송하면, 상기 필드 시스템은 전송받은 상기 계측 정보를 바탕으로 측정하여 그 값을 상기 오피스 시스템으로 재전송하며, 상기 오피스 시스템에서 전송받은 상기 값을 아래의 목적함수에 의하여 해석하되,

를 목적함수로 사용하고(여기서
와
는 각각 공간 영역과 시간 영역에서 역산에 제한을 가하는 함수, λ와 α는 이들 두 제한의 정도를 제어하는 라그랑지 곱수),
상기
는
,

는
로 정의되며(여기서 행렬 M은 대각열과 한 개의 부대각열(sub-diagonal elements)이 각각 1과 -1로 구성된 정방행렬),
증분벡터 ΔU는
로 정의되는(여기서 W_d 는 자료 가중행렬, A는 기준 공간모델 벡터로 구성된 시공간 모델 U에 대한 편미분 행렬, C는 공간 영역에서의 평활화 제한 연산자) 4차원 역산법을 수행함을 특징으로 하는 실시간 전기비저항 측정 시스템.
삭제