KR20040011398A

KR20040011398A - Tdr 및 otdr을 이용한 교량세굴 모니터링 시스템

Info

Publication number: KR20040011398A
Application number: KR1020030090144A
Authority: KR
Inventors: 최준성; 이규완
Original assignee: 한국유지관리 주식회사
Priority date: 2003-12-11
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2004-02-05

Abstract

본 발명은 TDR 또는 OTDR을 이용한 교량 세굴 모니터링 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 잠수부가 물속에 들어가 육안으로 확인하거나 수중 카메라와 같은 고가의 전용장비를 이용할 필요없이, 침식 및 퇴적과 같은 하상변동에 의하여 세굴이 발생되었을때 통상적인 동선(동축케이블)이나 통신용으로 사용되고 있는 광섬유케이블을 센서로서 기초구조물에 설치하여 세굴여부를 파악할 수 있다.

교각과 같은 기초구조물은 둘레부에 적층된 토사와 골재 등에 의해 그 하부가 지지되어 수중에 시공된다. 교량 세굴이란 흐르는 물의 침식작용에 의한 결과로 교대나 교각주위가 파여 물질이 이동하는현상을 의미하는데, 교량의 안정성 문제는 일반적으로 구조적인 문제에 기인하기보다는 세굴과 같은 국부적인 문제에서 더 큰 영향을 받게된다.

본 발명은 기초구조물(25) 선단에 설치된 보링공(20)과, 동선(동축케이블)이나 통신용으로 사용되고 있는 광섬유케이블(10)과, 세굴발생과 유속증가시 꺽임에 의한 케이블의 전단발생을 용이하게 하고 센서로 사용되는 동선(동축케이블) 또는 광섬유케이블을 침식 및 퇴적작용시 항상 수직으로 유지시켜주는 부력재(11), 보링공에 부력재를 포함한 케이블 시스템을 설치한 후 되메움을 위한 모래채움(20)과, 펄스신호를 상기 케이블에 입사시키기 위한 TDR 또는 OTDR 시스템을 이용해서 세굴심도를 측정할 수 있는 TDR 또는 OTDR 방식을 활용한 유선 및 무선 교량세굴상시 모니터링 시스템에 관한 것이다.

Description

TDR 및 OTDR을 이용한 교량세굴 모니터링 시스템{Monitoring system of bridge scour using TDR(Time Domain Reflectometry) or OTDR(Optical Time Domain Reflectometry)}

우리나라는 산악지역이 국토의 대부분을 차지하고 있어 전체유역을 놓고 볼 때 대하천이 차지하는 부분보다는 중ㆍ소하천이 차지하는 부분이 상대적으로 크고, 교량의 길이가 짧은 소교량이 수적으로 많은 부분을 차지하고 있다. 또한, 소교량을 가지고 있는 중ㆍ소 하천은 대부분 산악지대에 위치하여 하상경사가 크기 때문에 유속이 대체적으로 빠르고 평상시 흐름방향과 홍수시 흐름방향이 현격한 차이를 나타내기도 한다.

이러한 지형적 특성과 더불어 우리나라 연강우량의 2/3이상이 여름철에 집중되고 있을 뿐만 아니라, 태풍과 국지성 호우로 인해 단기간에 걸쳐 많은 비가 내려 그 피해를 더욱더 가중시키고 있다. 그 중에서도 특히 중ㆍ소 하천의 유량은 시간적으로 매우 빠르게 변화하며 유속 또한 급속히 빨라져 하상의 변형이 순식간에 일어나곤 한다. 이와같은 시간적, 공간적인 호우특성과 지형특성으로 인하여 중ㆍ소 하천에 위치한 교량은 세굴에 특히 취약한 특성을 보여주고 있다.

일반적으로 하천이나 강 등에 설치되는 교각과 같은기초구조물은 물속의 바닥면을 일정 깊이로 굴착한 다음, 굴착된 곳에 교각기초가 위치하도록 시공되는데, 이러한 교각 기초구조물은 굴착 주변부를 토사로 단단히 되메움하여 지지되도록하고, 이 토사의 상면에 150~250mm 정도 크기의 골재를 적층시켜 되메움된 토사가 유실되지 않도록 구성된다. 그러나, 이러한 기초구조물은 시간이 지나면서 물의 흐름이나 홍수 등으로 인해 골재와 토사가 씻겨 내려가는 세굴이 발생하게 되며, 이러한 세굴로 인해 기초구조물의 안정성은 크게 저해 받게된다.

교량의 안정성에 치명적일 수 있는 이러한 세굴을 확인하기 위하여 종래의 방법들은 잠수부가 직접 물속에 들어가 육안으로 조사하거나, 수중카메라와 같은 전용장비를 수중으로 침투시켜 비전문가에 의한 촬영후 육지에서 전문가에 의한 판독으로 세굴을 조사하였다. 그러나 사람이 직접 물속으로 입수하여 조사하거나 수중카메라와 같은 전용장비를 이용하는 방법들은 잠수인력이나 고가의 장비를 이용해야 하기 때문에 많은 비용과 시간이 소모되어 경제성이 크게 결여된다. 또한 조사지역의 물이 혼탁하여 시야를 분간하기 어려울 경우에는 세굴여부 조차 제대로 확인할 수 없으며, 홍수시와 같이 유속이 매우 빠른 경우에는 안전사고 문제로 인력을 바로 투입시키기 어렵기 때문에 몇시간안에 세굴심도의 최대깊이까지 도달될 수 있는 급박한 경우에는 대처하기 용이하지 않은 문제점이 있다. 또한 인력에 의한 주기적인 점검은 많은 비용이 투입되기 때문에 경제적이고 현실성있게 상시로 교량세굴의 안정성을 판정할 수 있는 시스템이 매우 필요한 현실이다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점에 착안하여 제안된 것으로서, 잠수부가 물속에 들어가 육안으로 확인하거나 수중카메라와 같은 고가의 전용장비를 이용할 필요없이, 교량세굴을 사전에 인지하여 이에 대한 대책을 수립하고 재해를 미연에 방지하는데 그 목적이 있다. 이를 위해 기초구조물의 퇴적 및 침식작용에 의한 세굴여부를 상시 모니터링 하는 동시에 실시간으로 그 정보를 전달, 처리할 수 있는 계측시스템의 자동화가 매우 필요하다.

인력투입에 의한 주기적인 점검은 비경제적일 뿐만 아니라 실시간으로 세굴을 확인할 수 없어 이로인한 재해를 사전에 예방할 수 없으므로, 인력에 의한 종래방식의 비효율성과 비경제성을 극복하고, 세굴로 인한 재해를 미연에 방지하기 위해 기초구조물에 설치된 1개의 케이블만으로 세굴심도를 파악할 수 있는 동시에 센서의 신호를 전달해주는 케이블로서의 역할도 수행할 수 있는 TDR(Time Domain Reflectometry) 또는 OTDR(Optical Time Domain Reflectometry)을 활용한다면 교량세굴의 상시 모니터링은 쉽게 달성될 수 있을 것이다.

도1은 TDR 또는 OTDR을 이용한 교량세굴 모니터링 시스템의 구성도

도2는 홍수시와 같이 세굴이 발생된 경우 교량세굴 모니터링 시스템

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 동축케이블 또는 광섬유케이블(TDR 또는 OTDR 케이블)

11 : 부력재

12 : 보호관

13 : 신호처리부

20 : 보링공과 모래채움

25 : 기초구조물

TDR은 원격감지식 전기계측기술로 원래 전기송전선이나, 전화선, 광케이블이 파손된 경우 그 위치를 파악하기 위해 개발된 전기파형 분석기술이다. TDR은 전기신호를 발생하는 장치, 전기신호를 전달하고 환경의 변화를 감지하는 전달매체, 반사신호를 측정하여분석하는 장치로 구성된다. 일반적으로 전기신호 발생장치와 반사신호 측정장치는 케이블시험기에 내장되어 있으며 케이블시험기에서 발생된 전기신호가 전달매체를 따라 전달되면서 전달매체 자체의 형상변화나 전달매체 주변의 물리적, 전기적 변화가 있는 경우 신호가 반사되어 케이블시험기로 전달된다. 전기신호를 전달하는 매체는 동축케이블(coaxial cable)을 일반적으로 사용하며 TDR신호는 동축케이블의 인장, 전단, 꺾임 등의 변형을 감지할 수 있다. 하상세굴이 발생되면 케이블(10)에 설치된 부력재(11)에 수압이 작용되어 침식된 경계면의 케이블은 도 2에서와 같은 꺽임현상이 발생하게 된다. 이 꺽임에 의한 케이블의 전단변형은 신호처리부(13)에서 감지될 수 있으며, 전달신호와 반사신호의 시간차를 알면 케이블의 변형위치를 결정할 수 있고 반사신호의 발생시간 및 반사계수의 부호, 길이, 크기는 변형의 위치, 종류, 손상정도를 결정하게 한다.

한편 OTDR을 사용한 예에서, OTDR의 원리가 펄스광을 광섬유 내부에 입사시키고 외부자극으로 인하여 광섬유에 인장 또는 굽힘이 발생되면 그 정도에 따라 광손실이 증가하는 현상을 이용하는 것으로, 균열 등으로 인하여 광섬유가 절단될 경우에는 그 절단면에서 반사광이 나타난다. 후방 산란되어 되돌아온 빛의 광섬유 길이에 따른 광손실을 측정하여 외부 물리량 변화(변형률, 압력 등)를 관측할 수 있으며, 절단면에서의 반사광을 이용하여 절단지점을 측정하여 균열발생 위치를 추정할 수 있다. 광손실 증가량으로부터 변형률을 얻기 위해서는 실 구조물의 광케이블 설치조건에 의하여 도출된 변형률과 광손실 증가와의 상관관계를 나타내는 데이터를 사전 입수하여 광감시기의 기억장치에 저장해 두었다가 광감시기의 중앙 처리부가 이를 근거로 하여 변형률을 검출하여야 한다. 발명의 구성 또한 TDR의 응용예와 동일하다.

본 발명은 최소 1개의 동선이나 광섬유케이블로 사용이 가능하여 설치 및 취급이 용이하고, 보다 정밀하게 장기간 동안 사용할 수 있을 뿐만 아니라 인력이나 수중카메라와 같은 고가의 장비 등이 불필요하므로 내구성과 경제성 측면에서 매우 뛰어난 효과가 있다.

Claims

기초구조물(25) 선단에 설치된 보링공(20)과, 동선(동축케이블)이나 통신용으로 사용되고 있는 광섬유케이블(10)과, 세굴발생과 유속증가시 꺽임에 의한 케이블 전단발생을 용이하게 하고 센서로 사용되는 동선(동축케이블) 또는 광섬유케이블을 침식 및 퇴적작용시 항상 수직으로 유지시켜주는 부력재(11), 보링공에 부력재를 포함한 케이블 시스템을 설치한 후 되메움을 위한 모래채움(20)과, 펄스신호를 상기 케이블에 입사시키기 위한 TDR 또는 OTDR 시스템을 이용해서 세굴심도를 측정할 수 있는 TDR 또는 OTDR 방식을 활용한 유선 및 무선 교량세굴 상시 모니터링 시스템에 관한 것