鉆孔全孔壁光學(xué)成像在工程泥化夾層探測中的應(yīng)用

□楊紅云 □高拴會 □涂善波 □李曉磊(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司)

1.前言

泥化夾層是指軟硬相間巖層所夾的軟弱巖層在構(gòu)造擠壓作用下，因?qū)娱g剪切錯動而使原巖結(jié)構(gòu)遭到破壞，形成的一種結(jié)構(gòu)疏松、性狀差、分布廣、危害大的軟弱結(jié)構(gòu)面。大量工程實踐表明，泥化夾層是影響壩型選擇、工程安全的關(guān)鍵因素，查明壩基下影響壩基抗滑穩(wěn)定的泥化夾層的空間分布，是十分必要的。

2.調(diào)查與研究現(xiàn)狀

目前，泥化夾層的地質(zhì)勘察方法大多采用多種手段綜合對比分析，例如地表調(diào)查、鉆孔、豎井、平硐等。由于泥化夾層的發(fā)育具有不確定性、不連續(xù)性等特點，同時受地層巖相變化、取樣技術(shù)以及勘測精度條件等限制，常規(guī)探查方法很難準確無誤地將絕大部分有影響的泥化夾層及其性狀調(diào)查清楚。隨著勘探思路的擴大和物探技術(shù)的發(fā)展，鉆孔全孔壁光學(xué)成像等物探方法，為泥化夾層的調(diào)查開辟了一條新的途徑。

3.鉆孔全孔壁光學(xué)成像

廣義的鉆孔成像技術(shù)，是應(yīng)用包括超聲波、光、電、磁和核磁共振等技術(shù)，對鉆孔周邊介質(zhì)進行原位掃描成像的測井技術(shù)方法。我們使用的是基于光學(xué)原理的鉆孔全孔壁光學(xué)成像。

鉆孔全孔壁光學(xué)成像系統(tǒng)主要由地面部分和井下部分組成，地面部分包括控制器、電腦、三腳架、絞車、滑輪和深度計數(shù)器；井下部分包括攝像探頭和電纜,攝像探頭由CCD攝像機、LED燈、玻璃罩和錐形鏡成。鉆孔孔壁經(jīng)LED光源照亮,CCD攝像機攝取由錐形鏡反射的孔壁圖像,圖像信息經(jīng)電纜傳送至控制器和電腦,采集過程由圖像采集控制軟件系統(tǒng)完成,此系統(tǒng)把采集的圖像展開,記錄在電腦上。安裝在探頭內(nèi)的數(shù)字羅盤用來標定圖像的方位,一般把測試地點的磁北經(jīng)磁偏角校正后的北設(shè)為0°,順時針方向角度增加。圖像處理軟件可以以兩種方式顯示,一種是數(shù)字巖芯圖,拖動滑動條巖芯可以旋轉(zhuǎn);另一種是360°展開圖。圖1為孔壁圖像與360°展開圖的對應(yīng)關(guān)系。

圖1 孔壁圖像與360°展開圖的對應(yīng)關(guān)系圖

鉆孔光學(xué)成像系統(tǒng)以視覺獲取地下信息，具有直觀性、真實性等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探和工程檢測中，用它可以準確地劃分巖性，查明地質(zhì)構(gòu)造，確定軟弱泥化夾層，檢測斷層、裂隙以及破碎帶，觀察地下水活動狀況等。

4.工程應(yīng)用

在某工程勘測工作中，發(fā)現(xiàn)壩址巖體中存在一定數(shù)量的沿層面發(fā)育的順層剪切帶。這些剪切帶分布在不同高程巖體中，由于受原巖性狀、層間錯動和地下水作用的影響，部分已經(jīng)演變?yōu)槟嗷瘖A層。進行泥化夾層調(diào)查時，使用了鉆孔全孔壁光學(xué)成像系統(tǒng)。通過鉆孔全孔壁圖像，不僅可以清楚地獲得泥化夾層的分布，而且可以通過泥化夾層的起止深度判斷其發(fā)育厚度。典型的泥化夾層鉆孔成像圖像，如圖2所示。

圖2 某工程ZK 2孔泥化夾層鉆孔成像典型圖像圖

為驗證鉆孔全孔壁光學(xué)成像調(diào)查的準確性與精度，確保泥化夾層統(tǒng)計分析結(jié)果的可靠性，選取了具有代表性的泥化夾層鉆孔成像圖像與對應(yīng)的巖芯照片進行對比分析。

鉆孔巖芯中發(fā)現(xiàn)夾泥，在鉆孔光學(xué)成像中都有明顯的反應(yīng)。如圖3，大口徑鉆孔DKJ1巖芯在深度39.5m處發(fā)現(xiàn)夾泥，其在鉆孔成像中有清晰的反映；如圖4，ZK3分布在鉆孔深度273.9m的夾泥在鉆孔成像中有清晰的反映，鉆孔巖芯和光學(xué)成像圖像有較好的一致性，泥化夾層鉆孔全孔壁光學(xué)成像調(diào)查成果是可靠的。

圖3 DKJ1鉆孔成像圖像和巖芯照片對比圖

圖4 ZK3鉆孔成像圖像和巖芯照片對比圖

也有部分部位鉆孔光學(xué)成像發(fā)現(xiàn)泥化夾層，而鉆孔巖芯沒有取到。如圖5，在ZK3孔中，68.7m處在鉆孔光學(xué)成像中發(fā)現(xiàn)泥化夾層，而在鉆孔巖芯中沒有發(fā)現(xiàn)泥化夾層，鉆孔取芯遺漏了這層泥化夾層。這時鉆孔全孔壁光學(xué)成像的優(yōu)越性這時就體現(xiàn)出來了，由于泥化夾層很薄，鉆孔時存在擾動，取芯時很可能出現(xiàn)漏層現(xiàn)象。與鉆孔取芯相比，鉆孔光學(xué)成像技術(shù)由于能對孔壁連續(xù)觀測，因此不會因為取芯不完整，造成夾泥缺失，可以減少由于鉆孔對磨造成的泥化夾層漏判。

相比單純依賴鉆孔巖芯判斷泥化夾層的發(fā)育特點和分布規(guī)律，鉆孔成像技術(shù)還具有判斷準確的明顯優(yōu)勢。鉆孔全孔壁光學(xué)成像在成像過程中基本沒有人為干擾，能夠保持泥化夾層在地層中的原始發(fā)育形態(tài)，減少由于人為擺放和風(fēng)化破壞造成的不利影響。它避免了擾動造成的難以獲得地層內(nèi)各結(jié)構(gòu)面的精確產(chǎn)狀信息，可清晰地揭示鉆孔中地層巖性、破碎帶、層面、節(jié)理面、構(gòu)造面等地質(zhì)現(xiàn)象，真實地反映了地下巖體信息地質(zhì)情況。

圖5 ZK3孔76.8m處鉆孔成像圖像和巖芯照片對比圖

鉆孔全孔壁光學(xué)成像資料攜帶方便，方便專家審查資料，它的數(shù)字巖芯可模擬鉆孔巖芯，猶如置身于鉆井現(xiàn)場。鉆孔全孔壁光學(xué)成像還能對鉆孔巖芯的永久性保存起到很大作用。一般大型水利水電工程，勘察期較長，前后幾年，甚至幾十年，巖芯特別是泥化夾層保存難度較大或根本無法保留，對后來的資料復(fù)核、計算困難很大。鉆孔全孔壁光學(xué)成像采用影像的方式保存資料，可存盤永久保存，方便調(diào)閱。

5.結(jié)論

泥化夾層較薄，鉆孔取芯時容易缺失，對鉆孔進行全孔壁光學(xué)成像能不遺漏地記錄鉆孔孔壁圖像，避免因為取芯不完整造成夾泥缺失，為泥化夾層的判定提供關(guān)鍵依據(jù)。以鉆孔全孔壁光學(xué)成像技術(shù)為主，鉆孔取芯技術(shù)為輔的勘測手段在泥化夾層探測中的應(yīng)用突破了傳統(tǒng)檢測方法的局限，可大幅度地提高勘探精度。