鉆孔全孔壁光學(xué)成像在巖體分類(lèi)中的應(yīng)用★

郭 良 春

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003)

0 引言

在巖土工程勘察中，對(duì)巖體的分類(lèi)是必不可少的一項(xiàng)工作，規(guī)范[1]中對(duì)巖體分類(lèi)是用巖體的完整性系數(shù)來(lái)劃分，該方法需要鉆孔波速測(cè)試實(shí)測(cè)巖體壓縮波(縱波)波速和現(xiàn)場(chǎng)巖塊波速測(cè)試確定新鮮完整巖塊的縱波速度，所測(cè)試的結(jié)果誤差較大，需要通過(guò)更為直觀的方法來(lái)加以佐證，因此工程中常借助現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的鉆孔采用全孔壁光學(xué)成像法來(lái)進(jìn)一步判斷。

1 工程簡(jiǎn)介

擬建水庫(kù)位于山西省晉中市榆次區(qū)長(zhǎng)凝鎮(zhèn)，西北距離晉中市榆次區(qū)約20 km，處于省道S318樁號(hào)138 km附近，交通條件便利。該水庫(kù)位于涂河上，屬于黃河流域汾河水系瀟河支流。上壩址最大壩高35 m，總庫(kù)容約500萬(wàn)m3，屬于Ⅰ型水庫(kù)，主要建筑物為擋水土壩、溢洪道、泄洪輸水洞。下壩址最大壩高40 m，總庫(kù)容950萬(wàn)m3。上壩址區(qū)出露的地層主要有中生界三疊系二馬營(yíng)組(T2e1)和第四系松散堆積層。選用鉆孔波速測(cè)試，獲取巖體縱波速度，對(duì)巖體進(jìn)行完整性分類(lèi)；選用鉆孔全孔壁光學(xué)成像，查明巖體結(jié)構(gòu)面特征和可能存在的軟弱夾層。

2 光學(xué)成像基本原理

HX-JD-03型智能鉆孔電視成像儀主要由控制系統(tǒng)、卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成。下井探頭裝配有成像設(shè)備和電子羅盤(pán)，攝像頭通過(guò)360°廣角鏡頭攝取孔壁四周圖像，利用控制系統(tǒng)控制圖像采集和圖像處理系統(tǒng)，同時(shí)控制電機(jī)的提升和下降，自動(dòng)采集圖像，并進(jìn)行展開(kāi)、拼接處理，形成鉆孔全孔壁柱狀剖面連線(xiàn)圖像實(shí)時(shí)顯示，連續(xù)采集記錄全孔壁圖像(見(jiàn)圖1)。電子羅盤(pán)實(shí)時(shí)采集方位角，上傳給計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示，孔壁圖像從羅盤(pán)指示的整備方向展開(kāi)，視頻與幀之間無(wú)縫拼接，無(wú)百葉窗等現(xiàn)象。

鉆孔全孔壁光學(xué)成像系統(tǒng)以視覺(jué)獲取地下信息，具有直觀性、真實(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探和工程檢測(cè)中，用它可以準(zhǔn)確地劃分巖性，檢測(cè)斷層、裂隙以及破碎帶等地質(zhì)情況。

3 鉆孔波速測(cè)試

3.1 測(cè)試方法

RS-ST01C聲波測(cè)試儀在信噪比較高時(shí)自動(dòng)完成讀數(shù)，即接收換能器1和2的讀數(shù)T1，T2，計(jì)算它們兩個(gè)的時(shí)差Δt，然后利用它們之間的距離(是一個(gè)固定值)與時(shí)差Δt之比，就得到波速Vp；在信噪比較低時(shí)，采用人工判讀T1及T2，然后計(jì)算出時(shí)差Δt和波速Vp。

3.2 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)巖體完整性系數(shù)公式計(jì)算每段巖體的完整性系數(shù)。并按表1劃分巖體的完整性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖塊波速測(cè)試確定新鮮完整巖塊的縱波速度。

Kv=(Vp/Vpr)2。

其中，Vp為實(shí)測(cè)縱波速度；Vpr為工區(qū)新鮮完整巖塊縱波速度。工區(qū)主要巖層新鮮完整巖塊的聲波波速值分別為：砂巖與泥質(zhì)砂巖5 200 m/s，泥巖4 000 m/s。

表1 巖體完整性評(píng)價(jià)分類(lèi)表

壩址區(qū)鉆孔波速測(cè)試共完成4個(gè)鉆孔，孔號(hào)分別為ZK01，ZK04，ZK06和XZK01，總深度235 m。由于篇幅所限文中僅列出ZK01的成果(見(jiàn)表2)。

該壩址區(qū)巖體主要為砂巖、泥巖和泥質(zhì)砂巖，從測(cè)試結(jié)果可以看出，泥巖波速在1 650 m/s～4 000 m/s，砂巖波速在1 700 m/s～5 200 m/s。完整性較好，大部分為完整及較完整巖體。ZK04孔完整性較差。

4 鉆孔全孔壁光學(xué)成像

表2 ZK01波速測(cè)試成果表

將智能鉆孔電視成像儀采集的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入井下成像分析系統(tǒng)處理，形成全孔壁圖像。根據(jù)全孔壁圖像特征，分別進(jìn)行巖性劃分，并對(duì)裂隙所在位置、規(guī)模、傾向和傾角進(jìn)行描述，最終輸出成果圖件，由于篇幅所限本文只列出ZK06的結(jié)果(見(jiàn)圖2，表3)。

表3 ZK06鉆孔光學(xué)成像解釋

孔深/m異常描述孔深/m異常描述4．000～6．000強(qiáng)風(fēng)化，巖體破碎41．691～41．732傾角28．6°傾向271．9°7．032～7．698傾角84．1°傾向57．9°42．653～45．083破碎8．239～8．332傾角32．2°傾向156．1°46．115～48．000裂隙較發(fā)育，巖體較破碎8．765～9．109傾角82．4°傾向322．2°48．311～48．478傾角66．8°傾向52．9°9．524～9．864傾角78．3°傾向124．6°48．541～48．848傾角76．4°傾向102．0°10．049～10．166傾角57．2°傾向187．1°50．000～56．288破碎10．310～12．402直立裂隙56．818～57．470破碎13．417～14．260破碎58．671～59．092裂隙發(fā)育，傾角80．0°傾向112．0°14．853～15．318傾角80．9°傾向113．3°59．265～59．985傾角84．0°傾向45．3°破碎15．980～16．562傾角82．3°傾向123．4°60．030～60．663傾角83．2°傾向60．4°16．771～20．853直立裂隙，破碎60．680～61．132傾角80．5°傾向284．5°20．493～20．861傾角78．3°傾向94．4°63．137～63．708較破碎22．742～24．000直立裂隙66．524～67．231傾角83．9°傾向355．0°24．464～26．000直立裂隙70．991～71．302傾角76．5°傾向115．0°27．067～27．629破碎74．786～74．835傾角33．9°傾向354．1°28．549～28．592傾角29．7°傾向155．2°74．868～74．887緩傾角裂隙29．288～29．574破碎75．788～75．831傾角30．1°傾向330．6°30．000～30．258較破碎75．903～76．000破碎30．304～30．383傾角60．0°傾向261．8°77．048～77．380傾角79．5°傾向304．6°30．357～31．534直立裂隙79．384～79．960傾角82．5°傾向60．4°32．052～32．929傾角85．1°傾向344．9°80．106～80．732傾角83．1°傾向78．0°33．085～33．207破碎80．865～81．030傾角65．8°傾向55．4°36．259～36．333傾角44．3°傾向328．1°81．171～82．307陡傾角裂隙發(fā)育，巖體破碎38．309～38．344傾角25．7°傾向153．6°82．867～83．108傾角72．6°傾向122．5°38．802～38．903傾角53．1°傾向213．1°84．099～84．172傾角44．4°傾向338．6°40．448～40．865傾角80．4°傾向123．4°84．966～86．000直立裂隙41．497～41．550傾角35．5°傾向271．9°86．027～86．368破碎

5 結(jié)語(yǔ)

本工程采用鉆孔全孔壁光學(xué)成像技術(shù)為壩址巖體分類(lèi)提供了更為直觀，準(zhǔn)確的依據(jù)，揭露了巖體裂隙發(fā)育特征、破碎帶的位置以及結(jié)構(gòu)面特征等信息，是對(duì)鉆孔波速測(cè)試法分類(lèi)的補(bǔ)充，具有很好的實(shí)用價(jià)值和推廣意義。

[1] GB 50021—2001,巖土工程勘察規(guī)范[S].

[2] 楊紅云,高拴會(huì),涂善波,等.鉆孔全孔壁光學(xué)成像在工程泥化夾層探測(cè)中的應(yīng)用[J].河南水利與南水北調(diào),2012(6):1-3.

[3] 查恩來(lái).鉆孔電視成像技術(shù)在工程探測(cè)中的應(yīng)用研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué),2006.

[4] 秦英譯.基于數(shù)字鉆孔攝像的圖像分析方法研究[D].武漢：中國(guó)科學(xué)院研究生院(武漢巖土力學(xué)研究所),2006.

[5] 王川嬰,LAWK Tim.鉆孔攝像技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005(19):42-50.

[6] 楊紅云,藍(lán)樹(shù)猛,閆思泉.光學(xué)成像技術(shù)在某工程大口徑鉆孔中的應(yīng)用[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2012,33(4):83-85.

[7] 汪華安,左保成,戴旭明.數(shù)字光學(xué)成像技術(shù)在嶺澳核電廠(chǎng)的應(yīng)用[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2009,5(S2):1757-1762.