鉆孔電視技術(shù)在高邊坡勘察中的基礎(chǔ)效用分析

杜士勇 戴勝生

(中國能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310014)

1 概述

在巖質(zhì)高邊坡工程勘察中，常規(guī)的勘察手段是鉆探和地質(zhì)測繪，用于揭露地層巖性、分布以及巖體構(gòu)造等。其他輔助方法諸如聲波測井試驗(yàn)用于評價(jià)巖體完整性；單孔波速試驗(yàn)用于測定巖土的彈性波傳播速度(縱波和橫波)，進(jìn)而計(jì)算巖土的動彈性模量、動剪切模量、動泊松比等；巖石室內(nèi)試驗(yàn)則用于檢測基本物理力學(xué)性質(zhì)。

但巖質(zhì)邊坡勘察及設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容是分析邊坡的破壞模式，這時(shí)需要對結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、性質(zhì)、間距、規(guī)模與分布，及其衍生的巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)、巖體完整性、脈巖與圍巖的接觸關(guān)系等做出客觀評價(jià)。在場地?zé)o巖石露頭或露頭較少的情況下，會導(dǎo)致地質(zhì)測繪統(tǒng)計(jì)的結(jié)構(gòu)面信息不完全；巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)計(jì)算受鉆機(jī)操作影響大、統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)一般偏于保守；聲波測井法進(jìn)行巖體完整性評價(jià)時(shí)，其聲波數(shù)據(jù)受儀器及操作影響較大，缺少比較直觀的信息作為佐證或補(bǔ)充。本文結(jié)合某核電高邊坡鉆孔電視技術(shù)的成功應(yīng)用，展望該技術(shù)在邊坡工程勘察中的應(yīng)用前景。

2 原理與步驟簡介

智能鉆孔電視技術(shù)軟件主要依托光學(xué)成像儀數(shù)據(jù)管理和結(jié)果輸出系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出、數(shù)據(jù)管理、結(jié)果編錄和結(jié)果輸出功能。一般其硬件主要由主機(jī)、探頭、連接電纜以及支架設(shè)施組成，見圖1。

設(shè)備工作時(shí)，中央處理器實(shí)時(shí)接收由井下探頭攝錄的圖像信息，圖像處理系統(tǒng)會以每一幅圖像所包含的方位信息將其依N-E-S-W-N方位順序進(jìn)行展開，然后將所有展開的數(shù)字化圖像拼接起來，就形成鉆孔全孔壁柱狀剖面圖和巖芯柱狀圖，掌握主要節(jié)理結(jié)構(gòu)面傾向、傾角、張開度、填充物等信息。其自動生成的巖芯柱狀圖見圖2。

該技術(shù)運(yùn)用主要經(jīng)歷以下步驟：1)洗孔，洗凈孔壁，至攝像頭清晰；2)架設(shè)安裝儀器，進(jìn)行孔深校正，保證孔深讀數(shù)準(zhǔn)確；3)探頭方位校準(zhǔn)，保證結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀準(zhǔn)確；4)勻速下放，控制2 m/min～3 m/min，直至探頭不能下放；5)數(shù)據(jù)保存；6)室內(nèi)數(shù)據(jù)量取，主要包括節(jié)理結(jié)構(gòu)面傾向、傾角、張開度量取，以及部分填充物描述等；7)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析與評價(jià)。

3 工程應(yīng)用

3.1 某核電邊坡簡介

某核電邊坡位于浙南沿海低山丘陵區(qū)，邊坡區(qū)原始地形平緩，山體自然坡度一般15°～20°，自然邊坡穩(wěn)定。廠坪標(biāo)高+15.5 m，邊坡總長度1.8 km，根據(jù)廠區(qū)邊界輪廓分成8個(gè)坡段，其中最高一段為核安全相關(guān)邊坡，邊坡高達(dá)110 m左右。

根據(jù)勘察資料，邊坡區(qū)地層淺部主要為坡殘積(Qdl-el)含礫砂粉質(zhì)粘土，基巖為白堊紀(jì)石帽山群下組上段晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r(K1sh1b)。主要脈巖為燕山期晚侵入的鉀長花崗斑巖和喜馬拉雅期侵入的安山巖，呈條帶、脈狀零星分布，斷續(xù)延伸，脈寬1.5 m～12.0 m。邊坡場地及附近地段普遍坡殘積土和全風(fēng)化凝灰?guī)r層較厚，基巖露頭極少。自然水位埋深較大，以基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水為主，水量不大。

3.2 鉆孔成像技術(shù)基礎(chǔ)效用分析

上述場地地質(zhì)條件下，鉆探、測繪、波速試驗(yàn)等手段尚不能精準(zhǔn)反映結(jié)構(gòu)面性質(zhì)，通過鉆孔電視法取得了以下基礎(chǔ)效用，在本工程應(yīng)用中獲得了較大的成功。

1)巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀。

在本工程場地，由于覆蓋層較厚，少量巖石露頭距離邊坡較遠(yuǎn)且沿海岸分布為主(局部為海蝕風(fēng)化裂隙)，工程地質(zhì)調(diào)查和測繪法獲得的結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)，代表性相對較差。通過鉆孔攝像技術(shù)在邊坡區(qū)鉆孔內(nèi)獲得的結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的代表性。

以AB坡和BC坡(本工程的最高邊坡)為例，進(jìn)行孔內(nèi)電視法和地質(zhì)測繪法揭露的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的統(tǒng)計(jì)分析，通過對比分析(如圖3所示)，可以得到以下結(jié)論：

a.鉆孔電視法結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)信息量大，通過統(tǒng)計(jì)，大大弱化了地質(zhì)測繪時(shí)的“干擾結(jié)構(gòu)面”，使某些“干擾結(jié)構(gòu)面”不再成為主要結(jié)構(gòu)面。如348°∠74°將不再是主要結(jié)構(gòu)面。

b.通過鉆孔攝像技術(shù)與地質(zhì)測繪法獲得的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行綜合疊加統(tǒng)計(jì)，增加了緩傾角結(jié)構(gòu)面比例，比較全面地反映了各坡段不利結(jié)構(gòu)面的存在，有利于優(yōu)化設(shè)計(jì)。如128°∠45°, 98°∠30°, 227°∠27°將是主要的緩傾結(jié)構(gòu)面。

c.總體來講，場址區(qū)地表測繪與鉆孔電視得到的結(jié)構(gòu)面傾向總體也具有一致性，如69°∠80°和67°∠75°，178°∠42°和178°∠38°。通過選取有代表性的幾個(gè)勘察鉆孔進(jìn)行鉆孔電視測試，對其得到的孔內(nèi)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，與地表得到的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀規(guī)律進(jìn)行對比，可以起到相互補(bǔ)充驗(yàn)證的作用。

2)巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)。

RQD指標(biāo)在巖質(zhì)邊坡工程勘察中廣泛應(yīng)用，成為衡量巖體質(zhì)量的一個(gè)定量指標(biāo)，也是反映巖體完整程度的一個(gè)重要指標(biāo)。一般地，巖石RQD是指鉆孔中用N型(75 mm)二重管金剛石鉆頭獲取的大于10 cm的巖芯段長度與該回次鉆進(jìn)深度之比。但事實(shí)上，用鉆孔巖芯確定的RQD值通常比實(shí)際巖體質(zhì)量差，這主要是由于巖性、巖石強(qiáng)度及巖體完整程度對鉆孔巖芯采取率的影響；機(jī)械的振動使巖芯破碎；鉆探技術(shù)水平和設(shè)備不同等因素造成的。筆者認(rèn)為，完整巖芯的長度統(tǒng)計(jì)描述與結(jié)構(gòu)面間距的統(tǒng)計(jì)描述是等價(jià)的?；诖?，RQD可以定義為沿某一測線方向大于10 cm 的結(jié)構(gòu)面間距的統(tǒng)計(jì)長度與測線長度之比。因而，用鉆孔電視技術(shù)進(jìn)行孔內(nèi)巖體質(zhì)量指標(biāo)(RQD)統(tǒng)計(jì)是對巖芯統(tǒng)計(jì)RQD不足的一個(gè)補(bǔ)充，使得巖體質(zhì)量評價(jià)更能反映客觀實(shí)際。

本文以主要邊坡鉆孔BS21和BS39為例(總體而言BS21鉆孔巖體較完整，BS39孔巖體較破碎)，分別用鉆探巖芯和鉆孔電視兩種方法對巖體質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。首先根據(jù)鉆探巖芯統(tǒng)計(jì)巖石RQD指標(biāo)，BS21孔(6 m～74 m)共466段巖芯，累計(jì)長68 m，BS39孔(16 m～48 m)共242段巖芯，累計(jì)長32.0 m。然后利用鉆孔電視對兩個(gè)鉆孔內(nèi)大于10 cm間距的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)RQD指標(biāo)，BS21孔(6 m～74 m)共105個(gè)明顯結(jié)構(gòu)面隔離段，累計(jì)長68 m；BS39孔(16 m～48 m)共43個(gè)明顯結(jié)構(gòu)面隔離段，累計(jì)長32.0 m。相關(guān)統(tǒng)計(jì)圖見圖4,圖5，從圖表中可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

a.用鉆孔電視法得到的結(jié)構(gòu)面間距統(tǒng)計(jì)RQD時(shí)，除極個(gè)別鉆孔段不大于鉆探巖芯得到的RQD外，絕大部分均大于鉆探巖芯的RQD值。

b.在上述結(jié)論前提下，用鉆探巖芯和鉆孔電視法來確定巖體質(zhì)量RQD時(shí)，對于較差的巖體，兩者差異較小，RQD計(jì)算指標(biāo)分別為45%和47%；而對本身較完整的巖體，鉆探巖芯RQD明顯小于鉆孔電視結(jié)構(gòu)面RQD，計(jì)算指標(biāo)分別為74%和86%。

c.同一鉆孔內(nèi)，一般基巖淺部，孔內(nèi)電視RQD計(jì)算值和鉆探巖芯計(jì)算值相近，越往深部(一般認(rèn)為30 m以下)，兩者差異加大。

3)巖體完整性定性評價(jià)。

巖體完整性評價(jià)一般基于巖體完整性指數(shù)Kv進(jìn)行，但需要結(jié)合聲波測井試驗(yàn)進(jìn)行。由于鉆孔電視技術(shù)能夠量取結(jié)構(gòu)面張開度并結(jié)合鉆探巖芯判斷其充填情況，因而能直觀且較準(zhǔn)確地判定結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度，進(jìn)而通過結(jié)構(gòu)面間距等信息，可以定性判定巖體完整性。

通過鉆孔電視結(jié)合鉆探巖芯定性判斷巖體完整性結(jié)論和通過聲波測井方法定量判斷巖體完整性結(jié)論基本一致。因而用鉆孔電視法評價(jià)場地巖體完整性是作為聲波測井法的一個(gè)驗(yàn)證與補(bǔ)充，缺乏測井試驗(yàn)條件下，可以作為一種定性的評價(jià)方法。

4)脈巖與圍巖接觸關(guān)系。

本工程鉆孔電視中脈巖和圍巖的接觸特別清晰(見圖6)，通過對比分析，是地質(zhì)調(diào)查和測繪成果的較好補(bǔ)充，兩者所得到的結(jié)果基本是一致的，安山巖主要產(chǎn)狀為92° ∠78°，157° ∠78°，201°∠70°～75°；花崗巖主要產(chǎn)狀為95°∠57°～65°；脈巖與圍巖接觸面清晰，接觸面產(chǎn)狀一般同節(jié)理裂隙面產(chǎn)狀一致，界面結(jié)合好。通過鉆孔巖芯揭露，巖脈與圍巖結(jié)合致密，閉合為主，結(jié)合好。

4 結(jié)語

1)鉆孔電視技術(shù)彌補(bǔ)了常規(guī)勘探技術(shù)的不足，可以獲得直觀精確的鉆孔孔壁圖像信息，結(jié)合鉆探和地質(zhì)資料可以得到鉆孔取芯缺失部位的信息。

2)鉆孔電視尤其在第四系覆蓋層廣泛、巖石露頭較少或無露頭的邊坡勘察中能發(fā)揮重要作用，彌補(bǔ)地質(zhì)測繪結(jié)構(gòu)面信息量的不足。

3)利用鉆孔電視測得的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀和間距統(tǒng)計(jì)結(jié)果與地表測繪及鉆孔巖芯的統(tǒng)計(jì)結(jié)果是基本一致的。但利用鉆孔電視還可對巖體質(zhì)量RQD和巖體完整性進(jìn)行評價(jià)。

4)鉆孔電視成像技術(shù)能夠直接將勘察鉆孔內(nèi)的情況顯示成像，能夠直觀、詳細(xì)、清晰地顯示孔壁的裂隙寬度、產(chǎn)狀等信息；同時(shí)在構(gòu)造破碎帶、溶洞等取芯困難段，電視成像技術(shù)能直觀顯示破碎、空洞區(qū)域的規(guī)模等，而且這些都是原狀、受擾動較小的信息，對于研究巖層的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造發(fā)育情況具有重要的意義。這些優(yōu)點(diǎn)使得鉆孔電視技術(shù)相比其他勘察方法具有顯著的優(yōu)勢，該項(xiàng)技術(shù)在高邊坡工程勘察中具有廣闊的應(yīng)用前景。