鉆孔電視成像技術(shù)在壩體防滲墻檢測中的應(yīng)用分析

劉建宙，吳景龍，張利芳

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心陜西總隊(duì) 西安 710003）

0 引言

現(xiàn)代地球物理測井技術(shù)始于1927年，距今已有近百年歷史，形成了電、聲、光、核輻射、核磁共振等多種基于不同物理學(xué)原理的綜合技術(shù)。對測井?dāng)?shù)據(jù)的采集分析也經(jīng)歷了模擬記錄、數(shù)字記錄、數(shù)字控制和數(shù)字成像的發(fā)展過程［1?3］。本文采用的鉆孔電視成像技術(shù)屬于光學(xué)和超聲波技術(shù)范疇。針對壩體滲漏問題，傳統(tǒng)的工程鉆探工藝獲得的地下地層的巖芯，其不足之處主要有：①由于取芯鉆具的工藝問題，無法做到100%的采取率；②由于鉆進(jìn)過程中鉆具的擾動原因，取得的巖芯失去了原位、原狀等信息，地層的構(gòu)造、產(chǎn)狀等信息也無法獲得；③鉆探過程中的取芯不連續(xù)，導(dǎo)致根據(jù)巖芯無法鉆孔傾斜和孔徑的變化情況；④對孔內(nèi)的裂隙、溶洞發(fā)育情況等情況無法形象感知。與傳統(tǒng)的鉆孔取芯相比，鉆孔電視成像是一種新型的、直觀的、數(shù)字化的測井技術(shù)手段，能夠準(zhǔn)確地反映地下巖層的原始狀態(tài)［4］。

在上百年的歷史發(fā)展中，國內(nèi)外在電視成像測井技術(shù)方面都取得了長足的進(jìn)步。國外具有影響的成像測井儀器系統(tǒng)有超聲波成像測井儀UBI（Ultrasonic Borehole Imager）、聲波成像測井儀CAST?V（Circum?ferential Acoustic Scanning Tool）、超聲波井周成像測井儀CBIL（Circumferential Borehole Imaging Log）和聲光成像測井儀OPTV/BHTV/CCTV（Optical Televiewer Probe/Borehole Televiewer/Compatible camera Teleview?er）等；國內(nèi)市場上出現(xiàn)的管井光學(xué)電視攝像產(chǎn)品有俯視和側(cè)視井下電視攝像系統(tǒng)、ZCD?50 型井下電視儀、HW?38 型井下電視儀、JX?3500 井下電視儀以及TDTV系列水文水井電視檢測系統(tǒng)等［4］。

鉆孔電視成像技術(shù)最早在20 世紀(jì)初就做過針對性的研究，該項(xiàng)技術(shù)在20 世紀(jì)90 年代末慢慢在大型基礎(chǔ)工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)的井孔照相檢測技術(shù)出現(xiàn)于20 世紀(jì)60 年代，后來逐漸研制出了用于供水管井故障檢查和鉆孔異常的黑白和彩色井下光學(xué)電視系統(tǒng)。伴隨著近些年我國基建項(xiàng)目的飛速發(fā)展，鉆孔電視成像技術(shù)的研究應(yīng)用也開始慢慢的成熟起來，在公路和隧道施工、油氣開采以及水庫壩體的勘探等方面得到廣泛應(yīng)用［5］。本文主要針對水庫壩體展開應(yīng)用研究。

1 鉆孔電視成像技術(shù)的組成及原理

鉆孔電視成像技術(shù)的主要目標(biāo)為采集到質(zhì)量最佳的圖像環(huán)，借助圓錐形導(dǎo)向鏡反射環(huán)狀圖像的手段處理圖像軟件，通過這樣的方式方便根據(jù)深度的順序獲得鉆孔壁的連續(xù)圖像。光學(xué)成像柱狀展開圖是沿著北?東?南?西這一順序?qū)D像展開的，借助圖像修理軟件對其進(jìn)行處理后，便可以獲得擁有較高分辨率的高清彩色圖像，鉆孔電視成像技術(shù)不僅可以在空氣中工作，也可以在清水介質(zhì)中工作，并且因其擁有較大的優(yōu)勢逐漸在建筑行業(yè)中得以推廣，在推動混凝土防滲墻的檢測工作方面發(fā)揮重要作用［6?7］。鉆孔電視成像系統(tǒng)主要由兩部分組成，井上部分主要包括滑輪三腳架、主控計(jì)算機(jī)及配套線和輔助設(shè)備，井下部分主要為井下探頭及配套電纜，其工作原理如圖1所示。

圖1 鉆孔電視系統(tǒng)組成及工作原理Fig.1 Composition and Working Principle of Borehole Television System

鉆孔電視成像技術(shù)應(yīng)用的光學(xué)探頭主要由向下拍攝的攝像頭與具備自動調(diào)節(jié)光圈的廣角攝像頭共同構(gòu)成，從而能夠?qū)崿F(xiàn)360°拍攝孔壁圖像。探頭中存在探管，其主要功能是采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包含攝像頭、磁力計(jì)、測斜儀三大部分，其中磁力計(jì)的主要功能是確保圖像定位準(zhǔn)確，即探測地球磁場來確定磁北極，從而準(zhǔn)確定位圖像。在開展具體測量工作的過程中，需要準(zhǔn)確計(jì)算出測量的深度，此時便需要借助高精度光電編碼盤對其予以計(jì)算，考慮到視頻會面是由深度數(shù)據(jù)以及方位數(shù)據(jù)共同定位實(shí)現(xiàn)，因此在鉆孔電視成像技術(shù)中，深度測量占據(jù)著重要的地位。借助相關(guān)的設(shè)備拍攝圖像后再處理轉(zhuǎn)換圖像，方便后期開展分析整理工作。測試的速度主要由攝像頭旋轉(zhuǎn)的速度、視野、鉆孔直徑共同決定，在實(shí)際開展檢測工作時，還需要結(jié)合需要檢測的工程實(shí)際情況，確保獲得清晰的圖像?？妆趫D像變換示意圖如圖2所示。

圖2 孔壁圖像變換示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Hole Wall Image Transformation

2 鉆孔電視成像技術(shù)在混凝土防滲墻中的應(yīng)用

2.1 鉆孔電視成像技術(shù)在混凝土防滲應(yīng)用的準(zhǔn)備工作

本項(xiàng)目采用HX?JD?01 型智能鉆孔電視成像儀（包括采集主機(jī)、電纜腳手架光學(xué)探頭等），如圖3 所示，通常在應(yīng)用鉆孔電視成像技術(shù)對混凝土防滲墻進(jìn)行測試前，需要編制出可行的作業(yè)方案，內(nèi)容應(yīng)當(dāng)包含方案的任務(wù)、目的、技術(shù)方法、具體實(shí)施步驟等等，作業(yè)方案作為整個施工開展的指導(dǎo)書，直接關(guān)系著檢測工作是否能夠成功開展。安裝好鉆孔電視成像設(shè)備后，進(jìn)入儀器操作界面，對角度傳感器和深度計(jì)數(shù)器進(jìn)行校準(zhǔn)，接著開展調(diào)試工作，然后根據(jù)孔徑闡述對探頭扶正器的大小進(jìn)行調(diào)整，從而控制探頭在鉆孔中的位置，同時還需要根據(jù)圖像的精度要求對成像探頭的行進(jìn)速度、聲波探測內(nèi)的步進(jìn)電極轉(zhuǎn)速、圖像聚焦環(huán)窗口寬度等予以調(diào)整，確保鉆孔電視成像設(shè)備所有的參數(shù)符合工作要求，然后便可以正式采集數(shù)據(jù)。

圖3 鉆孔電視成像設(shè)備主要部件Fig.3 Main Components of Borehole Television Imaging Equipment

另外，根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，測試鉆孔周圍的電場、磁場、地下地層的巖性及構(gòu)造情況、孔徑、井液等，對測試結(jié)果的準(zhǔn)確性都有影響。

⑴地質(zhì)鉆探資料和鉆探進(jìn)尺數(shù)據(jù)。測試工作前收集已有的關(guān)于鉆孔的地質(zhì)資料和鉆探進(jìn)尺詳細(xì)數(shù)據(jù)，有助于鉆孔電視成像結(jié)果的精確解譯。尤其是對鉆探過程中的異常段落，提高測試精度，以便達(dá)到理想的效果。

⑵電磁環(huán)境。測試鉆孔周圍的電磁場會影響儀器和探頭的正常采集工作。因此，在測試前需要對井場環(huán)境進(jìn)行電場和磁場參數(shù)的測量標(biāo)定，可以作為以后的圖像數(shù)據(jù)處理時的偏差和校正參數(shù)。

⑶鉆孔詳細(xì)參數(shù)。測試鉆孔的位置參數(shù)包括高程和水平坐標(biāo)，鉆孔參數(shù)包括孔徑、孔深、泥漿比重等情況。

⑷鉆孔的通孔、洗孔情況。由于鉆孔地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性，為確保測試過程中下放探頭的安全和探頭工作所需的環(huán)境，測井前，必須對鉆孔進(jìn)行通孔、洗孔，為光學(xué)成像探頭和聲波成像探頭營造較為理想的測試工作環(huán)境［4］。

2.2 鉆孔電視成像技術(shù)在混凝土防滲墻中的應(yīng)用實(shí)踐

陜西省靖邊縣某水庫樞紐等級為Ⅳ等（1）型工程，大壩為均質(zhì)土壩，最大壩高16.2 m，壩頂高程為1 210.00 m，壩頂長度401.2 m，壩頂寬度5.0 m，迎水坡筑有混凝土防滲墻防止壩基滲漏。設(shè)計(jì)混凝土防滲墻厚度0.6 m，設(shè)計(jì)要求指標(biāo)為容重γ≥2.2 t/m3，抗壓強(qiáng)度R28≥3.0 MPa，滲透系數(shù)K≤1×10?6cm/s。對該水庫混凝土防滲墻施工質(zhì)量進(jìn)行檢測，通過鉆孔、注水試驗(yàn)及鉆孔電視成像測試分析，對大壩防滲墻確認(rèn)是否滿足相應(yīng)規(guī)范要求［8?10］。

通過鉆探巖芯結(jié)果及對應(yīng)鉆孔的孔內(nèi)成像圖對比，壩體隱蔽工程主要存在3個方面的問題：

2.2.1 混凝土防滲墻局部離析現(xiàn)象

ZK2孔在12.0～13.0 m 段巖芯有局部破碎，斷口拼接不連續(xù)，結(jié)合鉆孔電視成像結(jié)果（見圖4），可以發(fā)現(xiàn)，該水庫位的堤壩在11.85～12.80 m 這一位置的混凝土不密實(shí)，骨料分布不夠均勻，伴有局部離析的情況，堤壩其余地方的孔壁完整且光滑，骨料均勻分布，且混凝土密實(shí)，這與鉆探取芯獲得的結(jié)果基本一致，二者可以很好地相互印證。與傳統(tǒng)鉆探取芯相比，鉆孔電視成像技術(shù)能夠?qū)⒒炷练罎B墻的局部離析狀況準(zhǔn)確且直觀地反映出來。結(jié)合鉆孔電視鏡的檢測結(jié)果，最后再對該槽段實(shí)施壓漿復(fù)灌處理，并實(shí)施復(fù)檢合格。根據(jù)檢測結(jié)果可以得出，鉆孔電視成像技術(shù)能夠準(zhǔn)確地檢測出防滲墻混凝土內(nèi)部裂隙以及空洞等等質(zhì)量問題，方便相關(guān)部門及時采取對應(yīng)的施工技術(shù)，確保防滲墻工程的質(zhì)量安全。

圖4 ZK2鉆孔9.5～17.5 m孔內(nèi)成像結(jié)果，11.9～12.8 m孔內(nèi)局部成像結(jié)果Fig.4 ZK2 Hole 9.5～17.5 m Image Result，11.9～12.8 m Image Result

2.2.2 混凝土防滲墻裂隙情況

通過鉆孔注水實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)ZK6 鉆孔的漏水問題十分嚴(yán)重，墻體滲透系數(shù)比原本的設(shè)計(jì)值高出兩個數(shù)量級，并且該位置的芯樣不完整，在表面可見凹槽，局部可見破碎，可見較多的塊狀芯。結(jié)合鉆孔電視成像結(jié)果（見圖5），在4.8～7.6 m（圖5 中紅框圈中部位）處有較明顯的裂隙，由此可見，鉆孔電視成像可以準(zhǔn)確地確定混凝土內(nèi)部的質(zhì)量缺陷。

圖5 ZK6混凝土防滲墻孔內(nèi)局部成像Fig.5 ZK6Results of Local Imaging in the Crack of Concrete Cut-off Wall

2.2.3 混凝土防滲墻底部沉渣情況

沉渣主要指的是在鉆孔施工與清孔作業(yè)時沉淀或者塌孔遺留下來沒有被循環(huán)泥漿帶走的沉淀物。通常情況下，沉渣顆粒之間較大，而沉渣的厚度便被稱為該層沉渣的層高?；炷练罎B墻墻底沉渣厚度指的是防滲墻和壩底基巖相連的位置沉渣的高度。如果沉渣的厚度過高，不僅會降低基礎(chǔ)承載力，而且還可能引起防滲墻整體出現(xiàn)沉降過大的情況。因此必須應(yīng)用準(zhǔn)確的方法測量出沉渣的厚度，假如測量方法不當(dāng)，便容易引起沉渣厚度判斷錯誤的情況。針對已經(jīng)完成施工的防滲墻，無法將防滲墻孔底沉渣完整芯樣取出對其厚度進(jìn)行測量［11］。本研究借助鉆孔電視成像技術(shù)的孔壁圖像進(jìn)行觀察，然后借助相應(yīng)的軟件直接在圖片上讀出孔底沉渣的厚度，再應(yīng)用鉆孔電視成像技術(shù)，便可以清晰地顯示出防滲墻和基巖接觸處，孔底沉渣如圖6所示，然后再借助分析軟件便可以將混凝土防滲墻孔底沉渣厚度直接讀出。測出該孔孔底沉渣最厚處為45 mm，從而獲得較高的檢測結(jié)果精度。

圖6 ZK4混凝土防滲墻墻底孔內(nèi)局部成像結(jié)果圖Fig.6 ZK4 Results of Local Imaging in the Crack of Concrete Cut-off Wall

3 鉆孔電視成像技術(shù)在混凝土防滲墻應(yīng)用常見問題及對策

在混凝土防滲墻檢測中應(yīng)用鉆孔電視成鏡技術(shù)，因?yàn)樵馐苄盘柕母蓴_或者操作人員沒有嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)范等等難免會遇到非正常成像的情況，原因分析如下：

3.1 沿井軸混亂圖像

對光學(xué)成像探頭與聲波成像探頭而言，其成像的基準(zhǔn)為磁北信號，探討在作業(yè)期間將采集到的數(shù)據(jù)根據(jù)磁北信號予以組織和排列，假如磁力計(jì)失靈時，便經(jīng)常會發(fā)生沿井軸扭曲的混亂圖像。

3.2 條狀帶圖像

在工程探測中應(yīng)用鉆孔電視成像技術(shù)，通常鉆孔的深度大多控制在100 m 之內(nèi)，假如探頭達(dá)到鉆孔底部時，電視系統(tǒng)獲得的圖像會在底部出現(xiàn)跟鉆孔軸線相平行的條狀帶圖像。

3.3 圖形畸變、暗影等

將鉆孔電視成像技術(shù)應(yīng)用在混凝土防滲墻檢測中，如果在錄取圖像過程中一旦發(fā)現(xiàn)圖像伴有不同程度的暗影或者畸變等情形時，造成這種現(xiàn)象的主要原因是探頭偏離孔軸中心，之所以會出現(xiàn)這類現(xiàn)象可能跟水平鉆孔、鉆孔傾斜、孔徑改變等等有關(guān)，另外扶正器安裝不當(dāng)也可能出現(xiàn)這樣的問題。特別是鉆孔按照橢圓形變化時便可以看到兩條暗影。這類問題的發(fā)生代表著成像質(zhì)量降低，解決措施是對探頭位置等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整［12］。

4 結(jié)論

綜上所述，結(jié)合本項(xiàng)目的工程實(shí)例分析，發(fā)現(xiàn)在混凝土防滲墻檢測中應(yīng)用鉆孔電視成像技術(shù)擁有普通鉆探取芯法無法比擬的優(yōu)勢，特別是在防滲墻體有質(zhì)量缺陷，取芯率較低的情況下，可以很直觀的看到墻體內(nèi)部的構(gòu)造。所以，鉆孔電視成像技術(shù)應(yīng)用在混凝土防滲墻檢測中，能夠及時發(fā)現(xiàn)滲漏處，以便針對性實(shí)施處理措施，從而提高工程質(zhì)量。