钻孔全孔壁光学成像在工程泥化夹层探测中的应用

2012-06-25杨红云高拴会涂善波李晓磊黄河勘测规划设计有限公司

河南水利与南水北调 2012年6期

□杨红云 □高拴会 □涂善波 □李晓磊(黄河勘测规划设计有限公司)

1.前言

泥化夹层是指软硬相间岩层所夹的软弱岩层在构造挤压作用下，因层间剪切错动而使原岩结构遭到破坏，形成的一种结构疏松、性状差、分布广、危害大的软弱结构面。大量工程实践表明，泥化夹层是影响坝型选择、工程安全的关键因素，查明坝基下影响坝基抗滑稳定的泥化夹层的空间分布，是十分必要的。

2.调查与研究现状

目前，泥化夹层的地质勘察方法大多采用多种手段综合对比分析，例如地表调查、钻孔、竖井、平硐等。由于泥化夹层的发育具有不确定性、不连续性等特点，同时受地层岩相变化、取样技术以及勘测精度条件等限制，常规探查方法很难准确无误地将绝大部分有影响的泥化夹层及其性状调查清楚。随着勘探思路的扩大和物探技术的发展，钻孔全孔壁光学成像等物探方法，为泥化夹层的调查开辟了一条新的途径。

3.钻孔全孔壁光学成像

广义的钻孔成像技术，是应用包括超声波、光、电、磁和核磁共振等技术，对钻孔周边介质进行原位扫描成像的测井技术方法。我们使用的是基于光学原理的钻孔全孔壁光学成像。

钻孔全孔壁光学成像系统主要由地面部分和井下部分组成，地面部分包括控制器、电脑、三脚架、绞车、滑轮和深度计数器；井下部分包括摄像探头和电缆,摄像探头由CCD摄像机、LED灯、玻璃罩和锥形镜成。钻孔孔壁经LED光源照亮,CCD摄像机摄取由锥形镜反射的孔壁图像,图像信息经电缆传送至控制器和电脑,采集过程由图像采集控制软件系统完成,此系统把采集的图像展开,记录在电脑上。安装在探头内的数字罗盘用来标定图像的方位,一般把测试地点的磁北经磁偏角校正后的北设为0°,顺时针方向角度增加。图像处理软件可以以两种方式显示,一种是数字岩芯图,拖动滑动条岩芯可以旋转;另一种是360°展开图。图1为孔壁图像与360°展开图的对应关系。

图1 孔壁图像与360°展开图的对应关系图

钻孔光学成像系统以视觉获取地下信息，具有直观性、真实性等优点，已广泛应用于地质勘探和工程检测中，用它可以准确地划分岩性，查明地质构造，确定软弱泥化夹层，检测断层、裂隙以及破碎带，观察地下水活动状况等。

4.工程应用

在某工程勘测工作中，发现坝址岩体中存在一定数量的沿层面发育的顺层剪切带。这些剪切带分布在不同高程岩体中，由于受原岩性状、层间错动和地下水作用的影响，部分已经演变为泥化夹层。进行泥化夹层调查时，使用了钻孔全孔壁光学成像系统。通过钻孔全孔壁图像，不仅可以清楚地获得泥化夹层的分布，而且可以通过泥化夹层的起止深度判断其发育厚度。典型的泥化夹层钻孔成像图像，如图2所示。

图2 某工程ZK 2孔泥化夹层钻孔成像典型图像图

为验证钻孔全孔壁光学成像调查的准确性与精度，确保泥化夹层统计分析结果的可靠性，选取了具有代表性的泥化夹层钻孔成像图像与对应的岩芯照片进行对比分析。

钻孔岩芯中发现夹泥，在钻孔光学成像中都有明显的反应。如图3，大口径钻孔DKJ1岩芯在深度39.5m处发现夹泥，其在钻孔成像中有清晰的反映；如图4，ZK3分布在钻孔深度273.9m的夹泥在钻孔成像中有清晰的反映，钻孔岩芯和光学成像图像有较好的一致性，泥化夹层钻孔全孔壁光学成像调查成果是可靠的。

图3 DKJ1钻孔成像图像和岩芯照片对比图

图4 ZK3钻孔成像图像和岩芯照片对比图

也有部分部位钻孔光学成像发现泥化夹层，而钻孔岩芯没有取到。如图5，在ZK3孔中，68.7m处在钻孔光学成像中发现泥化夹层，而在钻孔岩芯中没有发现泥化夹层，钻孔取芯遗漏了这层泥化夹层。这时钻孔全孔壁光学成像的优越性这时就体现出来了，由于泥化夹层很薄，钻孔时存在扰动，取芯时很可能出现漏层现象。与钻孔取芯相比，钻孔光学成像技术由于能对孔壁连续观测，因此不会因为取芯不完整，造成夹泥缺失，可以减少由于钻孔对磨造成的泥化夹层漏判。

相比单纯依赖钻孔岩芯判断泥化夹层的发育特点和分布规律，钻孔成像技术还具有判断准确的明显优势。钻孔全孔壁光学成像在成像过程中基本没有人为干扰，能够保持泥化夹层在地层中的原始发育形态，减少由于人为摆放和风化破坏造成的不利影响。它避免了扰动造成的难以获得地层内各结构面的精确产状信息，可清晰地揭示钻孔中地层岩性、破碎带、层面、节理面、构造面等地质现象，真实地反映了地下岩体信息地质情况。

图5 ZK3孔76.8m处钻孔成像图像和岩芯照片对比图

钻孔全孔壁光学成像资料携带方便，方便专家审查资料，它的数字岩芯可模拟钻孔岩芯，犹如置身于钻井现场。钻孔全孔壁光学成像还能对钻孔岩芯的永久性保存起到很大作用。一般大型水利水电工程，勘察期较长，前后几年，甚至几十年，岩芯特别是泥化夹层保存难度较大或根本无法保留，对后来的资料复核、计算困难很大。钻孔全孔壁光学成像采用影像的方式保存资料，可存盘永久保存，方便调阅。