钻孔综合测试在判别岩体完整程度上的应用

杨建明，马肖波

（1.四川中水成勘院工程勘察有限责任公司，四川 成都 610072；2.成都理工大学，四川 成都 610059）

0 引 言

岩体完整程度的划分是通过波速计算或裂隙统计得到的。测试岩石弹性纵波速度和统计出露的基岩面裂隙数量都会受到岩体卸荷的影响，同时也会受到机械扰动、短时间风化的影响，难以对围岩类别作出正确评价。

全景图像测试和钻孔声波波速测试是常见的物探技术方法，旨在获取原位测试资料。全景图像测试能以视觉方式获取钻孔孔壁岩层表面特征的原始图像，钻孔声波波速测试能够迅速、准确地获得岩体的波速值。使用这2种方法可获取岩体在原位情况下的裂隙密度和岩体完整性系数KV值，对岩体的完整程度进行分析，结合基岩的物理力学指标预判围岩类别。

1 裂隙统计

1.1 裂隙分类与区分

使用全景图像获取裂隙数据资料时，大多数裂隙在图像中表现为一条近似平滑的曲线，图像中的数值为测试中所对应的深度值，裂隙通常的颜色与岩体本身颜色存在较大差异，见图1。图1中 “S”形曲线为裂隙，且深度17.7 m处白色 “S”形曲线实际为1条钙质胶结的裂隙。当钻孔贯穿或坐落于挤压破碎带、断层时，图像资料中裂隙就会表现得很发育，裂隙的形态特征、产状不明显，岩体多为碎块状，在钻孔中也容易形成空腔，其全景图像见图2。进行裂隙统计时需要将其独立开，不作为统计的对象。

图1 裂隙

图2 破碎带

根据全景图像可知，大多数层积岩、部分火成岩及板岩等都有较多的层理面，层理面反应了岩体的分层现象，其表现为成岩物质的形状、大小、成分、颜色的不同 （见图3）。层理面也可能作为岩性变化的分界 （见图4）。在裂隙统计时只将张开的层理面作张裂隙进行统计。

图3 板岩层理面

图4 砂砾岩与泥岩层理面

1.2 裂隙分类统计

使用全景图像处理软件，将获取的全景图像中的每条裂隙的产状、张开度进行一一测量，同时根据分类原则预先设置好裂隙的分类参数，分类参数可设置为数字或字母加以区分，使用绘图软件导入测量的裂隙资料绘制得到全孔壁数字图像裂隙分布图 （见图5），不同分类的裂隙将以不同的图层反应出来。根据图示可以直观地看出在不同深度裂隙的产状、间距、张开度情况。

依照不同深度裂隙分布的密集程度对裂隙进行分段，参数设置中将裂隙宽度、裂隙间距分别分5组进行统计，裂隙宽度以小于1、1～3、3～5、5～10 mm和大于10 mm为分组数据，裂隙间距以小于0.1、0.1～0.3、0.3～0.5、0.5～1 m 和大于 1 m 为分组数据，最后根据各钻孔的分段结果对各段裂隙进行统计得到全孔壁裂隙分布统计图，同时可以得到某一深度范围内裂隙的产状、间距、宽度分布的统计数据以及优势裂隙产状及条数。

图5 全景图像裂隙分布

2 波速统计

为了能将声波波速统计结果与岩体裂隙统计结果相互比较，根据声波波速在不同深度的变化，将声波波速统计分段参数按照裂隙统计的分段参数设置进行分段。具体的统计方法为:首先将野外测试的声波资料进行处理，得到钻孔不同深度的声波波速值；再将得到的岩体波速分段后运用计算软件进行统计计算，计算出不同深度范围岩体波速的最大值、最小值和平均值，最终得到岩体完整性指数KV值。在进行岩体完整性指数计算时，岩体弹性纵波速度Vpm使用各段岩体的平均波速值，岩石弹性纵波速度Vpt为岩块波速。

3 工程实例

某钻孔位置位于雅砻江上游某水电站，坝址区岩性为变质砂岩夹砂板岩及极少的侵入型花岗岩，根据钻孔中裂隙的分布将统计数据分为2段。全景图像裂隙统计见表1，全景图像裂隙分布统计见图6。图表分析表明，第1段裂隙的平均间距为0.31 m，第2段的裂隙平均间距为0.85 m。对该区域岩体波速的长期测试结果表明，测试中得到了波速值6100～6200 m/s的连续波速，将岩块波速设定为6200 m/s进行统计，得到钻孔声波波速 （见表2）。经计算，第1段KV为0.71，第2段KV为0.86。

表1 全景图像裂隙统计

表2 钻孔声波波速统计

上述分析可知，第1段裂隙间距在0.1～1 m之间分布较均匀，张开度以小于0.3 mm为主，最集中的方位角为 60°～90°、倾角为 60°～75°；第 2 段的裂隙的平均间距为0.85 m，间距大于1m的超过60%，间距大于0.5 m的超过80%，张开度以小于0.3 mm为主，最集中的方位角为290°～320°、倾角为 55°～70°。

已知了各孔段裂隙的平均间距与KV值，就能够对各段岩体的完整程度做出判断。第1段的裂隙间距为0.31 m，同时裂隙间距在0.1～1.0 m之间成均匀分布。根据裂隙分布情况，结合岩体完整程度的结构面特征分类标准对应的结构面发育程度情况，分析图像中裂隙的结合程度，可知该段为较破碎～较完整岩体，同时根据统计得到的KV值可知该段为较完整岩体。第2段裂隙间距为0.85 m，且间距大于1 m的占61.5%，同理可知该段为完整岩体。根据全景图像资料，结合变质砂岩、砂板岩本身的力学性质较好、强度高等特点，且砂岩本身抗风化能力强，同时结合 《工程地质手册》中对围岩类别的分类标准可知，第1段的岩体为III～II类围岩，第2段的岩体为II～I类围岩。根据各条裂隙的产状及极坐标图，也可对该区域岩体进行应力分析。

4 结 语

（1）裂隙统计与波速统计是在原位测试资料上进行的，避免了单纯的取芯钻探对岩芯的卸荷作用及机械扰动的影响，得出不同埋深下岩体完整程度的统计结果更加符合工程实际。同时，2种方法的对比也能更好地验证结果的真实性。

图6 全景图像裂隙分布统计

（2）全景图像采集的钻孔孔壁岩层表面特征的原始图像具有直观性、真实性，容易划分地层结构，测试得到的裂隙产状、张开度等数据更为可靠，特别是通过多钻孔的测试资料可判断断层、破碎带的发育规模及断层面延展状况。

（3）对裂隙的统计能够得到对大坝防渗及抗滑移设计影响较大的缓倾角裂隙的分布规律，对坝区防渗及抗滑移设计提供科学依据。

（4）在边坡开挖、大坝修筑过程中，通过裂隙与波速统计的对比，可以分析岩体在应力变化时内部的变形、破坏情况。

［1］GB 50021—2001 岩土工程勘察规范［S］.

［2］沙椿，等.工程物探手册［M］.北京:中国水利水电出版社，2011.

［3］左建.地质地貌学［M］.北京:中国水利水电出版社，2006.

［4］张有良，等.最新工程地质手册［M］.北京:中国知识出版社，2006.

［5］GB 50487—2008 水利水电工程地质勘察规范［S］.

［6］刘佑荣，等.岩体力学［M］.武汉:中国地质大学出版社，2010.