基于孔内电视技术的岩体节理裂隙特征研究

2021-10-20王晓兵王俊卿

岩土工程技术 2021年5期

王晓兵王俊卿

（郑州中核岩土工程有限公司，河南郑州 450000）

0 引言

结构面是岩体中力学强度相对薄弱的部位，结构面的存在使岩体力学性能具有不连续性、不均匀性和各向异性[1−2]；而且，岩体的结构特征对岩体在一定荷载条件下的变形破坏方式和强度特征起着重要的控制作用[1−2]。然而，节理裂隙的发育方向、长度、张开度、规模及交错程度较为复杂，其空间分布具有很强的随机性、各向异性与隐蔽性；且节理裂隙的特定分析与研究又是工程岩体分级与岩体质量评价的重要指标之一，岩体之上的工程，特别是核电工程的质量与安全又严重依赖于岩体的质量；因此，对岩体节理裂隙特征的分析与研究尤为重要[1,3−5]。自1976年国外学者提出复杂岩体的结构具有某种统计自相似性，前人基于分形理论对岩体节理裂隙做了较多的定量化、系统化分析研究[6−8]。

在工程地质勘察中，获取岩体节理裂隙第一手资料的手段主要是钻探、声波测试及孔内电视等。在钻探过程中，岩体节理裂隙特征的准确程度严重依赖于钻探技术水平的高低，而声波测试又无法准确地测定岩体节理裂隙的产状、张开度等；传统孔内电视的摄像范围、角度、清晰度在很大程度上受到限制，仅能够一定程度地记录、反映地下岩体的节理裂隙特征[5,8−10]。全景式孔内电视技术的360°孔壁图像覆盖成像不仅不受摄像角度的影响可以一次性完成对孔壁的观测，而且在清晰度上也有较大的提高[10−12]。本文在钻探的基础上运用全景式孔内电视技术，对海南某核电项目2个钻孔岩体孔壁进行了图像观测，通过对测试结果节理裂隙的解译、统计等定量分析，判断了岩体主要节理裂隙走向与倾角范围，分析了优势节理，并对岩体节理裂隙的倾角、节理线密度进行了研究；在此基础上运用王川婴等提出的基于孔内电视系统的岩体质量IRMI指标，对测试孔的岩体完整性进行了评价，并与RQD值、声波测试结果进行了对比。

1 孔内电视基本原理

全景式孔内电视的基本结构主要由成像主机、探头、半自动绞车等组成（见图1）。钻孔成孔后，经洗孔与试剂的投放使得孔壁干净或孔内水体清澈；探头进入钻孔后利用自身的摄像光源照明，将探头周围的岩体的孔壁通过锥面镜反射传输至地面主机中；半自动绞车从钻孔底匀速提升探头至孔口，对不同深度的岩体孔壁成像采集。

全景技术能够实现岩体孔壁的360°成像，即观察方向垂直向下，观察的图像是圆柱面的某一段图像经过锥面反射镜反射成像于锥面反射镜底部的某一平面或近似平面上的图像[10]（见图2），对岩体节理裂隙进行摄像。具有一定重叠区域的无缝拼接技术则可以将测定深度内的全孔孔壁图像连接起来，从而使岩体的节理裂隙、结构面清晰完整地呈现。

图2 孔内电视全景图像示意图[11]

岩体中节理裂隙在空间范围内的展布具有三维性，全景孔内电视能够将三维岩体孔壁的节理裂隙展开的二维图像进行四点以上的多点拟合。图3中A点则代表与节理裂隙倾向相反的方向；D点则代表节理裂隙的倾向。然而，岩体的节理裂隙形成过程是复杂的，张开型节理裂隙的结构面凹凸不平，填充物的性质、属性不同，使得其不具有平滑性即为结构面粗糙度。

图3 全景式孔内电视技术原理及实例[13]

岩体节理裂隙的二维形态是不规则的，其节理裂隙不具有平滑曲线的形态，拟合过程是以节理裂隙线的平滑基线为进出进行的，因此在拟合过程中岩体的节理裂隙不具有突变性。钻探过程中未贯穿的结构面，其岩体节理裂隙的拟合效果较差，贯穿的节理裂隙则可以很好地反映岩体节理裂隙的实际状态。

2 场区地质概况

场区内地层上部主要为第四系海积地层、风积地层，下伏燕山运动晚期侵入岩，黑云母花岗岩在场区内广泛分布，大部分布于更新统残坡积层下部，石英闪长岩作为一套后期侵入的岩体呈脉状分布，宽度不等。该区域位于华南褶皱系五指山断坳带西部，内部构造简单，位于场区南部仅发育一条红岭断裂，走向北北西−近南北向，全长约8 km；该断裂表现为硅化、密集节理带，地貌上沿残丘山脊发育，无断错微地貌现象，为前第四纪断裂。场区内无基岩露头，工程地质测绘仅能对地表的工程地质条件进行调查，深部岩体节理裂隙的发育情况，特别是节理裂隙的位置、产状、充填物等无法调查。

3 岩体裂隙特征分析

3.1 孔内电视图像解译

本次孔内电视测试在HK01孔、HK03孔进行，钻探结果两个孔岩芯较为破碎。根据孔内电视成像结果，可清晰地观察到黑云母花岗岩与石英闪长岩岩性分界，闭合节理、微裂隙，张开型节理面铁质矿物浸染与石英岩脉及部分塌孔现象（见图4、图5）。

图4 节理面浸染、矿物充填及塌孔现象实例

图5 岩性分界线及岩脉实例

在孔内电视图像的基础上对两个孔岩体的节理裂隙特征进行了拟合解译。HK01钻孔地层从上到下依次为中砂、珊瑚礁混砂、石英闪长岩；由于上部为中砂和珊瑚礁混砂，上部中等风化层较为破碎，为完成钻孔的钻进，选择了套管护壁；因此，该孔0.0～26.0 m测试图像为套管壁，不具有实际观测价值，孔内电视岩体图像从26.0至39.0 m，计13.0 m；HK03孔地层从上到下依次为中砂、黑云母花岗岩，上部0.0～12.0 m使用套管护壁，孔内电视岩体图像从12.0～45.5 m，计33.5 m；两孔共计测深93.0 m，有效测试段长度共计46.5 m。HK01、HK03孔钻探取芯较为破碎，岩体节理裂隙部分无法识别，而孔内电视结果显示对应深度的岩体较为完整，部分节理裂隙之间的岩体长度大于10 cm，这使得钻探RQD值小于实际值（见图6、图7）。

图6 HK01孔28.0～30.0 m孔内电视图像节理裂隙解译

图7 HK01孔32.0～34.0 m孔内电视图像节理裂隙解译

3.2 岩体节理裂隙统计

在节理裂隙解译的基础上对两孔岩体进行了节理统计（见图8−图12）。其中，HK01钻孔26.0～39.0 m，共发育节理裂隙82条，其中张开型无充填节理共计17条，张开型石英矿物充填节理5条（见表1）；HK03钻孔12.0～45.5 m，共发育节理裂隙274条，其中张开型节理共计31条，张开型石英矿物充填节理4条。根据节理走向统计结果（见图13）HK01孔优势节理有2组，即NNW走向（335°～350°），NE走向（30°～60°）；HK03孔优势节理有3组，即NWW走向（280°～300°），N走向（350°～10°），NEE走向（60°～80°）；节理裂隙面多为剪切面，少部分为泥质充填，节理面较光滑，大部分为铁锰质浸染，多数节理张开度1～2 mm，充填石英矿物等。

图8 HK01孔36.0～38.0 m孔内电视图像节理裂隙解译

图9 HK03孔16.0～18.0 m孔内电视图像节理裂隙解译

图10 HK03孔20.0～22.0 m孔内电视图像节理裂隙解译

图11 HK03孔22.0～24.0 m孔内电视图像节理裂隙解译

图12 HK03孔30.0～32.0 m孔内电视图像节理裂隙解译

表1 声波测井综合成果表

图13 节理走向玫瑰花图

根据节理倾角统计结果（见图14、图15）HK01孔主要倾角有2组，分别为50°～60°、70°～80°，倾角大多数分布在30°～80°范围内；HK03孔主要倾角有3组，分别为30°～40°、40°～50°、50°～60°，其倾角主要分布在30°～70°范围内。

图14 节理倾向、倾角玫瑰花图

图15 节理倾角统计频数直方图

HK01孔26.0～39.0 m，共发育节理82条，平均节理间距0.16 m/条，其中31.0～36.0 m节理裂隙发育较多，节理多为闭合微小型，对岩体的完整程度破坏不大；HK03孔12.0～45.5 m，共发育节理274条，平均节理间距0.12 m/条，其中32.0～42.0 m节理裂隙发育较多，节理多为闭合微小型，局部为张开充填型，对岩体的完整程度影响较小，该孔22.3～27.0 m节理裂隙多为张开型，对岩体破坏程度较大（见图16）。

图16 节理线密度统计频数直方图

两孔岩体的节理裂隙均为构造节理裂隙。构造节理裂隙以剪性高倾角节理为主，多为闭合节理或硅质胶结，裂隙面有铁锰质浸染，部分为高岭土充填，遇水后呈泥状，主要在黑云母花岗岩与石英闪长岩接触带分布。少数为张性裂隙，节理面粗糙，多为铁锰质浸染。由于钻孔内的节理裂隙发育，岩体完整性遭到极大破坏，结构体形状呈碎屑状或碎块状，中等风化岩体中的结构体由节理裂隙切割而成，结构体形状为柱状和块状，微风化岩体受节理裂隙切割，结构体形状为柱状和块状，局部节理密集带呈碎块状。

4 岩体裂隙特征及质量评价

4.1 钻孔RQD与声波测试岩体质量分析

岩体节理裂隙的走向、张开程度、形态、发育规模、节理间距、宽度以及节理面的粗糙程度共同构成了岩体节理的裂隙特征[14−15]。对节理裂隙特征的分析则是工程岩体分级、岩体质量及完整性的重要指标。钻探结果表明，HK01微风化岩体采取率为96.0%，RQD值为50.7，节理裂隙的平均间距0.45 m/条；根据工程岩体分级标准，该孔岩体质量指标为较差的，岩体完整性为较破碎−较完整，结构类型为镶嵌碎裂结构−块状结构，结构面结合好。HK03微风化岩体采取率为96.2%，RQD值为40.7，节理裂隙的平均间距0.32 m/条；该孔岩体质量指标为差的，岩体完整性为较破碎−较完整，结构类型为碎裂结构−块状结构，结构面结合好。

声波测试可以根据岩体弹性波速对岩体完整性进行定量评价，HK01孔单孔声波范围值为4765～5952 m/s，平均值为5352 m/s，其岩体完整性系数Kv范围值为0.57～0.88，根据工程岩体分级标准，该孔岩体完整程度为较完整−完整；HK03孔单孔声波范围值为4688～5955 m/s，平均值为5359 m/s，其岩体完整性系数Kv范围值为0.57～0.91，根据工程岩体分级标准，该孔岩体完整程度为较完整−完整（见表1）。

4.2 孔内电视岩体质量分析

在工程地质勘察中，常用的岩体质量评价方法主要为RQD分级标准与BQ分级标准两者结合确定的。而在实际工作中，由于岩体的结构较为复杂，软弱岩体和风化破碎岩体的存在，使得在钻探过程中岩芯采取率较低，另外，破碎岩体的取芯率严重依赖于钻探技术水平，机械设备的扰动也使得岩体的岩石结构遭到破坏，部分大于10 cm的岩芯不能计入RQD值。王川婴等经过研究发现，完整岩芯长度的统计描述与结构面间距的统计描述是等价的，故在此基础上提出了基于孔内电视评价岩体质量评价指标IRMI[4−5]。该指标将全孔孔壁图像分为完整性特征I和破碎性特征F，并使用岩石质量指标分级标准，将岩体质量划分为好的、较好的、较差的、差的、极差的五个级别；其中I是指相邻节理裂隙或者是结构破碎带边界之间大于10 cm的完整岩体长度总和，F指相邻节理裂隙间小于10 cm的完整岩体长度总和。该评价指标如下：

在此基础上利用该评价体系对测试的HK01孔和HK03孔岩体质量进行评价。将两孔孔壁图像切割为1 m，然后测量相邻节理裂隙间大于10 cm的完整岩体及小于10 cm的破碎岩体。HK01孔总测段长13 m，大于10 cm完整的岩体总和为7.58 m，完整岩体与破碎岩体之和为12.49 m，其IRMI值为60.70；HK03孔总测段长33.5 m，大于10 cm完整的岩体总和为15.72 m，完整岩体与破碎岩体之和为32.60 m，其IRMI值为48.22。段长1 m的IRMI值钻孔深度变化曲线（见图17）直观地展示了钻孔内岩体的完整程度，HK01孔16.0～30.0 mIRMI值较高，该段岩体岩石质量为较差的−较好的，30.0～39.0 m岩体质量为差的；HK03孔32.0～36.0 m、38.0～41.0 m岩体岩石质量为较好的，其它区域多为较差的岩体，局部为极差岩体（见图17）。

图17 段长1 m的IRMI值随孔深变化曲线

孔内电视图像解译的岩体节理裂隙线密度明显小于钻孔统计的节理裂隙线密度，其原因包括：①在机械破坏的前提下采取的破碎岩体不能完整地保存节理裂隙，使得岩体取出地表时呈碎块状，节理裂隙无法识别；②节理裂隙较发育岩体由于机械破碎造成岩体破碎的假象，故而统计的节理平均间距明显大于孔内电视的统计结果。基于岩体完整性指标IRMI评价的岩石质量明显优于RQD指标评价的岩体质量，其主要原因是机械设备的扰动破坏，特别是在软弱夹层、风化破碎带、断层破碎带，提取的岩芯采取率不高，岩芯失去了原始应力状态下岩体特征（见表2）。

表2 RQD与IRMI分析方法对比表

本次孔内电视对岩体质量等级的判别结果明显差于声波测试的判别结果。声波测试不能更为细致地刻画岩体的节理裂隙，特别是岩体纵波速度对微风化岩体张开石英充填型节理及闭合节理不敏感，对岩体纵波速度的影响较小，致使岩体纵波速度测试值偏大，从而使Kv值偏大，利用Kv值根据规范判别岩体时对岩体质量的评价过高。并且声波测试与孔内电视相比，不能直观地反映岩体节理裂隙的发育情况，仅能从整体上对岩体的破碎状况、裂隙发育程度、软弱夹层的分布及岩体的完整性和风化等级进行评价。

5 讨论与结论

5.1 讨论

岩体节理裂隙的研究是工程地质评价岩体特征的重要依据，目前对于岩体节理裂隙的定量描述分析主要是基于“自相似性”的分形理论，岩体节理裂隙的形成是复杂的；基于分形理论的节理裂隙定量描述，可在一定程度上反映岩体内部的节理裂隙特征，并对岩体做出一定的评价；但是节理裂隙的研究并不局限于对岩体的评价，其连通性对基岩裂隙水地下流动性的影响是非常大的。特别是目前核电技术的飞快发展，核元素随地下水迁移的规律值得探讨分析，而基岩裂隙的存在则为基岩裂隙水提供了迁移通道，因此裂隙的连通性是分析地下水迁移的重要依据。然而目前对节理裂隙的定量描述远远不足以精确描述其连通性，因此需要一种更好的方法对岩石节理裂隙进行精确的定量分析[3,6,14−15]。

全景式孔内电视技术虽然可以清晰、直观地观测孔内岩体的节理裂隙发育特征，但其施展的限制因素较多，如套管护壁，则不能观测该段的孔内情况；如果采用泥浆护壁，在未清洗孔壁的情况下，岩体中的裂隙易被泥浆充填，造成张开裂隙有充填物的假象；塌孔情况下，岩体节理裂隙的原始状态遭到破坏，使得观测结果失真；另外钻孔成孔后，钻孔沉渣则可以使既定深度的岩体测试无法实现。由于上述实际问题的存在也使得该技术不能大范围应用于每一个钻孔。然而，全景式孔内电视对岩体节理裂隙直观清晰的观测优点是其它技术或方法无可比拟的。在实际条件允许的情况下，增加孔内电视测试可以增加对岩体评价的准确度。另外，岩体完整性指标IRMI值是基于RQD评价方法的分级标准，一种新的属于IRMI值分析岩体质量的分级标准迫切需要。