全孔壁数字电视在检测某大型水电站坝体混凝土接缝的应用

孙冠军 鹿明轩 庞云铭

（长江水利委员会 长江三峡勘测研究院有限公司，武汉 430074）

钻孔数字电视是20世纪50年代出现的一种测井方法，近些年由于成像技术、电子技术的飞跃发展，钻孔数字电视成像技术也逐渐成熟［1－3］.本文应用JD－1型钻孔全孔壁数字电视，可提供钻孔孔壁的全景数字图像信息，进而清晰、直观、准确地反映出井内孔壁各种特征.它以全孔壁、高精度、高清晰度、测试速度快、造价较低等特点弥补了其它钻孔成像技术的不足.

水电站从建成到使用过程中，由于蓄水水位不断升高，水电站坝体前后受到的压力越来越不均衡，坝体内会产生一定变形，局部会出现混凝土接缝.在混凝土接缝发育部位布置钻孔，并采用国内先进的全景面钻孔成像系统定期对钻孔进行观测，为坝体的安全性评估提供科学依据.

1 系统成像原理及组成

1.1 成像原理

本次采用JD－1型钻孔全孔壁数字电视成像系统，是采用了一种特定的光学变换，即截头的锥面反射镜，实现了将360°钻孔孔壁图像反射成为二维平面图像.这种二维平面图像称为全景图像（也称全孔壁图像），由于钻孔呈圆柱体，这种全景图像不失其三维信息.全景图像可以被位于锥面反射镜上部的摄像机拍摄，经过光学变换，形成全景图像，其孔壁图像的变换、展开原理如图1所示.

图1 孔壁图像变换示意图

钻孔深度可以通过深度测量装置直接获得，并将其数值标注到全景面图象中；方位可通过反射镜中部的磁性罗盘指北针获取，磁性罗盘的指针指示了全景图像的正北方位，在测孔过程中探头不可避免的会发生旋转，由于磁性罗盘指针始终指向磁北方向，所以通过系统软件将孔壁全景图像沿磁性罗盘指针方位展开，便得到从左至右为0～360°的孔壁全景图像.

钻孔内没有光线，在测孔过程中依靠井下探头中的灯管提供光源，照亮孔壁，以进行图像采集.当孔内有水时，测试前应先对钻孔用清水进行洗孔，冲洗掉孔壁上及孔内水中的岩粉、泥浆呢，直到孔内水变清澈，以保证图像清晰.测试干孔时，摄像头部位容易起雾，即水汽凝结在摄像头、反光镜等部位，影响成像质量，对于这种情况一般可在探头内放置干燥剂或经常在晴朗、干燥的天气打开探头，在阳光下晒晒，以蒸发探头内的水汽，效果较好.

1.2 系统基本组成

一般数字式全景面钻孔摄像系统由井下摄像探头、传输电缆、深度传感器、控制器、计算机图像处理系统、井口滑轮、绞车、脚架等硬件及钻孔孔壁图像采集、编辑与解释软件系统等组成.

计算机图像处理系统通过RS－232接口与采集控制器连接，采集传输电缆送来的孔壁图像信号，并对孔壁图像信号进行识别、展开处理，自动拼接形成孔壁展开柱状图像，通过监视器显示出来，并记录在计算机硬盘里.通过软件进行编辑解释处理，把钻孔图像信息刻录在光盘上保存，打印机将图像打印成图.系统组成及工作原理如图2所示.

图2 JD－1型钻孔全景数字电视系统组成及工作原理框图

2 应 用

本次工作主要是在坝体廊道内沿混凝土接缝位置布置检测孔，检测孔由两个垂直孔和3个斜孔组成，孔间距为1.7m.采用JD－1型钻孔全孔壁数字电视系统进行数字图像信息采集，对于垂直孔按照常规方法测试，对于斜孔的测试，需要对仪器进行相应改装.其基本原理如下:斜孔的全景面钻孔摄像系统是在原系统的的基础上，改变探头入孔方式，利用人工推力推动探头在任意向的孔中自由移动，最重要的是用全方位重力罗盘代替磁性罗盘，这样罗盘不仅能自由运动，而且能利用其与指针式磁性罗盘的相同特点，完成图像的正常采集和处理，通过地质结构面在孔中的分布位置的确定，采用数学计算的方法，计算出结构面的产状.系统组成如图3所示.

图3 全方位钻孔全景数字电视系统组成及工作原理框图

2.1 蓄水前后对混凝土接缝及混凝土浇筑质量的检测

在蓄水前和蓄水后分别对混凝土接缝检测孔采用全方位钻孔数字式全景面钻孔摄像系统进行摄像，对比前后两次数据，下面对钻孔ZK1作详细说明.钻孔ZK1前后两次的部分孔段对比成果如图4所示.

混凝土接缝检查孔录像成果显示，2007年11月23日电视录像成果与2007年10月10日电视录像成果基本一致，混凝土接缝在长度、宽度及形态上基本无明显变化；蓄水位增高后，孔壁钙质及铁锈等附着物有增加现象.

图4 ZK1部分孔段全孔壁数字电视前后两次对比成果（0～6.0m）

孔内水位随着坝前水位抬高而上升.2007年10月10日孔内水位为孔深7.0m，2007年11月23日孔内水位升至孔深5.7m.

混凝土胶结方面，混凝土接缝检测孔内混凝土浇筑质量总体较好，孔壁光滑、完整，骨料分布较均匀，粒径一般为2～4cm，最大达16cm，骨料成份主要为闪云斜长花岗岩，局部孔段见直径1～3mm气孔，少数孔段沿粗骨料边缘见短小气缝分布.

孔内大部分混凝土纵缝呈近垂直状，一般宽4～9mm，多为水泥结石充填，与混凝土胶结密实；大部分孔段孔壁光滑，混凝土骨料、砂浆分布均匀，胶结密实，其中孔深1.85～2.97m孔壁较粗糙，胶结略差；除孔深0～0.94m 张开较明显、张开宽3.8～7.7 mm、仅有少量水泥结石充填外，其它孔段仅局部见微张现象.

2.2 渗水部位的检测

通过仪器的动态视频窗口，可清晰的观测到钻孔孔壁渗水部位及渗水量.以斜孔4号孔为例，孔壁在长期受到富含钙质、铁离子水体的影响下，孔壁有钙质、铁锈附着，在孔壁图像中可清晰反映.孔内水体渗流量总体较小，上部孔段有两处渗水现象，其渗流量为每分钟35～41滴；下部孔段孔深25.1m处，渗流量较上部孔段大，渗流量占整孔渗流量4／5以上，如图5所示.

图5 斜孔XZK4部分孔段漏水点部位全孔壁数字电视成果

3 结论与建议

（1）通过使用全孔壁数字电视系统对坝体混凝土接缝的检测，掌握了清晰直观的数据资料.分析资料证明，在蓄水期坝体混凝土接缝宽度、长度均无明显变化；坝体内水位随蓄水水位升高，相应升高；坝体混凝土胶结较好，仅混凝土接缝附近稍差.

（2）建议在泄洪期及蓄水期定期对钻孔进行观测，包括监测混凝土接缝有无变化，以及孔内水位、水质的变化，为坝体的安全评价提供更详细的资料信息.

［1］周科平，高 峰.顶板诱导崩落预裂钻孔裂隙发育监测与分析［J］.岩石力学与工程学报，2007，26（5）:1034－1040.

［2］何铁汉，黄 华.数字电视在乌东德水电站地质勘察中的应用［J］.人民长江，2007，38（9）:94，102.

［3］秦英译，王川婴.前视井下电视和数字钻孔摄像在工程中的应用［J］.岩石力学与工程学报，2007，26（1）:2834－2840.