钻孔电视技术在高边坡勘察中的基础效用分析

杜士勇 戴胜生

(中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司，浙江 杭州 310014)

1 概述

在岩质高边坡工程勘察中，常规的勘察手段是钻探和地质测绘，用于揭露地层岩性、分布以及岩体构造等。其他辅助方法诸如声波测井试验用于评价岩体完整性；单孔波速试验用于测定岩土的弹性波传播速度(纵波和横波)，进而计算岩土的动弹性模量、动剪切模量、动泊松比等；岩石室内试验则用于检测基本物理力学性质。

但岩质边坡勘察及设计的一个重要内容是分析边坡的破坏模式，这时需要对结构面产状、性质、间距、规模与分布，及其衍生的岩石质量指标(RQD)、岩体完整性、脉岩与围岩的接触关系等做出客观评价。在场地无岩石露头或露头较少的情况下，会导致地质测绘统计的结构面信息不完全；岩石质量指标(RQD)计算受钻机操作影响大、统计结构一般偏于保守；声波测井法进行岩体完整性评价时，其声波数据受仪器及操作影响较大，缺少比较直观的信息作为佐证或补充。本文结合某核电高边坡钻孔电视技术的成功应用，展望该技术在边坡工程勘察中的应用前景。

2 原理与步骤简介

智能钻孔电视技术软件主要依托光学成像仪数据管理和结果输出系统，实现数据导入导出、数据管理、结果编录和结果输出功能。一般其硬件主要由主机、探头、连接电缆以及支架设施组成，见图1。

设备工作时，中央处理器实时接收由井下探头摄录的图像信息，图像处理系统会以每一幅图像所包含的方位信息将其依N-E-S-W-N方位顺序进行展开，然后将所有展开的数字化图像拼接起来，就形成钻孔全孔壁柱状剖面图和岩芯柱状图，掌握主要节理结构面倾向、倾角、张开度、填充物等信息。其自动生成的岩芯柱状图见图2。

该技术运用主要经历以下步骤：1)洗孔，洗净孔壁，至摄像头清晰；2)架设安装仪器，进行孔深校正，保证孔深读数准确；3)探头方位校准，保证结构面产状准确；4)匀速下放，控制2 m/min～3 m/min，直至探头不能下放；5)数据保存；6)室内数据量取，主要包括节理结构面倾向、倾角、张开度量取，以及部分填充物描述等；7)数据统计、分析与评价。

3 工程应用

3.1 某核电边坡简介

某核电边坡位于浙南沿海低山丘陵区，边坡区原始地形平缓，山体自然坡度一般15°～20°，自然边坡稳定。厂坪标高+15.5 m，边坡总长度1.8 km，根据厂区边界轮廓分成8个坡段，其中最高一段为核安全相关边坡，边坡高达110 m左右。

根据勘察资料，边坡区地层浅部主要为坡残积(Qdl-el)含砾砂粉质粘土，基岩为白垩纪石帽山群下组上段晶屑熔结凝灰岩(K1sh1b)。主要脉岩为燕山期晚侵入的钾长花岗斑岩和喜马拉雅期侵入的安山岩，呈条带、脉状零星分布，断续延伸，脉宽1.5 m～12.0 m。边坡场地及附近地段普遍坡残积土和全风化凝灰岩层较厚，基岩露头极少。自然水位埋深较大，以基岩裂隙水和构造裂隙水为主，水量不大。

3.2 钻孔成像技术基础效用分析

上述场地地质条件下，钻探、测绘、波速试验等手段尚不能精准反映结构面性质，通过钻孔电视法取得了以下基础效用，在本工程应用中获得了较大的成功。

1)岩体结构面产状。

在本工程场地，由于覆盖层较厚，少量岩石露头距离边坡较远且沿海岸分布为主(局部为海蚀风化裂隙)，工程地质调查和测绘法获得的结构面数据，代表性相对较差。通过钻孔摄像技术在边坡区钻孔内获得的结构面数据具有较强的代表性。

以AB坡和BC坡(本工程的最高边坡)为例，进行孔内电视法和地质测绘法揭露的结构面产状的统计分析，通过对比分析(如图3所示)，可以得到以下结论：

a.钻孔电视法结构面数据信息量大，通过统计，大大弱化了地质测绘时的“干扰结构面”，使某些“干扰结构面”不再成为主要结构面。如348°∠74°将不再是主要结构面。

b.通过钻孔摄像技术与地质测绘法获得的结构面进行综合叠加统计，增加了缓倾角结构面比例，比较全面地反映了各坡段不利结构面的存在，有利于优化设计。如128°∠45°, 98°∠30°, 227°∠27°将是主要的缓倾结构面。

c.总体来讲，场址区地表测绘与钻孔电视得到的结构面倾向总体也具有一致性，如69°∠80°和67°∠75°，178°∠42°和178°∠38°。通过选取有代表性的几个勘察钻孔进行钻孔电视测试，对其得到的孔内结构面产状进行统计分析，与地表得到的结构面产状规律进行对比，可以起到相互补充验证的作用。

2)岩石质量指标(RQD)。

RQD指标在岩质边坡工程勘察中广泛应用，成为衡量岩体质量的一个定量指标，也是反映岩体完整程度的一个重要指标。一般地，岩石RQD是指钻孔中用N型(75 mm)二重管金刚石钻头获取的大于10 cm的岩芯段长度与该回次钻进深度之比。但事实上，用钻孔岩芯确定的RQD值通常比实际岩体质量差，这主要是由于岩性、岩石强度及岩体完整程度对钻孔岩芯采取率的影响；机械的振动使岩芯破碎；钻探技术水平和设备不同等因素造成的。笔者认为，完整岩芯的长度统计描述与结构面间距的统计描述是等价的。基于此，RQD可以定义为沿某一测线方向大于10 cm 的结构面间距的统计长度与测线长度之比。因而，用钻孔电视技术进行孔内岩体质量指标(RQD)统计是对岩芯统计RQD不足的一个补充，使得岩体质量评价更能反映客观实际。

本文以主要边坡钻孔BS21和BS39为例(总体而言BS21钻孔岩体较完整，BS39孔岩体较破碎)，分别用钻探岩芯和钻孔电视两种方法对岩体质量进行评价。首先根据钻探岩芯统计岩石RQD指标，BS21孔(6 m～74 m)共466段岩芯，累计长68 m，BS39孔(16 m～48 m)共242段岩芯，累计长32.0 m。然后利用钻孔电视对两个钻孔内大于10 cm间距的结构面进行统计RQD指标，BS21孔(6 m～74 m)共105个明显结构面隔离段，累计长68 m；BS39孔(16 m～48 m)共43个明显结构面隔离段，累计长32.0 m。相关统计图见图4,图5，从图表中可以得出以下几点结论：

a.用钻孔电视法得到的结构面间距统计RQD时，除极个别钻孔段不大于钻探岩芯得到的RQD外，绝大部分均大于钻探岩芯的RQD值。

b.在上述结论前提下，用钻探岩芯和钻孔电视法来确定岩体质量RQD时，对于较差的岩体，两者差异较小，RQD计算指标分别为45%和47%；而对本身较完整的岩体，钻探岩芯RQD明显小于钻孔电视结构面RQD，计算指标分别为74%和86%。

c.同一钻孔内，一般基岩浅部，孔内电视RQD计算值和钻探岩芯计算值相近，越往深部(一般认为30 m以下)，两者差异加大。

3)岩体完整性定性评价。

岩体完整性评价一般基于岩体完整性指数Kv进行，但需要结合声波测井试验进行。由于钻孔电视技术能够量取结构面张开度并结合钻探岩芯判断其充填情况，因而能直观且较准确地判定结构面结合程度，进而通过结构面间距等信息，可以定性判定岩体完整性。

通过钻孔电视结合钻探岩芯定性判断岩体完整性结论和通过声波测井方法定量判断岩体完整性结论基本一致。因而用钻孔电视法评价场地岩体完整性是作为声波测井法的一个验证与补充，缺乏测井试验条件下，可以作为一种定性的评价方法。

4)脉岩与围岩接触关系。

本工程钻孔电视中脉岩和围岩的接触特别清晰(见图6)，通过对比分析，是地质调查和测绘成果的较好补充，两者所得到的结果基本是一致的，安山岩主要产状为92° ∠78°，157° ∠78°，201°∠70°～75°；花岗岩主要产状为95°∠57°～65°；脉岩与围岩接触面清晰，接触面产状一般同节理裂隙面产状一致，界面结合好。通过钻孔岩芯揭露，岩脉与围岩结合致密，闭合为主，结合好。

4 结语

1)钻孔电视技术弥补了常规勘探技术的不足，可以获得直观精确的钻孔孔壁图像信息，结合钻探和地质资料可以得到钻孔取芯缺失部位的信息。

2)钻孔电视尤其在第四系覆盖层广泛、岩石露头较少或无露头的边坡勘察中能发挥重要作用，弥补地质测绘结构面信息量的不足。

3)利用钻孔电视测得的结构面产状和间距统计结果与地表测绘及钻孔岩芯的统计结果是基本一致的。但利用钻孔电视还可对岩体质量RQD和岩体完整性进行评价。

4)钻孔电视成像技术能够直接将勘察钻孔内的情况显示成像，能够直观、详细、清晰地显示孔壁的裂隙宽度、产状等信息；同时在构造破碎带、溶洞等取芯困难段，电视成像技术能直观显示破碎、空洞区域的规模等，而且这些都是原状、受扰动较小的信息，对于研究岩层的结构面产状、地层结构和构造发育情况具有重要的意义。这些优点使得钻孔电视技术相比其他勘察方法具有显著的优势，该项技术在高边坡工程勘察中具有广阔的应用前景。