钻孔电视成像技术在坝体防渗墙检测中的应用分析

刘建宙，吴景龙，张利芳

（中国建筑材料工业地质勘查中心陕西总队 西安 710003）

0 引言

现代地球物理测井技术始于1927年，距今已有近百年历史，形成了电、声、光、核辐射、核磁共振等多种基于不同物理学原理的综合技术。对测井数据的采集分析也经历了模拟记录、数字记录、数字控制和数字成像的发展过程［1−3］。本文采用的钻孔电视成像技术属于光学和超声波技术范畴。针对坝体渗漏问题，传统的工程钻探工艺获得的地下地层的岩芯，其不足之处主要有：①由于取芯钻具的工艺问题，无法做到100%的采取率；②由于钻进过程中钻具的扰动原因，取得的岩芯失去了原位、原状等信息，地层的构造、产状等信息也无法获得；③钻探过程中的取芯不连续，导致根据岩芯无法钻孔倾斜和孔径的变化情况；④对孔内的裂隙、溶洞发育情况等情况无法形象感知。与传统的钻孔取芯相比，钻孔电视成像是一种新型的、直观的、数字化的测井技术手段，能够准确地反映地下岩层的原始状态［4］。

在上百年的历史发展中，国内外在电视成像测井技术方面都取得了长足的进步。国外具有影响的成像测井仪器系统有超声波成像测井仪UBI（Ultrasonic Borehole Imager）、声波成像测井仪CAST−V（Circum⁃ferential Acoustic Scanning Tool）、超声波井周成像测井仪CBIL（Circumferential Borehole Imaging Log）和声光成像测井仪OPTV/BHTV/CCTV（Optical Televiewer Probe/Borehole Televiewer/Compatible camera Teleview⁃er）等；国内市场上出现的管井光学电视摄像产品有俯视和侧视井下电视摄像系统、ZCD−50 型井下电视仪、HW−38 型井下电视仪、JX−3500 井下电视仪以及TDTV系列水文水井电视检测系统等［4］。

钻孔电视成像技术最早在20 世纪初就做过针对性的研究，该项技术在20 世纪90 年代末慢慢在大型基础工程领域得到广泛应用。国内的井孔照相检测技术出现于20 世纪60 年代，后来逐渐研制出了用于供水管井故障检查和钻孔异常的黑白和彩色井下光学电视系统。伴随着近些年我国基建项目的飞速发展，钻孔电视成像技术的研究应用也开始慢慢的成熟起来，在公路和隧道施工、油气开采以及水库坝体的勘探等方面得到广泛应用［5］。本文主要针对水库坝体展开应用研究。

1 钻孔电视成像技术的组成及原理

钻孔电视成像技术的主要目标为采集到质量最佳的图像环，借助圆锥形导向镜反射环状图像的手段处理图像软件，通过这样的方式方便根据深度的顺序获得钻孔壁的连续图像。光学成像柱状展开图是沿着北−东−南−西这一顺序将图像展开的，借助图像修理软件对其进行处理后，便可以获得拥有较高分辨率的高清彩色图像，钻孔电视成像技术不仅可以在空气中工作，也可以在清水介质中工作，并且因其拥有较大的优势逐渐在建筑行业中得以推广，在推动混凝土防渗墙的检测工作方面发挥重要作用［6−7］。钻孔电视成像系统主要由两部分组成，井上部分主要包括滑轮三脚架、主控计算机及配套线和辅助设备，井下部分主要为井下探头及配套电缆，其工作原理如图1所示。

图1 钻孔电视系统组成及工作原理Fig.1 Composition and Working Principle of Borehole Television System

钻孔电视成像技术应用的光学探头主要由向下拍摄的摄像头与具备自动调节光圈的广角摄像头共同构成，从而能够实现360°拍摄孔壁图像。探头中存在探管，其主要功能是采集数据，数据采集系统主要包含摄像头、磁力计、测斜仪三大部分，其中磁力计的主要功能是确保图像定位准确，即探测地球磁场来确定磁北极，从而准确定位图像。在开展具体测量工作的过程中，需要准确计算出测量的深度，此时便需要借助高精度光电编码盘对其予以计算，考虑到视频会面是由深度数据以及方位数据共同定位实现，因此在钻孔电视成像技术中，深度测量占据着重要的地位。借助相关的设备拍摄图像后再处理转换图像，方便后期开展分析整理工作。测试的速度主要由摄像头旋转的速度、视野、钻孔直径共同决定，在实际开展检测工作时，还需要结合需要检测的工程实际情况，确保获得清晰的图像。孔壁图像变换示意图如图2所示。

图2 孔壁图像变换示意图Fig.2 Schematic Diagram of Hole Wall Image Transformation

2 钻孔电视成像技术在混凝土防渗墙中的应用

2.1 钻孔电视成像技术在混凝土防渗应用的准备工作

本项目采用HX−JD−01 型智能钻孔电视成像仪（包括采集主机、电缆脚手架光学探头等），如图3 所示，通常在应用钻孔电视成像技术对混凝土防渗墙进行测试前，需要编制出可行的作业方案，内容应当包含方案的任务、目的、技术方法、具体实施步骤等等，作业方案作为整个施工开展的指导书，直接关系着检测工作是否能够成功开展。安装好钻孔电视成像设备后，进入仪器操作界面，对角度传感器和深度计数器进行校准，接着开展调试工作，然后根据孔径阐述对探头扶正器的大小进行调整，从而控制探头在钻孔中的位置，同时还需要根据图像的精度要求对成像探头的行进速度、声波探测内的步进电极转速、图像聚焦环窗口宽度等予以调整，确保钻孔电视成像设备所有的参数符合工作要求，然后便可以正式采集数据。

图3 钻孔电视成像设备主要部件Fig.3 Main Components of Borehole Television Imaging Equipment

另外，根据实际工作经验，测试钻孔周围的电场、磁场、地下地层的岩性及构造情况、孔径、井液等，对测试结果的准确性都有影响。

⑴地质钻探资料和钻探进尺数据。测试工作前收集已有的关于钻孔的地质资料和钻探进尺详细数据，有助于钻孔电视成像结果的精确解译。尤其是对钻探过程中的异常段落，提高测试精度，以便达到理想的效果。

⑵电磁环境。测试钻孔周围的电磁场会影响仪器和探头的正常采集工作。因此，在测试前需要对井场环境进行电场和磁场参数的测量标定，可以作为以后的图像数据处理时的偏差和校正参数。

⑶钻孔详细参数。测试钻孔的位置参数包括高程和水平坐标，钻孔参数包括孔径、孔深、泥浆比重等情况。

⑷钻孔的通孔、洗孔情况。由于钻孔地质构造的复杂性，为确保测试过程中下放探头的安全和探头工作所需的环境，测井前，必须对钻孔进行通孔、洗孔，为光学成像探头和声波成像探头营造较为理想的测试工作环境［4］。

2.2 钻孔电视成像技术在混凝土防渗墙中的应用实践

陕西省靖边县某水库枢纽等级为Ⅳ等（1）型工程，大坝为均质土坝，最大坝高16.2 m，坝顶高程为1 210.00 m，坝顶长度401.2 m，坝顶宽度5.0 m，迎水坡筑有混凝土防渗墙防止坝基渗漏。设计混凝土防渗墙厚度0.6 m，设计要求指标为容重γ≥2.2 t/m3，抗压强度R28≥3.0 MPa，渗透系数K≤1×10−6cm/s。对该水库混凝土防渗墙施工质量进行检测，通过钻孔、注水试验及钻孔电视成像测试分析，对大坝防渗墙确认是否满足相应规范要求［8−10］。

通过钻探岩芯结果及对应钻孔的孔内成像图对比，坝体隐蔽工程主要存在3个方面的问题：

2.2.1 混凝土防渗墙局部离析现象

ZK2孔在12.0～13.0 m 段岩芯有局部破碎，断口拼接不连续，结合钻孔电视成像结果（见图4），可以发现，该水库位的堤坝在11.85～12.80 m 这一位置的混凝土不密实，骨料分布不够均匀，伴有局部离析的情况，堤坝其余地方的孔壁完整且光滑，骨料均匀分布，且混凝土密实，这与钻探取芯获得的结果基本一致，二者可以很好地相互印证。与传统钻探取芯相比，钻孔电视成像技术能够将混凝土防渗墙的局部离析状况准确且直观地反映出来。结合钻孔电视镜的检测结果，最后再对该槽段实施压浆复灌处理，并实施复检合格。根据检测结果可以得出，钻孔电视成像技术能够准确地检测出防渗墙混凝土内部裂隙以及空洞等等质量问题，方便相关部门及时采取对应的施工技术，确保防渗墙工程的质量安全。

图4 ZK2钻孔9.5～17.5 m孔内成像结果，11.9～12.8 m孔内局部成像结果Fig.4 ZK2 Hole 9.5～17.5 m Image Result，11.9～12.8 m Image Result

2.2.2 混凝土防渗墙裂隙情况

通过钻孔注水实验发现ZK6 钻孔的漏水问题十分严重，墙体渗透系数比原本的设计值高出两个数量级，并且该位置的芯样不完整，在表面可见凹槽，局部可见破碎，可见较多的块状芯。结合钻孔电视成像结果（见图5），在4.8～7.6 m（图5 中红框圈中部位）处有较明显的裂隙，由此可见，钻孔电视成像可以准确地确定混凝土内部的质量缺陷。

图5 ZK6混凝土防渗墙孔内局部成像Fig.5 ZK6Results of Local Imaging in the Crack of Concrete Cut-off Wall

2.2.3 混凝土防渗墙底部沉渣情况

沉渣主要指的是在钻孔施工与清孔作业时沉淀或者塌孔遗留下来没有被循环泥浆带走的沉淀物。通常情况下，沉渣颗粒之间较大，而沉渣的厚度便被称为该层沉渣的层高。混凝土防渗墙墙底沉渣厚度指的是防渗墙和坝底基岩相连的位置沉渣的高度。如果沉渣的厚度过高，不仅会降低基础承载力，而且还可能引起防渗墙整体出现沉降过大的情况。因此必须应用准确的方法测量出沉渣的厚度，假如测量方法不当，便容易引起沉渣厚度判断错误的情况。针对已经完成施工的防渗墙，无法将防渗墙孔底沉渣完整芯样取出对其厚度进行测量［11］。本研究借助钻孔电视成像技术的孔壁图像进行观察，然后借助相应的软件直接在图片上读出孔底沉渣的厚度，再应用钻孔电视成像技术，便可以清晰地显示出防渗墙和基岩接触处，孔底沉渣如图6所示，然后再借助分析软件便可以将混凝土防渗墙孔底沉渣厚度直接读出。测出该孔孔底沉渣最厚处为45 mm，从而获得较高的检测结果精度。

图6 ZK4混凝土防渗墙墙底孔内局部成像结果图Fig.6 ZK4 Results of Local Imaging in the Crack of Concrete Cut-off Wall

3 钻孔电视成像技术在混凝土防渗墙应用常见问题及对策

在混凝土防渗墙检测中应用钻孔电视成镜技术，因为遭受信号的干扰或者操作人员没有严格执行操作规范等等难免会遇到非正常成像的情况，原因分析如下：

3.1 沿井轴混乱图像

对光学成像探头与声波成像探头而言，其成像的基准为磁北信号，探讨在作业期间将采集到的数据根据磁北信号予以组织和排列，假如磁力计失灵时，便经常会发生沿井轴扭曲的混乱图像。

3.2 条状带图像

在工程探测中应用钻孔电视成像技术，通常钻孔的深度大多控制在100 m 之内，假如探头达到钻孔底部时，电视系统获得的图像会在底部出现跟钻孔轴线相平行的条状带图像。

3.3 图形畸变、暗影等

将钻孔电视成像技术应用在混凝土防渗墙检测中，如果在录取图像过程中一旦发现图像伴有不同程度的暗影或者畸变等情形时，造成这种现象的主要原因是探头偏离孔轴中心，之所以会出现这类现象可能跟水平钻孔、钻孔倾斜、孔径改变等等有关，另外扶正器安装不当也可能出现这样的问题。特别是钻孔按照椭圆形变化时便可以看到两条暗影。这类问题的发生代表着成像质量降低，解决措施是对探头位置等相关参数进行调整［12］。

4 结论

综上所述，结合本项目的工程实例分析，发现在混凝土防渗墙检测中应用钻孔电视成像技术拥有普通钻探取芯法无法比拟的优势，特别是在防渗墙体有质量缺陷，取芯率较低的情况下，可以很直观的看到墙体内部的构造。所以，钻孔电视成像技术应用在混凝土防渗墙检测中，能够及时发现渗漏处，以便针对性实施处理措施，从而提高工程质量。