全孔壁數(shù)字電視在檢測某大型水電站壩體混凝土接縫的應(yīng)用

孫冠軍 鹿明軒 龐云銘

（長江水利委員會(huì) 長江三峽勘測研究院有限公司，武漢 430074）

鉆孔數(shù)字電視是20世紀(jì)50年代出現(xiàn)的一種測井方法，近些年由于成像技術(shù)、電子技術(shù)的飛躍發(fā)展，鉆孔數(shù)字電視成像技術(shù)也逐漸成熟［1－3］.本文應(yīng)用JD－1型鉆孔全孔壁數(shù)字電視，可提供鉆孔孔壁的全景數(shù)字圖像信息，進(jìn)而清晰、直觀、準(zhǔn)確地反映出井內(nèi)孔壁各種特征.它以全孔壁、高精度、高清晰度、測試速度快、造價(jià)較低等特點(diǎn)彌補(bǔ)了其它鉆孔成像技術(shù)的不足.

水電站從建成到使用過程中，由于蓄水水位不斷升高，水電站壩體前后受到的壓力越來越不均衡，壩體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一定變形，局部會(huì)出現(xiàn)混凝土接縫.在混凝土接縫發(fā)育部位布置鉆孔，并采用國內(nèi)先進(jìn)的全景面鉆孔成像系統(tǒng)定期對鉆孔進(jìn)行觀測，為壩體的安全性評估提供科學(xué)依據(jù).

1 系統(tǒng)成像原理及組成

1.1 成像原理

本次采用JD－1型鉆孔全孔壁數(shù)字電視成像系統(tǒng)，是采用了一種特定的光學(xué)變換，即截頭的錐面反射鏡，實(shí)現(xiàn)了將360°鉆孔孔壁圖像反射成為二維平面圖像.這種二維平面圖像稱為全景圖像（也稱全孔壁圖像），由于鉆孔呈圓柱體，這種全景圖像不失其三維信息.全景圖像可以被位于錐面反射鏡上部的攝像機(jī)拍攝，經(jīng)過光學(xué)變換，形成全景圖像，其孔壁圖像的變換、展開原理如圖1所示.

圖1 孔壁圖像變換示意圖

鉆孔深度可以通過深度測量裝置直接獲得，并將其數(shù)值標(biāo)注到全景面圖象中；方位可通過反射鏡中部的磁性羅盤指北針獲取，磁性羅盤的指針指示了全景圖像的正北方位，在測孔過程中探頭不可避免的會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，由于磁性羅盤指針始終指向磁北方向，所以通過系統(tǒng)軟件將孔壁全景圖像沿磁性羅盤指針方位展開，便得到從左至右為0～360°的孔壁全景圖像.

鉆孔內(nèi)沒有光線，在測孔過程中依靠井下探頭中的燈管提供光源，照亮孔壁，以進(jìn)行圖像采集.當(dāng)孔內(nèi)有水時(shí)，測試前應(yīng)先對鉆孔用清水進(jìn)行洗孔，沖洗掉孔壁上及孔內(nèi)水中的巖粉、泥漿呢，直到孔內(nèi)水變清澈，以保證圖像清晰.測試干孔時(shí)，攝像頭部位容易起霧，即水汽凝結(jié)在攝像頭、反光鏡等部位，影響成像質(zhì)量，對于這種情況一般可在探頭內(nèi)放置干燥劑或經(jīng)常在晴朗、干燥的天氣打開探頭，在陽光下曬曬，以蒸發(fā)探頭內(nèi)的水汽，效果較好.

1.2 系統(tǒng)基本組成

一般數(shù)字式全景面鉆孔攝像系統(tǒng)由井下攝像探頭、傳輸電纜、深度傳感器、控制器、計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)、井口滑輪、絞車、腳架等硬件及鉆孔孔壁圖像采集、編輯與解釋軟件系統(tǒng)等組成.

計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)通過RS－232接口與采集控制器連接，采集傳輸電纜送來的孔壁圖像信號，并對孔壁圖像信號進(jìn)行識別、展開處理，自動(dòng)拼接形成孔壁展開柱狀圖像，通過監(jiān)視器顯示出來，并記錄在計(jì)算機(jī)硬盤里.通過軟件進(jìn)行編輯解釋處理，把鉆孔圖像信息刻錄在光盤上保存，打印機(jī)將圖像打印成圖.系統(tǒng)組成及工作原理如圖2所示.

圖2 JD－1型鉆孔全景數(shù)字電視系統(tǒng)組成及工作原理框圖

2 應(yīng) 用

本次工作主要是在壩體廊道內(nèi)沿混凝土接縫位置布置檢測孔，檢測孔由兩個(gè)垂直孔和3個(gè)斜孔組成，孔間距為1.7m.采用JD－1型鉆孔全孔壁數(shù)字電視系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字圖像信息采集，對于垂直孔按照常規(guī)方法測試，對于斜孔的測試，需要對儀器進(jìn)行相應(yīng)改裝.其基本原理如下:斜孔的全景面鉆孔攝像系統(tǒng)是在原系統(tǒng)的的基礎(chǔ)上，改變探頭入孔方式，利用人工推力推動(dòng)探頭在任意向的孔中自由移動(dòng)，最重要的是用全方位重力羅盤代替磁性羅盤，這樣羅盤不僅能自由運(yùn)動(dòng)，而且能利用其與指針式磁性羅盤的相同特點(diǎn)，完成圖像的正常采集和處理，通過地質(zhì)結(jié)構(gòu)面在孔中的分布位置的確定，采用數(shù)學(xué)計(jì)算的方法，計(jì)算出結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀.系統(tǒng)組成如圖3所示.

圖3 全方位鉆孔全景數(shù)字電視系統(tǒng)組成及工作原理框圖

2.1 蓄水前后對混凝土接縫及混凝土澆筑質(zhì)量的檢測

在蓄水前和蓄水后分別對混凝土接縫檢測孔采用全方位鉆孔數(shù)字式全景面鉆孔攝像系統(tǒng)進(jìn)行攝像，對比前后兩次數(shù)據(jù)，下面對鉆孔ZK1作詳細(xì)說明.鉆孔ZK1前后兩次的部分孔段對比成果如圖4所示.

混凝土接縫檢查孔錄像成果顯示，2007年11月23日電視錄像成果與2007年10月10日電視錄像成果基本一致，混凝土接縫在長度、寬度及形態(tài)上基本無明顯變化；蓄水位增高后，孔壁鈣質(zhì)及鐵銹等附著物有增加現(xiàn)象.

圖4 ZK1部分孔段全孔壁數(shù)字電視前后兩次對比成果（0～6.0m）

孔內(nèi)水位隨著壩前水位抬高而上升.2007年10月10日孔內(nèi)水位為孔深7.0m，2007年11月23日孔內(nèi)水位升至孔深5.7m.

混凝土膠結(jié)方面，混凝土接縫檢測孔內(nèi)混凝土澆筑質(zhì)量總體較好，孔壁光滑、完整，骨料分布較均勻，粒徑一般為2～4cm，最大達(dá)16cm，骨料成份主要為閃云斜長花崗巖，局部孔段見直徑1～3mm氣孔，少數(shù)孔段沿粗骨料邊緣見短小氣縫分布.

孔內(nèi)大部分混凝土縱縫呈近垂直狀，一般寬4～9mm，多為水泥結(jié)石充填，與混凝土膠結(jié)密實(shí)；大部分孔段孔壁光滑，混凝土骨料、砂漿分布均勻，膠結(jié)密實(shí)，其中孔深1.85～2.97m孔壁較粗糙，膠結(jié)略差；除孔深0～0.94m 張開較明顯、張開寬3.8～7.7 mm、僅有少量水泥結(jié)石充填外，其它孔段僅局部見微張現(xiàn)象.

2.2 滲水部位的檢測

通過儀器的動(dòng)態(tài)視頻窗口，可清晰的觀測到鉆孔孔壁滲水部位及滲水量.以斜孔4號孔為例，孔壁在長期受到富含鈣質(zhì)、鐵離子水體的影響下，孔壁有鈣質(zhì)、鐵銹附著，在孔壁圖像中可清晰反映.孔內(nèi)水體滲流量總體較小，上部孔段有兩處滲水現(xiàn)象，其滲流量為每分鐘35～41滴；下部孔段孔深25.1m處，滲流量較上部孔段大，滲流量占整孔滲流量4／5以上，如圖5所示.

圖5 斜孔XZK4部分孔段漏水點(diǎn)部位全孔壁數(shù)字電視成果

3 結(jié)論與建議

（1）通過使用全孔壁數(shù)字電視系統(tǒng)對壩體混凝土接縫的檢測，掌握了清晰直觀的數(shù)據(jù)資料.分析資料證明，在蓄水期壩體混凝土接縫寬度、長度均無明顯變化；壩體內(nèi)水位隨蓄水水位升高，相應(yīng)升高；壩體混凝土膠結(jié)較好，僅混凝土接縫附近稍差.

（2）建議在泄洪期及蓄水期定期對鉆孔進(jìn)行觀測，包括監(jiān)測混凝土接縫有無變化，以及孔內(nèi)水位、水質(zhì)的變化，為壩體的安全評價(jià)提供更詳細(xì)的資料信息.

［1］周科平，高 峰.頂板誘導(dǎo)崩落預(yù)裂鉆孔裂隙發(fā)育監(jiān)測與分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（5）:1034－1040.

［2］何鐵漢，黃 華.數(shù)字電視在烏東德水電站地質(zhì)勘察中的應(yīng)用［J］.人民長江，2007，38（9）:94，102.

［3］秦英譯，王川嬰.前視井下電視和數(shù)字鉆孔攝像在工程中的應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（1）:2834－2840.