基于孔內(nèi)電視技術(shù)的巖體節(jié)理裂隙特征研究

王曉兵 王俊卿

（鄭州中核巖土工程有限公司，河南鄭州 450000）

0 引言

結(jié)構(gòu)面是巖體中力學(xué)強(qiáng)度相對薄弱的部位，結(jié)構(gòu)面的存在使巖體力學(xué)性能具有不連續(xù)性、不均勻性和各向異性[1?2]；而且，巖體的結(jié)構(gòu)特征對巖體在一定荷載條件下的變形破壞方式和強(qiáng)度特征起著重要的控制作用[1?2]。然而，節(jié)理裂隙的發(fā)育方向、長度、張開度、規(guī)模及交錯程度較為復(fù)雜，其空間分布具有很強(qiáng)的隨機(jī)性、各向異性與隱蔽性；且節(jié)理裂隙的特定分析與研究又是工程巖體分級與巖體質(zhì)量評價的重要指標(biāo)之一，巖體之上的工程，特別是核電工程的質(zhì)量與安全又嚴(yán)重依賴于巖體的質(zhì)量；因此，對巖體節(jié)理裂隙特征的分析與研究尤為重要[1,3?5]。自1976年國外學(xué)者提出復(fù)雜巖體的結(jié)構(gòu)具有某種統(tǒng)計(jì)自相似性，前人基于分形理論對巖體節(jié)理裂隙做了較多的定量化、系統(tǒng)化分析研究[6?8]。

在工程地質(zhì)勘察中，獲取巖體節(jié)理裂隙第一手資料的手段主要是鉆探、聲波測試及孔內(nèi)電視等。在鉆探過程中，巖體節(jié)理裂隙特征的準(zhǔn)確程度嚴(yán)重依賴于鉆探技術(shù)水平的高低，而聲波測試又無法準(zhǔn)確地測定巖體節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀、張開度等；傳統(tǒng)孔內(nèi)電視的攝像范圍、角度、清晰度在很大程度上受到限制，僅能夠一定程度地記錄、反映地下巖體的節(jié)理裂隙特征[5,8?10]。全景式孔內(nèi)電視技術(shù)的360°孔壁圖像覆蓋成像不僅不受攝像角度的影響可以一次性完成對孔壁的觀測，而且在清晰度上也有較大的提高[10?12]。本文在鉆探的基礎(chǔ)上運(yùn)用全景式孔內(nèi)電視技術(shù)，對海南某核電項(xiàng)目2個鉆孔巖體孔壁進(jìn)行了圖像觀測，通過對測試結(jié)果節(jié)理裂隙的解譯、統(tǒng)計(jì)等定量分析，判斷了巖體主要節(jié)理裂隙走向與傾角范圍，分析了優(yōu)勢節(jié)理，并對巖體節(jié)理裂隙的傾角、節(jié)理線密度進(jìn)行了研究；在此基礎(chǔ)上運(yùn)用王川嬰等提出的基于孔內(nèi)電視系統(tǒng)的巖體質(zhì)量IRMI指標(biāo)，對測試孔的巖體完整性進(jìn)行了評價，并與RQD值、聲波測試結(jié)果進(jìn)行了對比。

1 孔內(nèi)電視基本原理

全景式孔內(nèi)電視的基本結(jié)構(gòu)主要由成像主機(jī)、探頭、半自動絞車等組成（見圖1）。鉆孔成孔后，經(jīng)洗孔與試劑的投放使得孔壁干凈或孔內(nèi)水體清澈；探頭進(jìn)入鉆孔后利用自身的攝像光源照明，將探頭周圍的巖體的孔壁通過錐面鏡反射傳輸至地面主機(jī)中；半自動絞車從鉆孔底勻速提升探頭至孔口，對不同深度的巖體孔壁成像采集。

全景技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)巖體孔壁的360°成像，即觀察方向垂直向下，觀察的圖像是圓柱面的某一段圖像經(jīng)過錐面反射鏡反射成像于錐面反射鏡底部的某一平面或近似平面上的圖像[10]（見圖2），對巖體節(jié)理裂隙進(jìn)行攝像。具有一定重疊區(qū)域的無縫拼接技術(shù)則可以將測定深度內(nèi)的全孔孔壁圖像連接起來，從而使巖體的節(jié)理裂隙、結(jié)構(gòu)面清晰完整地呈現(xiàn)。

圖2 孔內(nèi)電視全景圖像示意圖[11]

巖體中節(jié)理裂隙在空間范圍內(nèi)的展布具有三維性，全景孔內(nèi)電視能夠?qū)⑷S巖體孔壁的節(jié)理裂隙展開的二維圖像進(jìn)行四點(diǎn)以上的多點(diǎn)擬合。圖3中A點(diǎn)則代表與節(jié)理裂隙傾向相反的方向；D點(diǎn)則代表節(jié)理裂隙的傾向。然而，巖體的節(jié)理裂隙形成過程是復(fù)雜的，張開型節(jié)理裂隙的結(jié)構(gòu)面凹凸不平，填充物的性質(zhì)、屬性不同，使得其不具有平滑性即為結(jié)構(gòu)面粗糙度。

圖3 全景式孔內(nèi)電視技術(shù)原理及實(shí)例[13]

巖體節(jié)理裂隙的二維形態(tài)是不規(guī)則的，其節(jié)理裂隙不具有平滑曲線的形態(tài)，擬合過程是以節(jié)理裂隙線的平滑基線為進(jìn)出進(jìn)行的，因此在擬合過程中巖體的節(jié)理裂隙不具有突變性。鉆探過程中未貫穿的結(jié)構(gòu)面，其巖體節(jié)理裂隙的擬合效果較差，貫穿的節(jié)理裂隙則可以很好地反映巖體節(jié)理裂隙的實(shí)際狀態(tài)。

2 場區(qū)地質(zhì)概況

場區(qū)內(nèi)地層上部主要為第四系海積地層、風(fēng)積地層，下伏燕山運(yùn)動晚期侵入巖，黑云母花崗巖在場區(qū)內(nèi)廣泛分布，大部分布于更新統(tǒng)殘坡積層下部，石英閃長巖作為一套后期侵入的巖體呈脈狀分布，寬度不等。該區(qū)域位于華南褶皺系五指山斷坳帶西部，內(nèi)部構(gòu)造簡單，位于場區(qū)南部僅發(fā)育一條紅嶺斷裂，走向北北西?近南北向，全長約8 km；該斷裂表現(xiàn)為硅化、密集節(jié)理帶，地貌上沿殘丘山脊發(fā)育，無斷錯微地貌現(xiàn)象，為前第四紀(jì)斷裂。場區(qū)內(nèi)無基巖露頭，工程地質(zhì)測繪僅能對地表的工程地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)查，深部巖體節(jié)理裂隙的發(fā)育情況，特別是節(jié)理裂隙的位置、產(chǎn)狀、充填物等無法調(diào)查。

3 巖體裂隙特征分析

3.1 孔內(nèi)電視圖像解譯

本次孔內(nèi)電視測試在HK01孔、HK03孔進(jìn)行，鉆探結(jié)果兩個孔巖芯較為破碎。根據(jù)孔內(nèi)電視成像結(jié)果，可清晰地觀察到黑云母花崗巖與石英閃長巖巖性分界，閉合節(jié)理、微裂隙，張開型節(jié)理面鐵質(zhì)礦物浸染與石英巖脈及部分塌孔現(xiàn)象（見圖4、圖5）。

圖4 節(jié)理面浸染、礦物充填及塌孔現(xiàn)象實(shí)例

圖5 巖性分界線及巖脈實(shí)例

在孔內(nèi)電視圖像的基礎(chǔ)上對兩個孔巖體的節(jié)理裂隙特征進(jìn)行了擬合解譯。HK01鉆孔地層從上到下依次為中砂、珊瑚礁混砂、石英閃長巖；由于上部為中砂和珊瑚礁混砂，上部中等風(fēng)化層較為破碎，為完成鉆孔的鉆進(jìn)，選擇了套管護(hù)壁；因此，該孔0.0～26.0 m測試圖像為套管壁，不具有實(shí)際觀測價值，孔內(nèi)電視巖體圖像從26.0至39.0 m，計(jì)13.0 m；HK03孔地層從上到下依次為中砂、黑云母花崗巖，上部0.0～12.0 m使用套管護(hù)壁，孔內(nèi)電視巖體圖像從12.0～45.5 m，計(jì)33.5 m；兩孔共計(jì)測深93.0 m，有效測試段長度共計(jì)46.5 m。HK01、HK03孔鉆探取芯較為破碎，巖體節(jié)理裂隙部分無法識別，而孔內(nèi)電視結(jié)果顯示對應(yīng)深度的巖體較為完整，部分節(jié)理裂隙之間的巖體長度大于10 cm，這使得鉆探RQD值小于實(shí)際值（見圖6、圖7）。

圖6 HK01孔28.0～30.0 m孔內(nèi)電視圖像節(jié)理裂隙解譯

圖7 HK01孔32.0～34.0 m孔內(nèi)電視圖像節(jié)理裂隙解譯

3.2 巖體節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)

在節(jié)理裂隙解譯的基礎(chǔ)上對兩孔巖體進(jìn)行了節(jié)理統(tǒng)計(jì)（見圖8?圖12）。其中，HK01鉆孔26.0～39.0 m，共發(fā)育節(jié)理裂隙82條，其中張開型無充填節(jié)理共計(jì)17條，張開型石英礦物充填節(jié)理5條（見表1）；HK03鉆孔12.0～45.5 m，共發(fā)育節(jié)理裂隙274條，其中張開型節(jié)理共計(jì)31條，張開型石英礦物充填節(jié)理4條。根據(jù)節(jié)理走向統(tǒng)計(jì)結(jié)果（見圖13）HK01孔優(yōu)勢節(jié)理有2組，即NNW走向（335°～350°），NE走向（30°～60°）；HK03孔優(yōu)勢節(jié)理有3組，即NWW走向（280°～300°），N走向（350°～10°），NEE走向（60°～80°）；節(jié)理裂隙面多為剪切面，少部分為泥質(zhì)充填，節(jié)理面較光滑，大部分為鐵錳質(zhì)浸染，多數(shù)節(jié)理張開度1～2 mm，充填石英礦物等。

圖8 HK01孔36.0～38.0 m孔內(nèi)電視圖像節(jié)理裂隙解譯

圖9 HK03孔16.0～18.0 m孔內(nèi)電視圖像節(jié)理裂隙解譯

圖10 HK03孔20.0～22.0 m孔內(nèi)電視圖像節(jié)理裂隙解譯

圖11 HK03孔22.0～24.0 m孔內(nèi)電視圖像節(jié)理裂隙解譯

圖12 HK03孔30.0～32.0 m孔內(nèi)電視圖像節(jié)理裂隙解譯

表1 聲波測井綜合成果表

圖13 節(jié)理走向玫瑰花圖

根據(jù)節(jié)理傾角統(tǒng)計(jì)結(jié)果（見圖14、圖15）HK01孔主要傾角有2組，分別為50°～60°、70°～80°，傾角大多數(shù)分布在30°～80°范圍內(nèi)；HK03孔主要傾角有3組，分別為30°～40°、40°～50°、50°～60°，其傾角主要分布在30°～70°范圍內(nèi)。

圖14 節(jié)理傾向、傾角玫瑰花圖

圖15 節(jié)理傾角統(tǒng)計(jì)頻數(shù)直方圖

HK01孔26.0～39.0 m，共發(fā)育節(jié)理82條，平均節(jié)理間距0.16 m/條，其中31.0～36.0 m節(jié)理裂隙發(fā)育較多，節(jié)理多為閉合微小型，對巖體的完整程度破壞不大；HK03孔12.0～45.5 m，共發(fā)育節(jié)理274條，平均節(jié)理間距0.12 m/條，其中32.0～42.0 m節(jié)理裂隙發(fā)育較多，節(jié)理多為閉合微小型，局部為張開充填型，對巖體的完整程度影響較小，該孔22.3～27.0 m節(jié)理裂隙多為張開型，對巖體破壞程度較大（見圖16）。

圖16 節(jié)理線密度統(tǒng)計(jì)頻數(shù)直方圖

兩孔巖體的節(jié)理裂隙均為構(gòu)造節(jié)理裂隙。構(gòu)造節(jié)理裂隙以剪性高傾角節(jié)理為主，多為閉合節(jié)理或硅質(zhì)膠結(jié)，裂隙面有鐵錳質(zhì)浸染，部分為高嶺土充填，遇水后呈泥狀，主要在黑云母花崗巖與石英閃長巖接觸帶分布。少數(shù)為張性裂隙，節(jié)理面粗糙，多為鐵錳質(zhì)浸染。由于鉆孔內(nèi)的節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體完整性遭到極大破壞，結(jié)構(gòu)體形狀呈碎屑狀或碎塊狀，中等風(fēng)化巖體中的結(jié)構(gòu)體由節(jié)理裂隙切割而成，結(jié)構(gòu)體形狀為柱狀和塊狀，微風(fēng)化巖體受節(jié)理裂隙切割，結(jié)構(gòu)體形狀為柱狀和塊狀，局部節(jié)理密集帶呈碎塊狀。

4 巖體裂隙特征及質(zhì)量評價

4.1 鉆孔RQD與聲波測試巖體質(zhì)量分析

巖體節(jié)理裂隙的走向、張開程度、形態(tài)、發(fā)育規(guī)模、節(jié)理間距、寬度以及節(jié)理面的粗糙程度共同構(gòu)成了巖體節(jié)理的裂隙特征[14?15]。對節(jié)理裂隙特征的分析則是工程巖體分級、巖體質(zhì)量及完整性的重要指標(biāo)。鉆探結(jié)果表明，HK01微風(fēng)化巖體采取率為96.0%，RQD值為50.7，節(jié)理裂隙的平均間距0.45 m/條；根據(jù)工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)，該孔巖體質(zhì)量指標(biāo)為較差的，巖體完整性為較破碎?較完整，結(jié)構(gòu)類型為鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)?塊狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面結(jié)合好。HK03微風(fēng)化巖體采取率為96.2%，RQD值為40.7，節(jié)理裂隙的平均間距0.32 m/條；該孔巖體質(zhì)量指標(biāo)為差的，巖體完整性為較破碎?較完整，結(jié)構(gòu)類型為碎裂結(jié)構(gòu)?塊狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面結(jié)合好。

聲波測試可以根據(jù)巖體彈性波速對巖體完整性進(jìn)行定量評價，HK01孔單孔聲波范圍值為4765～5952 m/s，平均值為5352 m/s，其巖體完整性系數(shù)Kv范圍值為0.57～0.88，根據(jù)工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)，該孔巖體完整程度為較完整?完整；HK03孔單孔聲波范圍值為4688～5955 m/s，平均值為5359 m/s，其巖體完整性系數(shù)Kv范圍值為0.57～0.91，根據(jù)工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)，該孔巖體完整程度為較完整?完整（見表1）。

4.2 孔內(nèi)電視巖體質(zhì)量分析

在工程地質(zhì)勘察中，常用的巖體質(zhì)量評價方法主要為RQD分級標(biāo)準(zhǔn)與BQ分級標(biāo)準(zhǔn)兩者結(jié)合確定的。而在實(shí)際工作中，由于巖體的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，軟弱巖體和風(fēng)化破碎巖體的存在，使得在鉆探過程中巖芯采取率較低，另外，破碎巖體的取芯率嚴(yán)重依賴于鉆探技術(shù)水平，機(jī)械設(shè)備的擾動也使得巖體的巖石結(jié)構(gòu)遭到破壞，部分大于10 cm的巖芯不能計(jì)入RQD值。王川嬰等經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，完整巖芯長度的統(tǒng)計(jì)描述與結(jié)構(gòu)面間距的統(tǒng)計(jì)描述是等價的，故在此基礎(chǔ)上提出了基于孔內(nèi)電視評價巖體質(zhì)量評價指標(biāo)IRMI[4?5]。該指標(biāo)將全孔孔壁圖像分為完整性特征I和破碎性特征F，并使用巖石質(zhì)量指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)，將巖體質(zhì)量劃分為好的、較好的、較差的、差的、極差的五個級別；其中I是指相鄰節(jié)理裂隙或者是結(jié)構(gòu)破碎帶邊界之間大于10 cm的完整巖體長度總和，F(xiàn)指相鄰節(jié)理裂隙間小于10 cm的完整巖體長度總和。該評價指標(biāo)如下：

在此基礎(chǔ)上利用該評價體系對測試的HK01孔和HK03孔巖體質(zhì)量進(jìn)行評價。將兩孔孔壁圖像切割為1 m，然后測量相鄰節(jié)理裂隙間大于10 cm的完整巖體及小于10 cm的破碎巖體。HK01孔總測段長13 m，大于10 cm完整的巖體總和為7.58 m，完整巖體與破碎巖體之和為12.49 m，其IRMI值為60.70；HK03孔總測段長33.5 m，大于10 cm完整的巖體總和為15.72 m，完整巖體與破碎巖體之和為32.60 m，其IRMI值為48.22。段長1 m的IRMI值鉆孔深度變化曲線（見圖17）直觀地展示了鉆孔內(nèi)巖體的完整程度，HK01孔16.0～30.0 mIRMI值較高，該段巖體巖石質(zhì)量為較差的?較好的，30.0～39.0 m巖體質(zhì)量為差的；HK03孔32.0～36.0 m、38.0～41.0 m巖體巖石質(zhì)量為較好的，其它區(qū)域多為較差的巖體，局部為極差巖體（見圖17）。

圖17 段長1 m的IRMI值隨孔深變化曲線

孔內(nèi)電視圖像解譯的巖體節(jié)理裂隙線密度明顯小于鉆孔統(tǒng)計(jì)的節(jié)理裂隙線密度，其原因包括：①在機(jī)械破壞的前提下采取的破碎巖體不能完整地保存節(jié)理裂隙，使得巖體取出地表時呈碎塊狀，節(jié)理裂隙無法識別；②節(jié)理裂隙較發(fā)育巖體由于機(jī)械破碎造成巖體破碎的假象，故而統(tǒng)計(jì)的節(jié)理平均間距明顯大于孔內(nèi)電視的統(tǒng)計(jì)結(jié)果?；趲r體完整性指標(biāo)IRMI評價的巖石質(zhì)量明顯優(yōu)于RQD指標(biāo)評價的巖體質(zhì)量，其主要原因是機(jī)械設(shè)備的擾動破壞，特別是在軟弱夾層、風(fēng)化破碎帶、斷層破碎帶，提取的巖芯采取率不高，巖芯失去了原始應(yīng)力狀態(tài)下巖體特征（見表2）。

表2 RQD與IRMI分析方法對比表

本次孔內(nèi)電視對巖體質(zhì)量等級的判別結(jié)果明顯差于聲波測試的判別結(jié)果。聲波測試不能更為細(xì)致地刻畫巖體的節(jié)理裂隙，特別是巖體縱波速度對微風(fēng)化巖體張開石英充填型節(jié)理及閉合節(jié)理不敏感，對巖體縱波速度的影響較小，致使巖體縱波速度測試值偏大，從而使Kv值偏大，利用Kv值根據(jù)規(guī)范判別巖體時對巖體質(zhì)量的評價過高。并且聲波測試與孔內(nèi)電視相比，不能直觀地反映巖體節(jié)理裂隙的發(fā)育情況，僅能從整體上對巖體的破碎狀況、裂隙發(fā)育程度、軟弱夾層的分布及巖體的完整性和風(fēng)化等級進(jìn)行評價。

5 討論與結(jié)論

5.1 討論

巖體節(jié)理裂隙的研究是工程地質(zhì)評價巖體特征的重要依據(jù)，目前對于巖體節(jié)理裂隙的定量描述分析主要是基于“自相似性”的分形理論，巖體節(jié)理裂隙的形成是復(fù)雜的；基于分形理論的節(jié)理裂隙定量描述，可在一定程度上反映巖體內(nèi)部的節(jié)理裂隙特征，并對巖體做出一定的評價；但是節(jié)理裂隙的研究并不局限于對巖體的評價，其連通性對基巖裂隙水地下流動性的影響是非常大的。特別是目前核電技術(shù)的飛快發(fā)展，核元素隨地下水遷移的規(guī)律值得探討分析，而基巖裂隙的存在則為基巖裂隙水提供了遷移通道，因此裂隙的連通性是分析地下水遷移的重要依據(jù)。然而目前對節(jié)理裂隙的定量描述遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以精確描述其連通性，因此需要一種更好的方法對巖石節(jié)理裂隙進(jìn)行精確的定量分析[3,6,14?15]。

全景式孔內(nèi)電視技術(shù)雖然可以清晰、直觀地觀測孔內(nèi)巖體的節(jié)理裂隙發(fā)育特征，但其施展的限制因素較多，如套管護(hù)壁，則不能觀測該段的孔內(nèi)情況；如果采用泥漿護(hù)壁，在未清洗孔壁的情況下，巖體中的裂隙易被泥漿充填，造成張開裂隙有充填物的假象；塌孔情況下，巖體節(jié)理裂隙的原始狀態(tài)遭到破壞，使得觀測結(jié)果失真；另外鉆孔成孔后，鉆孔沉渣則可以使既定深度的巖體測試無法實(shí)現(xiàn)。由于上述實(shí)際問題的存在也使得該技術(shù)不能大范圍應(yīng)用于每一個鉆孔。然而，全景式孔內(nèi)電視對巖體節(jié)理裂隙直觀清晰的觀測優(yōu)點(diǎn)是其它技術(shù)或方法無可比擬的。在實(shí)際條件允許的情況下，增加孔內(nèi)電視測試可以增加對巖體評價的準(zhǔn)確度。另外，巖體完整性指標(biāo)IRMI值是基于RQD評價方法的分級標(biāo)準(zhǔn)，一種新的屬于IRMI值分析巖體質(zhì)量的分級標(biāo)準(zhǔn)迫切需要。

5.2 結(jié)論

結(jié)合本文對HK01、HK03孔巖體節(jié)理裂隙孔內(nèi)電視成果的分析，可以得出：

（1）利用孔內(nèi)電視技術(shù)可以識別巖體構(gòu)造裂隙的具體位置，確定節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀，可為基坑支護(hù)提供參數(shù)。

（2）HK01孔節(jié)理平均間距為0.16 m/條，其巖體質(zhì)量指標(biāo)IMRI為60.70；HK03孔節(jié)理平均間距為0.12 m/條，其巖體質(zhì)量指標(biāo)IMRI為48.22；孔內(nèi)電視的巖體質(zhì)量指標(biāo)IRMI值高于鉆探RQD值，該技術(shù)可以清晰地區(qū)分機(jī)械破碎與節(jié)理裂隙破碎。

（3）孔內(nèi)電視可以直觀清晰地觀察巖體的節(jié)理裂隙，并用于統(tǒng)計(jì)由于機(jī)械破碎造成的部分長度小于10 cm而實(shí)際大于10 cm的巖體；另外，可以識別張開型節(jié)理的充填狀況，避免比分充填物遇水軟化造成無充填的假象，在一定程度上彌補(bǔ)了鉆探取芯不足而導(dǎo)致對巖體節(jié)理裂隙描述不清的問題。

（4）在實(shí)際條件允許的情況下，增加孔內(nèi)電視測試結(jié)合IRMI指標(biāo)、RQD值聲波測試結(jié)果對巖體質(zhì)量的分析更為準(zhǔn)確。