鉆孔全孔壁光學成像在工程泥化夾層探測中的應用

□楊紅云 □高拴會 □涂善波 □李曉磊(黃河勘測規劃設計有限公司)

1.前言

泥化夾層是指軟硬相間巖層所夾的軟弱巖層在構造擠壓作用下，因層間剪切錯動而使原巖結構遭到破壞，形成的一種結構疏松、性狀差、分布廣、危害大的軟弱結構面。大量工程實踐表明，泥化夾層是影響壩型選擇、工程安全的關鍵因素，查明壩基下影響壩基抗滑穩定的泥化夾層的空間分布，是十分必要的。

2.調查與研究現狀

目前，泥化夾層的地質勘察方法大多采用多種手段綜合對比分析，例如地表調查、鉆孔、豎井、平硐等。由于泥化夾層的發育具有不確定性、不連續性等特點，同時受地層巖相變化、取樣技術以及勘測精度條件等限制，常規探查方法很難準確無誤地將絕大部分有影響的泥化夾層及其性狀調查清楚。隨著勘探思路的擴大和物探技術的發展，鉆孔全孔壁光學成像等物探方法，為泥化夾層的調查開辟了一條新的途徑。

3.鉆孔全孔壁光學成像

廣義的鉆孔成像技術，是應用包括超聲波、光、電、磁和核磁共振等技術，對鉆孔周邊介質進行原位掃描成像的測井技術方法。我們使用的是基于光學原理的鉆孔全孔壁光學成像。

鉆孔全孔壁光學成像系統主要由地面部分和井下部分組成，地面部分包括控制器、電腦、三腳架、絞車、滑輪和深度計數器；井下部分包括攝像探頭和電纜,攝像探頭由CCD攝像機、LED燈、玻璃罩和錐形鏡成。鉆孔孔壁經LED光源照亮,CCD攝像機攝取由錐形鏡反射的孔壁圖像,圖像信息經電纜傳送至控制器和電腦,采集過程由圖像采集控制軟件系統完成,此系統把采集的圖像展開,記錄在電腦上。安裝在探頭內的數字羅盤用來標定圖像的方位,一般把測試地點的磁北經磁偏角校正后的北設為0°,順時針方向角度增加。圖像處理軟件可以以兩種方式顯示,一種是數字巖芯圖,拖動滑動條巖芯可以旋轉;另一種是360°展開圖。圖1為孔壁圖像與360°展開圖的對應關系。

圖1 孔壁圖像與360°展開圖的對應關系圖

鉆孔光學成像系統以視覺獲取地下信息，具有直觀性、真實性等優點，已廣泛應用于地質勘探和工程檢測中，用它可以準確地劃分巖性，查明地質構造，確定軟弱泥化夾層，檢測斷層、裂隙以及破碎帶，觀察地下水活動狀況等。

4.工程應用

在某工程勘測工作中，發現壩址巖體中存在一定數量的沿層面發育的順層剪切帶。這些剪切帶分布在不同高程巖體中，由于受原巖性狀、層間錯動和地下水作用的影響，部分已經演變為泥化夾層。進行泥化夾層調查時，使用了鉆孔全孔壁光學成像系統。通過鉆孔全孔壁圖像，不僅可以清楚地獲得泥化夾層的分布，而且可以通過泥化夾層的起止深度判斷其發育厚度。典型的泥化夾層鉆孔成像圖像，如圖2所示。

圖2 某工程ZK 2孔泥化夾層鉆孔成像典型圖像圖

為驗證鉆孔全孔壁光學成像調查的準確性與精度，確保泥化夾層統計分析結果的可靠性，選取了具有代表性的泥化夾層鉆孔成像圖像與對應的巖芯照片進行對比分析。

鉆孔巖芯中發現夾泥，在鉆孔光學成像中都有明顯的反應。如圖3，大口徑鉆孔DKJ1巖芯在深度39.5m處發現夾泥，其在鉆孔成像中有清晰的反映；如圖4，ZK3分布在鉆孔深度273.9m的夾泥在鉆孔成像中有清晰的反映，鉆孔巖芯和光學成像圖像有較好的一致性，泥化夾層鉆孔全孔壁光學成像調查成果是可靠的。

圖3 DKJ1鉆孔成像圖像和巖芯照片對比圖

圖4 ZK3鉆孔成像圖像和巖芯照片對比圖

也有部分部位鉆孔光學成像發現泥化夾層，而鉆孔巖芯沒有取到。如圖5，在ZK3孔中，68.7m處在鉆孔光學成像中發現泥化夾層，而在鉆孔巖芯中沒有發現泥化夾層，鉆孔取芯遺漏了這層泥化夾層。這時鉆孔全孔壁光學成像的優越性這時就體現出來了，由于泥化夾層很薄，鉆孔時存在擾動，取芯時很可能出現漏層現象。與鉆孔取芯相比，鉆孔光學成像技術由于能對孔壁連續觀測，因此不會因為取芯不完整，造成夾泥缺失，可以減少由于鉆孔對磨造成的泥化夾層漏判。

相比單純依賴鉆孔巖芯判斷泥化夾層的發育特點和分布規律，鉆孔成像技術還具有判斷準確的明顯優勢。鉆孔全孔壁光學成像在成像過程中基本沒有人為干擾，能夠保持泥化夾層在地層中的原始發育形態，減少由于人為擺放和風化破壞造成的不利影響。它避免了擾動造成的難以獲得地層內各結構面的精確產狀信息，可清晰地揭示鉆孔中地層巖性、破碎帶、層面、節理面、構造面等地質現象，真實地反映了地下巖體信息地質情況。

圖5 ZK3孔76.8m處鉆孔成像圖像和巖芯照片對比圖

鉆孔全孔壁光學成像資料攜帶方便，方便專家審查資料，它的數字巖芯可模擬鉆孔巖芯，猶如置身于鉆井現場。鉆孔全孔壁光學成像還能對鉆孔巖芯的永久性保存起到很大作用。一般大型水利水電工程，勘察期較長，前后幾年，甚至幾十年，巖芯特別是泥化夾層保存難度較大或根本無法保留，對后來的資料復核、計算困難很大。鉆孔全孔壁光學成像采用影像的方式保存資料，可存盤永久保存，方便調閱。

5.結論

泥化夾層較薄，鉆孔取芯時容易缺失，對鉆孔進行全孔壁光學成像能不遺漏地記錄鉆孔孔壁圖像，避免因為取芯不完整造成夾泥缺失，為泥化夾層的判定提供關鍵依據。以鉆孔全孔壁光學成像技術為主，鉆孔取芯技術為輔的勘測手段在泥化夾層探測中的應用突破了傳統檢測方法的局限，可大幅度地提高勘探精度。