鉆孔綜合測試在判別巖體完整程度上的應用

2014-10-21 02:01:14楊建明馬肖波

水力發電 2014年2期

楊建明，馬肖波

（1.四川中水成勘院工程勘察有限責任公司，四川成都 610072；2.成都理工大學，四川成都 610059）

0 引言

巖體完整程度的劃分是通過波速計算或裂隙統計得到的。測試巖石彈性縱波速度和統計出露的基巖面裂隙數量都會受到巖體卸荷的影響，同時也會受到機械擾動、短時間風化的影響，難以對圍巖類別作出正確評價。

全景圖像測試和鉆孔聲波波速測試是常見的物探技術方法，旨在獲取原位測試資料。全景圖像測試能以視覺方式獲取鉆孔孔壁巖層表面特征的原始圖像，鉆孔聲波波速測試能夠迅速、準確地獲得巖體的波速值。使用這2種方法可獲取巖體在原位情況下的裂隙密度和巖體完整性系數KV值，對巖體的完整程度進行分析，結合基巖的物理力學指標預判圍巖類別。

1 裂隙統計

1.1 裂隙分類與區分

使用全景圖像獲取裂隙數據資料時，大多數裂隙在圖像中表現為一條近似平滑的曲線，圖像中的數值為測試中所對應的深度值，裂隙通常的顏色與巖體本身顏色存在較大差異，見圖1。圖1中 “S”形曲線為裂隙，且深度17.7 m處白色 “S”形曲線實際為1條鈣質膠結的裂隙。當鉆孔貫穿或坐落于擠壓破碎帶、斷層時，圖像資料中裂隙就會表現得很發育，裂隙的形態特征、產狀不明顯，巖體多為碎塊狀，在鉆孔中也容易形成空腔，其全景圖像見圖2。進行裂隙統計時需要將其獨立開，不作為統計的對象。

圖1 裂隙

圖2 破碎帶

根據全景圖像可知，大多數層積巖、部分火成巖及板巖等都有較多的層理面，層理面反應了巖體的分層現象，其表現為成巖物質的形狀、大小、成分、顏色的不同（見圖3）。層理面也可能作為巖性變化的分界（見圖4）。在裂隙統計時只將張開的層理面作張裂隙進行統計。

圖3 板巖層理面

圖4 砂礫巖與泥巖層理面

1.2 裂隙分類統計

使用全景圖像處理軟件，將獲取的全景圖像中的每條裂隙的產狀、張開度進行一一測量，同時根據分類原則預先設置好裂隙的分類參數，分類參數可設置為數字或字母加以區分，使用繪圖軟件導入測量的裂隙資料繪制得到全孔壁數字圖像裂隙分布圖（見圖5），不同分類的裂隙將以不同的圖層反應出來。根據圖示可以直觀地看出在不同深度裂隙的產狀、間距、張開度情況。

依照不同深度裂隙分布的密集程度對裂隙進行分段，參數設置中將裂隙寬度、裂隙間距分別分5組進行統計，裂隙寬度以小于1、1～3、3～5、5～10 mm和大于10 mm為分組數據，裂隙間距以小于0.1、0.1～0.3、0.3～0.5、0.5～1 m 和大于 1 m 為分組數據，最后根據各鉆孔的分段結果對各段裂隙進行統計得到全孔壁裂隙分布統計圖，同時可以得到某一深度范圍內裂隙的產狀、間距、寬度分布的統計數據以及優勢裂隙產狀及條數。

圖5 全景圖像裂隙分布

2 波速統計

為了能將聲波波速統計結果與巖體裂隙統計結果相互比較，根據聲波波速在不同深度的變化，將聲波波速統計分段參數按照裂隙統計的分段參數設置進行分段。具體的統計方法為:首先將野外測試的聲波資料進行處理，得到鉆孔不同深度的聲波波速值；再將得到的巖體波速分段后運用計算軟件進行統計計算，計算出不同深度范圍巖體波速的最大值、最小值和平均值，最終得到巖體完整性指數KV值。在進行巖體完整性指數計算時，巖體彈性縱波速度Vpm使用各段巖體的平均波速值，巖石彈性縱波速度Vpt為巖塊波速。

3 工程實例

某鉆孔位置位于雅礱江上游某水電站，壩址區巖性為變質砂巖夾砂板巖及極少的侵入型花崗巖，根據鉆孔中裂隙的分布將統計數據分為2段。全景圖像裂隙統計見表1，全景圖像裂隙分布統計見圖6。圖表分析表明，第1段裂隙的平均間距為0.31 m，第2段的裂隙平均間距為0.85 m。對該區域巖體波速的長期測試結果表明，測試中得到了波速值6100～6200 m/s的連續波速，將巖塊波速設定為6200 m/s進行統計，得到鉆孔聲波波速（見表2）。經計算，第1段KV為0.71，第2段KV為0.86。

表1 全景圖像裂隙統計

表2 鉆孔聲波波速統計

上述分析可知，第1段裂隙間距在0.1～1 m之間分布較均勻，張開度以小于0.3 mm為主，最集中的方位角為 60°～90°、傾角為 60°～75°；第 2 段的裂隙的平均間距為0.85 m，間距大于1m的超過60%，間距大于0.5 m的超過80%，張開度以小于0.3 mm為主，最集中的方位角為290°～320°、傾角為 55°～70°。

已知了各孔段裂隙的平均間距與KV值，就能夠對各段巖體的完整程度做出判斷。第1段的裂隙間距為0.31 m，同時裂隙間距在0.1～1.0 m之間成均勻分布。根據裂隙分布情況，結合巖體完整程度的結構面特征分類標準對應的結構面發育程度情況，分析圖像中裂隙的結合程度，可知該段為較破碎～較完整巖體，同時根據統計得到的KV值可知該段為較完整巖體。第2段裂隙間距為0.85 m，且間距大于1 m的占61.5%，同理可知該段為完整巖體。根據全景圖像資料，結合變質砂巖、砂板巖本身的力學性質較好、強度高等特點，且砂巖本身抗風化能力強，同時結合《工程地質手冊》中對圍巖類別的分類標準可知，第1段的巖體為III～II類圍巖，第2段的巖體為II～I類圍巖。根據各條裂隙的產狀及極坐標圖，也可對該區域巖體進行應力分析。