垂直孔孔壁影像結構面產狀定量解譯研究

陳衛東, 李樹武, 吳克凡, 付建偉

(1.國家能源水電工程技術研發中心 高邊坡與地質災害研究治理分中心,陜西 西安 710065; 2.中國電建集團 西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710065)

垂直孔孔壁影像結構面產狀定量解譯研究

陳衛東1,2, 李樹武1,2, 吳克凡2, 付建偉1,2

(1.國家能源水電工程技術研發中心 高邊坡與地質災害研究治理分中心,陜西 西安 710065; 2.中國電建集團 西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710065)

數字鉆孔攝像技術在垂直鉆孔中的應用越來越多,但當前市場上的影像解譯軟件在計算方面多數存在解譯的斷裂寬度與實際情況差距較大的問題。從理論模型上研究入手,對斷裂結構面產狀各要素和斷裂寬度的計算原理進行分析研究,總結出一套實用解譯計算的方法,并通過了試驗驗證。

垂直鉆孔;理論模型;斷裂產狀;試驗驗證

早期,鉆孔孔壁攝像技術一直局限于“看”,即模擬信號,只能觀看到一定角度范圍內的圖像[1-2]。近些年,隨著攝像技術的發展,數字鉆孔攝像技術在垂直鉆孔中的應用越來越多,專業軟件能比較準確地計算出斷裂結構面傾角、傾向、走向[3-4],但對斷裂寬度解譯仍局限于視寬度,均未做到準確測算[5-7]。

斷裂寬度是巖體結構面主要特性之一,為了準確獲取這一指標,本文擬根據垂直鉆孔影像的特征,推導出結構面傾角、傾向、走向和結構面寬度的計算公式,開發出簡易處理程序。建立有斷層穿過的鉆孔試驗模型,進行孔內圖像拍攝,利用計算成果與實際模型對比,驗證計算公式的準確性。

1 鉆孔攝像原理

巖體結構面的產狀和寬度的計算依賴圖像中幾何特征進行。在攝像時,鉆孔孔壁由LED提供光源,攝像機攝取經錐形鏡反射的孔壁圖像,沿鉆孔方向截取一定寬度360°范圍內孔壁光點數據,即顏色值GRB。一般情況下,攝像鏡頭內部采用數字羅盤標定圖像方位,測試點的磁北方向設為0°,按順時針方向(N→E→S→W→N)依次記錄光點GRB數據。把數據保存成BMP、PIC、JPEG或其它格式,全孔壁圖像展開圖如圖1。

圖1 孔壁影像展開圖Fig.1 Spreading picture of the borehole wall

2 理論模型的建立

假設某一斷層跨過直徑為d的鉛垂鉆孔,需要計算該斷層傾角、傾向、走向和寬度。

以孔口中心位置為坐標原點、正北方向為X軸、正東方向為Y軸、垂直向下方向為Z軸建立空間坐標系,理論模型見圖2。

3 結構面參數理論計算研究

圖2 斷層理論模型Fig.2 Theoretical model of fault

3.1 傾角

在圖2中,連接斷層頂面最低點Q2和最高點Q5,過Q2水平面為O2,Q5在該面投影為C,連接CQ2。過Q2在水平面內作直線AB,使CQ2⊥AB,又由于CQ2⊥CP5,從而AB⊥Q5Q2,則AB為面O2與面Q0Q1Q2交線,∠CQ2Q5為斷層傾角β,β計算見公式(1):

(1)

式中:CQ2為鉆孔內徑d;CQ5為結構面最高點和最低點沿鉆孔方向距離。

3.2 傾向

沿地質界面傾斜向下方向所引的直線稱為傾斜線,傾斜線在水平面上的投影線所指的方向稱為傾向。

孔壁展開圖(圖1)由m列n行個像素點組成,行數據代表360°方位數據,第i列數據方位為θi。實際上,地質界面最底點的方位即為其傾向θ,有:

θ=360i/m

(2)

3.3 走向

結構面與水平面的交線為走向線,走向線的延伸方向即為結構面的走向,表示結構面在地面上的延伸方向。結構面傾向范圍為0°～360°,走向與傾向相差90°。采用水電行業習慣,走向稱謂NE多少度或NW多少度,用數據表示為NEx°(x變化范圍為0°～90°)或NWx°(x變化范圍為270°～360°),x值在第Ⅰ和第Ⅳ象限走向計算見表1。

3.4 寬度

斷層、破碎帶、裂隙等結構面的真寬度是其上、下兩平行面之間的距離,也是兩平行面上任意兩點最短的距離,而在孔壁展開圖上只能量取視寬度。

表1 結構面走向計算表

孔壁展開圖見圖3。從左到右對應的方向依次為北→東→南→西→北,方位角依次為0°→90°→180°→270°→360°(0°)。

圖3 孔壁展開圖Fig.3 Unfolded drawing of borehole wall

在展開圖(圖3)上表面找一個M點,下表面找一個M′點,MM′在空間模型中是一條弧線,MM′為斷裂的視寬度(L′)。圖4為視寬度(L′)與真寬度(L)的關系圖。

圖4 視寬度(L′)與真寬度(L)關系圖Fig.4 Relationship graph between the apparent width (L′) and ture width (L)

由圖4可以得出公式(3):

L=L′cosβ

(3)

4 計算成果驗證

4.1 鉆孔模型制作

制作一直徑為75 mm垂直鉆孔模型,設計一斷層穿過該鉆孔,理論模型見圖5。用玻璃鋼管取代鉆孔建立鉆孔實體模型。中間截取一段作為斷層,兩截面平行。在斷層部位貼土黃色牛皮紙,在斷層上側貼藍色薄紙,下側貼地圖,如圖6。

圖5 理論模型Fig.5 Theoretical model

圖6 實物模型Fig.6 Practicality model

4.2 圖像攝制

把鉆孔模型垂直放置在平整的地面上并固定,由管底至管口錄制圖像。然后,逆時針旋轉鉆孔模型90°、180°、270°,其圖像見圖7中的a、b、c、d。

圖7 鉆孔模型孔內拍攝的影像Fig.7 Pictures taked in the borehole model

4.3 計算結果驗證

傾角:現場拍攝圖像時,采用羅盤現場量取斷層傾角β,實際值分別為53.0°、53.0°、52.5°、52.5°,平均值為52.8°。程序通過公式(1)解譯出斷層傾角β分別為55.4°、54.0°、52.1°、51.7°,平均值為53.3°。計算值與實際值相差0.5°,基本準確。

傾向:程序通過公式(2)對圖7中的a、b、c、d圖像進行處理,解譯出結構面傾向分別為170°、81°、351°、259°。在模型上現場量取的傾向分別為170°、80°、352°和260°,傾向量取值與計算值比較吻合。

走向:程序根據傾向和走向計算公式(見表1)解譯出圖7中的a、b、c、d結構面走向分別為NE80°、NW351°、NE81°、NW349°。在模型上現場量取的走向分別為NE80°、NW350°、NE82°和NW350°,量取值與計算值基本一致。

寬度:程序根據厚度計算公式(3)解譯出圖7中的a、b、c、d斷層寬度分別為89.6 mm、92.1 mm、90.2 mm、93.7 mm,平均值為91.4 mm。斷層模型見圖8,其量取厚度L=91.0 mm。計算厚度與量取厚度誤差分別為1.4 mm、1.1 mm、0.8 mm、2.7 mm,平均誤差僅0.4 mm,計算值與實際值非常接近。

圖8 斷層實物模型Fig.8 Practicality model of fault

5 結束語

采用某一商業專業軟件對圖8攝制圖像進行處理,斷層解譯寬度為147 mm,與實際寬度91 mm相差較大。

國內商業專業軟件在解譯過程中,大部分沒有考慮斷裂結構面傾角β的影響,而是采用了直接讀取,導致真寬度有誤。作者在自己開發的計算程序中,予以考慮,并將結構面產狀計算程序進行了集成,同時解譯成果更適合國內水利水電行業的應用習慣。該解譯方法已在國內的幾個工程中進行了應用,實用性強,成果準確可靠。

[1] 秦緒英,宋波濤.測井技術現狀與展望[J].勘探地球物理進展,2002(1):26-27.

[2] 李攀峰.基于鉆孔電視的巖體結構信息解譯[J].四川水利,2008,29(4):75.

[3] 王鳳艷.數字近景攝影測量快速獲取巖體裂隙信息的工程應用[D].長春:吉林大學,2006:52-70.

[4] Pratt W K.Digital image processing:3rd edition[M].New York:Wiley Inter-science,1991:5-17.

[5] 肖毅海,王躍飛,胡惠華.基于孔內攝像的湘江長沙綜合樞紐壩基巖體結構面判譯與驗證[J].交通科學與工程,2012(2):96-97.

[6] 黃達,鐘助.基于單個鉆孔孔壁電視圖像確定地下巖體結構面產狀的普適數學方法[J].地球科學:中國地質大學學報,2015(6):1101-1105.

[7] 楊洪.鉆孔全景圖像解譯在巖體空間分析中的運用[J].大科技,2013(24):259-261.

(責任編輯：于繼紅)

Study on Quantitative Interpretation forFault Occurrence of the Vertical Borehole Wall Image

CHEN Weidong1,2, LI Shuwu1,2, WU Kefan2, FU Jianwei1,2

(1.HighSlopeGeologicalHarzardResearch&TreatmentDivisionofChinaHydropowerTechnologyResearchandDevelopmentCenter,Xi’an,Shaanxi710065;2.HydrochinaXibeiEngineeringCorporation,Xi’an,Shaanxi710065)

The application of digital borehole camera technology in vertical borehole is more and more,but at present,in terms of calculation,most of the image interpretation software has a big disparity between the fault interpretation width and true width. Based on the theoretical model,this article analyzed the calculation principle of the various elements of fault occurrence and width,summed up a set of practical interpretation calculate method,and through the experimental verification.

vertical borehole; theoretical model; fault occurrence; experimental verification

2016-05-13;改回日期:2016-06-01

陳衛東(1971-),男,教授級高級工程師,工程物探專業,從事水利水電工程物探工作。E-mail:724443035@qq.com

P634

A

1671-1211(2016)03-0271-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.004

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160530.0937.010.html 數字出版日期:2016-05-30 09:37