井下電視成像技術在喬諾水庫地質勘察中的應用

仝衛超

(新疆水利水電勘測設計研究院地質勘察研究所，烏魯木齊 830052)

0 前 言

在水利水電工程前期工程地質勘察中，壩址區工程地質勘察的基本內容是地層巖性、巖體結構特征、軟弱巖層分布規律、巖體滲透性及卸荷和風化程度[1]。由于大多數水利水電工程地質勘察位于山區，地質勘察過程中大多采用傳統的鉆孔取芯方法，雖然可以獲得一定長度和直徑的巖芯，但鉆桿在鉆進過程中對地層有一定程度的擾動，巖芯有時不能準確地反映斷層、裂隙的規模和產狀。隨著水利水電工程勘察要求的提高，采用先進、精確的測井技術對鉆孔進行圖像記錄供地質勘察人員分析地層情況顯得越來越重要。

隨著20世紀90年代以來水利和油田開采要求的提高，井下電視成像技術發展日新月異，已成功應用于油井和地下隧洞探測中。由于增加了帶有微集成電路的攝像模塊、高質量的信號傳輸系統和光纖，使得井下電視成像技術在探測地質構造條件復雜的情況下，供地質勘察人員復判地層條件，取得顯著效果[2]。

2 工程概況及技術應用

2.1 工程概況

烏瑞克河位于新疆維吾爾自治區的西南端克孜勒蘇柯爾克孜自治州，是烏恰縣境內的一條主要河流。該河流發源于天山南脈海拔4687m的阿克巴什阿尤山南坡，是克孜河支流卡浪溝呂克河的支流之一。新疆喬諾水庫位于烏瑞克河中下游河段，是烏瑞克河上一座控制性水庫，是一座具有灌溉、防洪等綜合利用任務的水利工程。壩址位于新疆烏恰縣烏瑞克河中下游喬諾村附近。水庫西距烏恰縣15km，南距阿圖什市40km。工程區南鄰3013國道與309省道，壩址前段為康什維爾村村道及阿克氣田修建的便道，后段進入山區為沿河砂礫石便道，交通條件一般。

根據1/400萬《中國地震動參數區劃圖》(GB18306-2015)，喬諾水庫所在場址50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.30g，地震基本烈度為Ⅷ度，區域構造穩定性屬于較差。

2.2 技術應用

井下電視成像的原理是使用光學成像，隨著測井深度的增加持續實時記錄孔壁四圍的圖像，將鉆孔內孔壁的情況反映在手持顯示屏中。井下電視成像的主要技術就是實時觀察和記錄[3]。一般井下電視成像系統由三個部分組成：井下探頭記錄系統、電纜傳輸系統、地面主機讀取系統。從井下電視安裝完成到密封性檢查以后，將探頭放入鉆孔中央，隨著電纜傳輸深度的增加，探頭開始對鉆孔四周的孔壁進行探測和記錄。在測井過程中，圖像經過主機和探頭之間的的光纖電纜進行圖像數據傳輸成像。

水庫兩岸壩肩發育上石炭統(C3)微晶灰巖，巨厚層-厚層狀構造，灰色，巖層產狀280°NE∠50-55°,層面傾上游略傾岸外。受斷裂構造的影響，左岸壩肩巖體多呈次塊狀結構，隱節理發育，受構造影響巖塊強度偏低。對新疆喬諾水庫上壩址左右兩岸壩肩ZK3和ZK4鉆孔巖芯進行現場描述時發現，巖芯相對完整，但壓水試驗結果得出的分段透水率偏大。因此對ZK3和ZK4進行了井下電視測孔，ZK3鉆孔深度70m，測量深度64m,ZK4鉆孔深度90.3m，測量深度88.2m。兩岸壩肩孔內均無水。

3 測量結果及分析

3.1 ZK3鉆孔分析

壩肩的工程地質條件分析往往結合區域構造、鉆孔巖芯、壓水試驗進行綜合分析，為設計防滲深度提供可靠的依據和支撐。本次勘察過程中，通過現場巖芯照片可以看出，ZK3鉆孔26.8-28.1m處鉆孔巖芯破碎(如圖1)，為含礫石黏土，推測該處發育一斷層，巖芯呈斷層泥狀態。現場壓水試驗結果表明ZK3號孔25.1-30.2m段透水率為38.4Lu，遠遠大于設計要求的5Lu線。為了進一步查清孔內孔壁情況，對ZK3進行了井下電視成像(如圖2)。

圖1 左壩肩ZK3節理玫瑰花圖

圖 2 ZK3孔26.8-28.1m巖芯處為斷層泥 圖3 ZK3孔26.8-28.1m破碎掉塊

由成像可以看出，井下電視測量孔壁內的成像結果與鉆孔取芯的結果可以對應起來，井下電視呈現的圖像比較破碎時，對應深度下的鉆孔芯樣也多呈碎塊狀。該段壓水試驗結果透水率大，與鉆孔芯樣狀態和井下電視成像結果基本相符，地質條件分析和結果可靠。

在電腦上分析該鉆孔孔壁的圖像以后，上傳至井下電視節理裂隙統計分析軟件，將孔壁上的節理裂隙產狀用軟件繪出，得到該段巖芯構造的基本情況，通過建立表格統計并對該鉆孔內產狀進行統計和排序，部分產狀走向見下表1。

表1 ZK3鉆孔裂隙統計表

由表1可以得到該鉆孔內地層巖性產狀的走向、傾向和傾角，并且通過執行宏來引入統計結果，通過計算得到該鉆孔巖層的最優走向和條數，根據空間方向以10°間隔為一組繪制半圓，其中需要在節理走向玫瑰花圖上標注方位角刻度線，方位角、半徑等，節理走向分組由連續的折線組成[4]。繪制完成后，ZK3孔內巖層得到節理走向玫瑰花圖如下圖3。

根據現場地質測繪及本次調查，受托特拱拜孜-阿爾帕雷克斷裂分支影響，壩址區小斷層較發育，左壩肩主控斷層為f1：55°NW∠75°，壓扭性，長度大于100m,帶寬5-12cm，帶內主要為角礫巖。f2：280-290°NE∠50-55°，面粗糙，大部分閉合無充填，多沿層間發育，傾向上游，發育間距不等，小則1-2m，大則10m以上，延伸長30-100m，個別長達200m以上，兩岸坡均有分布。與鉆孔節理玫瑰花圖基本一致，結果可靠。

3.2 ZK4鉆孔分析

ZK4鉆孔59.4-63.4m處鉆孔巖芯破碎(如圖4)，多呈小于5cm碎塊狀。現場壓水試驗結果表明ZK4號孔55.8-60.9m和60.9-65.9m段透水率分別為20.7Lu和19.3，大于設計要求的5Lu線。為了進一步查清孔內孔壁情況，對ZK4進行了井下電視成像(如圖5)。

圖4 ZK4孔59.4-63.4m巖芯破碎 圖5 ZK5孔60-64.1m成像完整

由圖4和圖5可以看出，井下電視測量孔壁內的成像結果與鉆孔取芯的結果有一定的差別，芯樣破碎的深度，井下電視成像孔壁完整，且節理裂隙少。與現場鉆機工作人員進行再次復核確認后，發現該段鉆機采用單管鉆進，對巖芯擾動大，取樣時人工敲擊管壁，致巖芯多呈碎塊狀。再次對該段進行雙塞壓水試驗，將上塞和下塞準確放在該深度，試驗結果小于5Lu。為地質人員準確判斷孔內情況提供了可靠的再復核依據。

本次勘察對新疆喬諾水庫的壩肩孔運用了井下電視成像技術，并進行分析和判斷，相對準確地獲得了壩肩的地層情況，為該項目的建設提供了更準確的依據和圖像資料，同時也有助于地質條件分析的正確性。

4 結 語

通過結合喬諾水庫工程現場勘察，井下電視成像技術提高了現場勘察結果的準確性，特別是當鉆孔芯樣受到擾動，不能反映地層情況時，井下電視成像技術通過圖像資料為地質勘察人員提供了更加豐富的勘察手段。其次，通過井下電視成像技術分析繪制的節理走向玫瑰花圖，可以與區域構造、地質測繪結合起來進行研究和分析。在成像過程中，井下電視的結果是直觀的，清晰準確的，作為一種新型技術，將在水利工程調查中發揮越來越重要的作用。