裂隙圖像識別技術在天峨龍灘特大橋拱座地基巖體完整性評價中的應用

摘要：在天峨龍灘大橋拱座地基巖體完整性評價中，存在無介質環境下鉆孔聲波探測手段受限，而常規鉆孔取芯分析巖體完整程度存在精度低、效率慢等問題，缺少在包氣帶內的巖體完整程度定量化評價的有效手段。文章針對以上問題，提出了利用顆粒（孔隙）及裂隙圖像識別與分析系統（PCAS）對鉆孔電視孔壁巖體影像進行完整程度參數量化研究，與巖體聲波探測獲得的Kv值進行相關性分析，獲得兩者之間的相關性關系和擬合關系式，從而獲取拱座地基全域巖體完整程度的量化指標。依靠鉆孔電視技術適用環境廣泛和PCAS裂隙識別高效準確的技術優勢，研究成果成功應用于天峨龍灘大橋拱座地基勘察設計階段、施工階段巖體完整程度的定量化判別。

關鍵詞：天峨龍灘特大橋；拱座巖體質量；巖體完整性指數Kv；裂隙圖像識別技術（PCAS）；巖體裂隙率（Cr）

U443.1A270854

0 引言

工程巖體基本質量評價在交通建筑、水利水電、采礦、核廢料處治等工程評價中十分重要，巖體基本質量由多個巖體特征要素組成，而巖體完整程度在其中起到關鍵性作用。巖體完整程度是對巖體內裂隙發育的綜合表征，目前對于巖體完整程度評價分為定性評價和定量評價，定性評價因評價個體不同而差異性較大；定量評價指標主要采用巖體完整性系數指數Kv表征。對于巖體完整性系數Kv值的獲取一般分為兩種方式：（1）通過巖體體積節理數Jv與Kv的對應關系獲取，該方法實為半定量方法，準確度較差；（2）通過鉆孔聲波探測技術獲取巖體彈性縱波速度，巖體與巖塊的彈性縱波速度之比的平方即為巖體完整性指數Kv。鉆孔聲波探測技術獲取Kv雖然準確度較高，但是受到聲波探測需要孔液介質（一般為水）來耦合的條件限制。

針對在無介質（水）環境下鉆孔聲波探測手段受限，常規鉆孔取芯分析巖體完整程度存在精度低、效率慢、巖芯受人為或機械擾動大、結構原始信息丟失等問題，本文提出利用PCAS技術對孔壁鉆孔電視圖像進行裂隙識別與分析統計，獲取裂隙的量化參數，與巖體聲波探測所獲得的Kv進行相關性分析，獲得兩者之間的擬合關系式，從而達到獲取巖體完整程度的量化指標。通過鉆孔電視技術實施環境廣泛的技術特點，可以彌補鉆孔聲波探測技術需要介質環境的缺陷，特別是在無水狀態下、巖體出露情況下，該技術方案可快速獲取巖體完整性系數，達到高效、準確評價巖體完整程度的目標。該技術適用范圍廣泛，約束條件少，準確度較高，自動化程度高，為定量評價巖體完整程度提供了新的技術方向。

1 技術方法與原理

1.1 鉆孔電視成像技術

鉆孔電視成像技術是一項利用光學攝像對鉆孔孔壁進行連續性采集可視化圖像數據的技術，該技術多被應用在巖體精細化勘測和探測地質巖體完整性項目中。常規地質鉆進取芯方法，具有巖芯失去原位、原狀特征以及鉆探機械擾動導致巖體原有構造、裂隙、產狀等要素失真、丟失的技術缺陷。

而鉆孔電視成像技術很好地彌補了常規鉆探的缺點，所獲取的巖性變化形態、孔隙、裂隙、層面等巖體地質信息具有直觀可視化、參數精度高、全息覆蓋等特點，是對巖體結構信息的最直接、有效、高精度的探測手段之一。同時，可以彌補鉆孔聲波探測所獲取的孔壁介質聲波值不能對孔壁巖體細節進行高精度刻畫的缺陷。

1.2 顆粒（孔隙）及裂隙圖像識別與分析系統（PCAS）

顆粒（孔隙）及裂隙圖像識別與分析系統（PCAS）是用于孔隙系統與裂隙系統識別和定量分析的專業軟件［1-3］，該技術可以自動識別巖體圖像中裂隙，并獲取裂隙的各項幾何參數和統計參數，在處理大量巖體圖像方面，該系統具備高度自動化、效率高、準確度高等優勢。

針對巖體裂隙網路識別的技術特點，PCAS采用聚類分析對巖體裂隙圖像進行二值分割、閾值處理，可實現自動分割、識別巖體裂隙網絡中的區塊，并具備修復裂隙段與去除雜噪點的技術優勢，從而高效準確地識別裂隙網絡，獲取裂隙節點數、裂隙數、裂隙長度、寬度、面積、方向等要素［4-6］，自動化計算出裂隙率、裂隙分形維數、概率熵、平均長度、寬度、面積等統計參數，實現巖體裂隙的定量化分析［7-9］。PCAS技術識別裂隙的過程見圖1。

通過鉆孔電視成像技術對孔壁的全真還原、高精度刻畫，利用PCAS技術對巖體裂隙的精準識別、多要素參數定量化統計分析的技術優勢，實現兩項技術的高效結合，可高精度量化孔壁巖體裂隙的各項參數，獲取多維量化指標，從而實現對巖體完整程度的量化研究。本研究的技術方案如圖2所示。

2 PCAS技術的工程應用

2.1 工程簡介

天峨龍灘特大橋建成后將成為世界上跨徑最長的拱橋，橋梁全長2 557 m，主橋采用上承式韌性骨架混凝土拱橋，主橋計算跨徑為600 m［10］。該橋位于龍灘水庫（紅水河）庫區，橋梁拱座基礎位于河谷岸坡之上，岸坡地形坡度為35°～55°，處于庫水消落帶內。場地內地層主要由三疊系（T）與二疊系（P）砂巖地層組成，受區內多期構造及峽谷卸荷作用影響，岸坡巖體節理裂隙發育。拱橋拱座采用明挖擴大基礎，在庫區岸坡的庫水消落帶范圍內開挖拱座基坑，基坑所在岸坡主要為巖質斜坡。為查明拱座基坑巖體的完整性，在拱座區域開展了地表物探、工程鉆探、孔內聲波測試、孔內鉆孔電視等工作，因此可以借助鉆孔聲波測試數據獲取水下巖體完整性系數，利用鉆孔電視數據和聲波測試數據的對應關系，獲取水上的巖體完整性系數，進而得出拱座基坑全域巖體完整性系數，為“世界第一拱”基坑的支護設計和拱座基底持力層的選擇提供依據。見圖3。

2.2 下老岸拱座區鉆孔聲波測試和鉆孔電視測試

為查明天峨龍灘特大橋下老岸拱座地基巖體的完整程度，本次研究針對性地布設26個鉆孔，鉆孔呈網格狀布置，可均勻控制拱座區巖體，孔內同時開展了聲波測試和鉆孔電視測試。見圖4。孔壁裂隙發育程度會直接導致波速不同程度的降低［11］，這種聲波與巖體之間的散射現象可以有效地、準確地反饋巖體完整程度。

通過選取的較完整典型巖樣進行聲波速度測試，得出巖石聲波速度值Vpr分別為5 656 m/s、5 410 m/s、5 345 m/s；取值Vpr=5 600 m/s作為完整巖石的聲波速度。巖塊試驗結果見表1。

巖體完整性指數Kv值按照式（1）計算：

Kv=VpmVpr2（1）

式中：Vpm——巖體聲波速度值（m/s）；

Vpr——巖石聲波速度值（m/s）。

計算得出，下老岸拱座區強風化層平均聲波速Vpm=3 085～3 997 m/s，Kv=0.30～0.51，巖體破碎～較破碎；中風化砂巖局部裂隙較發育，巖層總體較完整，局部由于存在頁巖、泥巖夾層或節理裂隙發育，巖體較破碎。聲波測試到中風化砂巖層平均聲波速度Vpm=3 776～4 915 m/s，Kv＝0.45～0.77，巖體較破碎～完整。

鉆孔電視技術可以在有水、無水的環境下應用，在聲波測試技術無法開展的孔段，彌補聲波測試數據的缺失。對于水下部分，鉆孔電視數據與聲波測試數據匹配度較高，如在裂隙發育孔段（完整程度較差），波速測試曲線均發生下跌（如圖5所示）。

2.3 基于裂隙圖像識別（PCAS）獲取巖體裂隙定量化參數

基于從鉆孔電視圖像向二值圖像的轉換，PCAS使用巖體區域切分方法區分不同巖體，并在不同區域的分界面上識別裂隙。對于無法連接、相互孤立的裂隙，如巖芯上存在貫通的裂隙，但在孔壁全景光學圖中并未完全反映，可利用手動連接的方法，完成裂隙的準確識別。典型的鉆孔電視圖像經過裂隙圖像識別技術（PCAS）處理后的量化成果詳見圖6。

利用PCAS分析系統對巖體裂隙網絡的幾何參數進行高精度自動化測量，得出巖體裂隙網的裂隙率、裂隙數量、裂隙節點數、形狀系數、巖體分割區數、分形維數、分選系數、均勻系數、概率熵、裂隙長度、寬度、面積、方向等參數。主要參數詳見表2。

基于PCAS裂隙分析參數，利用相關性矩陣分析方法，對以上主要參數進行相關性分析，相關性系數詳見表3。由表3巖體裂隙參數相關性系數矩陣分析可知，裂隙率與完整性指數相關性最強，為-0.99，呈負相關關系，其他參數與裂隙率相關性較弱。由巖體完整性系數本身屬性可知，完整程度主要受巖體中裂隙的密度和占比控制，而裂隙率恰為裂隙密度與占比的量化指標。其他參數多反映的是裂隙的形態屬性，如形狀系數反映的是裂隙粗糙程度、分形維數反映的是裂隙的非均質性、概率熵反映的是裂隙的定向性，故與完整性系數相關性較差。

2.4 建立裂隙率與完整性系數的擬合關系式

基于拱座下老岸基礎鉆孔波速測試數據和鉆孔電視圖像數據，選取244段數據集，進行PCAS裂隙識別與分析。并對244組裂隙率與完整性系數Kv組成的數據集，進行擬合關系分析，得出裂隙率（Cr）和巖體完整性指數（Kv）、巖體聲波速度值（Vpn）的關系曲線呈對數關系，對數擬合程度較高，R2均達到0.8以上。擬合關系式曲線詳見下頁圖7和圖8。

擬合關系公式為：

Vpm=-805.5ln（Cr）+1 388.6（2）

Kv=-0.183ln（Cr）-0.061 9（3）

式中：Vpm——巖體聲波速度值（m/s）；

Cr——巖體裂隙率；

Kv——巖體完整性指數。

2.5 構建拱座基坑完整程度地質模型

通過以上裂隙率與完整性系數的指數關系式，利用PCAS裂隙識別分析技術，對拱座基礎范圍內水位以上、聲波測試無法實施的巖體區，進行了完整系數量化研究，最終得出水上、水下全域范圍內的巖體完整性系數。見表4。

通過對下老岸拱座基礎巖體完整性指數（Kv）進行屬性三維地質建模，根據《工程巖體分級標準》對巖體完整強度分類規定，按照完整程度將拱座區巖體分為三個類別：極破碎巖體、較破碎-破碎巖體、較完整巖體。通過三維地質模型可直觀判別，從標高360 m至350 m，巖體完整程度趨于完整，較破碎面積不斷縮小。拱座基礎的基底大部分區域為較完整巖體（Kv＞0.55），其中拱座基坑右下角（靠近圍堰區）巖體完整程度始終較差，在標高350 m段呈破碎狀中風化砂巖，巖體完整程度地質模型見圖9。

利用PCAS巖體裂隙識別與分析技術，對天峨龍灘特大橋下老岸拱座基坑施工開挖過程中的基巖面進行裂隙識別與分析，基于本次研究成果，可以快速計算出開挖基巖面的巖體完整性指數，用來動態調整拱座基坑支護手段和選擇合適的巖基持力層。通過對基巖開挖面圖像進行裂隙識別與統計分析，開挖面識別分析效果圖詳見圖10，獲取該處基巖巖體裂隙率（Cr）為12.74%，利用上文裂隙率與完整性系數的擬合關系式，換算得出該開挖面巖體完整性系數為0.32，處于破碎范疇。由此表明，針對在施工環境下開挖斷面的巖體完整程度的量化工作，PCAS裂隙識別與分析計算的技術方案也具備較高的判別精度和效率，實用性較強，具備廣泛推廣應用的技術優勢。

3 結語

本文基于PCAS巖體裂隙與分析技術，對天峨龍灘特大橋下老岸拱座區鉆孔電視圖像進行識別與統計分析，得出巖體裂隙率（Cr）等量化參數，利用波速測試技術獲取水下巖體完整性系數（Kv），通過對裂隙率（Cr）等量化參數與完整性系數（Kv）進行相關性矩陣分析和趨勢擬合，研究得出裂隙率（Cr）與完整性系數（Kv）之間的

擬合關系公式，從而獲取下老岸拱座區水上、水下全域范圍的巖體完整性系數，在此基礎上建立天峨龍灘特大橋下老岸拱座基礎巖體完整程度地質三維模型，成功應用于拱座施工階段開挖基巖完整程度判別，極大地節約了拱座基坑開挖過程中巖體完整性評價的時間和人力成本，為天峨龍灘特大橋拱座基坑開挖支護與基底持力層選擇起到了重要的指導作用。該技術方案和研究成果具備判別精度高、實用性強、適用性廣、效率高、自動化程度高等特點，具備了廣泛推廣應用的技術優勢。

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