基于钻孔摄像技术的结构面产状可靠性试验研究.docx

基于钻孔摄像技术的结构面产状可靠性试验研究 由于严重的隐蔽性，孔壁岩石结构的研究和研究受到限制。目前的研究主要基于对孔岩心的相关测量和描述，但通过该方法获得的结构信息较少、精度较低，不能满足施工要求。因此，孔镜技术的开发和不断的改进（毛继珍，1994；葛秀润和王川英，2001；王川英和2005）。 基于钻孔摄像技术,孔壁岩体结构面的连通性(王川婴等,2009)、发育特征(Kanaori,1983;周科平等,2007;杨举等,2011)、影像自动判读(吴剑等,2011)以及孔壁岩体完整性(王川婴等,2010)、风化程度(孔广胜,2005)和场区地应力(毛吉震等,2008)方面得到了深入研究,对于全面、深入认识岩体工程地质特性和研究区工程地质条件等具有重要价值.尤其是利用钻孔影像进行岩体水力学和渗流特性方面的研究,一直以来都受到重视并得出了诸多有益的成果(Williams and Johnson,2004;Cunningham,2004;Cunninghamet al.,2004;Hammeta l.,2007;马峰等,2011;Lo eta l.,2012).但目前钻孔摄像技术在结构面产状测量方面的应用,仍主要被限定在垂直钻孔(直线型)内,对于工程中广泛存在的倾斜钻孔(直线型),由于钻孔摄像原理及其与结构面真实空间信息架构的复杂性,尚缺乏准确的结构面产状确定方法,但此确定方法又为工程建设和研究人员所急需.此外,目前工程界和研究人员对钻孔摄像技术的研究主要处于应用层面,着重于利用其勘测更多的地质和工程信息,以更好地解决各种工程问题,对于技术本身的精度和工程应用的可靠性等问题则缺乏深入的探讨.但这种应用的可靠性问题对于结构面产状测量尤为重要,因为钻孔直径相对于结构面规模往往很小,摄像精度的微小变化能使产状结果产生明显差异,且由于结构面产状是影响岩体稳定性及其工程处置决策的关键因素,对其结果可靠性进行研究具有重要的工程价值和理论意义. 本文基于钻孔摄像原理,对倾斜孔中结构面产状的确定方法进行了详尽的阐述和推导,得出了精确的计算公式,开发了相应的软件,并对垂直孔和倾斜孔中结构面产状测量结果的工程应用可靠性进行了试验研究,得出了诸多有益的结论. 1 钻孔成像原理及外观确定方法 1.1 数字光学成像系统 钻孔摄像技术是一种地球物理测井技术,于20世纪50年代诞生,其应用流程类似于其他测井技术(骆淼等,2008;梁宏伟等,2013).钻孔摄像技术可识别常规方法无法探测的孔壁地质信息,是目前应用较广、发展较快的一种工程技术.该技术先后经历了钻孔照相、钻孔摄像和数字光学成像3个阶段,其工作原理(葛修润等,2001;王川婴等,2005)为通过处于探头前部的高清晰度单片摄像器件,对探头前方钻孔及孔壁四周进行扫描摄像,然后通过硬件变换,将360°钻孔孔壁图像转换为全景图像,再通过所建立的坐标系统和计算机软件将其还原成真实的钻孔孔壁图像.其中,全景图像和空间信息(深度和方位)需要进行叠加处理,深度由专用的测量轮获得,平面方位由磁性电子罗盘提供,它安置于锥面反射镜的中央.钻孔摄像实质是一个连续过程,其获得的全景图像与相应的深度和平面方位同步地进行变化,在二维展开图中,按照N-E-S-W-N的顺序展开(图1). 现阶段垂直孔内结构面产状确定方法为:平面展开图中结构面曲线最低点所在的方位为该结构面的倾向(图1);倾角φ(°)由结构面展开曲线的最高点和最低点之间的高差h(m)与钻孔直径d(m)之比的反正切函数求得,见图1和公式1. 1.2 孔口圆面的叶片结构面法向量的确定 针对岩体工程中广泛存在的倾斜钻孔,目前尚无合理、准确的斜孔内结构面产状确定方法.本文在深入分析钻孔摄像原理基础上,根据磁性电子罗盘定位原理和全景图像、空间信息图像叠加后的展开方式建立起相应的倾斜孔结构面产状计算坐标系,即以钻孔孔口圆心为原点,建立左手空间直角坐标系NEZ(xyz),其中x轴指向北为正、y轴指向东为正、z轴指向上为正.将倾斜钻孔看作线状构造,采用倾伏向和倾伏角表征其空间方位,利用钻孔半径表征其孔壁界限,在坐标系NEZ(xyz)的基础上构建如图2的计算模型,以求取孔壁内任意点A的空间坐标.根据不共线的3点确定1个平面的原理,若分别计算结构面与钻孔相交曲线上的3个点坐标,则可确定该结构面的产状.确定方法的关键步骤如下所述. (1)求出A点沿孔轴方向在孔口的投影点A′,假设A点距A′ 点的长度为h (符号下同),构造向量(图1),使,则: 式中:α为钻孔的倾伏向(°),β为钻孔的倾伏角(°),符号下同. (2)在原xOy平面内构建x′Oy′,x′轴正向为钻孔倾伏向,y′ 正向为x′ 正向顺时针旋转90°所得,假设A点的空间方位角为θ (°),记A′ 点在x′Oy′坐标平面下的投影点为