陈卫东, 李树武, 吴克凡, 付建伟

(1.国家能源水电工程技术研发中心 高边坡与地质灾害研究治理分中心,陕西 西安 710065; 2.中国电建集团 西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710065)

垂直孔孔壁影像结构面产状定量解译研究

陈卫东1,2, 李树武1,2, 吴克凡2, 付建伟1,2

(1.国家能源水电工程技术研发中心 高边坡与地质灾害研究治理分中心,陕西 西安 710065; 2.中国电建集团 西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710065)

数字钻孔摄像技术在垂直钻孔中的应用越来越多,但当前市场上的影像解译软件在计算方面多数存在解译的断裂宽度与实际情况差距较大的问题。从理论模型上研究入手,对断裂结构面产状各要素和断裂宽度的计算原理进行分析研究,总结出一套实用解译计算的方法,并通过了试验验证。

垂直钻孔;理论模型;断裂产状;试验验证

早期,钻孔孔壁摄像技术一直局限于“看”,即模拟信号,只能观看到一定角度范围内的图像[1-2]。近些年,随着摄像技术的发展,数字钻孔摄像技术在垂直钻孔中的应用越来越多,专业软件能比较准确地计算出断裂结构面倾角、倾向、走向[3-4],但对断裂宽度解译仍局限于视宽度,均未做到准确测算[5-7]。

断裂宽度是岩体结构面主要特性之一,为了准确获取这一指标,本文拟根据垂直钻孔影像的特征,推导出结构面倾角、倾向、走向和结构面宽度的计算公式,开发出简易处理程序。建立有断层穿过的钻孔试验模型,进行孔内图像拍摄,利用计算成果与实际模型对比,验证计算公式的准确性。

1 钻孔摄像原理

岩体结构面的产状和宽度的计算依赖图像中几何特征进行。在摄像时,钻孔孔壁由LED提供光源,摄像机摄取经锥形镜反射的孔壁图像,沿钻孔方向截取一定宽度360°范围内孔壁光点数据,即颜色值GRB。一般情况下,摄像镜头内部采用数字罗盘标定图像方位,测试点的磁北方向设为0°,按顺时针方向(N→E→S→W→N)依次记录光点GRB数据。把数据保存成BMP、PIC、JPEG或其它格式,全孔壁图像展开图如图1。

图1 孔壁影像展开图Fig.1 Spreading picture of the borehole wall

2 理论模型的建立

假设某一断层跨过直径为d的铅垂钻孔,需要计算该断层倾角、倾向、走向和宽度。

以孔口中心位置为坐标原点、正北方向为X轴、正东方向为Y轴、垂直向下方向为Z轴建立空间坐标系,理论模型见图2。

3 结构面参数理论计算研究

图2 断层理论模型Fig.2 Theoretical model of fault

3.1 倾角

在图2中,连接断层顶面最低点Q2和最高点Q5,过Q2水平面为O2,Q5在该面投影为C,连接CQ2。过Q2在水平面内作直线AB,使CQ2⊥AB,又由于CQ2⊥CP5,从而AB⊥Q5Q2,则AB为面O2与面Q0Q1Q2交线,∠CQ2Q5为断层倾角β,β计算见公式(1):

(1)

式中:CQ2为钻孔内径d;CQ5为结构面最高点和最低点沿钻孔方向距离。

3.2 倾向

沿地质界面倾斜向下方向所引的直线称为倾斜线,倾斜线在水平面上的投影线所指的方向称为倾向。

孔壁展开图(图1)由m列n行个像素点组成,行数据代表360°方位数据,第i列数据方位为θi。实际上,地质界面最底点的方位即为其倾向θ,有:

θ=360i/m

(2)

3.3 走向

结构面与水平面的交线为走向线,走向线的延伸方向即为结构面的走向,表示结构面在地面上的延伸方向。结构面倾向范围为0°～360°,走向与倾向相差90°。采用水电行业习惯,走向称谓NE多少度或NW多少度,用数据表示为NEx°(x变化范围为0°～90°)或NWx°(x变化范围为270°～360°),x值在第Ⅰ和第Ⅳ象限走向计算见表1。

3.4 宽度

断层、破碎带、裂隙等结构面的真宽度是其上、下两平行面之间的距离,也是两平行面上任意两点最短的距离,而在孔壁展开图上只能量取视宽度。

表1 结构面走向计算表

孔壁展开图见图3。从左到右对应的方向依次为北→东→南→西→北,方位角依次为0°→90°→180°→270°→360°(0°)。

图3 孔壁展开图Fig.3 Unfolded drawing of borehole wall

在展开图(图3)上表面找一个M点,下表面找一个M′点,MM′在空间模型中是一条弧线,MM′为断裂的视宽度(L′)。图4为视宽度(L′)与真宽度(L)的关系图。

图4 视宽度(L′)与真宽度(L)关系图Fig.4 Relationship graph between the apparent width (L′) and ture width (L)

由图4可以得出公式(3):

L=L′cosβ

(3)

4 计算成果验证

4.1 钻孔模型制作

制作一直径为75 mm垂直钻孔模型,设计一断层穿过该钻孔,理论模型见图5。用玻璃钢管取代钻孔建立钻孔实体模型。中间截取一段作为断层,两截面平行。在断层部位贴土黄色牛皮纸,在断层上侧贴蓝色薄纸,下侧贴地图,如图6。

图5 理论模型Fig.5 Theoretical model

图6 实物模型Fig.6 Practicality model

4.2 图像摄制

把钻孔模型垂直放置在平整的地面上并固定,由管底至管口录制图像。然后,逆时针旋转钻孔模型90°、180°、270°,其图像见图7中的a、b、c、d。

图7 钻孔模型孔内拍摄的影像Fig.7 Pictures taked in the borehole model

4.3 计算结果验证

倾角:现场拍摄图像时,采用罗盘现场量取断层倾角β,实际值分别为53.0°、53.0°、52.5°、52.5°,平均值为52.8°。程序通过公式(1)解译出断层倾角β分别为55.4°、54.0°、52.1°、51.7°,平均值为53.3°。计算值与实际值相差0.5°,基本准确。

倾向:程序通过公式(2)对图7中的a、b、c、d图像进行处理,解译出结构面倾向分别为170°、81°、351°、259°。在模型上现场量取的倾向分别为170°、80°、352°和260°,倾向量取值与计算值比较吻合。

走向:程序根据倾向和走向计算公式(见表1)解译出图7中的a、b、c、d结构面走向分别为NE80°、NW351°、NE81°、NW349°。在模型上现场量取的走向分别为NE80°、NW350°、NE82°和NW350°,量取值与计算值基本一致。

宽度:程序根据厚度计算公式(3)解译出图7中的a、b、c、d断层宽度分别为89.6 mm、92.1 mm、90.2 mm、93.7 mm,平均值为91.4 mm。断层模型见图8,其量取厚度L=91.0 mm。计算厚度与量取厚度误差分别为1.4 mm、1.1 mm、0.8 mm、2.7 mm,平均误差仅0.4 mm,计算值与实际值非常接近。

图8 断层实物模型Fig.8 Practicality model of fault

5 结束语

采用某一商业专业软件对图8摄制图像进行处理,断层解译宽度为147 mm,与实际宽度91 mm相差较大。

国内商业专业软件在解译过程中,大部分没有考虑断裂结构面倾角β的影响,而是采用了直接读取,导致真宽度有误。作者在自己开发的计算程序中,予以考虑,并将结构面产状计算程序进行了集成,同时解译成果更适合国内水利水电行业的应用习惯。该解译方法已在国内的几个工程中进行了应用,实用性强,成果准确可靠。

[1] 秦绪英,宋波涛.测井技术现状与展望[J].勘探地球物理进展,2002(1):26-27.

[2] 李攀峰.基于钻孔电视的岩体结构信息解译[J].四川水利,2008,29(4):75.

[3] 王凤艳.数字近景摄影测量快速获取岩体裂隙信息的工程应用[D].长春:吉林大学,2006:52-70.

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

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[6] 黄达,钟助.基于单个钻孔孔壁电视图像确定地下岩体结构面产状的普适数学方法[J].地球科学:中国地质大学学报,2015(6):1101-1105.

[7] 杨洪.钻孔全景图像解译在岩体空间分析中的运用[J].大科技,2013(24):259-261.

(责任编辑：于继红)

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

陈卫东(1971-),男,教授级高级工程师,工程物探专业,从事水利水电工程物探工作。E-mail:724443035@qq.com

P634

A

1671-1211(2016)03-0271-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.004

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160530.0937.010.html 数字出版日期:2016-05-30 09:37