摘要：在天峨龍灘大橋拱座地基巖體完整性評(píng)價(jià)中，存在無介質(zhì)環(huán)境下鉆孔聲波探測(cè)手段受限，而常規(guī)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(nèi)的巖體完整程度定量化評(píng)價(jià)的有效手段。文章針對(duì)以上問題，提出了利用顆粒（孔隙）及裂隙圖像識(shí)別與分析系統(tǒng)（PCAS）對(duì)鉆孔電視孔壁巖體影像進(jìn)行完整程度參數(shù)量化研究，與巖體聲波探測(cè)獲得的Kv值進(jìn)行相關(guān)性分析，獲得兩者之間的相關(guān)性關(guān)系和擬合關(guān)系式，從而獲取拱座地基全域巖體完整程度的量化指標(biāo)。依靠鉆孔電視技術(shù)適用環(huán)境廣泛和PCAS裂隙識(shí)別高效準(zhǔn)確的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，研究成果成功應(yīng)用于天峨龍灘大橋拱座地基勘察設(shè)計(jì)階段、施工階段巖體完整程度的定量化判別。

關(guān)鍵詞：天峨龍灘特大橋；拱座巖體質(zhì)量；巖體完整性指數(shù)Kv；裂隙圖像識(shí)別技術(shù)（PCAS）；巖體裂隙率（Cr）

U443.1A270854

0 引言

工程巖體基本質(zhì)量評(píng)價(jià)在交通建筑、水利水電、采礦、核廢料處治等工程評(píng)價(jià)中十分重要，巖體基本質(zhì)量由多個(gè)巖體特征要素組成，而巖體完整程度在其中起到關(guān)鍵性作用。巖體完整程度是對(duì)巖體內(nèi)裂隙發(fā)育的綜合表征，目前對(duì)于巖體完整程度評(píng)價(jià)分為定性評(píng)價(jià)和定量評(píng)價(jià)，定性評(píng)價(jià)因評(píng)價(jià)個(gè)體不同而差異性較大；定量評(píng)價(jià)指標(biāo)主要采用巖體完整性系數(shù)指數(shù)Kv表征。對(duì)于巖體完整性系數(shù)Kv值的獲取一般分為兩種方式：（1）通過巖體體積節(jié)理數(shù)Jv與Kv的對(duì)應(yīng)關(guān)系獲取，該方法實(shí)為半定量方法，準(zhǔn)確度較差；（2）通過鉆孔聲波探測(cè)技術(shù)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(shù)Kv。鉆孔聲波探測(cè)技術(shù)獲取Kv雖然準(zhǔn)確度較高，但是受到聲波探測(cè)需要孔液介質(zhì)（一般為水）來耦合的條件限制。

針對(duì)在無介質(zhì)（水）環(huán)境下鉆孔聲波探測(cè)手段受限，常規(guī)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(jī)械擾動(dòng)大、結(jié)構(gòu)原始信息丟失等問題，本文提出利用PCAS技術(shù)對(duì)孔壁鉆孔電視圖像進(jìn)行裂隙識(shí)別與分析統(tǒng)計(jì)，獲取裂隙的量化參數(shù)，與巖體聲波探測(cè)所獲得的Kv進(jìn)行相關(guān)性分析，獲得兩者之間的擬合關(guān)系式，從而達(dá)到獲取巖體完整程度的量化指標(biāo)。通過鉆孔電視技術(shù)實(shí)施環(huán)境廣泛的技術(shù)特點(diǎn)，可以彌補(bǔ)鉆孔聲波探測(cè)技術(shù)需要介質(zhì)環(huán)境的缺陷，特別是在無水狀態(tài)下、巖體出露情況下，該技術(shù)方案可快速獲取巖體完整性系數(shù)，達(dá)到高效、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)巖體完整程度的目標(biāo)。該技術(shù)適用范圍廣泛，約束條件少，準(zhǔn)確度較高，自動(dòng)化程度高，為定量評(píng)價(jià)巖體完整程度提供了新的技術(shù)方向。

1 技術(shù)方法與原理

1.1 鉆孔電視成像技術(shù)

鉆孔電視成像技術(shù)是一項(xiàng)利用光學(xué)攝像對(duì)鉆孔孔壁進(jìn)行連續(xù)性采集可視化圖像數(shù)據(jù)的技術(shù)，該技術(shù)多被應(yīng)用在巖體精細(xì)化勘測(cè)和探測(cè)地質(zhì)巖體完整性項(xiàng)目中。常規(guī)地質(zhì)鉆進(jìn)取芯方法，具有巖芯失去原位、原狀特征以及鉆探機(jī)械擾動(dòng)導(dǎo)致巖體原有構(gòu)造、裂隙、產(chǎn)狀等要素失真、丟失的技術(shù)缺陷。

而鉆孔電視成像技術(shù)很好地彌補(bǔ)了常規(guī)鉆探的缺點(diǎn)，所獲取的巖性變化形態(tài)、孔隙、裂隙、層面等巖體地質(zhì)信息具有直觀可視化、參數(shù)精度高、全息覆蓋等特點(diǎn)，是對(duì)巖體結(jié)構(gòu)信息的最直接、有效、高精度的探測(cè)手段之一。同時(shí)，可以彌補(bǔ)鉆孔聲波探測(cè)所獲取的孔壁介質(zhì)聲波值不能對(duì)孔壁巖體細(xì)節(jié)進(jìn)行高精度刻畫的缺陷。

1.2 顆粒（孔隙）及裂隙圖像識(shí)別與分析系統(tǒng)（PCAS）

顆粒（孔隙）及裂隙圖像識(shí)別與分析系統(tǒng)（PCAS）是用于孔隙系統(tǒng)與裂隙系統(tǒng)識(shí)別和定量分析的專業(yè)軟件［1-3］，該技術(shù)可以自動(dòng)識(shí)別巖體圖像中裂隙，并獲取裂隙的各項(xiàng)幾何參數(shù)和統(tǒng)計(jì)參數(shù)，在處理大量巖體圖像方面，該系統(tǒng)具備高度自動(dòng)化、效率高、準(zhǔn)確度高等優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)巖體裂隙網(wǎng)路識(shí)別的技術(shù)特點(diǎn)，PCAS采用聚類分析對(duì)巖體裂隙圖像進(jìn)行二值分割、閾值處理，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分割、識(shí)別巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)中的區(qū)塊，并具備修復(fù)裂隙段與去除雜噪點(diǎn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，從而高效準(zhǔn)確地識(shí)別裂隙網(wǎng)絡(luò)，獲取裂隙節(jié)點(diǎn)數(shù)、裂隙數(shù)、裂隙長度、寬度、面積、方向等要素［4-6］，自動(dòng)化計(jì)算出裂隙率、裂隙分形維數(shù)、概率熵、平均長度、寬度、面積等統(tǒng)計(jì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)巖體裂隙的定量化分析［7-9］。PCAS技術(shù)識(shí)別裂隙的過程見圖1。

通過鉆孔電視成像技術(shù)對(duì)孔壁的全真還原、高精度刻畫，利用PCAS技術(shù)對(duì)巖體裂隙的精準(zhǔn)識(shí)別、多要素參數(shù)定量化統(tǒng)計(jì)分析的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)兩項(xiàng)技術(shù)的高效結(jié)合，可高精度量化孔壁巖體裂隙的各項(xiàng)參數(shù)，獲取多維量化指標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體完整程度的量化研究。本研究的技術(shù)方案如圖2所示。

2 PCAS技術(shù)的工程應(yīng)用

2.1 工程簡(jiǎn)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(jì)算跨徑為600 m［10］。該橋位于龍灘水庫（紅水河）庫區(qū)，橋梁拱座基礎(chǔ)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(nèi)。場(chǎng)地內(nèi)地層主要由三疊系（T）與二疊系（P）砂巖地層組成，受區(qū)內(nèi)多期構(gòu)造及峽谷卸荷作用影響，岸坡巖體節(jié)理裂隙發(fā)育。拱橋拱座采用明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，在庫區(qū)岸坡的庫水消落帶范圍內(nèi)開挖拱座基坑，基坑所在岸坡主要為巖質(zhì)斜坡。為查明拱座基坑巖體的完整性，在拱座區(qū)域開展了地表物探、工程鉆探、孔內(nèi)聲波測(cè)試、孔內(nèi)鉆孔電視等工作，因此可以借助鉆孔聲波測(cè)試數(shù)據(jù)獲取水下巖體完整性系數(shù)，利用鉆孔電視數(shù)據(jù)和聲波測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲取水上的巖體完整性系數(shù)，進(jìn)而得出拱座基坑全域巖體完整性系數(shù)，為“世界第一拱”基坑的支護(hù)設(shè)計(jì)和拱座基底持力層的選擇提供依據(jù)。見圖3。

2.2 下老岸拱座區(qū)鉆孔聲波測(cè)試和鉆孔電視測(cè)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(duì)性地布設(shè)26個(gè)鉆孔，鉆孔呈網(wǎng)格狀布置，可均勻控制拱座區(qū)巖體，孔內(nèi)同時(shí)開展了聲波測(cè)試和鉆孔電視測(cè)試。見圖4?？妆诹严栋l(fā)育程度會(huì)直接導(dǎo)致波速不同程度的降低［11］，這種聲波與巖體之間的散射現(xiàn)象可以有效地、準(zhǔn)確地反饋巖體完整程度。

通過選取的較完整典型巖樣進(jìn)行聲波速度測(cè)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(yàn)結(jié)果見表1。

巖體完整性指數(shù)Kv值按照式（1）計(jì)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(jì)算得出，下老岸拱座區(qū)強(qiáng)風(fēng)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(fēng)化砂巖局部裂隙較發(fā)育，巖層總體較完整，局部由于存在頁巖、泥巖夾層或節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎。聲波測(cè)試到中風(fēng)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(shù)可以在有水、無水的環(huán)境下應(yīng)用，在聲波測(cè)試技術(shù)無法開展的孔段，彌補(bǔ)聲波測(cè)試數(shù)據(jù)的缺失。對(duì)于水下部分，鉆孔電視數(shù)據(jù)與聲波測(cè)試數(shù)據(jù)匹配度較高，如在裂隙發(fā)育孔段（完整程度較差），波速測(cè)試曲線均發(fā)生下跌（如圖5所示）。

2.3 基于裂隙圖像識(shí)別（PCAS）獲取巖體裂隙定量化參數(shù)

基于從鉆孔電視圖像向二值圖像的轉(zhuǎn)換，PCAS使用巖體區(qū)域切分方法區(qū)分不同巖體，并在不同區(qū)域的分界面上識(shí)別裂隙。對(duì)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(xué)圖中并未完全反映，可利用手動(dòng)連接的方法，完成裂隙的準(zhǔn)確識(shí)別。典型的鉆孔電視圖像經(jīng)過裂隙圖像識(shí)別技術(shù)（PCAS）處理后的量化成果詳見圖6。

利用PCAS分析系統(tǒng)對(duì)巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)的幾何參數(shù)進(jìn)行高精度自動(dòng)化測(cè)量，得出巖體裂隙網(wǎng)的裂隙率、裂隙數(shù)量、裂隙節(jié)點(diǎn)數(shù)、形狀系數(shù)、巖體分割區(qū)數(shù)、分形維數(shù)、分選系數(shù)、均勻系數(shù)、概率熵、裂隙長度、寬度、面積、方向等參數(shù)。主要參數(shù)詳見表2。

基于PCAS裂隙分析參數(shù)，利用相關(guān)性矩陣分析方法，對(duì)以上主要參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)性系數(shù)詳見表3。由表3巖體裂隙參數(shù)相關(guān)性系數(shù)矩陣分析可知，裂隙率與完整性指數(shù)相關(guān)性最強(qiáng)，為-0.99，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其他參數(shù)與裂隙率相關(guān)性較弱。由巖體完整性系數(shù)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(biāo)。其他參數(shù)多反映的是裂隙的形態(tài)屬性，如形狀系數(shù)反映的是裂隙粗糙程度、分形維數(shù)反映的是裂隙的非均質(zhì)性、概率熵反映的是裂隙的定向性，故與完整性系數(shù)相關(guān)性較差。

2.4 建立裂隙率與完整性系數(shù)的擬合關(guān)系式

基于拱座下老岸基礎(chǔ)鉆孔波速測(cè)試數(shù)據(jù)和鉆孔電視圖像數(shù)據(jù)，選取244段數(shù)據(jù)集，進(jìn)行PCAS裂隙識(shí)別與分析。并對(duì)244組裂隙率與完整性系數(shù)Kv組成的數(shù)據(jù)集，進(jìn)行擬合關(guān)系分析，得出裂隙率（Cr）和巖體完整性指數(shù)（Kv）、巖體聲波速度值（Vpn）的關(guān)系曲線呈對(duì)數(shù)關(guān)系，對(duì)數(shù)擬合程度較高，R2均達(dá)到0.8以上。擬合關(guān)系式曲線詳見下頁圖7和圖8。

擬合關(guān)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(shù)。

2.5 構(gòu)建拱座基坑完整程度地質(zhì)模型

通過以上裂隙率與完整性系數(shù)的指數(shù)關(guān)系式，利用PCAS裂隙識(shí)別分析技術(shù)，對(duì)拱座基礎(chǔ)范圍內(nèi)水位以上、聲波測(cè)試無法實(shí)施的巖體區(qū)，進(jìn)行了完整系數(shù)量化研究，最終得出水上、水下全域范圍內(nèi)的巖體完整性系數(shù)。見表4。

通過對(duì)下老岸拱座基礎(chǔ)巖體完整性指數(shù)（Kv）進(jìn)行屬性三維地質(zhì)建模，根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)巖體完整強(qiáng)度分類規(guī)定，按照完整程度將拱座區(qū)巖體分為三個(gè)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(zhì)模型可直觀判別，從標(biāo)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(chǔ)的基底大部分區(qū)域?yàn)檩^完整巖體（Kv＞0.55），其中拱座基坑右下角（靠近圍堰區(qū)）巖體完整程度始終較差，在標(biāo)高350 m段呈破碎狀中風(fēng)化砂巖，巖體完整程度地質(zhì)模型見圖9。

利用PCAS巖體裂隙識(shí)別與分析技術(shù)，對(duì)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(jìn)行裂隙識(shí)別與分析，基于本次研究成果，可以快速計(jì)算出開挖基巖面的巖體完整性指數(shù)，用來動(dòng)態(tài)調(diào)整拱座基坑支護(hù)手段和選擇合適的巖基持力層。通過對(duì)基巖開挖面圖像進(jìn)行裂隙識(shí)別與統(tǒng)計(jì)分析，開挖面識(shí)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(shù)的擬合關(guān)系式，換算得出該開挖面巖體完整性系數(shù)為0.32，處于破碎范疇。由此表明，針對(duì)在施工環(huán)境下開挖斷面的巖體完整程度的量化工作，PCAS裂隙識(shí)別與分析計(jì)算的技術(shù)方案也具備較高的判別精度和效率，實(shí)用性較強(qiáng)，具備廣泛推廣應(yīng)用的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)語

本文基于PCAS巖體裂隙與分析技術(shù)，對(duì)天峨龍灘特大橋下老岸拱座區(qū)鉆孔電視圖像進(jìn)行識(shí)別與統(tǒng)計(jì)分析，得出巖體裂隙率（Cr）等量化參數(shù)，利用波速測(cè)試技術(shù)獲取水下巖體完整性系數(shù)（Kv），通過對(duì)裂隙率（Cr）等量化參數(shù)與完整性系數(shù)（Kv）進(jìn)行相關(guān)性矩陣分析和趨勢(shì)擬合，研究得出裂隙率（Cr）與完整性系數(shù)（Kv）之間的

擬合關(guān)系公式，從而獲取下老岸拱座區(qū)水上、水下全域范圍的巖體完整性系數(shù)，在此基礎(chǔ)上建立天峨龍灘特大橋下老岸拱座基礎(chǔ)巖體完整程度地質(zhì)三維模型，成功應(yīng)用于拱座施工階段開挖基巖完整程度判別，極大地節(jié)約了拱座基坑開挖過程中巖體完整性評(píng)價(jià)的時(shí)間和人力成本，為天峨龍灘特大橋拱座基坑開挖支護(hù)與基底持力層選擇起到了重要的指導(dǎo)作用。該技術(shù)方案和研究成果具備判別精度高、實(shí)用性強(qiáng)、適用性廣、效率高、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，具備了廣泛推廣應(yīng)用的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

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