大型結(jié)構(gòu)扭曲變形后幾何尺寸及形位公差的檢測技術(shù)在水利工程中的應用

鐘紅霞

（湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學院，湖南 長沙 410000）

建國以來，黨和政府非常重視水利工程的建設，截止2010年底，全國已建成各類水庫84 074座，總庫容5 100多億m3，相當于全國年徑流量的 1/6，其中水利系統(tǒng)管理的共有 83 727座。根據(jù)統(tǒng)計，屬于病險水庫（三類水庫）的有30 413座，其中，大型病險水庫145座，占大型水庫的42%；中型病險水庫1 118座，占中型水庫的42%；小型病險水庫29 150座，占小型水庫的36%。除此以外，還有大量的堤防設施也存在各種安全隱患。在這些病險水庫和堤防中，永久設備即閘門、啟閉機不同程度存在著年久失修、設備老化、腐蝕、破損和不能滿足正常運行的現(xiàn)象，已有近百座大中型水庫及堤防因閘門和啟閉機發(fā)生了事故，造成國家和人民生命財產(chǎn)的損失。為此，亟待加強全國水利工程尤其是病險水庫、堤防永久設備的安全檢測鑒定工作。

本文結(jié)合我國近年引進的新型儀器和設備在大型結(jié)構(gòu)扭曲變形后幾何尺寸及形位公差的檢測應用，對水利工程永久設備安全檢測鑒定技術(shù)做了詳細的介紹，以期與同行專家共同交流探討。

1 大型結(jié)構(gòu)扭曲變形后幾何尺寸及形位公差的檢測原理

永久設備在運行過程中，受沉陷、應力、水壓、地震等因素的影響，總會產(chǎn)生一定的變形。有的變形對設備運行不產(chǎn)生明顯影響，不會引起我們的關(guān)注，但有的變形直接導致設備運行不正常，此時必須進行檢測和分析，然后進行相應的處理。常見的結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象，如因門葉變形或埋件變形導致的平面閘門在門槽內(nèi)不能自如運行；因不均勻沉陷導致的弧形閘門兩支鉸同軸度和傾斜度超標，以致弧門運行“別勁”；因各種變形累加導致的啟閉機啟閉閘門不同步；因軌道變形或門架、橋架變形導致的門機、橋機運行困難、啃軌等。

上述大型結(jié)構(gòu)體在運行過程中產(chǎn)生的扭曲和變形，由于沒有測量基準，常規(guī)的測量手段很難對設備真實的形位誤差進行準確的檢測、分析和判斷。目前，比較有效的手段是對設備及其相關(guān)結(jié)構(gòu)進行整體的空間三維坐標測量，然后將測量數(shù)據(jù)輸入計算機，由計算機生成被測對象的三維空間模型，在此基礎上，利用計算機軟件對設備各構(gòu)件的空間形態(tài)及其相互間的位置關(guān)系進行分析和解算，從而判斷設備的病源所在，并為采取相應的處理措施指明方向。

2 目前我國引進并投入使用的大型三維空間測量系統(tǒng)的幾種型式

2.1 基于電子經(jīng)緯儀/全站儀組成的便攜式三坐標測量系統(tǒng)

由兩臺瑞士生產(chǎn)的徠卡 T3000電子經(jīng)緯儀和計算機組成的經(jīng)緯儀三坐標測量系統(tǒng)，是開發(fā)最早，率先投入到水利水電工程中應用的測量系統(tǒng)，其應用最早可追溯至20世紀90年代初期。該系統(tǒng)的優(yōu)點是測量精度高，缺點是對測量空間需求較大。因此，隨著全站儀極坐標測量系統(tǒng)的開發(fā)和應用，目前該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的大型加工件的幾何尺寸和形位公差測量。

全站儀極坐標測量系統(tǒng)由一臺瑞士生產(chǎn)的徠卡 TCA2003全站儀和計算機組成，其配置簡單，便于攜帶，現(xiàn)場適應能力強，能夠滿足水工金屬結(jié)構(gòu)的測量精度要求，因此，該系統(tǒng)在現(xiàn)場測量中得到了廣泛應用。

2.2 攝影測量系統(tǒng)

該系統(tǒng)從美國引進，由一臺專業(yè)相機和測量附件組成。其基本功能是通過對現(xiàn)場一批標志點的群體照相，然后利用計算機對其空間幾何尺寸及形位誤差進行解算。該系統(tǒng)最大特點是非接觸、便攜（單人即可完成工作）、速度快、現(xiàn)場工作量小、高效、不易受外界因素（如溫度、振動等）的影響、測量精度高、應用面廣、可在狹小空間及人無法深入的惡劣環(huán)境下進行工作。

目前，我國已應用該系統(tǒng)在現(xiàn)場成功地對平面閘門、弧形閘門以及人字閘門進行檢測，其檢測結(jié)果經(jīng)與全站儀極坐標測量系統(tǒng)進行比較，吻合度保持在0.1 mm以內(nèi)，完全可以滿足水利水電行業(yè)永久設備的測量精度要求。該測量系統(tǒng)未來將會有很好的應用前景。

2.3 激光掃描測量系統(tǒng)

我國引進的法國 MENSI S25三維激光掃描系統(tǒng)激光聚焦后精度可達0.2 mm內(nèi)，重建處理后精度可達0.07 mm內(nèi)，可以通過三維激光掃描直接將各種大型的、復雜的、不規(guī)則、標準或非標準等實體或?qū)嵕暗娜S數(shù)據(jù)完整的采集到電腦中，進而快速重構(gòu)出目標的三維實體模型，同時，所采集的三維激光點云數(shù)據(jù)還可將目標的完整數(shù)據(jù)用于各種后處理工作（如測繪、計量、應力分析、有限元分析、仿真分析、任務模擬等），它是各種正向工程工具（如 CATIA、UG、CAD、有限元、流體動力、PDMS、PDS、GIS、VR、3DSMAX、MAYA、ERP等）對稱應用的工具，人們稱為逆向工程。三維激光掃描是全自動高精度立體掃描的技術(shù)，可以通過建立一個空間坐標系，通過掃描，給予每個描述目標結(jié)構(gòu)完整屬性的測繪點一個三維空間坐標值（稱為三維點云數(shù)據(jù)），而這些坐標值少則幾萬個，多則幾百萬以上，從而把目標完整的搬到電腦中來。所有采集的三維點云數(shù)據(jù)及三維建模數(shù)據(jù)都可以通過標準接口格式轉(zhuǎn)換給各種正向工程軟件直接使用。

3 結(jié)束語

通過在水利工程永久設備安全檢測鑒定中對大型結(jié)構(gòu)扭曲變形后幾何尺寸及形位公差的檢測的應用，可以更加方便快捷地發(fā)現(xiàn)水工金屬結(jié)構(gòu)設備存在的問題和缺陷，可以更準確、有效地對水工金屬結(jié)構(gòu)設備的安全狀況進行評估，可以及時為有關(guān)部門制定除險加固規(guī)劃或方案提供依據(jù)，從而為水利水電工程永久設備的長期安全穩(wěn)定運行提供有力的保障。