高坝通航垂直升船机精密安装测量技术研究



高坝通航垂直升船机精密安装测量技术研究

盛旭军1李东明2吴小云3

(1.水利部综合事业局,北京100058；

2.水利部水工金属结构质量检验测试中心,河南 郑州450044；

3.中国长江三峡集团公司,湖北 宜昌443133)

【摘要】高坝通航垂直升船机具有提升高度大、安装高差大、施工安装精度高、工艺复杂、无同类经验可借鉴等特点。本文以三峡升船机为例，根据对垂直升船机机理的研究，通过模型设计、模拟实验和试算、精密平差、测量实践与验证等手段，进行了高坝垂直升船机精密安装测量技术的研究，其成果成功应用于工程实践，达到了预期的效果，并具有较强的推广意义。

【关键词】高坝通航；垂直升船机；微型控制网；投点张线法

高坝通航垂直升船机具有提升高度大、安装高差大、施工安装精度高、工艺复杂、无同类经验可借鉴等特点。高坝通航垂直升船机的安装精度高，需要先进的精密测量技术作为支撑，目前国际上高精密测量技术发展迅速，以美国和德国两家公司为代表的激光跟踪测试技术，其先进代表仪器的测量精度均在微米级别；目前通行的数字工业摄影测量系统的测量精度在10m范围内可优于0.1mm；另外还有高精度全站仪测量系统、激光测量臂系统等，其测量精度都可优于1mm以内。但由于高坝通航垂直升船机施工现场条件的限制、施工环境的影响，高精度的测量仪器设备受施工部位狭小或施工物遮挡等影响或测量精度降低，或无法观测，并且大落差高坝通航垂直升船机无现有精密安装测量经验可借鉴，由于安装技术难度较大，需根据垂直升船机的机理，进行针对特殊安装对象的精密测量技术研究，研究的成果旨在用于指导升船机工程的施工与设备安装，保障安装的高精度，其主要创新点有：ⓐ建立了基于激光干涉测距技术的垂直升船机设备安装微型控制网，以国际上先进的激光干涉测距仪器为基础，设计研究垂直升船机微型网的数学模型，并通过模拟实验、数学模拟计算和严密平差，得出研究成果，直接用于升船机区域微型网的布设，保证设备的安装基准精度；ⓑ为保证大落差安装范围内垂直升船机垂直方向的安装精度，研制发明投点张线工装，解决了升船机设备安装受环境温度和风力等影响大幅变形摆幅精度控制的难题，提高了工作效率，具有极强的推广意义；ⓒ基于升船机螺母柱等设备安装空间狭小的特点，进行针对工业近景数字摄影测量系统的二次开发，建立了多长度基准模型，保障了螺母柱等设备的安装精度。

1概述

升船机是指用机械方式升降船舶的一种通航建筑物，通过克服航道水位落差，将船舶从一水位河段运送至另一水位河段。升船机按照船厢运行的路线，分为垂直式和斜面式，垂直升船机又分为平衡重式、浮筒式和水压式。中国现有升船机60多座，主要分布于湖北、湖南、四川、云南和浙江等12个省，多为斜面式升船机，而垂直升船机则以三峡升船机和向家坝升船机著称，其中三峡升船机是目前世界上最大的高坝通航垂直齿轮齿条爬升式全平衡重式升船机。三峡升船机施工前无类似施工安装测量经验可借鉴，其结构型式和规模都是崭新的。根据其特点和重要性，进行了详细的规划和布置，从施工安装测量关键技术的研究，到高精度测量技术方案的提出和论证，以及后期的施工测量、监理和第三方检测都进行了精密的部署，形成了一整套严密的质量控制体系。首先，是在建设初期针对三峡升船机精密测量的关键技术进行课题专项研究。其次，课题研究完成后，组织国内测量界专家分两次对研究成果进行评估和验收，均得到专家组的肯定，然后将课题研究报告提交施工安装单位，根据研究报告，提出细化实施方案，针对不同施工环节的测量任务，提出具体的测量实施方案，经过会议讨论评估，形成会议纪要后再行实施；关键设备的安装初调、立模和固定等不同施工环节均由施工单位、监理和第三方检测单位分别测量无异议后进入下一环节的安装。最后，通过变形监测和阶段性验收来检验阶段性的安装成果。

2高坝通航垂直升船机精密安装测量技术研究

2.1　高精度专用控制网设计研究

测量控制网是整个施工场地的平面和高程基准，是升船机各部位土建施工、一期埋件安装、竣工测量和各阶段变形测量的依据；三峡升船机技术难度高，施工质量要求高，对控制网的测量精度要求高。升船机施工区域的原有控制网点不能满足升船机施工的精度和密度要求，需要依据实际施工的要求，建立升船机专用控制网。同样，向家坝升船机在建设初期对专用控制网进行了设计研究，因施工环境、基岩条件的不同，对控制网的设计思路和布设方式也不同。三峡升船机采取“分级布网、逐级控制”的方式，根据施工工况和施工进度，分别建立了GPS首级网、全站仪加密网和安装微型网，因升船机齿条和螺母柱设备安装精度的需要，研究还提出了基于激光干涉测距六自由度模型的三峡升船机微型控制网，通过实验和实践进行了强有力的验证和实施；向家坝升船机由于地势开阔等现场条件的不同，升船机船厢室段为保证升船机整体的相对精度，提出了基于“一点一方向法”的局域控制网布设方案。

2.2　“投点张线法”模型设计

传统的超高建筑垂直方向的测量偏差控制主要是通过正垂线或倒垂线的方式进行，因为一般情况下超高建筑混凝土垂直度要求在2～3cm左右，有的甚至更大。三峡升船机齿条和螺母柱设备及埋件在全长(约113m)范围内的垂直度限差要求优于5mm，并且，三峡升船机塔柱易受到温度、自重、荷载等引起的位移和变形。根据《长江三峡水利枢纽升船机总体设计报告》提供的数据，塔柱变形主要由自重、设备重、风荷载和温度荷载作用引起，其中自重和设备重会导致结构的竖向变形，风荷载和温度荷载会导致结构的水平变形。自重产生的最大竖向变形为10.5mm，风荷载产生的最大横向变形为19.4mm，温度荷载产生的最大横向变形为62.2mm，并且，升船机施工高差大，二期埋件和三期设备与一期混凝土结构的贴合性紧密，简单运用吊线锤设阻尼的办法会带来较大偏差，故传统的吊挂重锤、放置油桶设阻尼的方法不适宜，因此提出“投点张线法”，如右图所示，并根据需要研制发明控制测量点调整装置和投点张线装置。该技术的关键在于如何解决因受到混凝土结构收缩影响导致的变形较大的测设问题。研究发现，塔柱变形有着一定的规律，设计要求安装测量与检测均应在17℃无风条件下进行，这个要求基本难以实现，即使实现，效率也极低。如果将测量基准与塔柱结构捆绑为一个整体，则可以将塔柱自身变形的影响剔除，将极大地提高工作效率，节约施工时间和人力物力等劳动成本。

投点张线法模型设计示意图

2.3　基于狭小空间多长度基准模型的摄影测量检测技术研究

螺母柱设备在工厂内制作，出厂前一般采用三坐标测量机、激光跟踪仪进行检测，设备运抵工地安装初调后，由于施工环境复杂，区域狭小，通视困难，无法采用激光跟踪仪进行检测，通过研究后决定采用摄影测量系统进行，但须针对现场情况进行研究，这里以某摄影测量系统的Inca3a相机为例。一般情况下，在合适的距离范围内，采用摄影测量系统测量或检测，运用一个基准尺和一套Inca3a相机即可完成测量，并可保证测量精度。当测量范围较为狭窄，且待测物体又作狭长分布时，运用一套相机，采取一个长度基准时，待测对象的精度会随着远离基准尺而递减，精度测量的结果呈现一个反梯形的状态。课题组通过理论研究与分析测量试验和精度估算发现，在被测对象的狭长范围内如果设置β约束模型，增加β约束，则测量精度不易被降低。在对被测对象机理研究的基础上，建立了β约束模型的线性化方程，并通过软件模块得以实现，针对具体的测量工况进行了测量限制测试并作了比对，得出结论：建立β约束对狭长对象进行摄影测量时，可以有效解决精度变形的问题；此研究有效解决了复杂工况下大型设备工地安装高精度测量难题，具有开创性和借鉴性。三峡升船机螺母柱安装现场呈狭长分布，课题组通过增加β约束模型进行测量计算，分别对螺母柱进行了预拼装，按照安装现场的空间状态运用摄影测量进行了模拟检测，又运用激光跟踪仪系统进行了检测。经比对发现，通过对摄影测量系统增加β约束模型，可更好地提供精度保证和满足测量需求，效果呈现良好。向家坝升船机同样采用该方法对首节螺母柱进行了安装检测，有效地提高了工作效率和准确度。

2.4　隐藏点精密测量辅助工装设计研究

垂直升船机工程安装测量的重点和难点为隐藏式埋件及设备的安装测量定位，主要表现为以下几点：ⓐ施工干扰大，测量精度要求高；ⓑ施工遮挡较多，通视条件差；ⓒ常规测量方法效率低下，精度低。隐藏杆套管测量工装的发明，为解决大型设备及埋件安装过程中几何尺寸和形位公差的检测提供了有效的解决手段和思路，适用于各类大型设备及埋件在通视困难时的测量，具有非常强的推广价值。相对位置检测工装的研制，其创新点在于“相对关系控制”，该工装极大地提高了工作效率，满足了招标文件和设计上关于一期埋件相对位置关系指标的控制，节约了人力、物力和财力，节省了时间，保证了工期，经济效益非常可观。

3成果推广与应用

该课题共获得实用新型专利授权5项，分别是：“一种投点张线工装”(201320399936.7)、“一种测量点放样调整工装”(201320399937.1)、“一种空心管隐藏杆测量定位工装”(201320400187.5)、“一种套管相对测量位置工装”(201320400239.9)、“一种曲线长度测量笔” (200820230429.X)。课题研究成果已成功应用于三峡升船机的施工测量控制中，结合该课题研究成果，根据现场施工、制造及安装的要求，提出了细化方案，目前安装的质量均满足设计和相关标准要求，效果良好，并且已成功推广到向家坝升船机施工及安装测量中。

4结语

专用平面控制网的布设方案尤其是基于激光干涉测距的三峡升船机微型控制网在三峡升船机二期埋件和三期设备的安装过程中，发挥了突出的作用，网形稳定，精度可靠，目前所有二期埋件及齿条和螺母柱设备均通过了单元工程质量评定和验收；三峡升船机齿条和螺母柱二期埋件和平衡重设备均已全部安装完毕，通过对全高范围内的垂直度测量结果来看，采用“投点张线法”进行测量，所有垂直度均在设计限差范围之内。综上所述，可以得出以下结论：

a.大型设备施工安装前，应认真分析，详细规划，制订翔实可靠的质量控制方案，这是保证施工安装质量的关键所在。

b.大型工程专用控制网的精度控制，直接关系着整个工程设备的安装精度，合理地进行专用控制网的布设研究和论证是保障工程精密安装质量的前提。

c.高坝通航垂直升船机精密安装测量技术研究成果，已成功应用于三峡和向家坝升船机工程，对于高落差垂直建筑物设备安装精密测量具有极强的推广价值。

参考文献

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Research on the precise installation and measurement

technology of high dam navigation vertical ship lift

SHENG Xujun1, LI Dongming2, WU Xiaoyun3

(1.BureauofComprehensiveDevelopmentMinistryofWaterResources,Beijing100058,China;

2.NationalCenterofQualityInspectionandTestingforHydraulicMetalStructureMinistryofWaterResources,

Zhengzhou450044,China;

3.ChinaThreeGorgesGroupCorporation,Yichang443133,China)

Abstract:High dam navigation vertical ship lift is characterized by high lifting height, large installation height difference, high construction installation precision, complex process, insufficient similar experience as reference, etc. In the paper, Three Gorges ship lift is adopted as an example. High dam ship lift precise installation and measurement technology is studied through model design, simulated experiment and trial, precise adjustment, measuring practice, verification and other means based on the research for the mechanism of vertical ship lift. The results are successfully applied in engineering practice, thereby reaching anticipated effect with stronger promotion significance.

Key words:high dam navigation; vertical ship lift; miniature control network; throwing-dot tension wire alignment method

中图分类号：TV691

文献标识码：A

文章编号：1673-8241(2016)01-0007-04

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.01.003