白鹤滩水电站左岸压力钢管安装测量新型辅助装置的研制与应用

2020-01-06曹官军，游玉强，肖烈

四川水力发电 2020年5期

曹官军，游玉强，肖烈

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都 610213)

1 概述

压力钢管安装在各大型水电站中都有涉及，是水电工程施工中的关键环节，其主要与蜗壳、伸缩节、蝴蝶阀、球阀、岔管等连接。目前压力钢管[1]施工的形式主要分为明厂房压力钢管安装及地下厂房压力钢管安装两种形式。随着施工技术水平的提高，逐渐向超大型、超高压型压力钢管[2]发展。

目前国内外水电工程中的压力钢管安装测量普遍采用小棱镜作为前视进行观测。该方法需要前视人员将小棱镜立在对应的基准点上，采用极坐标的方式进行数据采集。该方式存在偶然误差大、安全风险高、施测空间受限、施工工效低等弊端，因此，传统的测量方式已不能适应当前新的安全生产形势和施工进度要求，必须通过创新压力钢管安装测量方法、创新施测技术来解放劳动力，达到提质增效、构建本质安全的目的。笔者阐述了在白鹤滩水电站左岸压力钢管安装测量过程中不断优化新型测量辅助装置、最终取得阶段性成果的过程，介绍了压力钢管安装测量的新方法、新工艺。

白鹤滩水电站是金沙江下游干流河段梯级开发的第二个梯级电站，是中国目前在建的最大的水电站，建成后将成为中国第二大水电站，其左岸压力管道采用单洞单机竖井式布置，共设置 8 条引水隧洞。

压力管道自上平段末端起全部采用钢板衬砌，包括上弯段、竖井段、下弯段及下平段。①～⑥号引水隧洞单条压力钢管共88节，单条管线长度为232.654 m，⑦⑧号引水隧洞单条压力钢管共89节，管线长度为235.654 m，8条引水隧洞压力钢管总节数为706节，管线总长度为1 867.234 m，工程总量为19 279.7 t。

压力钢管内径为8.6～10.2 m，流速为6.7～9.4 m/s。压力钢管制造分节长度为1.241～3 m，管节最大内径10.2 m，压力钢管安装上平至下平钢管中心高差为164.5 m,每条压力钢管的中心间距为38 m。8条压力钢管均采用垂直进厂，与机组蜗壳延伸段相接。

2 传统测量方法利弊分析

2.1 资料收集

通过对三峡、溪洛渡、向家坝、乌东德等大型水电站压力钢管的安装测量方法进行实地调研了解到，以往工程压力钢管现场安装测量方法[3]与传统测量方式相同。采用传统测量方式施测时主要对管节的“上中”“下中”“左中”“右中”四个基准点进行施测，施测位置为坡口内壁，将徕卡小棱镜镜头放置于坡口边缘，用全站仪极坐标方式进行数据采集，并根据坡口的设计参数通过计算器程序进行数据转换。

2.2 施测过程及存在的问题

施测时，前视人员需将小棱镜放置在管节坡口内壁、精确对点，并且需要对小棱镜补充光源；“下中”基点距离地面最近，相对比较容易操作；“上中”“左中”“右中”三个基点位于引水隧洞腰线以上，前视人员需爬上压力钢管才能到达基准点位置，四个基准点的施测过程耗时大约90 min。主要存在以下问题：

(1)通过小棱镜前视的传统方式对压力钢管安装施测，效率低。

(2)受施工环境限制，基准点对点难度大，每班组需要投入4人，人员投入较多，观测数据不直观且需转换后使用，计算复杂，计算错误风险较大。

(3)传统施测方式存在施测时间长、高空临边作业、安全风险高、前视攀爬过程中小棱镜携带不方便、容易发生掉落(原装小棱镜成本较高)、测量精度低、安全隐患突出等问题。

2.3 调研后取得的结论

根据调研情况综合分析后得知：压力钢管安装测量采用小棱镜作为测量前视，虽具有传统方式施测技术成熟等优点，但其施测过程中存在安全隐患突出、重复立点增加偶然误差发生机率、安装精度不高且施测时间过长等弊端，尤其在大规模压力钢管安装[3]测量过程中不适用。因此，需对传统施测工艺进行创新，亟待研制出一种能够替代人工前视的辅助设备，既能同时满足施工安全、工程质量，又能节约成本、提高效率的辅助装置，才能优质高效地完成压力钢管的安装测量工作。

3 新型辅助装置的研究

根据白鹤滩水电站压力钢管的安装规模以及包括定位节在内的6节压力钢管组成的定位段整体浇筑的施工难度要求，考虑到焊接变形及混凝土浇筑过程中的抬动风险，从而导致定位段相邻管节出现错台现象，水电七局白鹤滩施工局集思广益，群策群力，经过多次讨论，提出了三种压力钢管安装测量方案，具体如下：

(1)坡口处粘贴徕卡反射片+参数转换程序。反射片作为前视观测(也是传统测量方式)，在工程中已被大量使用，如模板校核、变形监测等方面，该施测方式已得到成熟运用。

该方案以徕卡反射片为依托，在压力钢管运输到现场后，在压力钢管的翻身场地提前将徕卡专用反射片粘贴在压力钢管上中、下中、左中、右中坡口处，待压力钢管就位后，用徕卡全站仪进行数据采集，再根据坡口的设计参数对全站仪采集的数据进行转换，方法简单，解决了人员前视问题。

但该方案在实施过程中存在以下问题：①白鹤滩水电站引水隧洞上弯段、竖井段、下弯段全部采用压力钢管衬砌施工，每节压力钢管都需要检测验收，因此坡口处都需粘贴徕卡反射片，而反射片粘贴后不能重复利用，导致反射片需求量较大；②由于洞内施工环境潮湿、灰尘较大，存在粘贴不牢靠的风险，过程中经常存在脱落现象；③在采用极坐标法[4]进行数据采集时，需要根据每节管道的坡口参数将施测数据进行转换，存在观测数据反映不直观，计算复杂等问题。

(2)徕卡反射片+坡口还原模块。该方案主要利用还原坡口的设计理念，根据压力钢管坡口尺寸加工了一个坡口还原模块，将坡口位置还原至坡口前原始尺寸，在模块上精确分中并粘贴反射片、制作成坡口还原模块。在压力钢管“上中”“下中”“左中”“右中”4个基准点位置坡口上逐个安放坡口还原模块进行数据采集。采用这种方式虽然解决了数据转换难题，但白鹤滩水电站左岸共有706节压力钢管，每节钢管壁厚大小不一，需要根据不同管节的坡口参数加工不同型号的坡口还原模块，加工量大，制作成本增加。另外，在模块安放过程中还会经常出现安装不匹配、安装混乱现象，直接影响到压力钢管的安装控制精度；另外，该模块固定方式单一，存在高处坠落和物体打击风险，安全问题突出。该方式虽然观测数据直接，但其投入大、过程控制混乱，安全风险极高。

(3)徕卡反射片+“L”形辅助模具。徕卡反射片+“L”形辅助模具主要利用还原坡口的设计理念，通过就地取材，选用不锈钢材质的角钢作为模具基材，根据压力钢管最大坡口尺寸确定“L”形辅助模具的长、短边尺寸，其短直角边为粘贴反射片使用，属于受测区域，长直角边为安装区域，裁切完成后对模具毛刺采用砂纸进行打磨处理，处理完毕通过游标卡尺进行精细化分中处理，然后使用角尺、卡尺检查模具的垂直度和分中精度，检查合格后将徕卡专用反射片粘于模具上，形成徕卡反射片+“L”形辅助模具首件成品装置，根据“首件制”产品的质量管控要求，联合监理、业主进行四方联合验收。后续模具的制作按照首件制流程进行加工和验收。数据采集过程中，为了更加准确地反映测量数据的真实性，需要特意考虑不锈钢材质的厚度和徕卡反射片的厚度，通过游标卡尺对模具进行厚度检测，厚度值均需在1.2 mm左右，根据对压力钢管的控制精度、压力钢管的自身加工精度、测量人员的观测精度等因素进行综合分析，1.2 mm的影响可忽略不计。

模具加工验收完成后，待压力钢管运输至现场、在压力钢管的翻身场根据压力钢管的上中、下中、左中、右中分中线基准点将模具与基准点精确对点。为了方便其固定，采用强力磁铁将“L”形辅助模具与压力钢管内壁紧密固定以达到解放前视人员的目的。当压力钢管初步就位后即可观测反射片进行数据采集、进行钢管定位及纠偏调整。由于模具加工是参考最大坡口尺寸进行加工，因此，该“L”形辅助模具适用于任意角度坡口，一次加工，全程受用。

为了检查“徕卡反射片+“L”形辅助模具”的安装精度，主要通过对采用传统方式已验收通过的定位管节与方案三的观测方式进行复核测量，另外，与通过传统方式(采用吊垂线、钢盘尺、水准仪配合的方式检查压力钢管的相对尺寸)控制的各项指标进行复核，经过对多组数据进行综合比对分析，各方法所测数据均满足规范要求，但新型辅助装置的测量数据精度及数据的稳定性远远优于传统测量方式。

通过对三种方案在质量、安全、进度、成本四个方面进行综合对比分析后得知，方案三中的徕卡反射片+“L”形辅助模具具有轻盈便捷、重复使用、适用任意角度坡口、节约成本、人员投入少、安全风险低、精度高等特点，优势明显。该方案打破了传统压力钢管安装测量施工思维的局限，提高了工作效率。

4 新型辅助装置的应用效果

该辅助装置通过三维建模设计，加工后落实“首件制验收”制度及其在白鹤滩水电站左岸压力钢管安装中的多方验证、比对，以及数据分析及对标检查得知：该装置效果明显，并且在左岸引水发电系统肘管、锥管、蜗壳安装测量过程中推广使用，该项装置及其测量控制方法已获得国家实用新型发明专利，其经济效益、社会效益突出，得到了业主、监理等各级领导的高度认可。

4.1 经济效益

“L”形辅助模具在压力钢管安装测量放样、过程检查、验收过程中起到了至关重要的作用。使用该方式进行压力钢管安装测量和验收[5]，实现了钢管安装单元优良率100%、一次性验收合格率100%、人员投入由传统方式的8个人工减少了5个人工，初检耗时由传统的4 h减少到2 h、复检耗时由传统的2 h减少到0.6 h、终检耗时由传统的1.5 h减少到0.4 h，全站仪投入减少为一台，投入总费用减少了49 3400元，成本节约56%，经济效益突出。

4.2 社会效益

“L”形辅助模具在白鹤滩水电站左岸引水发电系统实践中取得成功应用，其效果得到了三峡发展监理及三峡业主的高度评价。新型压力钢管安装测量辅助模具在工程实践中简单高效、安全稳定、能反复使用、成本低、精度高，并在使用过程中形成了一套标准化的制作过程和安装测量方法，同时编写了《“L”形辅助模具制作明白卡》和《“L”形辅助模具安装及使用明白卡》，为类似工程压力钢管、尾水锥管、肘管、蜗壳等金属结构的安装测量工作提供了宝贵经验和测量思路。