前坪水库弧形闸门安装中三维检测技术应用

2020-09-29王永亮李陆明杨青杰

中国水利 2020年18期

王永亮，李陆明，杨青杰

（1.河南科光工程建设监理有限公司，450003，郑州；2.河南省水利科学研究院，450003，郑州）

一、工程概况

前坪水库溢洪道布置于大坝左岸，包括进水渠段、进口翼墙段、控制段、泄槽段及消能防冲段五部分，中心轴线总长383.8 m。溢洪道工程金属结构安装包括各种埋件、工作闸门及启闭机等设备。工作闸门为漏顶式斜支臂弧形闸门，设计水头14.6 m，孔口尺寸（宽×高）15.0 m×15.0 m，动水启闭，弧面半径18 m，支铰高程411.6 m；固定式卷扬启闭机机型QH-2×1 000 kN，吊点数 2 个，容量 2×1 000 kN，扬程 22 m，共 5 台。

二、三维检测技术设计

三维检测技术是利用电子经纬仪或全站仪三维坐标测量系统进行检测，由电子经纬仪或全站仪、计算机、测量软件及相应附件组成，是利用角度交会法或空间极坐标法获取被测点三维坐标，进而实现被测对象的几何元素。

水工金属结构是水利工程的重要组成部分, 其设备自身的安全运行状况直接关系到水利工程的安全运行，关系到国家和人民生命财产安全。依靠先进的科学检测手段，对其进行安装辅助检测、安全鉴定和故障诊断，不断提升水工金属结构和水工建筑物的安全保障能力及故障判断准确度，是保障水利工程安全运行的一个关键环节。

近年，在役闸门运行故障频出，常见的问题有：运行异常振动、响声巨大，运行过程卡阻、卡死等，这些都和大型弧门的安装控制有着必然联系，且常规检测技术已经无法满足检测需要，尤其对于水工金属结构在运行过程中的健康和安全情况更无法进行准确评价。将先进的动态三维检测和监控手段应用到大型弧门的辅助及安装质量检测中，可有效保障设备的安装精度。

1.检测设备

检测设备主要有徕卡全站仪TS60（标称精度：测角 0.5"，测距 0.6 mm±1 ppm×D）、索佳全站仪 NET05（标称精度：测角 0.5"，测距 0.8 mm±1 ppm×D）、徕卡激光跟踪仪 AT402（标称精度：±10 μm）。在使用全站仪的同时，使用激光跟踪仪配合测量，以完成测量目的并尽可能完整地测量参数。

2.主要检测项目

弧门安装尺寸及形位公差：支铰铰轴同轴度、倾斜度；弧门面板内缘曲率半径；两主梁中心距、平行度；支铰中心至空口中心线的距离；支铰中心里程、高程；底槛里程、高程，工作表面两端高差，工作表面平面度；侧轨平面度、曲率半径等。检测时机：基础螺栓定位后支铰安装前基础中心检测；支铰安装后二期埋件浇筑前验证检测；二期混凝土浇筑后闸门完全安装完毕检测。

3.检测基本要求

①项目检测主要包括：现场检测数据采集；根据检测数据进行计算，并与原相关安装验收等数据进行比较分析；报告给出检测结论和建议。

②项目主要检测负责人对水利水电工程钢闸门和启闭机的设计、制造、安装、运行应富有经验。

③所使用的仪器设备均满足精度要求并经计量检定机构检定合格。

④检测现场应提供现有的测量基准数据资料、闸门制造最终检查试验记录等有关技术资料。

⑤为了保证设备安全，检测和试验过程中凡涉及需要操作启闭设备的，需由专职操作人员操作。

4.检测方案

由于现场安装部位较多，现仅以支铰的安装为例做以说明。

（1）基准坐标系

确认现有测量基准（控制点、线及坐标方位等）。现场测量以底槛中心（或闸门左右轨道中心）和弧门支铰跨距中心作为定向基准，建立如图1 所示的基准坐标系。

图1 中，P 点为底槛中心（或左右轨道中心），O 点是闸门支铰跨孔中心，PO 连线方向（y 轴方向）是水流方向，代表孔口中心位置；x 轴与 PO 垂直，代表弧门支铰的理想轴线；z 轴铅垂向上。检测所得的数据均以此为基准分析其空间位置关系。

（2）弧门支铰空间位置示意图

支铰空间位置示意图如图2 所示。 A、B、C、D 分别是左、右支铰轴上各端点的圆心，O1、O2 为左、右支铰轴的中心。

（3）全站仪工业测量系统测量原理

全站仪测量系统采用一台或多台高精度电子经纬仪及全站仪为主要传感器，通过仪器测量空间点的角度和距离，实时获取目标点的三维坐标。

以系统软件对各测站及相应测量数据进行管理；对测量结果进行分析处理，获取被测物体的空间几何信息；同时依据设计的已知数据指导各种大型设备、生产线等的安装或检测。

（4）检测方案

为保证闸门各构件的安装精度，以及各孔之间平面、高程系统的统一，应建立专门的控制网，对溢洪道弧形闸门安装前进行检测。

①仪器的架设和坐标系的统一

根据已批复的金属结构安装专业坐标控制网进行全站仪的架设，并复核安装轴线点与高程基点。为避免人为误差，选择晴好无风的时间段进行架设。完成一扇闸门的检测约需架设全站仪1～4 次，在此4 站均可通视的空间位置上布设反射片等测量标志，每次搬站时进行测量并进行定向结算，以实现坐标系的统一。

②空间位置检测

在不同的测站架设全站仪，在本站测量完所有本站可以观测到的点位，并在检测记录上记录点号和部位（或相关示意图），便于后期的数据结算和数据分析。

③数据分析

待所有测站测量工作完成，对该扇弧门的整体空间位置关系进行分析结算。

图1 基准坐标系

图2 支铰位置示意图

三、检测效果

测量人员依据施工图纸确定锚板埋件位置。由于支铰埋件体积大，安装精度要求高，且需要吊装，测量人员要反复校核，确定位置，并经监理验收合格后进入下一道工序施工。利用塔吊将支铰埋件整体吊至预埋部位，根据设计要求调整埋件倾斜角度，混凝土浇筑前，测量人员要联合监理共同校核埋件位置和角度。混凝土浇筑后复核固定螺栓位置，符合设计要求后待满足混凝土龄期时进行支铰安装。

支铰安装前，要将支铰预埋钢板打磨干净、平整，支铰铰链安装后用塞尺检查和支铰埋件钢板之间的缝隙，在满足设计要求后进行加固。全站仪按照控制点架设，在铰链板四角边缘贴上反射片，检查支铰安装位置，如与设计高程、里程等有偏差及时调整位置，直至符合设计要求。

弧形闸门组装后检查左右铰链轴孔同轴度，分别测出弧形闸门的理想轴线位置以及各铰链轴孔端面圆心的位置，并计算端面圆心在任意方向对理想轴线的偏差，经检测两铰链轴孔同轴（具体见表1、表 2）。经检查最终的测试数据成果均符合设计及规范要求。