基于三维激光扫描的泗阳二站肘形进水流道的测量与分析

李进东,韩 毅,金晓宇,杨 帆,韩 宁

(1. 江苏省水利科学研究院,南京 210017;2. 江苏省骆运水利工程管理处,江苏 宿迁 223800;3. 扬州大学 水利科学与工程学院,江苏 扬州 225009)

0 引 言

随着信息技术的发展以及智慧城市、智慧水利等概念的出现,对三维空间信息的需求更为迫切,对工程测量精度的要求也越来越高。 三维激光扫描技术是一种非接触式的自动测量方法,具有实时、动态、高精度、高密度等特点[1]。 三维激光扫描头可以在单位时间内发射几十万甚至几百万的点,以点云的形式表达三维空间的几何形态,同时还可以采集高分辨像片,形成物体的三维正射影像,再现物体的真实三维形态,在工程测绘、城市规划、水利建设等领域得到广泛应用[2-4]。

目前,国内外众多学者通过三维激光扫描技术对水利工程领域进行了研究。 江木春等[5]利用三维激光扫描技术,获得航道沿线水上物外观高精度三维点云数据,为航道扩能升级设计提供了精细地形图。 张力元等[6]采用三维激光扫描数字化河床冲淤平衡后的地形模拟水流流场,分析了地形精度对纵向时均流速、断面流场、水深平均流速及河床切应力的影响。 Şmuleac Adrian等[7]将三维扫描技术应用于大坝建设,利用Inertial Explorer 程序对扫描后的点云进行了处理,便于对水资源现状进行评估和分析。 通过前人的研究可以发现,利用三维激光扫描获取点云数据,已经成为水利工程监测和分析的重要手段。

本文以泗阳二站肘形进水流道作为研究对象,基于三维激光扫描技术获取点云数据,对施工改造后的进水流道曲面形状尺寸与设计值的偏差进行检测,以期为泗阳二站的平稳运行提供技术支撑。

1 工程背景

泗阳二站位于江苏省泗阳县城东郊,是江水北调第四梯级泵站、淮水北调第一梯级泵站,具有供水、灌溉、航运补水、挡洪等综合功能。 该站原设计调水流量66 m3/s,总装机容量5 600kW,装设2 台液压全调节轴流泵,单机设计流量33m3/s,配套2 台立式同步电动机。 泗阳二站建成于1996 年,经过20 多年的运行,现状机电设备严重老化,泵站运行可靠性差、效率低,2015 年经安全鉴定为三类泵站。 为消除工程安全隐患,提高泵站运行效率,保障江水北调和淮水北调安全送水,泗阳二站实施了加固改造工程。

泗阳二站1 号、2 号机组进水流道改造前,存在的问题主要为流道肘形弯管段及临近弯管段的部分水平收缩段现状形状尺寸存在缺陷,易使流道内水流产生漩涡。 流道改造工程通过对其进行形状和尺寸改造,使接近水泵叶轮进水口断面处的流速及压力更为合理分布,避免漩涡或涡带的形成,从而提高泵站运行效率,消除安全隐患。 为掌握改造施工完成后流道的实际曲面形状、尺寸与设计值的偏差情况,拟对泗阳二站改造施工后进水流道的形状尺寸进行三维激光扫描检测。

肘形进水流道[8-9]一般可分为直线收缩段、肘形弯管段和圆锥段3 部分,见图1。 主要控制参数有水泵叶轮中心高度Hw、喉管高度Hk、流道宽度Bj、弯管段长度Xw、流道长度XL。 由于肘形进水流道结构较为复杂且环环相扣,任一结构特别是肘形弯管段附近结构施工后形状、尺寸,与设计的形状、尺寸的偏差值过大,会直接影响后期水泵运行效率。 因此,精确掌握进水流道尺寸对泵站的安全运行尤为重要。

图1 肘形进水流道示意图

2 测量设备及方法

2.1 测量设备

进水流道加固改造施工后三维场景数据的获取采用FARO Focus S350 三维激光扫描仪[10-11]进行数据采集,其拥有较小的尺寸、超轻的重量和更远的扫描距离,即使在恶劣环境、狭窄的工作现场、满是灰尘或潮湿的区域、雨中或阳光直射条件下,也能获取扫描结果。 FARO Focus S350 三维激光扫描仪见图2,主要性能指标见表1。

表1 FARO S350 三维激光扫描仪主要性能指标

图2 FARO S350 三维激光扫描仪

2.2 测量流程

1)现场踏勘。 对进水流道的现场情况进行踏勘,根据踏勘后的现场情况合理布设测站点位置,以确保三维激光扫描仪可采集到完整流道曲面数据,避免关键部位的数据缺失。 对于空间相对复杂、通视条件差的位置,根据实地情况进行测站点加密,保证空间结构几何曲面的完整性。

2)数据获取。 对踏勘布设的测站点按序编号,依序架设三维激光扫描仪进行施测,且需保证测站间扫描范围重叠度大于50%,以保证测站间三维点云数据的配准精度。

3)数据处理。 ① 数据预处理：流道三维场景数据扫描完成后,将点云数据导入SCENE 软件,进行数据的预处理,剔除原始点云中的噪点及粗差点。 ② 数据拼接匹配：通过SCENE 软件,将不同测站位置获取的点云数据自动配准,获取完整的流道三维场景数据[12-13]。

4)模型的建立。 选择合适的算法,通过自动化的软件平台Geomagic,直接对实体进行自动建模。

5)横断面施工尺寸与设计尺寸的对比分析。对进水流道水平收缩段,以中隔墩中轴线为对齐基准套比模型曲面和设计曲面,对相同位置截取的实测横断面与设计横断面进行偏差对比分析;对肘形弯管段,以X 轴方向上的肘形弯管段顶板面中心线为对齐基准套比模型曲面和设计曲面,对相同位置截取的实测横断面的流道截面曲线与设计曲线横断面以中隔墩中轴线为对齐基准进行偏差对比分析。

2.3 数据处理

2.3.1 水平收缩段

将过中隔墩中轴线的XY 平面上的流道单线图叠加至重构的流道三维模型对应位置,叠加方法为N点对齐方式,对齐点为肘形弯管段顶板与XY 平面相交处特征点,见图3。

图3 流道点云模型与优化设计断面对应位置图

图形叠加后,在水平收缩段各设计断面线对应位置与XY 平面垂直方向上截取一个三维对象的二维轮廓线,即为各设计断面处施工后流道横截面图见图4。

图4 水平收缩段各流道横断面截取位置图

截取后的轮廓线导入CASS 成图系统[14-15]中,并以各截面位置上的中隔墩断面线为对齐基准,将其与对应的设计流道断面套比进行尺寸偏差分析。 施工后,断面曲线位于设计断面曲线外部时,偏差值为正值;位于设计断面曲线内部时,偏差值为负值。

2.3.2 肘形弯管段

肘形弯管段的流道断面曲线与设计断面曲线偏差分析方法与水平收缩段的分析相同,各横断面位置见图3(b)。 由于该段各断面线的间距有所差异,施工后流道横断面轮廓图仅能依次截取,见图5。 将截取后的各断面二维轮廓线导入CASS 成图系统中,将其与对应的设计断面图进行套比分析。 施工后,断面曲线位于设计断面曲线外部时,偏差值为正值;位于设计断面曲线内部时,偏差值为负值。2.3.3 曲面平整度

图5 肘形弯管段流道横断面截取图

根据流道内壁点云集内各点的坐标,拟合出一个空间平面,计算点集内各点相对于所拟合的空间平面的偏差,从而可判断流道内壁表面区域的平整度情况。

3 结果与分析

由于流道内部分施工脚手架未完全拆除且积水较深,现场检测条件受到一定程度限制,部分数据未采集完整,导致流道截面曲线不是一个完整闭合曲线。 该进水流道改造工程,不同断面优化改造尺寸差异较大,其中水平收缩段断面6-6、8-8 及断面两侧位置为主要改造范围,肘形弯管段断面10-10、12-12、14-14、16-16、18-18、20-20 位置区间内为主要改造范围,其尺寸改造程度较大。 在改造程度较大区域,重点对水平收缩段断面8-8、肘形弯管段断面12-12 进行偏差分析。

3.1 水平收缩段断面尺寸

经过对1 号、2 号机组进水流道水平收缩段改造施工尺寸偏差分析,该段断面尺寸偏差较小,总体在±10mm 以内。 设计断面8-8 改造程度较大、尺寸偏差也相对较大,各断面检测点见图6(a)、具体偏差值见图7(a)。

图6 断面检测点示意图

图7 断面检测点偏差值

其中,1 号流道横断面8-8 位置,中隔墩左侧流道改造面与设计面最大偏差值-18mm,中隔墩右侧流道改造面与设计面最大偏差值11mm。2 号流道横断面8-8 位置,中隔墩左侧流道改造面与设计面最大偏差值8mm,中隔墩右侧流道改造面与设计面最大偏差值11mm。

3.2 肘形弯管段断面尺寸

经过对1 号、2 号机组进水流道肘形弯管段改造施工尺寸偏差分析,该段各断面尺寸偏差较小,总体在±10mm 以内。 设计断面12-12 改造程度较大、尺寸偏差也相对较大,各断面检测点见图6(b)、具体偏差值见图7(b)。

其中,1 号流道横断面12-12 位置,X 轴左侧流道改造面与设计面最大偏差值-6 mm,X 轴右侧流道改造面与设计面最大偏差值10 mm。 2 号流道横断面12-12 位置,X 轴左侧流道改造面与设计面最大偏差值12 mm,X 轴右侧流道改造面与设计面最大偏差值15 mm。

3.3 曲面平整度

根据1 号、2 号机组进水流道获取的内表面点云数据拟合出空间平面,计算点集内各点相对于所拟合空间曲面偏差值,并依据各点的偏差值编辑偏差色谱,见图8。 由图8 可知,1 号、2 号流道内壁墙面点至拟合曲面的距离总体在-1. 4～1.4mm 区间范围内,只有肘形弯管段顶板面附近局部区域,偏差达到±5.4mm 左右。

图8 进水流道曲面偏差色谱

结果显示,在改造施工区域范围内,肘形进水流道内壁表面的平整度偏差总体在±1.4mm 范围内;改造程度较小的控制断面施工完成后的尺寸偏差较小,总体在±10mm 以内;改造程度较大的控制断面施工完成后的尺寸偏差相对较大,尺寸偏差值均在±20mm 范围内;施工后,流道扫描断面的高度、宽度与设计值的最大偏差均在±10mm 范围内。

改造施工是以局部凿除后立模用灌浆料浇筑的施工方法,断面尺寸施工控制难度相对较大,与设计断面套比的局部尺寸偏差较大。 但施工完成后,断面的高度、宽度与设计值的偏差值符合规范要求,流道内壁表面平整度总体符合规范要求。 因此,可认为泗阳二站混凝±流道改造工程的施工尺寸偏差控制总体较好,满足设计要求。

4 结 论

为了分析泗阳二站改造施工完成后流道的实际曲面形状、尺寸与设计值的偏差情况,基于三维激光扫描技术,对泗阳二站改造施工后肘形进水流道的形状尺寸进行检测。 结论如下：

1)采用激光扫描技术对水工建筑物的形状、尺寸进行检测切实可行,该技术能够快速获取目标的表面特征,减少测绘工作量,缩短检测周期,快速获得目标尺寸。

2)在改造施工区域范围内的肘形进水流道内壁表面的平整度偏差总体在±1.4mm 范围内,改造程度较小的控制断面施工完成后的尺寸偏差较小,总体在±10mm 以内;改造程度较大的控制断面施工完成后的尺寸偏差相对较大,尺寸偏差值均在±20mm 范围内;泗阳二站的混凝±流道改造工程的施工尺寸偏差控制总体较好,满足设计要求。