大型結構扭曲變形后幾何尺寸及形位公差的檢測技術在水利工程中的應用

鐘紅霞

（湖南水利水電職業技術學院，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，其中水利系統管理的共有 83 727座。根據統計，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象，已有近百座大中型水庫及堤防因閘門和啟閉機發生了事故，造成國家和人民生命財產的損失。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。

本文結合我國近年引進的新型儀器和設備在大型結構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做了詳細的介紹，以期與同行專家共同交流探討。

1 大型結構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，總會產生一定的變形。有的變形對設備運行不產生明顯影響，不會引起我們的關注，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。常見的結構變形現象，如因門葉變形或埋件變形導致的平面閘門在門槽內不能自如運行；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。

上述大型結構體在運行過程中產生的扭曲和變形，由于沒有測量基準，常規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結構進行整體的空間三維坐標測量，然后將測量數據輸入計算機，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件的空間形態及其相互間的位置關系進行分析和解算，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的幾種型式

2.1 基于電子經緯儀/全站儀組成的便攜式三坐標測量系統

由兩臺瑞士生產的徠卡 T3000電子經緯儀和計算機組成的經緯儀三坐標測量系統，是開發最早，率先投入到水利水電工程中應用的測量系統，其應用最早可追溯至20世紀90年代初期。該系統的優點是測量精度高，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的開發和應用，目前該系統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由一臺瑞士生產的徠卡 TCA2003全站儀和計算機組成，其配置簡單，便于攜帶，現場適應能力強，能夠滿足水工金屬結構的測量精度要求，因此，該系統在現場測量中得到了廣泛應用。

2.2 攝影測量系統

該系統從美國引進，由一臺專業相機和測量附件組成。其基本功能是通過對現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。該系統最大特點是非接觸、便攜（單人即可完成工作）、速度快、現場工作量小、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境下進行工作。

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

2.3 激光掃描測量系統

我國引進的法國 MENSI S25三維激光掃描系統激光聚焦后精度可達0.2 mm內，重建處理后精度可達0.07 mm內，可以通過三維激光掃描直接將各種大型的、復雜的、不規則、標準或非標準等實體或實景的三維數據完整的采集到電腦中，進而快速重構出目標的三維實體模型，同時，所采集的三維激光點云數據還可將目標的完整數據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，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構完整屬性的測繪點一個三維空間坐標值（稱為三維點云數據），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據及三維建模數據都可以通過標準接口格式轉換給各種正向工程軟件直接使用。

3 結束語

通過在水利工程永久設備安全檢測鑒定中對大型結構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現水工金屬結構設備存在的問題和缺陷，可以更準確、有效地對水工金屬結構設備的安全狀況進行評估，可以及時為有關部門制定除險加固規劃或方案提供依據，從而為水利水電工程永久設備的長期安全穩定運行提供有力的保障。