白鶴灘水電站左岸壓力鋼管安裝測量新型輔助裝置的研制與應用

曹 官 軍，游 玉 強，肖 烈

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

壓力鋼管安裝在各大型水電站中都有涉及，是水電工程施工中的關鍵環節，其主要與蝸殼、伸縮節、蝴蝶閥、球閥、岔管等連接。目前壓力鋼管[1]施工的形式主要分為明廠房壓力鋼管安裝及地下廠房壓力鋼管安裝兩種形式。隨著施工技術水平的提高，逐漸向超大型、超高壓型壓力鋼管[2]發展。

目前國內外水電工程中的壓力鋼管安裝測量普遍采用小棱鏡作為前視進行觀測。該方法需要前視人員將小棱鏡立在對應的基準點上，采用極坐標的方式進行數據采集。該方式存在偶然誤差大、安全風險高、施測空間受限、施工工效低等弊端，因此，傳統的測量方式已不能適應當前新的安全生產形勢和施工進度要求，必須通過創新壓力鋼管安裝測量方法、創新施測技術來解放勞動力，達到提質增效、構建本質安全的目的。筆者闡述了在白鶴灘水電站左岸壓力鋼管安裝測量過程中不斷優化新型測量輔助裝置、最終取得階段性成果的過程，介紹了壓力鋼管安裝測量的新方法、新工藝。

白鶴灘水電站是金沙江下游干流河段梯級開發的第二個梯級電站，是中國目前在建的最大的水電站，建成后將成為中國第二大水電站，其左岸壓力管道采用單洞單機豎井式布置，共設置 8 條引水隧洞。

壓力管道自上平段末端起全部采用鋼板襯砌，包括上彎段、豎井段、下彎段及下平段。①～⑥號引水隧洞單條壓力鋼管共88節，單條管線長度為232.654 m，⑦⑧號引水隧洞單條壓力鋼管共89節，管線長度為235.654 m，8條引水隧洞壓力鋼管總節數為706節，管線總長度為1 867.234 m，工程總量為19 279.7 t。

壓力鋼管內徑為8.6～10.2 m，流速為6.7～9.4 m/s。壓力鋼管制造分節長度為1.241～3 m，管節最大內徑10.2 m，壓力鋼管安裝上平至下平鋼管中心高差為164.5 m,每條壓力鋼管的中心間距為38 m。8條壓力鋼管均采用垂直進廠，與機組蝸殼延伸段相接。

2 傳統測量方法利弊分析

2.1 資料收集

通過對三峽、溪洛渡、向家壩、烏東德等大型水電站壓力鋼管的安裝測量方法進行實地調研了解到，以往工程壓力鋼管現場安裝測量方法[3]與傳統測量方式相同。采用傳統測量方式施測時主要對管節的“上中”“下中”“左中”“右中”四個基準點進行施測，施測位置為坡口內壁，將徠卡小棱鏡鏡頭放置于坡口邊緣，用全站儀極坐標方式進行數據采集，并根據坡口的設計參數通過計算器程序進行數據轉換。

2.2 施測過程及存在的問題

施測時，前視人員需將小棱鏡放置在管節坡口內壁、精確對點，并且需要對小棱鏡補充光源；“下中”基點距離地面最近，相對比較容易操作；“上中”“左中”“右中”三個基點位于引水隧洞腰線以上，前視人員需爬上壓力鋼管才能到達基準點位置，四個基準點的施測過程耗時大約90 min。主要存在以下問題：

(1)通過小棱鏡前視的傳統方式對壓力鋼管安裝施測，效率低。

(2)受施工環境限制，基準點對點難度大，每班組需要投入4人，人員投入較多，觀測數據不直觀且需轉換后使用，計算復雜，計算錯誤風險較大。

(3)傳統施測方式存在施測時間長、高空臨邊作業、安全風險高、前視攀爬過程中小棱鏡攜帶不方便、容易發生掉落(原裝小棱鏡成本較高)、測量精度低、安全隱患突出等問題。

2.3 調研后取得的結論

根據調研情況綜合分析后得知：壓力鋼管安裝測量采用小棱鏡作為測量前視，雖具有傳統方式施測技術成熟等優點，但其施測過程中存在安全隱患突出、重復立點增加偶然誤差發生機率、安裝精度不高且施測時間過長等弊端，尤其在大規模壓力鋼管安裝[3]測量過程中不適用。因此，需對傳統施測工藝進行創新，亟待研制出一種能夠替代人工前視的輔助設備，既能同時滿足施工安全、工程質量，又能節約成本、提高效率的輔助裝置，才能優質高效地完成壓力鋼管的安裝測量工作。

3 新型輔助裝置的研究

根據白鶴灘水電站壓力鋼管的安裝規模以及包括定位節在內的6節壓力鋼管組成的定位段整體澆筑的施工難度要求，考慮到焊接變形及混凝土澆筑過程中的抬動風險，從而導致定位段相鄰管節出現錯臺現象，水電七局白鶴灘施工局集思廣益，群策群力，經過多次討論，提出了三種壓力鋼管安裝測量方案，具體如下：

(1)坡口處粘貼徠卡反射片+參數轉換程序。反射片作為前視觀測(也是傳統測量方式)，在工程中已被大量使用，如模板校核、變形監測等方面，該施測方式已得到成熟運用。

該方案以徠卡反射片為依托，在壓力鋼管運輸到現場后，在壓力鋼管的翻身場地提前將徠卡專用反射片粘貼在壓力鋼管上中、下中、左中、右中坡口處，待壓力鋼管就位后，用徠卡全站儀進行數據采集，再根據坡口的設計參數對全站儀采集的數據進行轉換，方法簡單，解決了人員前視問題。

但該方案在實施過程中存在以下問題：①白鶴灘水電站引水隧洞上彎段、豎井段、下彎段全部采用壓力鋼管襯砌施工，每節壓力鋼管都需要檢測驗收，因此坡口處都需粘貼徠卡反射片，而反射片粘貼后不能重復利用，導致反射片需求量較大；②由于洞內施工環境潮濕、灰塵較大，存在粘貼不牢靠的風險，過程中經常存在脫落現象；③在采用極坐標法[4]進行數據采集時，需要根據每節管道的坡口參數將施測數據進行轉換，存在觀測數據反映不直觀，計算復雜等問題。

(2)徠卡反射片+坡口還原模塊。該方案主要利用還原坡口的設計理念，根據壓力鋼管坡口尺寸加工了一個坡口還原模塊，將坡口位置還原至坡口前原始尺寸，在模塊上精確分中并粘貼反射片、制作成坡口還原模塊。在壓力鋼管“上中”“下中”“左中”“右中”4個基準點位置坡口上逐個安放坡口還原模塊進行數據采集。采用這種方式雖然解決了數據轉換難題，但白鶴灘水電站左岸共有706節壓力鋼管，每節鋼管壁厚大小不一，需要根據不同管節的坡口參數加工不同型號的坡口還原模塊，加工量大，制作成本增加。另外，在模塊安放過程中還會經常出現安裝不匹配、安裝混亂現象，直接影響到壓力鋼管的安裝控制精度；另外，該模塊固定方式單一，存在高處墜落和物體打擊風險，安全問題突出。該方式雖然觀測數據直接，但其投入大、過程控制混亂，安全風險極高。

(3)徠卡反射片+“L”形輔助模具。徠卡反射片+“L”形輔助模具主要利用還原坡口的設計理念，通過就地取材，選用不銹鋼材質的角鋼作為模具基材，根據壓力鋼管最大坡口尺寸確定“L”形輔助模具的長、短邊尺寸，其短直角邊為粘貼反射片使用，屬于受測區域，長直角邊為安裝區域，裁切完成后對模具毛刺采用砂紙進行打磨處理，處理完畢通過游標卡尺進行精細化分中處理，然后使用角尺、卡尺檢查模具的垂直度和分中精度，檢查合格后將徠卡專用反射片粘于模具上，形成徠卡反射片+“L”形輔助模具首件成品裝置，根據“首件制”產品的質量管控要求，聯合監理、業主進行四方聯合驗收。后續模具的制作按照首件制流程進行加工和驗收。數據采集過程中，為了更加準確地反映測量數據的真實性，需要特意考慮不銹鋼材質的厚度和徠卡反射片的厚度，通過游標卡尺對模具進行厚度檢測，厚度值均需在1.2 mm左右，根據對壓力鋼管的控制精度、壓力鋼管的自身加工精度、測量人員的觀測精度等因素進行綜合分析，1.2 mm的影響可忽略不計。

模具加工驗收完成后，待壓力鋼管運輸至現場、在壓力鋼管的翻身場根據壓力鋼管的上中、下中、左中、右中分中線基準點將模具與基準點精確對點。為了方便其固定，采用強力磁鐵將“L”形輔助模具與壓力鋼管內壁緊密固定以達到解放前視人員的目的。當壓力鋼管初步就位后即可觀測反射片進行數據采集、進行鋼管定位及糾偏調整。由于模具加工是參考最大坡口尺寸進行加工，因此，該“L”形輔助模具適用于任意角度坡口，一次加工，全程受用。

為了檢查“徠卡反射片+“L”形輔助模具”的安裝精度，主要通過對采用傳統方式已驗收通過的定位管節與方案三的觀測方式進行復核測量，另外，與通過傳統方式(采用吊垂線、鋼盤尺、水準儀配合的方式檢查壓力鋼管的相對尺寸)控制的各項指標進行復核，經過對多組數據進行綜合比對分析，各方法所測數據均滿足規范要求，但新型輔助裝置的測量數據精度及數據的穩定性遠遠優于傳統測量方式。

通過對三種方案在質量、安全、進度、成本四個方面進行綜合對比分析后得知，方案三中的徠卡反射片+“L”形輔助模具具有輕盈便捷、重復使用、適用任意角度坡口、節約成本、人員投入少、安全風險低、精度高等特點，優勢明顯。該方案打破了傳統壓力鋼管安裝測量施工思維的局限，提高了工作效率。

4 新型輔助裝置的應用效果

該輔助裝置通過三維建模設計，加工后落實“首件制驗收”制度及其在白鶴灘水電站左岸壓力鋼管安裝中的多方驗證、比對，以及數據分析及對標檢查得知：該裝置效果明顯，并且在左岸引水發電系統肘管、錐管、蝸殼安裝測量過程中推廣使用，該項裝置及其測量控制方法已獲得國家實用新型發明專利，其經濟效益、社會效益突出，得到了業主、監理等各級領導的高度認可。

4.1 經濟效益

“L”形輔助模具在壓力鋼管安裝測量放樣、過程檢查、驗收過程中起到了至關重要的作用。使用該方式進行壓力鋼管安裝測量和驗收[5]，實現了鋼管安裝單元優良率100%、一次性驗收合格率100%、人員投入由傳統方式的8個人工減少了5個人工，初檢耗時由傳統的4 h減少到2 h、復檢耗時由傳統的2 h減少到0.6 h、終檢耗時由傳統的1.5 h減少到0.4 h，全站儀投入減少為一臺，投入總費用減少了49 3400元，成本節約56%，經濟效益突出。

4.2 社會效益

“L”形輔助模具在白鶴灘水電站左岸引水發電系統實踐中取得成功應用，其效果得到了三峽發展監理及三峽業主的高度評價。新型壓力鋼管安裝測量輔助模具在工程實踐中簡單高效、安全穩定、能反復使用、成本低、精度高，并在使用過程中形成了一套標準化的制作過程和安裝測量方法，同時編寫了《“L”形輔助模具制作明白卡》和《“L”形輔助模具安裝及使用明白卡》，為類似工程壓力鋼管、尾水錐管、肘管、蝸殼等金屬結構的安裝測量工作提供了寶貴經驗和測量思路。

5 結 語

壓力鋼管安裝測量新型“L”型輔助模具在白鶴灘水電站左岸引水發電系統工程中的成功應用，充分發揮了團隊優勢，就地取材，體現了以人為本的管理理念，實現了“小裝置解決大問題”的目標，達到了提質增效，構建本質安全的的目的，對同類壓力鋼管安裝及類似金屬結構安裝測量具有顯著的借鑒意義，極具推廣價值。