蘇州河河口水閘閘門底軸轉動變形測量方法研究

王 江

(上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434)

蘇州河也稱吳淞江源于太湖，在蘇州河河口匯入上海黃浦江，蘇州河河口水閘是蘇州河河口防潮、排澇等功能的重要控制建筑物[1]。水閘底軸直徑2m，全長111.21m，為國內外規模最大的底軸驅動式翻版閘門。工程建設期間國內著名的院校及科研機構進行了多項試驗及創新，比如同濟大學、河海大學進行了水工建筑物有限元模擬及水閘整體分析；南京水利科學研究院、浙江大學進行了金屬結構有限元模型分析及翻板門模型實驗等[2]。鑒于底軸結構的重要性，閘門底軸采用了激光準直系統及靜力水準進行自動化監測[3]，但水閘自建成至今運行已達14年之久，閘門進行安全檢測后發現底軸激光準直系統數據失真，底軸運行時存在徑向位移，底軸中間波紋管密封系統局部失效，漏水量大，出現險情，對底軸進行徑向位移測量及波紋管同步測量并制定修復方案迫在眉睫。針對閘門底軸圓心等結構部位轉動過程中的實時高精度測量，國內、外學者研究相對較少，在空間精密測量領域國內外學者展開了豐富的研究，范春燕[4]采用高精度全站儀測量系統模擬全局測量空間構件實驗，分析了不同平差方法的優劣；何應鵬[5]采用近景攝影測量與傳統全站儀測量進行有機的結合，實現了無控制點的攝影測量方案；李洋、瞿劍蘇等[6]采用激光跟蹤儀與全站儀聯合測試，實現了超長距離位置信息的標定。基于底軸運動特性，采用靜態人工測量無法滿足測試需要，采用全站儀自動跟蹤測量技術對底軸進行動態測試能夠滿足精度及效率要求[7- 8]。

根據上述背景，本文通過簡化底軸圓心變化及波紋管同步性測量模型，采用三維網嚴密平差方法建立了全局測量坐標體系，運用后方交會方法將3臺全站儀測量坐標系聯系到同一坐標系中進行底軸圓心變化跟蹤測量。建立圓柱坐標系，通過全站儀跟蹤測量，比較2個棱鏡圓柱極坐標的軸向、徑向、切向3個分量之差，計算中間波紋管南北轉動同步偏差。

1 工程概況

蘇州河河口水閘采用100.0m×7.76m翻板鋼閘門，閘門底軸直接驅動旋轉，轉角范圍0°～90°，全關時門葉呈豎直狀，全開時門葉向外江側臥倒呈水平狀。閘門底軸分南、北兩段，每段長度約55m，支承在10個支鉸座上。底軸兩端穿過啟閉機房閘墻后與啟閉機拐臂相連，拐臂后另設有1個固定支鉸。南北軸中間斷開，采用波紋管柔性連接，波紋管外設有橡膠密封套結構，穿墻止水采用盤根止水型式。水閘結構縱剖面圖、橫剖面如圖1—2所示。

2 底軸圓心變化及波紋管同步性測量模型及測量方法

2.1 測量模型

蘇州河河口水閘閘門底軸運行過程中存在軸向、

圖1 水閘結構縱剖面圖

圖2 水閘結構橫剖面圖

徑向等變形，需測量底軸轉動過程中的圓心運動趨勢、中間波紋管的同步性。經結構分析及模型簡化，圓心變化測量測點分布于南北兩端穿墻止水及中間波紋管處，如圖3所示，中間波紋管轉動同步性測點分布于中間波紋管南北兩端，如圖4所示。

2.2 測量技術方法

2.2.1全局測量坐標體系建立

為將底軸南、北兩端的測量工作納入一個全局統一坐標系，在底軸內建立測量控制網[9]，如圖5—6所示。底軸軸口兩端布設不銹鋼觀測架A、B，用于安置全站儀或棱鏡，同時在A、B處墻上布設8個棱鏡(A1～A4、B1～B4)。考慮到觀測場地狹窄，應拉大棱鏡與全站儀的距離，高度角適中，棱鏡張角盡量大。在底軸南岸A點安置全站儀，北端B點安置棱鏡，采用全站儀多測回觀測軟件，自動觀測5個棱鏡(A1～A4、B)。同理在北端B點進行觀測。

圖3 底軸圓心變化測量斷面模型

圖4 中間波紋管南北兩端同步性測量模型

圖5 底軸坐標系統示意圖

采用三維網嚴密平差方法[10]，對多測回觀測數據進行處理。定義A點的平面坐標為(0，0)，以AB為x軸方向，y軸指向黃浦江側。平差得到各點三維坐標見表1，平面坐標和高程中誤差的均值為(0.40、1.50、0.79mm)。

圖6 測量控制網示意圖

2.2.2圓心變化測量方法

每個測試斷面布設3個棱鏡，在底軸軸口架設3臺徠卡TS60全站儀[11]，分別跟蹤一個棱鏡，如圖7—8所示。3臺全站儀測量坐標系由固定在墻上的4個棱鏡和對岸棱鏡通過后方交會方法確定，保證3臺儀器測量坐標處于同一坐標系中。將坐標投影至o-yh斷面，斷面坐標系向東為y軸，向上為h軸，在斷面內計算底軸圓心坐標。比較閘門處于各個開度時底軸圓心坐標，繪制底軸轉動過程中圓心變化趨勢曲線。底軸轉動過程中，若未產生變形，則閘門處于各個開度時，底軸圓心坐標應一致。

表1 控制點三維坐標

圖7 圓心變化測量布置圖

圖8 圓心變化測量儀器安裝實物圖

2.2.3底軸中間波紋管同步性測量方法

(1)確定旋轉軸，建立圓柱坐標系

在底軸南端分段布設4個棱鏡，閘門處于擋水和臥底狀態，分別觀測其坐標，結果見表2。計算旋轉軸在測量坐標系內的直線參數見表3。

表2 底軸南段的4個棱鏡在閘門擋水和臥底狀態的坐標 單位：m

表3 旋轉軸的直線參數 單位：m

以x0、y0、h0為原點，建立圓柱坐標系，如圖9所示，hh軸為旋轉軸方向，xx軸垂直于旋轉軸且在測量坐標系內向上，xx軸與h軸接近，yy軸在測量坐標系內向東且與xx軸正交，A-xyh為測量坐標系，同圖5建立測量坐標系。

(2)測點布置及測量

南北底軸軸口A、B點各布置1臺全站儀，中間波紋管南北兩端各安裝一個棱鏡，底軸轉動過程中每臺全站儀跟蹤一個棱鏡，同步測量棱鏡空間三維坐標(xyh)。

圖9 圓柱坐標系示意圖

(3)同步性計算

將2個棱鏡的同步測量坐標(xyh)轉換為圓柱坐標(xx、yy、hh)，再換算成極坐標(p、sita、r)，極坐標如圖10所示，統計數據見表4。

圖10 圓柱坐標系極坐標示意圖

表4 棱鏡空間三維坐標

兩個測點圓柱極坐標的軸向、徑向、切向3個分量之差如圖11所示，即代表中間波紋管南北轉動同步性，切向角度差乘以軸半徑0.85m換算為切

圖11 中間波紋管南北同步性分析圖

向差。若底軸轉動過程中，中間波紋管南北轉動同步，則兩個棱鏡圓柱極坐標的3個分量之差(Δr、Δp、Δθ)應各為同一常數。

3 測量成果

3.1 測量水位信息

測量期間，內外河水位見表5。

3.2 底軸圓心變化測量結果

將底軸斷面圓心坐標(y，h)作圖，繪制圓心坐標的變化曲線，受文章篇幅限制，第一測回部分圓心位置變化如圖12—15所示，☆為初始位置，Δ為最終位置，統計結果見表6。底軸轉動過程中，南北兩端穿墻止水處圓心較穩定，移動范圍在mm級，數值在1.4～8.8mm之間，中間波紋管兩側處的圓心移動范圍較大，達到cm級，數值在6.7～33.0mm之間。根據測試結果可知底軸旋轉軸心不穩定，如圖16所示，實際旋轉軸并非為一固定軸線。

圖12 斷面1關閘底軸圓心位置分布變化(躺-立)

圖13 斷面2開閘底軸圓心位置分布變化(立-趟)

圖14 斷面3開閘底軸圓心位置分布變化(立-趟)

圖15 斷面4關閘底軸圓心位置分布變化(躺-立)

表5 觀測期間內外河水位情況

表6 底軸圓心坐標統計結果 單位：m

圖16 底軸不穩定示意

3.3 中間波紋管同步性測量結果

底軸中間波紋管南北同步性測量測試曲線如圖17—18所示，同步性數據統計結果見表7。第一測回開閘初始徑向距離差為-0.0423m，過程中最大變化幅度為4.7mm；初始切向距離差為0.0073m，過程中最大變化幅度為10.5mm；初始軸向距離差為0.5142m，過程中最大變化幅度為4.3mm；第二測回關閘初始徑向距離差為-0.0414m，過程中最大變化幅度為4.4mm；初始切向距離差為0.0065m，過程中最大變化幅度為22.2mm；初始軸向距離差為0.5154m，過程中最大變化幅度為3.4mm。分析可知，底軸轉動過程中，中間波紋管南北同步性，徑、軸向同步性較好，變化幅度為mm級，數值在2.2～6.6mm之間；切向同步性較差，變化幅度為cm級，數值在10.5～22.2mm之間。

圖17 開閘第一測回中間波紋管南北徑向、軸向、切向同步性測試曲線

圖18 關閘第二測回中間波紋管南北徑向、軸向、切向同步性測試曲線

表7 同步性統計

4 驗證性測量

由蘇州河口閘整體三維有限元模型[12]及設計文件可知，整根底軸水平放在閘底板上，底軸每個斷面的圓心高度一致。根據斷面圓心測量統計結果可知兩端圓心較中間圓心低，因此進行實測驗證。選取底軸的兩端和中部3個圓形斷面，在底軸南側A點架全站儀，調整全站儀的觀測視線為水平狀態。選取底軸南端的一個斷面，鋼尺倒掛緊貼底軸內側量取斷面的直徑，全站儀打開激光器瞄準鋼尺讀取此時鋼尺上激光點的值，盤左盤右測量取平均值；依次量取另外的兩個斷面，并記錄讀數。計算3處斷面水平視線至圓心的距離，由表8及圖19可知，底軸南側穿墻止水處圓心較中間低4.71～5.45cm，底軸北側穿墻止水處圓心較中間低3.31～4.05cm，即南北兩側的底軸中心軸線不平行且不重合。

表8 斷面圓心測量統計結果

圖19 圓心位置關系實測結果

5 結語

(1)閘門底軸理論旋轉軸是不存在的，受水位、啟閉機工況等影響每次測量得到的是實際旋轉軸，但底軸的實際旋轉軸變動范圍是有限的，采用全站儀進行底軸圓心變化跟蹤測量及波紋管同步測量，分析底軸運行趨勢是可靠且有必要的。

(2)底軸旋轉軸不穩定對于底軸長期測量基準和分析基準的建立造成了一定的困難，可在長期測量基礎上利用最小二乘圓柱擬合法建立底軸運動模型，得到底軸運動的最優軸線。該軸線可作為底軸監測數據分析的基準。

(3)閘門底軸位于蘇州河河底，其環境比較潮濕，誤差源主要為氣象元素的測量誤差，后期長期觀測可通過小型百葉窗氣象站完成氣象數據修正。