激光清障在重力壩結構縫雜草清理中的應用

陳光耀，鐘 恒，周 舟

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發電廠，湖北 宜昌 443133）

1 項目概況

1.1 項目背景

某大型重力壩左、右岸及泄洪壩段下游面邊坡存在大量結構縫，高處部位易滋生雜草，且雜草生長區域分布較廣，難以清理，嚴重影響美觀，同時，雜草根系發育也會對混凝土結構造成危害。

為保證大壩安全運行，頻繁對壩后坡結構縫部位進行雜草清理，總體上未出現威脅混凝土結構的問題，但是邊坡雜草清理危險性較大，成本較高，因此有必要對邊坡雜草清理方式進行研究，解決雜草清理問題。

1.2 常規清理方式

目前，常用的雜草清理方式為“蜘蛛人”，人員通過座板從高處下滑，利用手拔、工具鏟除等進行雜草清理，清理范圍限制在安全繩附近，對于雜草分布較廣區域，清理人員需不斷上下，進行多次清理。

但“蜘蛛人”的清理方式存在較多缺點，如：清理成本較高；高空作業多、安措復雜、危險性高；清理效率較低等。

2 項目過程

項目以如何解決大體積重力壩結構縫雜草清理為研究對象，結合成本、安全、效率等方面，提出利用激光清障技術清理邊坡雜草，結合現場試驗，驗證該雜草清理體系的可行性，從而解決大型重力壩結構縫雜草清理問題。

2.1 激光清障技術介紹

（1）激光設備主要組成

設備主要由主機系統、激光輸出與瞄準系統、無線控制系統、電動云臺及三腳架、移動電源等構成。

（2）激光清障原理

通過激光電源系統對激光器施加電壓產生激光束，利用瞄準系統瞄準障礙物，鎖定目標，將各類障礙物（如薄膜、枯枝等）燒斷、燒穿，實現清障作業功能[1]。

（3）激光燒灼性能

通過試驗發現，當激光達到一定的功率密度后，功率密度與激光功率成正比，與受激光光束發射距離成反比，即：

式（1）中，P為激光功率密度；W為輻照表平面的激光總功率，單位：W；R為光斑半徑，單位：m。

當然，激光的燒灼能力與輻照物體的材料種類也有關系：激光輻照物體時，會被反射、吸收、透射，而最終作用于物體的能量，是被物體吸收的部分，因此反射和透射的越少，被吸收的能量越多[2]。

（4）主體部位激光耐受特性研究

大壩主體部件主要是混凝土、鋼筋等，激光清除異物的過程中，存在激光直接照射主體部件的可能性，因此，需要對大壩主體部件的激光耐受特性進行研究，確定各部件是否能夠經受激光的輻照，從而確定激光清除異物的適用范圍。

圖1 激光清障設備照射混凝土情況

通過試驗，距離30 m，大功率（100 W 以上）激光清障設備對混凝土存在傷害，使混凝土表面結晶化，影響混凝土局部強度，但對鋼材無影響。

2.2 激光清障設備功能

根據激光燒灼性能及大壩主體部位的激光耐受情況，確定激光遠程清除裝置主要功能，以適用于三峽大壩雜草清理。

根據式（1），激光清障設備功率和使用距離直接影響混凝土是否受到傷害，需根據遠程清理雜草的距離，靈活調整激光清障設備的輸出功率，保證混凝土不受傷害的同時，提高雜草清理的效率，故在激光清障設備制造中，增加功率調節功能。

2.3 激光清障設備參數

激光清障設備參數見表1。

表1 設備主要參數

2.4 結構縫雜草清理實例

（1）雜草定位

此次試驗，計劃對某重力壩泄洪流道結構縫雜草進行清理，根據現場觀察并確定雜草的位置和所在方向，鎖定目標位置和清除角度，確定對應輸出功率，并做好現場的安全管理。

將激光清障設備布置于壩頂，雜草與壩頂垂直高度約75 m，水平距離約67 m,直線距離約100 m，激光輸出頭與水平夾角約49°。

（2）設備調整

設備安裝完成后，根據雜草定位，將激光輸出頭進行粗調，保證輸出頭瞄準位置大致方向在雜草處。

設備連接平板電腦控制器，利用控制器，將輸出精準定位雜草，調整輸出功率為300 W。

（3）遠程激光除草

再次確認附近安全后，按照作業指導書逐步進行出光操作，完成雜草清理清除。

圖2 遠程雜草清理

3 結語

激光清障設備具有成本低、效率高、風險低的特點，其遠程清障的功能在大型重力壩結構縫雜草清理方面的應用具有良好效果，比傳統清理方式“蜘蛛人”具有較大的優勢，可大幅降低結構縫除草的安全風險和清理成本，提高水工建筑物例行維護的效率及安全性。且激光清障設備在其他領域（如生活區馬蜂窩清理、高壓輸電線路異物清理等）也具有較大優勢，可在今后使用中，繼續推廣。