基于三維激光掃描的泗陽二站肘形進水流道的測量與分析

李進東,韓 毅,金曉宇,楊 帆,韓 寧

(1. 江蘇省水利科學研究院,南京 210017;2. 江蘇省駱運水利工程管理處,江蘇 宿遷 223800;3. 揚州大學 水利科學與工程學院,江蘇 揚州 225009)

0 引 言

隨著信息技術的發展以及智慧城市、智慧水利等概念的出現,對三維空間信息的需求更為迫切,對工程測量精度的要求也越來越高。 三維激光掃描技術是一種非接觸式的自動測量方法,具有實時、動態、高精度、高密度等特點[1]。 三維激光掃描頭可以在單位時間內發射幾十萬甚至幾百萬的點,以點云的形式表達三維空間的幾何形態,同時還可以采集高分辨像片,形成物體的三維正射影像,再現物體的真實三維形態,在工程測繪、城市規劃、水利建設等領域得到廣泛應用[2-4]。

目前,國內外眾多學者通過三維激光掃描技術對水利工程領域進行了研究。 江木春等[5]利用三維激光掃描技術,獲得航道沿線水上物外觀高精度三維點云數據,為航道擴能升級設計提供了精細地形圖。 張力元等[6]采用三維激光掃描數字化河床沖淤平衡后的地形模擬水流流場,分析了地形精度對縱向時均流速、斷面流場、水深平均流速及河床切應力的影響。 ?muleac Adrian等[7]將三維掃描技術應用于大壩建設,利用Inertial Explorer 程序對掃描后的點云進行了處理,便于對水資源現狀進行評估和分析。 通過前人的研究可以發現,利用三維激光掃描獲取點云數據,已經成為水利工程監測和分析的重要手段。

本文以泗陽二站肘形進水流道作為研究對象,基于三維激光掃描技術獲取點云數據,對施工改造后的進水流道曲面形狀尺寸與設計值的偏差進行檢測,以期為泗陽二站的平穩運行提供技術支撐。

1 工程背景

泗陽二站位于江蘇省泗陽縣城東郊,是江水北調第四梯級泵站、淮水北調第一梯級泵站,具有供水、灌溉、航運補水、擋洪等綜合功能。 該站原設計調水流量66 m3/s,總裝機容量5 600kW,裝設2 臺液壓全調節軸流泵,單機設計流量33m3/s,配套2 臺立式同步電動機。 泗陽二站建成于1996 年,經過20 多年的運行,現狀機電設備嚴重老化,泵站運行可靠性差、效率低,2015 年經安全鑒定為三類泵站。 為消除工程安全隱患,提高泵站運行效率,保障江水北調和淮水北調安全送水,泗陽二站實施了加固改造工程。

泗陽二站1 號、2 號機組進水流道改造前,存在的問題主要為流道肘形彎管段及臨近彎管段的部分水平收縮段現狀形狀尺寸存在缺陷,易使流道內水流產生漩渦。 流道改造工程通過對其進行形狀和尺寸改造,使接近水泵葉輪進水口斷面處的流速及壓力更為合理分布,避免漩渦或渦帶的形成,從而提高泵站運行效率,消除安全隱患。 為掌握改造施工完成后流道的實際曲面形狀、尺寸與設計值的偏差情況,擬對泗陽二站改造施工后進水流道的形狀尺寸進行三維激光掃描檢測。

肘形進水流道[8-9]一般可分為直線收縮段、肘形彎管段和圓錐段3 部分,見圖1。 主要控制參數有水泵葉輪中心高度Hw、喉管高度Hk、流道寬度Bj、彎管段長度Xw、流道長度XL。 由于肘形進水流道結構較為復雜且環環相扣,任一結構特別是肘形彎管段附近結構施工后形狀、尺寸,與設計的形狀、尺寸的偏差值過大,會直接影響后期水泵運行效率。 因此,精確掌握進水流道尺寸對泵站的安全運行尤為重要。

圖1 肘形進水流道示意圖

2 測量設備及方法

2.1 測量設備

進水流道加固改造施工后三維場景數據的獲取采用FARO Focus S350 三維激光掃描儀[10-11]進行數據采集,其擁有較小的尺寸、超輕的重量和更遠的掃描距離,即使在惡劣環境、狹窄的工作現場、滿是灰塵或潮濕的區域、雨中或陽光直射條件下,也能獲取掃描結果。 FARO Focus S350 三維激光掃描儀見圖2,主要性能指標見表1。

表1 FARO S350 三維激光掃描儀主要性能指標

圖2 FARO S350 三維激光掃描儀

2.2 測量流程

1)現場踏勘。 對進水流道的現場情況進行踏勘,根據踏勘后的現場情況合理布設測站點位置,以確保三維激光掃描儀可采集到完整流道曲面數據,避免關鍵部位的數據缺失。 對于空間相對復雜、通視條件差的位置,根據實地情況進行測站點加密,保證空間結構幾何曲面的完整性。

2)數據獲取。 對踏勘布設的測站點按序編號,依序架設三維激光掃描儀進行施測,且需保證測站間掃描范圍重疊度大于50%,以保證測站間三維點云數據的配準精度。

3)數據處理。 ① 數據預處理：流道三維場景數據掃描完成后,將點云數據導入SCENE 軟件,進行數據的預處理,剔除原始點云中的噪點及粗差點。 ② 數據拼接匹配：通過SCENE 軟件,將不同測站位置獲取的點云數據自動配準,獲取完整的流道三維場景數據[12-13]。

4)模型的建立。 選擇合適的算法,通過自動化的軟件平臺Geomagic,直接對實體進行自動建模。

5)橫斷面施工尺寸與設計尺寸的對比分析。對進水流道水平收縮段,以中隔墩中軸線為對齊基準套比模型曲面和設計曲面,對相同位置截取的實測橫斷面與設計橫斷面進行偏差對比分析;對肘形彎管段,以X 軸方向上的肘形彎管段頂板面中心線為對齊基準套比模型曲面和設計曲面,對相同位置截取的實測橫斷面的流道截面曲線與設計曲線橫斷面以中隔墩中軸線為對齊基準進行偏差對比分析。

2.3 數據處理

2.3.1 水平收縮段

將過中隔墩中軸線的XY 平面上的流道單線圖疊加至重構的流道三維模型對應位置,疊加方法為N點對齊方式,對齊點為肘形彎管段頂板與XY 平面相交處特征點,見圖3。

圖3 流道點云模型與優化設計斷面對應位置圖

圖形疊加后,在水平收縮段各設計斷面線對應位置與XY 平面垂直方向上截取一個三維對象的二維輪廓線,即為各設計斷面處施工后流道橫截面圖見圖4。

圖4 水平收縮段各流道橫斷面截取位置圖

截取后的輪廓線導入CASS 成圖系統[14-15]中,并以各截面位置上的中隔墩斷面線為對齊基準,將其與對應的設計流道斷面套比進行尺寸偏差分析。 施工后,斷面曲線位于設計斷面曲線外部時,偏差值為正值;位于設計斷面曲線內部時,偏差值為負值。

2.3.2 肘形彎管段

肘形彎管段的流道斷面曲線與設計斷面曲線偏差分析方法與水平收縮段的分析相同,各橫斷面位置見圖3(b)。 由于該段各斷面線的間距有所差異,施工后流道橫斷面輪廓圖僅能依次截取,見圖5。 將截取后的各斷面二維輪廓線導入CASS 成圖系統中,將其與對應的設計斷面圖進行套比分析。 施工后,斷面曲線位于設計斷面曲線外部時,偏差值為正值;位于設計斷面曲線內部時,偏差值為負值。2.3.3 曲面平整度

圖5 肘形彎管段流道橫斷面截取圖

根據流道內壁點云集內各點的坐標,擬合出一個空間平面,計算點集內各點相對于所擬合的空間平面的偏差,從而可判斷流道內壁表面區域的平整度情況。

3 結果與分析

由于流道內部分施工腳手架未完全拆除且積水較深,現場檢測條件受到一定程度限制,部分數據未采集完整,導致流道截面曲線不是一個完整閉合曲線。 該進水流道改造工程,不同斷面優化改造尺寸差異較大,其中水平收縮段斷面6-6、8-8 及斷面兩側位置為主要改造范圍,肘形彎管段斷面10-10、12-12、14-14、16-16、18-18、20-20 位置區間內為主要改造范圍,其尺寸改造程度較大。 在改造程度較大區域,重點對水平收縮段斷面8-8、肘形彎管段斷面12-12 進行偏差分析。

3.1 水平收縮段斷面尺寸

經過對1 號、2 號機組進水流道水平收縮段改造施工尺寸偏差分析,該段斷面尺寸偏差較小,總體在±10mm 以內。 設計斷面8-8 改造程度較大、尺寸偏差也相對較大,各斷面檢測點見圖6(a)、具體偏差值見圖7(a)。

圖6 斷面檢測點示意圖

圖7 斷面檢測點偏差值

其中,1 號流道橫斷面8-8 位置,中隔墩左側流道改造面與設計面最大偏差值-18mm,中隔墩右側流道改造面與設計面最大偏差值11mm。2 號流道橫斷面8-8 位置,中隔墩左側流道改造面與設計面最大偏差值8mm,中隔墩右側流道改造面與設計面最大偏差值11mm。

3.2 肘形彎管段斷面尺寸

經過對1 號、2 號機組進水流道肘形彎管段改造施工尺寸偏差分析,該段各斷面尺寸偏差較小,總體在±10mm 以內。 設計斷面12-12 改造程度較大、尺寸偏差也相對較大,各斷面檢測點見圖6(b)、具體偏差值見圖7(b)。

其中,1 號流道橫斷面12-12 位置,X 軸左側流道改造面與設計面最大偏差值-6 mm,X 軸右側流道改造面與設計面最大偏差值10 mm。 2 號流道橫斷面12-12 位置,X 軸左側流道改造面與設計面最大偏差值12 mm,X 軸右側流道改造面與設計面最大偏差值15 mm。

3.3 曲面平整度

根據1 號、2 號機組進水流道獲取的內表面點云數據擬合出空間平面,計算點集內各點相對于所擬合空間曲面偏差值,并依據各點的偏差值編輯偏差色譜,見圖8。 由圖8 可知,1 號、2 號流道內壁墻面點至擬合曲面的距離總體在-1. 4～1.4mm 區間范圍內,只有肘形彎管段頂板面附近局部區域,偏差達到±5.4mm 左右。

圖8 進水流道曲面偏差色譜

結果顯示,在改造施工區域范圍內,肘形進水流道內壁表面的平整度偏差總體在±1.4mm 范圍內;改造程度較小的控制斷面施工完成后的尺寸偏差較小,總體在±10mm 以內;改造程度較大的控制斷面施工完成后的尺寸偏差相對較大,尺寸偏差值均在±20mm 范圍內;施工后,流道掃描斷面的高度、寬度與設計值的最大偏差均在±10mm 范圍內。

改造施工是以局部鑿除后立模用灌漿料澆筑的施工方法,斷面尺寸施工控制難度相對較大,與設計斷面套比的局部尺寸偏差較大。 但施工完成后,斷面的高度、寬度與設計值的偏差值符合規范要求,流道內壁表面平整度總體符合規范要求。 因此,可認為泗陽二站混凝±流道改造工程的施工尺寸偏差控制總體較好,滿足設計要求。

4 結 論

為了分析泗陽二站改造施工完成后流道的實際曲面形狀、尺寸與設計值的偏差情況,基于三維激光掃描技術,對泗陽二站改造施工后肘形進水流道的形狀尺寸進行檢測。 結論如下：

1)采用激光掃描技術對水工建筑物的形狀、尺寸進行檢測切實可行,該技術能夠快速獲取目標的表面特征,減少測繪工作量,縮短檢測周期,快速獲得目標尺寸。

2)在改造施工區域范圍內的肘形進水流道內壁表面的平整度偏差總體在±1.4mm 范圍內,改造程度較小的控制斷面施工完成后的尺寸偏差較小,總體在±10mm 以內;改造程度較大的控制斷面施工完成后的尺寸偏差相對較大,尺寸偏差值均在±20mm 范圍內;泗陽二站的混凝±流道改造工程的施工尺寸偏差控制總體較好,滿足設計要求。