大型结构扭曲变形后几何尺寸及形位公差的检测技术在水利工程中的应用

钟红霞

（湖南水利水电职业技术学院，湖南 长沙 410000）

建国以来，党和政府非常重视水利工程的建设，截止2010年底，全国已建成各类水库84 074座，总库容5 100多亿m3，相当于全国年径流量的 1/6，其中水利系统管理的共有 83 727座。根据统计，属于病险水库（三类水库）的有30 413座，其中，大型病险水库145座，占大型水库的42%；中型病险水库1 118座，占中型水库的42%；小型病险水库29 150座，占小型水库的36%。除此以外，还有大量的堤防设施也存在各种安全隐患。在这些病险水库和堤防中，永久设备即闸门、启闭机不同程度存在着年久失修、设备老化、腐蚀、破损和不能满足正常运行的现象，已有近百座大中型水库及堤防因闸门和启闭机发生了事故，造成国家和人民生命财产的损失。为此，亟待加强全国水利工程尤其是病险水库、堤防永久设备的安全检测鉴定工作。

本文结合我国近年引进的新型仪器和设备在大型结构扭曲变形后几何尺寸及形位公差的检测应用，对水利工程永久设备安全检测鉴定技术做了详细的介绍，以期与同行专家共同交流探讨。

1 大型结构扭曲变形后几何尺寸及形位公差的检测原理

永久设备在运行过程中，受沉陷、应力、水压、地震等因素的影响，总会产生一定的变形。有的变形对设备运行不产生明显影响，不会引起我们的关注，但有的变形直接导致设备运行不正常，此时必须进行检测和分析，然后进行相应的处理。常见的结构变形现象，如因门叶变形或埋件变形导致的平面闸门在门槽内不能自如运行；因不均匀沉陷导致的弧形闸门两支铰同轴度和倾斜度超标，以致弧门运行“别劲”；因各种变形累加导致的启闭机启闭闸门不同步；因轨道变形或门架、桥架变形导致的门机、桥机运行困难、啃轨等。

上述大型结构体在运行过程中产生的扭曲和变形，由于没有测量基准，常规的测量手段很难对设备真实的形位误差进行准确的检测、分析和判断。目前，比较有效的手段是对设备及其相关结构进行整体的空间三维坐标测量，然后将测量数据输入计算机，由计算机生成被测对象的三维空间模型，在此基础上，利用计算机软件对设备各构件的空间形态及其相互间的位置关系进行分析和解算，从而判断设备的病源所在，并为采取相应的处理措施指明方向。

2 目前我国引进并投入使用的大型三维空间测量系统的几种型式

2.1 基于电子经纬仪/全站仪组成的便携式三坐标测量系统

由两台瑞士生产的徕卡 T3000电子经纬仪和计算机组成的经纬仪三坐标测量系统，是开发最早，率先投入到水利水电工程中应用的测量系统，其应用最早可追溯至20世纪90年代初期。该系统的优点是测量精度高，缺点是对测量空间需求较大。因此，随着全站仪极坐标测量系统的开发和应用，目前该系统主要用于精度要求很高的大型加工件的几何尺寸和形位公差测量。

全站仪极坐标测量系统由一台瑞士生产的徕卡 TCA2003全站仪和计算机组成，其配置简单，便于携带，现场适应能力强，能够满足水工金属结构的测量精度要求，因此，该系统在现场测量中得到了广泛应用。

2.2 摄影测量系统

该系统从美国引进，由一台专业相机和测量附件组成。其基本功能是通过对现场一批标志点的群体照相，然后利用计算机对其空间几何尺寸及形位误差进行解算。该系统最大特点是非接触、便携（单人即可完成工作）、速度快、现场工作量小、高效、不易受外界因素（如温度、振动等）的影响、测量精度高、应用面广、可在狭小空间及人无法深入的恶劣环境下进行工作。

目前，我国已应用该系统在现场成功地对平面闸门、弧形闸门以及人字闸门进行检测，其检测结果经与全站仪极坐标测量系统进行比较，吻合度保持在0.1 mm以内，完全可以满足水利水电行业永久设备的测量精度要求。该测量系统未来将会有很好的应用前景。

2.3 激光扫描测量系统

我国引进的法国 MENSI S25三维激光扫描系统激光聚焦后精度可达0.2 mm内，重建处理后精度可达0.07 mm内，可以通过三维激光扫描直接将各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准等实体或实景的三维数据完整的采集到电脑中，进而快速重构出目标的三维实体模型，同时，所采集的三维激光点云数据还可将目标的完整数据用于各种后处理工作（如测绘、计量、应力分析、有限元分析、仿真分析、任务模拟等），它是各种正向工程工具（如 CATIA、UG、CAD、有限元、流体动力、PDMS、PDS、GIS、VR、3DSMAX、MAYA、ERP等）对称应用的工具，人们称为逆向工程。三维激光扫描是全自动高精度立体扫描的技术，可以通过建立一个空间坐标系，通过扫描，给予每个描述目标结构完整属性的测绘点一个三维空间坐标值（称为三维点云数据），而这些坐标值少则几万个，多则几百万以上，从而把目标完整的搬到电脑中来。所有采集的三维点云数据及三维建模数据都可以通过标准接口格式转换给各种正向工程软件直接使用。

3 结束语

通过在水利工程永久设备安全检测鉴定中对大型结构扭曲变形后几何尺寸及形位公差的检测的应用，可以更加方便快捷地发现水工金属结构设备存在的问题和缺陷，可以更准确、有效地对水工金属结构设备的安全状况进行评估，可以及时为有关部门制定除险加固规划或方案提供依据，从而为水利水电工程永久设备的长期安全稳定运行提供有力的保障。