水电站压力钢管摄影测量及逆向建模分析

张瑞杰 李东明

（1.新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆乌鲁木齐 830000；2.水利部水工金属结构质量检验测试中心，河南郑州 450044）

水电站压力钢管摄影测量及逆向建模分析

张瑞杰1李东明2

（1.新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆乌鲁木齐 830000；2.水利部水工金属结构质量检验测试中心，河南郑州 450044）

数字摄影测量系统具有非接触测量，动态性能好、检测速度快、受外界环境影响小等，特别适合于形面的快速检测，本文针对某水电站压力钢管局部变形区域进行摄影测量，运用测量点的三维坐标进行数学建模，根据工程需要得出丰富的数据，取得了良好的效果。

数字摄影测量系统；检测；逆向；数学建模

VSTARS 系统, 作为工业摄像测量系统, 特别适用于缺乏纹理的金属表面测量。

1 数字摄影测量简介

1.1 基本原理

数字摄影测量的基本原理是从两个或多个位置拍摄同一工件，以获取在不同视角下的图像，通过三角测量原理计算图像像素间的位置偏差即视差来获取被测点的三维坐标。图1中左图是同一相机在两个位置拍摄同一物体时的情况，右图是物方空间与像方空间的一一对应关系。

1.2 V-STARS摄影测量系统的基本组成

摄影测量系统V-STARS时至今日已发展到第8套系统，其基本配置为：1台智能相机、1台笔记本电脑、1套系统软件、1套基准尺、1根定向工棒和1组回光标志组成，如图2所示。

1.3 摄影测量的特点

摄影测量系统因为具有以下优点，所以适用性比较广。

⑴ 测量精度高，在 10m范围内其测量精度可以达到0.06～0.08mm。

⑵ 非接触式测量。

⑶ 测量速度快。

⑷ 便携式、灵活、应用面广。

⑸ 可在狭小空间测量。

⑹ 受温度影响小，可在震动环境工作。

⑺ 不需要稳定的测量平台。

⑻ 设备灵巧，可在任意环境下启动。

⑼（自动化程度高，对作业员的技能要求低。

2 工程概况

该水电站为典型的长压力管道引水式电站，水电站单机设计引用流量33.3m3/s，设计水头154m，安装3台（套）单机容量为44MW的立轴混流式水轮发电机组，总装机容量132MW。工程规模为中型，工程等别为Ⅲ等，压力管道等主要建筑物级别为3级。工程区地震动峰值加速度为 0.2g ，相当于 Ⅷ 度地震基本烈度区。主要建筑物地震设防烈度为8度。

该水电站引水系统为单机单管方式，直径为4m，单根总长度约为2006m。钢管沿线每150m设置1个镇墩，两个镇墩之间设置伸缩节室，伸缩节长度1.6m，单管设置12个；距厂房70m和120m两个跨断层处，分别设置了长度为7.0m波纹管伸缩节，可适应最大的断层错动变形，3根钢管共设置6个。图3为压力管线局部平面布置图。

设计中考虑到冬季防冰冻的问题，，要求钢管上部覆盖土层约2m。钢管上部土层在压力前池以下约 170m范围内为覆盖堆积土层，其余为回填土层形式。本次发生的钢管变形位置，位于压力前池以下约100m左右的范围内。

3 测量任务及目的

经过两年的运行，压力钢管上平段局部出现了褶皱状塑性变形。为了分析钢管变形对运行带来的影响，经过论证，决定采取有限元结构分析的技术手段，对变形后的钢管进行复核计算，并结合变形区域的修复，作出钢管是否具备安全运行的评价。本次测量任务是针对变形区域选择典型管段进行测量，得出变形图和截面图，为变形后的钢管刚度和强度分析以及变形部分的处理方案提供依据。

图1 数字摄影测量的基本原理示意图

图2 V-STARS摄影测量系统基本组成

图3 压力管线平面布置图（局部）

4 测量方案

4.1 总体思路

采用V-STARS摄影测量系统进行现场检测，以获取待测钢管内壁上的测量点的三维坐标，利用数据后处理软件（PolyWorks/UG软件）进行数学建模。

4.2 具体流程

⑴ 在待测管道内壁上粘贴摄影RRT标志。

⑵ 现场对表面的RRT标志进行交向摄影。

⑶ 用 V-STARS摄影测量软件对图像进行处理和计算，得到型面点的三维坐标。

4.3 数据后处理概述

⑴ 利用测量点的三维坐标，根据需要可以求得任意两点间的空间距离、可以拟合出任意段管道的圆柱精度及点位偏差等等。

⑵ 利用测量点的三维坐标，进行数学建模。

⑶ 根据需要，出具任意断面的断面图，求得该断面的管道的变形情况。

4.4 逆向分析

本分析过程依托于达索CATIA V5R19环境，综合使用DSE（Digitized Shape Editor）、QSR（Quick Surface Reconstruction）、GSD（Generative Shape Design）、Drafting等模块，完成点云的导入与逆向以及测量等步骤，如4所示。

图4 逆向变形分析过程

4.5 坐标系的统一

⑴ 以管道的第一个截面的拟合圆（即端圆）圆心为坐标系原点，以竖直向上方向为Z轴正向，以管道轴线顺水流方向为Y轴正向，右手系确定第三轴（即垂直于管壁方向为X轴正向）。

⑵ 各个截面的X，Z都是同一坐标基准。

⑶ 关于Y向，第一个断面第一个截面的Y值定义为0位，每个断面的截面Y向距离等分（因为截面基本上是等距离布点采集的数据），即可根据现场测量的管节之间的距离算出所有截面的Y向坐标。

5 测量成果及分析

5.1 截面长短轴数据

在压力钢管存在严重变形的部位，选择一个测量管段，长约4m。在4m范围内较均匀的选择几个截面布设测点（摄影测量专用测量标志），测量布点图5所示。测量完成后，将采集的数据进行逆向建模，截面位置分布如图6所示。将每个截面投影到与该钢管的中轴线垂直的平面上。钢管变形后的长轴和短轴的数据，如表1所示。变形后的钢管管壁上各点的坐标值见图7。

表1 长短轴测量结果 单位：mm

图5 测量布点图

图6 截面位置分布图

5.2 统一坐标系后的坐标分布

根据单一截面的数据，并按照现场测量的长度成果，建立统一坐标系，并将每个截面变形结果，统一放置在此坐标系中，以备后续计算使用，统一坐标系后的变形截面坐标方格图如图7所示。

图7 截面投影图

5.3 数据成果分析

通过对被测对象的测量采集，以及后续的逆向建模分析，取得以下成果。

（1）截面的长短轴数据。

（2）截面位置分布图。

（3）截面投影图。

（4）在笛卡尔坐标系或极坐标系中的坐标值。

（5）在同一坐标系下的CAD图形等。

采用V-STARS摄影测量系统进行现场检测，取得了完善的测试成果，测试数据可以用于后续的有限元计算及分析，复核钢管变形后的强度和刚度，进而可以判断是否可以继续投入运行，并为下一步加固修复提供建议。

6 结 语

⑴ 用摄影测量的方法进行大型水利工程金属结构设备曲面逆向重构，方便、快捷、准确、可靠。

⑵ 摄影测量系统便携、灵活、应用面广的特点是本次测量成功的关键，这种方法解决了在复杂环境条件下的高精度测量的方案，是值得推广和借鉴的。

[1] 李东明.V-STARS摄影测量系统的原理与应用.水利电力机械.2006年10月

[2] 冯文灏.V-STARS 型工业摄像测量系统介绍.测绘信息与工程.2000年04月

[3] 摄影测量原理.王之卓.武汉:武汉大学出版社,2007

TV732.4

B

1008-1305（2013）03-0036-04

10.3969/j.issn.1008-1305.2013.03.011

张瑞杰（1965年-），男，高级工程师。