激光清障在重力坝结构缝杂草清理中的应用

陈光耀，钟 恒，周 舟

（中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443133）

1 项目概况

1.1 项目背景

某大型重力坝左、右岸及泄洪坝段下游面边坡存在大量结构缝，高处部位易滋生杂草，且杂草生长区域分布较广，难以清理，严重影响美观，同时，杂草根系发育也会对混凝土结构造成危害。

为保证大坝安全运行，频繁对坝后坡结构缝部位进行杂草清理，总体上未出现威胁混凝土结构的问题，但是边坡杂草清理危险性较大，成本较高，因此有必要对边坡杂草清理方式进行研究，解决杂草清理问题。

1.2 常规清理方式

目前，常用的杂草清理方式为“蜘蛛人”，人员通过座板从高处下滑，利用手拔、工具铲除等进行杂草清理，清理范围限制在安全绳附近，对于杂草分布较广区域，清理人员需不断上下，进行多次清理。

但“蜘蛛人”的清理方式存在较多缺点，如：清理成本较高；高空作业多、安措复杂、危险性高；清理效率较低等。

2 项目过程

项目以如何解决大体积重力坝结构缝杂草清理为研究对象，结合成本、安全、效率等方面，提出利用激光清障技术清理边坡杂草，结合现场试验，验证该杂草清理体系的可行性，从而解决大型重力坝结构缝杂草清理问题。

2.1 激光清障技术介绍

（1）激光设备主要组成

设备主要由主机系统、激光输出与瞄准系统、无线控制系统、电动云台及三脚架、移动电源等构成。

（2）激光清障原理

通过激光电源系统对激光器施加电压产生激光束，利用瞄准系统瞄准障碍物，锁定目标，将各类障碍物（如薄膜、枯枝等）烧断、烧穿，实现清障作业功能[1]。

（3）激光烧灼性能

通过试验发现，当激光达到一定的功率密度后，功率密度与激光功率成正比，与受激光光束发射距离成反比，即：

式（1）中，P为激光功率密度；W为辐照表平面的激光总功率，单位：W；R为光斑半径，单位：m。

当然，激光的烧灼能力与辐照物体的材料种类也有关系：激光辐照物体时，会被反射、吸收、透射，而最终作用于物体的能量，是被物体吸收的部分，因此反射和透射的越少，被吸收的能量越多[2]。

（4）主体部位激光耐受特性研究

大坝主体部件主要是混凝土、钢筋等，激光清除异物的过程中，存在激光直接照射主体部件的可能性，因此，需要对大坝主体部件的激光耐受特性进行研究，确定各部件是否能够经受激光的辐照，从而确定激光清除异物的适用范围。

图1 激光清障设备照射混凝土情况

通过试验，距离30 m，大功率（100 W 以上）激光清障设备对混凝土存在伤害，使混凝土表面结晶化，影响混凝土局部强度，但对钢材无影响。

2.2 激光清障设备功能

根据激光烧灼性能及大坝主体部位的激光耐受情况，确定激光远程清除装置主要功能，以适用于三峡大坝杂草清理。

根据式（1），激光清障设备功率和使用距离直接影响混凝土是否受到伤害，需根据远程清理杂草的距离，灵活调整激光清障设备的输出功率，保证混凝土不受伤害的同时，提高杂草清理的效率，故在激光清障设备制造中，增加功率调节功能。

2.3 激光清障设备参数

激光清障设备参数见表1。

表1 设备主要参数

2.4 结构缝杂草清理实例

（1）杂草定位

此次试验，计划对某重力坝泄洪流道结构缝杂草进行清理，根据现场观察并确定杂草的位置和所在方向，锁定目标位置和清除角度，确定对应输出功率，并做好现场的安全管理。

将激光清障设备布置于坝顶，杂草与坝顶垂直高度约75 m，水平距离约67 m,直线距离约100 m，激光输出头与水平夹角约49°。

（2）设备调整

设备安装完成后，根据杂草定位，将激光输出头进行粗调，保证输出头瞄准位置大致方向在杂草处。

设备连接平板电脑控制器，利用控制器，将输出精准定位杂草，调整输出功率为300 W。

（3）远程激光除草

再次确认附近安全后，按照作业指导书逐步进行出光操作，完成杂草清理清除。

图2 远程杂草清理

3 结语

激光清障设备具有成本低、效率高、风险低的特点，其远程清障的功能在大型重力坝结构缝杂草清理方面的应用具有良好效果，比传统清理方式“蜘蛛人”具有较大的优势，可大幅降低结构缝除草的安全风险和清理成本，提高水工建筑物例行维护的效率及安全性。且激光清障设备在其他领域（如生活区马蜂窝清理、高压输电线路异物清理等）也具有较大优势，可在今后使用中，继续推广。