李明慈 黃桂平 李東明 馬開(kāi)鋒

(1.北京建筑大學(xué)，北京100044；2.華北水利水電大學(xué)， 鄭州 450011；水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)檢中心,鄭州450007)

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全站儀工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)在南水北調(diào)閘門(mén)檢測(cè)中的應(yīng)用

李明慈1黃桂平2李東明3馬開(kāi)鋒2

(1.北京建筑大學(xué)，北京100044；2.華北水利水電大學(xué)， 鄭州 450011；水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)檢中心,鄭州450007)

針對(duì)南水北調(diào)閘門(mén)檢測(cè)的規(guī)范要求以及現(xiàn)場(chǎng)條件，提出采用全站儀工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)閘門(mén)的安裝質(zhì)量，論述了閘門(mén)的檢測(cè)方案、測(cè)量過(guò)程及數(shù)據(jù)處理方法；并以南水北調(diào)趙家渠1號(hào)控制閘為例對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了全站儀工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)用于南水北調(diào)閘門(mén)檢測(cè)的可行性，較傳統(tǒng)的雙經(jīng)緯儀測(cè)量方法和建立高精度控制網(wǎng)的方法更加優(yōu)越。

全站儀工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)；南水北調(diào)；閘門(mén)檢測(cè)；軸對(duì)準(zhǔn)坐標(biāo)系

0 引言

閘門(mén)是設(shè)置在水工建筑物過(guò)水孔口上，用以控制水流的設(shè)備[1]。它具有在動(dòng)水或靜水中進(jìn)行啟閉操作、調(diào)節(jié)流量、攔截水流和控制水位的功能并為其上游或下游提供檢修條件。因此為了保證南水北調(diào)中線通水后各個(gè)閘門(mén)能夠正常工作，確保對(duì)沿線各大城市和地區(qū)的用水調(diào)度，有必要對(duì)其沿線各處的閘門(mén)進(jìn)行檢測(cè)。

在以往的閘門(mén)檢測(cè)中使用的方法主要是利用經(jīng)緯儀三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)[2-3]和建立高精度控制網(wǎng)[4]，但這些方法操作繁瑣、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，給外業(yè)測(cè)量帶來(lái)不便。鑒于目前以TDA5005、TCA2003和TS30為代表的高精度全站儀的出現(xiàn)，使得上述的檢測(cè)方法得以改變。本文就高精度全站儀工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)在閘門(mén)檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行說(shuō)明并詳細(xì)敘述測(cè)量和數(shù)據(jù)處理的過(guò)程。

1 閘門(mén)檢測(cè)的實(shí)施

1.1 檢測(cè)依據(jù)與測(cè)量系統(tǒng)

在此次南水北調(diào)中線閘門(mén)的檢測(cè)中，主要是以露頂弧形工作閘門(mén)為主，以GB/T14173-2008《水利水電工程鋼閘門(mén)制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》為主要依據(jù)。其中在規(guī)范中規(guī)定了弧形工作閘門(mén)檢測(cè)的各項(xiàng)指標(biāo)，如表1所示為其中主要的幾項(xiàng)。

表1 弧形閘門(mén)檢測(cè)的極限偏差 單位：mm

從表1中可以看出最小的極限偏差為±1.5mm，根據(jù)工程測(cè)量誤差分配1/3原則，測(cè)量時(shí)的點(diǎn)位精度必須達(dá)到±0.5mm以上。在短距離(10m左右)范圍內(nèi)使用反射片作為合作目標(biāo)，高精度全站儀TCA2003的點(diǎn)位精度可以達(dá)到±(0.3～0.5)mm[5-6]，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況測(cè)量范圍完全可以控制在10m左右的范圍內(nèi)，因此選用TCA2003可以滿足測(cè)量的需要。

在全站儀工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)中除了選用TCA2003作為數(shù)據(jù)采集單元，還需要數(shù)據(jù)處理單元。因?yàn)镸etroIn系統(tǒng)可以進(jìn)行設(shè)備聯(lián)機(jī)、數(shù)據(jù)管理及編輯、坐標(biāo)系的生成與轉(zhuǎn)換、測(cè)量數(shù)據(jù)分析與計(jì)算，其中測(cè)量數(shù)據(jù)分析與計(jì)算功能可以依據(jù)坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行各種點(diǎn)、線、面的分析計(jì)算[2]，所以選擇MetroIn系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)處理單元。在使用時(shí)將MetroIn系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)線直接與TCA2003進(jìn)行連接，如圖1所示。

圖1 全站儀工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)閘門(mén)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

1.2 測(cè)量過(guò)程與方法

針對(duì)表1中的各個(gè)項(xiàng)目，包含了所要測(cè)量的內(nèi)容，這其中有對(duì)左右支鉸、左右側(cè)止水板、底檻以及閘門(mén)面板的測(cè)量。以下將詳細(xì)敘述對(duì)閘門(mén)各個(gè)部位的測(cè)量。

在進(jìn)行測(cè)量之前首先要選擇合適的位置架設(shè)儀器，盡量保證在一個(gè)測(cè)站上能夠觀測(cè)到閘門(mén)的各個(gè)部位，一般架設(shè)在孔口下游的中間部位。觀測(cè)位置確定以后就要在閘門(mén)的各個(gè)部位上進(jìn)行布點(diǎn)，這里規(guī)定以面向下游的方向區(qū)分左右，圖1中全站儀便位于孔口下游的方向上。

圖2 支鉸布點(diǎn)圖

對(duì)于左右支鉸將4個(gè)或4個(gè)以上的磁吸式反射片標(biāo)志等間距地布置在支鉸軸端面的圓周上，如圖2所示。因?yàn)橹сq的中心人工難以確定，所以只能通過(guò)測(cè)量鉸軸端面的圓周，通過(guò)圓形擬合得到支鉸中心。側(cè)止水板的布點(diǎn)情況如圖3所示，在側(cè)止水板邊緣上布點(diǎn)是為了獲得側(cè)止水板中心線的曲率半徑，在側(cè)止水板面上布點(diǎn)是為了獲得側(cè)止水板的平面度同時(shí)也可獲得側(cè)止水板距孔口中心的距離。在底檻下游邊緣上布點(diǎn)可以獲得表1中第4、5項(xiàng)的內(nèi)容，其布點(diǎn)情況如圖4所示。最后為了獲得表1中項(xiàng)目8的內(nèi)容，需要在閘門(mén)面板的左右側(cè)分別布置一個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

圖3 側(cè)止水板布點(diǎn)圖

圖4 底檻布點(diǎn)圖

布點(diǎn)完成之后便可以開(kāi)始測(cè)量，由于支鉸部位安裝的好壞對(duì)整個(gè)閘門(mén)的整體安裝有很大影響，所以在對(duì)支鉸進(jìn)行測(cè)量時(shí)采用左右盤(pán)雙面觀測(cè)。

2 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

2.1 數(shù)據(jù)處理

經(jīng)過(guò)測(cè)量之后獲得的只是每個(gè)點(diǎn)在全站儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，如何由這些坐標(biāo)得到最終表1中的各個(gè)項(xiàng)目，需要對(duì)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理。

1)對(duì)左支鉸上測(cè)量的點(diǎn)進(jìn)行擬合獲得左支鉸軸端面的圓心坐標(biāo)A，然后通過(guò)坐標(biāo)系變換將測(cè)量坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到以A為原點(diǎn)、以擬合圓的法線為Z軸的圓形坐標(biāo)系中。在變換后的點(diǎn)集中增加一點(diǎn)O1使其X、Y坐標(biāo)分別為0，Z坐標(biāo)的絕對(duì)值為支鉸長(zhǎng)度的一半加上測(cè)量標(biāo)志的長(zhǎng)度。此時(shí)觀察右支鉸測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)的Z值，如果Z坐標(biāo)為負(fù)，則O1點(diǎn)Z坐標(biāo)為正，反之亦然。最終確定的O1點(diǎn)即為左支鉸的中心坐標(biāo)。同理確定右支鉸的中心坐標(biāo)記為O2。

2)根據(jù)O1、O2坐標(biāo)求得左右支鉸中心連線的中點(diǎn)O，并通過(guò)O1、O2擬合支鉸軸線Lo。

3)任取左側(cè)止水板上的一點(diǎn)同時(shí)在右側(cè)止水板上任取一點(diǎn)，求這兩點(diǎn)連線的中點(diǎn)P。

4)在測(cè)量坐標(biāo)系下，在測(cè)量的點(diǎn)集內(nèi)增加一點(diǎn)Oz，使得Oz的X、Y坐標(biāo)和O點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)相同，Oz的Z坐標(biāo)可取比O點(diǎn)Z坐標(biāo)任意大的一個(gè)值。

2.2 結(jié)果分析

在建立的軸對(duì)準(zhǔn)坐標(biāo)系中，如圖5所示，原點(diǎn)O正好位于孔口中心線的垂面內(nèi)，X軸同樣也位于孔口中心的垂面內(nèi)并指向下游方向。這樣建立的軸對(duì)準(zhǔn)坐標(biāo)系為閘門(mén)檢測(cè)結(jié)果分析帶來(lái)很大方便。

圖5 軸對(duì)準(zhǔn)坐標(biāo)系

1)在軸對(duì)準(zhǔn)坐標(biāo)系內(nèi)O1、O2的Y坐標(biāo)絕對(duì)值就反映了支鉸中心到孔口中心的距離。

2)O1、O2的X、Z坐標(biāo)分別反映了支鉸中心里程方向的偏差和高程方向的偏差。

3)底檻上測(cè)量點(diǎn)的X、Z坐標(biāo)反映了底檻至支鉸軸的里程和高程。

4)側(cè)止水板上測(cè)量點(diǎn)的Y坐標(biāo)絕對(duì)值反映了側(cè)止水板至孔口中心的距離。

5)側(cè)止水板中心線曲率半徑通過(guò)計(jì)算側(cè)止水板下游邊緣上的測(cè)量點(diǎn)到Lo的距離獲得。

6)支鉸中心至弧門(mén)面板外緣的半徑通過(guò)計(jì)算面板上的測(cè)量點(diǎn)到Lo的距離獲得。

需要注意的是在計(jì)算底檻至支鉸軸的里程和高程、側(cè)止水板至孔口中心的距離、側(cè)止水板中心線曲率半徑、支鉸中心至弧門(mén)面板外緣的半徑時(shí)，要考慮測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)的長(zhǎng)度、半徑以及底檻的寬度、側(cè)止水板的寬度、面板的厚度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

以下以趙家渠1號(hào)控制閘門(mén)為例來(lái)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析說(shuō)明，其設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)參數(shù) 單位：mm

按照上述的數(shù)據(jù)處理方法獲得最終軸對(duì)準(zhǔn)坐標(biāo)系中的支鉸中心O1、O2的坐標(biāo)以及各個(gè)測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)。其中O1、O2的坐標(biāo)分別是(0.761，3079.948，2.377)、(-0.761，-3079.948，-2.377)，其他測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)不再一一列舉。如果閘門(mén)的安裝準(zhǔn)確無(wú)誤且忽略測(cè)量誤差，則O1、O2的X、Z坐標(biāo)應(yīng)該為0，Y坐標(biāo)為支鉸中心至孔口中心距離的設(shè)計(jì)值，但此時(shí)O1、O2的坐標(biāo)并未出現(xiàn)上述情況，說(shuō)明閘門(mén)安裝存在偏差，其坐標(biāo)正好反映出安裝的偏差。至于其他測(cè)量點(diǎn)也可從坐標(biāo)上直接或間接反映出閘門(mén)安裝偏差。趙家渠1號(hào)閘門(mén)檢測(cè)的部分主要結(jié)果如表3所示，結(jié)合表1和表3便可知閘門(mén)的各個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目是否合格。

3 結(jié)論

高精度全站儀工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)在閘門(mén)檢測(cè)中的應(yīng)用使得以往傳統(tǒng)的檢測(cè)方法得到簡(jiǎn)化，在保證檢測(cè)質(zhì)量的情況下，提高了檢測(cè)效率。文中對(duì)以TCA2003和MetroIn系統(tǒng)組成的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，說(shuō)明了其運(yùn)用于閘門(mén)檢測(cè)中的過(guò)程和結(jié)果。另外這種檢測(cè)方法具有普適性，還可以運(yùn)用到與南水北調(diào)閘門(mén)類似的閘門(mén)檢測(cè)中。

表3 趙家渠1號(hào)閘門(mén)檢測(cè)的部分主要結(jié)果 單位：mm

注：里程偏差以下游方向?yàn)檎?，高程偏差以向上為?/p>

[1] 《中國(guó)電力百科全書(shū)》編輯委員會(huì).中國(guó)電力百科全書(shū)(水利發(fā)電卷)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2001

[2] 黃桂平，毋新房.經(jīng)緯儀大尺寸三坐標(biāo)的量系統(tǒng)MetroIn用于長(zhǎng)河閘門(mén)檢測(cè)的安裝與檢測(cè)[J].計(jì)量技術(shù)，2002(10)

[3] 毋新房.用三坐標(biāo)系統(tǒng)測(cè)量弧形閘門(mén)支鉸的同軸度和傾斜度[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2000(6)

[4] 劉祥發(fā)，楊涵，張俊華.高精度閘門(mén)檢測(cè)方案的研究與實(shí)施[J].地理空間信息，2013(4)

[5] 黃桂平，李廣云.TC2002極坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際精度分析[C].鄭州:98測(cè)繪儀器專業(yè)委員會(huì)會(huì)議論文集，1998

[6] 李宗春，李廣云，范生宏，等.全站儀近距離測(cè)距精度檢驗(yàn)方法的探討[J].測(cè)繪信息與工程，2002(4)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.05.07