李進(jìn)東,韓 毅,金曉宇,楊 帆,韓 寧

(1. 江蘇省水利科學(xué)研究院,南京 210017;2. 江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處,江蘇 宿遷 223800;3. 揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225009)

0 引 言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展以及智慧城市、智慧水利等概念的出現(xiàn),對(duì)三維空間信息的需求更為迫切,對(duì)工程測(cè)量精度的要求也越來(lái)越高。 三維激光掃描技術(shù)是一種非接觸式的自動(dòng)測(cè)量方法,具有實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、高精度、高密度等特點(diǎn)[1]。 三維激光掃描頭可以在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射幾十萬(wàn)甚至幾百萬(wàn)的點(diǎn),以點(diǎn)云的形式表達(dá)三維空間的幾何形態(tài),同時(shí)還可以采集高分辨像片,形成物體的三維正射影像,再現(xiàn)物體的真實(shí)三維形態(tài),在工程測(cè)繪、城市規(guī)劃、水利建設(shè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2-4]。

目前,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者通過(guò)三維激光掃描技術(shù)對(duì)水利工程領(lǐng)域進(jìn)行了研究。 江木春等[5]利用三維激光掃描技術(shù),獲得航道沿線水上物外觀高精度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),為航道擴(kuò)能升級(jí)設(shè)計(jì)提供了精細(xì)地形圖。 張力元等[6]采用三維激光掃描數(shù)字化河床沖淤平衡后的地形模擬水流流場(chǎng),分析了地形精度對(duì)縱向時(shí)均流速、斷面流場(chǎng)、水深平均流速及河床切應(yīng)力的影響。 ?muleac Adrian等[7]將三維掃描技術(shù)應(yīng)用于大壩建設(shè),利用Inertial Explorer 程序?qū)呙韬蟮狞c(diǎn)云進(jìn)行了處理,便于對(duì)水資源現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)估和分析。 通過(guò)前人的研究可以發(fā)現(xiàn),利用三維激光掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù),已經(jīng)成為水利工程監(jiān)測(cè)和分析的重要手段。

本文以泗陽(yáng)二站肘形進(jìn)水流道作為研究對(duì)象,基于三維激光掃描技術(shù)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù),對(duì)施工改造后的進(jìn)水流道曲面形狀尺寸與設(shè)計(jì)值的偏差進(jìn)行檢測(cè),以期為泗陽(yáng)二站的平穩(wěn)運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

1 工程背景

泗陽(yáng)二站位于江蘇省泗陽(yáng)縣城東郊,是江水北調(diào)第四梯級(jí)泵站、淮水北調(diào)第一梯級(jí)泵站,具有供水、灌溉、航運(yùn)補(bǔ)水、擋洪等綜合功能。 該站原設(shè)計(jì)調(diào)水流量66 m3/s,總裝機(jī)容量5 600kW,裝設(shè)2 臺(tái)液壓全調(diào)節(jié)軸流泵,單機(jī)設(shè)計(jì)流量33m3/s,配套2 臺(tái)立式同步電動(dòng)機(jī)。 泗陽(yáng)二站建成于1996 年,經(jīng)過(guò)20 多年的運(yùn)行,現(xiàn)狀機(jī)電設(shè)備嚴(yán)重老化,泵站運(yùn)行可靠性差、效率低,2015 年經(jīng)安全鑒定為三類泵站。 為消除工程安全隱患,提高泵站運(yùn)行效率,保障江水北調(diào)和淮水北調(diào)安全送水,泗陽(yáng)二站實(shí)施了加固改造工程。

泗陽(yáng)二站1 號(hào)、2 號(hào)機(jī)組進(jìn)水流道改造前,存在的問(wèn)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(xiàn)狀形狀尺寸存在缺陷,易使流道內(nèi)水流產(chǎn)生漩渦。 流道改造工程通過(guò)對(duì)其進(jìn)行形狀和尺寸改造,使接近水泵葉輪進(jìn)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(yùn)行效率,消除安全隱患。 為掌握改造施工完成后流道的實(shí)際曲面形狀、尺寸與設(shè)計(jì)值的偏差情況,擬對(duì)泗陽(yáng)二站改造施工后進(jìn)水流道的形狀尺寸進(jìn)行三維激光掃描檢測(cè)。

肘形進(jìn)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(jiàn)圖1。 主要控制參數(shù)有水泵葉輪中心高度Hw、喉管高度Hk、流道寬度Bj、彎管段長(zhǎng)度Xw、流道長(zhǎng)度XL。 由于肘形進(jìn)水流道結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且環(huán)環(huán)相扣,任一結(jié)構(gòu)特別是肘形彎管段附近結(jié)構(gòu)施工后形狀、尺寸,與設(shè)計(jì)的形狀、尺寸的偏差值過(guò)大,會(huì)直接影響后期水泵運(yùn)行效率。 因此,精確掌握進(jìn)水流道尺寸對(duì)泵站的安全運(yùn)行尤為重要。

圖1 肘形進(jìn)水流道示意圖

2 測(cè)量設(shè)備及方法

2.1 測(cè)量設(shè)備

進(jìn)水流道加固改造施工后三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)的獲取采用FARO Focus S350 三維激光掃描儀[10-11]進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,其擁有較小的尺寸、超輕的重量和更遠(yuǎn)的掃描距離,即使在惡劣環(huán)境、狹窄的工作現(xiàn)場(chǎng)、滿是灰塵或潮濕的區(qū)域、雨中或陽(yáng)光直射條件下,也能獲取掃描結(jié)果。 FARO Focus S350 三維激光掃描儀見(jiàn)圖2,主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 FARO S350 三維激光掃描儀主要性能指標(biāo)

圖2 FARO S350 三維激光掃描儀

2.2 測(cè)量流程

1)現(xiàn)場(chǎng)踏勘。 對(duì)進(jìn)水流道的現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行踏勘,根據(jù)踏勘后的現(xiàn)場(chǎng)情況合理布設(shè)測(cè)站點(diǎn)位置,以確保三維激光掃描儀可采集到完整流道曲面數(shù)據(jù),避免關(guān)鍵部位的數(shù)據(jù)缺失。 對(duì)于空間相對(duì)復(fù)雜、通視條件差的位置,根據(jù)實(shí)地情況進(jìn)行測(cè)站點(diǎn)加密,保證空間結(jié)構(gòu)幾何曲面的完整性。

2)數(shù)據(jù)獲取。 對(duì)踏勘布設(shè)的測(cè)站點(diǎn)按序編號(hào),依序架設(shè)三維激光掃描儀進(jìn)行施測(cè),且需保證測(cè)站間掃描范圍重疊度大于50%,以保證測(cè)站間三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)精度。

3)數(shù)據(jù)處理。 ① 數(shù)據(jù)預(yù)處理：流道三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)掃描完成后,將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入SCENE 軟件,進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理,剔除原始點(diǎn)云中的噪點(diǎn)及粗差點(diǎn)。 ② 數(shù)據(jù)拼接匹配：通過(guò)SCENE 軟件,將不同測(cè)站位置獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)配準(zhǔn),獲取完整的流道三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)[12-13]。

4)模型的建立。 選擇合適的算法,通過(guò)自動(dòng)化的軟件平臺(tái)Geomagic,直接對(duì)實(shí)體進(jìn)行自動(dòng)建模。

5)橫斷面施工尺寸與設(shè)計(jì)尺寸的對(duì)比分析。對(duì)進(jìn)水流道水平收縮段,以中隔墩中軸線為對(duì)齊基準(zhǔn)套比模型曲面和設(shè)計(jì)曲面,對(duì)相同位置截取的實(shí)測(cè)橫斷面與設(shè)計(jì)橫斷面進(jìn)行偏差對(duì)比分析;對(duì)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(duì)齊基準(zhǔn)套比模型曲面和設(shè)計(jì)曲面,對(duì)相同位置截取的實(shí)測(cè)橫斷面的流道截面曲線與設(shè)計(jì)曲線橫斷面以中隔墩中軸線為對(duì)齊基準(zhǔn)進(jìn)行偏差對(duì)比分析。

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 水平收縮段

將過(guò)中隔墩中軸線的XY 平面上的流道單線圖疊加至重構(gòu)的流道三維模型對(duì)應(yīng)位置,疊加方法為N點(diǎn)對(duì)齊方式,對(duì)齊點(diǎn)為肘形彎管段頂板與XY 平面相交處特征點(diǎn),見(jiàn)圖3。

圖3 流道點(diǎn)云模型與優(yōu)化設(shè)計(jì)斷面對(duì)應(yīng)位置圖

圖形疊加后,在水平收縮段各設(shè)計(jì)斷面線對(duì)應(yīng)位置與XY 平面垂直方向上截取一個(gè)三維對(duì)象的二維輪廓線,即為各設(shè)計(jì)斷面處施工后流道橫截面圖見(jiàn)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(dǎo)入CASS 成圖系統(tǒng)[14-15]中,并以各截面位置上的中隔墩斷面線為對(duì)齊基準(zhǔn),將其與對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)流道斷面套比進(jìn)行尺寸偏差分析。 施工后,斷面曲線位于設(shè)計(jì)斷面曲線外部時(shí),偏差值為正值;位于設(shè)計(jì)斷面曲線內(nèi)部時(shí),偏差值為負(fù)值。

2.3.2 肘形彎管段

肘形彎管段的流道斷面曲線與設(shè)計(jì)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(jiàn)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(jiàn)圖5。 將截取后的各斷面二維輪廓線導(dǎo)入CASS 成圖系統(tǒng)中,將其與對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)斷面圖進(jìn)行套比分析。 施工后,斷面曲線位于設(shè)計(jì)斷面曲線外部時(shí),偏差值為正值;位于設(shè)計(jì)斷面曲線內(nèi)部時(shí),偏差值為負(fù)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(jù)流道內(nèi)壁點(diǎn)云集內(nèi)各點(diǎn)的坐標(biāo),擬合出一個(gè)空間平面,計(jì)算點(diǎn)集內(nèi)各點(diǎn)相對(duì)于所擬合的空間平面的偏差,從而可判斷流道內(nèi)壁表面區(qū)域的平整度情況。

3 結(jié)果與分析

由于流道內(nèi)部分施工腳手架未完全拆除且積水較深,現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)條件受到一定程度限制,部分?jǐn)?shù)據(jù)未采集完整,導(dǎo)致流道截面曲線不是一個(gè)完整閉合曲線。 該進(jìn)水流道改造工程,不同斷面優(yōu)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(cè)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(qū)間內(nèi)為主要改造范圍,其尺寸改造程度較大。 在改造程度較大區(qū)域,重點(diǎn)對(duì)水平收縮段斷面8-8、肘形彎管段斷面12-12 進(jìn)行偏差分析。

3.1 水平收縮段斷面尺寸

經(jīng)過(guò)對(duì)1 號(hào)、2 號(hào)機(jī)組進(jìn)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(nèi)。 設(shè)計(jì)斷面8-8 改造程度較大、尺寸偏差也相對(duì)較大,各斷面檢測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖6(a)、具體偏差值見(jiàn)圖7(a)。

圖6 斷面檢測(cè)點(diǎn)示意圖

圖7 斷面檢測(cè)點(diǎn)偏差值

其中,1 號(hào)流道橫斷面8-8 位置,中隔墩左側(cè)流道改造面與設(shè)計(jì)面最大偏差值-18mm,中隔墩右側(cè)流道改造面與設(shè)計(jì)面最大偏差值11mm。2 號(hào)流道橫斷面8-8 位置,中隔墩左側(cè)流道改造面與設(shè)計(jì)面最大偏差值8mm,中隔墩右側(cè)流道改造面與設(shè)計(jì)面最大偏差值11mm。

3.2 肘形彎管段斷面尺寸

經(jīng)過(guò)對(duì)1 號(hào)、2 號(hào)機(jī)組進(jìn)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(nèi)。 設(shè)計(jì)斷面12-12 改造程度較大、尺寸偏差也相對(duì)較大,各斷面檢測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖6(b)、具體偏差值見(jiàn)圖7(b)。

其中,1 號(hào)流道橫斷面12-12 位置,X 軸左側(cè)流道改造面與設(shè)計(jì)面最大偏差值-6 mm,X 軸右側(cè)流道改造面與設(shè)計(jì)面最大偏差值10 mm。 2 號(hào)流道橫斷面12-12 位置,X 軸左側(cè)流道改造面與設(shè)計(jì)面最大偏差值12 mm,X 軸右側(cè)流道改造面與設(shè)計(jì)面最大偏差值15 mm。

3.3 曲面平整度

根據(jù)1 號(hào)、2 號(hào)機(jī)組進(jìn)水流道獲取的內(nèi)表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合出空間平面,計(jì)算點(diǎn)集內(nèi)各點(diǎn)相對(duì)于所擬合空間曲面偏差值,并依據(jù)各點(diǎn)的偏差值編輯偏差色譜,見(jiàn)圖8。 由圖8 可知,1 號(hào)、2 號(hào)流道內(nèi)壁墻面點(diǎn)至擬合曲面的距離總體在-1. 4～1.4mm 區(qū)間范圍內(nèi),只有肘形彎管段頂板面附近局部區(qū)域,偏差達(dá)到±5.4mm 左右。

圖8 進(jìn)水流道曲面偏差色譜

結(jié)果顯示,在改造施工區(qū)域范圍內(nèi),肘形進(jìn)水流道內(nèi)壁表面的平整度偏差總體在±1.4mm 范圍內(nèi);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(nèi);改造程度較大的控制斷面施工完成后的尺寸偏差相對(duì)較大,尺寸偏差值均在±20mm 范圍內(nèi);施工后,流道掃描斷面的高度、寬度與設(shè)計(jì)值的最大偏差均在±10mm 范圍內(nèi)。

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(duì)較大,與設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)值的偏差值符合規(guī)范要求,流道內(nèi)壁表面平整度總體符合規(guī)范要求。 因此,可認(rèn)為泗陽(yáng)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(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 論

為了分析泗陽(yáng)二站改造施工完成后流道的實(shí)際曲面形狀、尺寸與設(shè)計(jì)值的偏差情況,基于三維激光掃描技術(shù),對(duì)泗陽(yáng)二站改造施工后肘形進(jìn)水流道的形狀尺寸進(jìn)行檢測(cè)。 結(jié)論如下：

1)采用激光掃描技術(shù)對(duì)水工建筑物的形狀、尺寸進(jìn)行檢測(cè)切實(shí)可行,該技術(shù)能夠快速獲取目標(biāo)的表面特征,減少測(cè)繪工作量,縮短檢測(cè)周期,快速獲得目標(biāo)尺寸。

2)在改造施工區(qū)域范圍內(nèi)的肘形進(jìn)水流道內(nèi)壁表面的平整度偏差總體在±1.4mm 范圍內(nèi),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(nèi);改造程度較大的控制斷面施工完成后的尺寸偏差相對(duì)較大,尺寸偏差值均在±20mm 范圍內(nèi);泗陽(yáng)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(shè)計(jì)要求。