李明慈 黃桂平 李東明 馬開鋒

(1.北京建筑大學，北京100044；2.華北水利水電大學， 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)測量系統(tǒng)在南水北調(diào)閘門檢測中的應用

李明慈1黃桂平2李東明3馬開鋒2

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

針對南水北調(diào)閘門檢測的規(guī)范要求以及現(xiàn)場條件，提出采用全站儀工業(yè)測量系統(tǒng)來檢測閘門的安裝質(zhì)量，論述了閘門的檢測方案、測量過程及數(shù)據(jù)處理方法；并以南水北調(diào)趙家渠1號控制閘為例對其測量結(jié)果進行了分析，驗證了全站儀工業(yè)測量系統(tǒng)用于南水北調(diào)閘門檢測的可行性，較傳統(tǒng)的雙經(jīng)緯儀測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)測量系統(tǒng)；南水北調(diào)；閘門檢測；軸對準坐標系

0 引言

閘門是設置在水工建筑物過水孔口上，用以控制水流的設備[1]。它具有在動水或靜水中進行啟閉操作、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)中線通水后各個閘門能夠正常工作，確保對沿線各大城市和地區(qū)的用水調(diào)度，有必要對其沿線各處的閘門進行檢測。

在以往的閘門檢測中使用的方法主要是利用經(jīng)緯儀三坐標測量系統(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)時間長，給外業(yè)測量帶來不便。鑒于目前以TDA5005、TCA2003和TS30為代表的高精度全站儀的出現(xiàn)，使得上述的檢測方法得以改變。本文就高精度全站儀工業(yè)測量系統(tǒng)在閘門檢測中的應用進行說明并詳細敘述測量和數(shù)據(jù)處理的過程。

1 閘門檢測的實施

1.1 檢測依據(jù)與測量系統(tǒng)

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

表1 弧形閘門檢測的極限偏差 單位：mm

從表1中可以看出最小的極限偏差為±1.5mm，根據(jù)工程測量誤差分配1/3原則，測量時的點位精度必須達到±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，高精度全站儀TCA2003的點位精度可以達到±(0.3～0.5)mm[5-6]，同時結(jié)合現(xiàn)場的實際情況測量范圍完全可以控制在10m左右的范圍內(nèi)，因此選用TCA2003可以滿足測量的需要。

在全站儀工業(yè)測量系統(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。因為MetroIn系統(tǒng)可以進行設備聯(lián)機、數(shù)據(jù)管理及編輯、坐標系的生成與轉(zhuǎn)換、測量數(shù)據(jù)分析與計算，其中測量數(shù)據(jù)分析與計算功能可以依據(jù)坐標測量結(jié)果進行各種點、線、面的分析計算[2]，所以選擇MetroIn系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)處理單元。在使用時將MetroIn系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)線直接與TCA2003進行連接，如圖1所示。

圖1 全站儀工業(yè)測量系統(tǒng)閘門檢測現(xiàn)場

1.2 測量過程與方法

針對表1中的各個項目，包含了所要測量的內(nèi)容，這其中有對左右支鉸、左右側(cè)止水板、底檻以及閘門面板的測量。以下將詳細敘述對閘門各個部位的測量。

在進行測量之前首先要選擇合適的位置架設儀器，盡量保證在一個測站上能夠觀測到閘門的各個部位，一般架設在孔口下游的中間部位。觀測位置確定以后就要在閘門的各個部位上進行布點，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 支鉸布點圖

對于左右支鉸將4個或4個以上的磁吸式反射片標志等間距地布置在支鉸軸端面的圓周上，如圖2所示。因為支鉸的中心人工難以確定，所以只能通過測量鉸軸端面的圓周，通過圓形擬合得到支鉸中心。側(cè)止水板的布點情況如圖3所示，在側(cè)止水板邊緣上布點是為了獲得側(cè)止水板中心線的曲率半徑，在側(cè)止水板面上布點是為了獲得側(cè)止水板的平面度同時也可獲得側(cè)止水板距孔口中心的距離。在底檻下游邊緣上布點可以獲得表1中第4、5項的內(nèi)容，其布點情況如圖4所示。最后為了獲得表1中項目8的內(nèi)容，需要在閘門面板的左右側(cè)分別布置一個測量點。

圖3 側(cè)止水板布點圖

圖4 底檻布點圖

布點完成之后便可以開始測量，由于支鉸部位安裝的好壞對整個閘門的整體安裝有很大影響，所以在對支鉸進行測量時采用左右盤雙面觀測。

2 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

2.1 數(shù)據(jù)處理

經(jīng)過測量之后獲得的只是每個點在全站儀坐標系下的坐標，如何由這些坐標得到最終表1中的各個項目，需要對數(shù)據(jù)做進一步處理。

1)對左支鉸上測量的點進行擬合獲得左支鉸軸端面的圓心坐標A，然后通過坐標系變換將測量坐標系轉(zhuǎn)換到以A為原點、以擬合圓的法線為Z軸的圓形坐標系中。在變換后的點集中增加一點O1使其X、Y坐標分別為0，Z坐標的絕對值為支鉸長度的一半加上測量標志的長度。此時觀察右支鉸測量點坐標的Z值，如果Z坐標為負，則O1點Z坐標為正，反之亦然。最終確定的O1點即為左支鉸的中心坐標。同理確定右支鉸的中心坐標記為O2。

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

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

4)在測量坐標系下，在測量的點集內(nèi)增加一點Oz，使得Oz的X、Y坐標和O點的X、Y坐標相同，Oz的Z坐標可取比O點Z坐標任意大的一個值。

2.2 結(jié)果分析

在建立的軸對準坐標系中，如圖5所示，原點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。這樣建立的軸對準坐標系為閘門檢測結(jié)果分析帶來很大方便。

圖5 軸對準坐標系

1)在軸對準坐標系內(nèi)O1、O2的Y坐標絕對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)底檻上測量點的X、Z坐標反映了底檻至支鉸軸的里程和高程。

4)側(cè)止水板上測量點的Y坐標絕對值反映了側(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計算側(cè)止水板下游邊緣上的測量點到Lo的距離獲得。

6)支鉸中心至弧門面板外緣的半徑通過計算面板上的測量點到Lo的距離獲得。

需要注意的是在計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、支鉸中心至弧門面板外緣的半徑時，要考慮測量標志點的長度、半徑以及底檻的寬度、側(cè)止水板的寬度、面板的厚度對計算結(jié)果的影響。

以下以趙家渠1號控制閘門為例來對檢測結(jié)果進行分析說明，其設計參數(shù)如表2所示。

表2 設計參數(shù) 單位：mm

按照上述的數(shù)據(jù)處理方法獲得最終軸對準坐標系中的支鉸中心O1、O2的坐標以及各個測量點坐標。其中O1、O2的坐標分別是(0.761，3079.948，2.377)、(-0.761，-3079.948，-2.377)，其他測量點坐標不再一一列舉。如果閘門的安裝準確無誤且忽略測量誤差，則O1、O2的X、Z坐標應該為0，Y坐標為支鉸中心至孔口中心距離的設計值，但此時O1、O2的坐標并未出現(xiàn)上述情況，說明閘門安裝存在偏差，其坐標正好反映出安裝的偏差。至于其他測量點也可從坐標上直接或間接反映出閘門安裝偏差。趙家渠1號閘門檢測的部分主要結(jié)果如表3所示，結(jié)合表1和表3便可知閘門的各個檢測項目是否合格。

3 結(jié)論

高精度全站儀工業(yè)測量系統(tǒng)在閘門檢測中的應用使得以往傳統(tǒng)的檢測方法得到簡化，在保證檢測質(zhì)量的情況下，提高了檢測效率。文中對以TCA2003和MetroIn系統(tǒng)組成的測量系統(tǒng)進行了介紹，說明了其運用于閘門檢測中的過程和結(jié)果。另外這種檢測方法具有普適性，還可以運用到與南水北調(diào)閘門類似的閘門檢測中。

表3 趙家渠1號閘門檢測的部分主要結(jié)果 單位：mm

注：里程偏差以下游方向為正，高程偏差以向上為正

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

[2] 黃桂平，毋新房.經(jīng)緯儀大尺寸三坐標的量系統(tǒng)MetroIn用于長河閘門檢測的安裝與檢測[J].計量技術(shù)，2002(10)

[3] 毋新房.用三坐標系統(tǒng)測量弧形閘門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.高精度閘門檢測方案的研究與實施[J].地理空間信息，2013(4)

[5] 黃桂平，李廣云.TC2002極坐標測量系統(tǒng)的實際精度分析[C].鄭州:98測繪儀器專業(yè)委員會會議論文集，1998

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

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.05.07