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高壩通航垂直升船機精密安裝測量技術研究

盛旭軍1李東明2吳小云3

(1.水利部綜合事業(yè)局,北京100058；

2.水利部水工金屬結構質量檢驗測試中心,河南 鄭州450044；

3.中國長江三峽集團公司,湖北 宜昌443133)

【摘要】高壩通航垂直升船機具有提升高度大、安裝高差大、施工安裝精度高、工藝復雜、無同類經驗可借鑒等特點。本文以三峽升船機為例，根據對垂直升船機機理的研究，通過模型設計、模擬實驗和試算、精密平差、測量實踐與驗證等手段，進行了高壩垂直升船機精密安裝測量技術的研究，其成果成功應用于工程實踐，達到了預期的效果，并具有較強的推廣意義。

【關鍵詞】高壩通航；垂直升船機；微型控制網；投點張線法

高壩通航垂直升船機具有提升高度大、安裝高差大、施工安裝精度高、工藝復雜、無同類經驗可借鑒等特點。高壩通航垂直升船機的安裝精度高，需要先進的精密測量技術作為支撐，目前國際上高精密測量技術發(fā)展迅速，以美國和德國兩家公司為代表的激光跟蹤測試技術，其先進代表儀器的測量精度均在微米級別；目前通行的數(shù)字工業(yè)攝影測量系統(tǒng)的測量精度在10m范圍內可優(yōu)于0.1mm；另外還有高精度全站儀測量系統(tǒng)、激光測量臂系統(tǒng)等，其測量精度都可優(yōu)于1mm以內。但由于高壩通航垂直升船機施工現(xiàn)場條件的限制、施工環(huán)境的影響，高精度的測量儀器設備受施工部位狹小或施工物遮擋等影響或測量精度降低，或無法觀測，并且大落差高壩通航垂直升船機無現(xiàn)有精密安裝測量經驗可借鑒，由于安裝技術難度較大，需根據垂直升船機的機理，進行針對特殊安裝對象的精密測量技術研究，研究的成果旨在用于指導升船機工程的施工與設備安裝，保障安裝的高精度，其主要創(chuàng)新點有：?建立了基于激光干涉測距技術的垂直升船機設備安裝微型控制網，以國際上先進的激光干涉測距儀器為基礎，設計研究垂直升船機微型網的數(shù)學模型，并通過模擬實驗、數(shù)學模擬計算和嚴密平差，得出研究成果，直接用于升船機區(qū)域微型網的布設，保證設備的安裝基準精度；?為保證大落差安裝范圍內垂直升船機垂直方向的安裝精度，研制發(fā)明投點張線工裝，解決了升船機設備安裝受環(huán)境溫度和風力等影響大幅變形擺幅精度控制的難題，提高了工作效率，具有極強的推廣意義；?基于升船機螺母柱等設備安裝空間狹小的特點，進行針對工業(yè)近景數(shù)字攝影測量系統(tǒng)的二次開發(fā)，建立了多長度基準模型，保障了螺母柱等設備的安裝精度。

1概述

升船機是指用機械方式升降船舶的一種通航建筑物，通過克服航道水位落差，將船舶從一水位河段運送至另一水位河段。升船機按照船廂運行的路線，分為垂直式和斜面式，垂直升船機又分為平衡重式、浮筒式和水壓式。中國現(xiàn)有升船機60多座，主要分布于湖北、湖南、四川、云南和浙江等12個省，多為斜面式升船機，而垂直升船機則以三峽升船機和向家壩升船機著稱，其中三峽升船機是目前世界上最大的高壩通航垂直齒輪齒條爬升式全平衡重式升船機。三峽升船機施工前無類似施工安裝測量經驗可借鑒，其結構型式和規(guī)模都是嶄新的。根據其特點和重要性，進行了詳細的規(guī)劃和布置，從施工安裝測量關鍵技術的研究，到高精度測量技術方案的提出和論證，以及后期的施工測量、監(jiān)理和第三方檢測都進行了精密的部署，形成了一整套嚴密的質量控制體系。首先，是在建設初期針對三峽升船機精密測量的關鍵技術進行課題專項研究。其次，課題研究完成后，組織國內測量界專家分兩次對研究成果進行評估和驗收，均得到專家組的肯定，然后將課題研究報告提交施工安裝單位，根據研究報告，提出細化實施方案，針對不同施工環(huán)節(jié)的測量任務，提出具體的測量實施方案，經過會議討論評估，形成會議紀要后再行實施；關鍵設備的安裝初調、立模和固定等不同施工環(huán)節(jié)均由施工單位、監(jiān)理和第三方檢測單位分別測量無異議后進入下一環(huán)節(jié)的安裝。最后，通過變形監(jiān)測和階段性驗收來檢驗階段性的安裝成果。

2高壩通航垂直升船機精密安裝測量技術研究

2.1　高精度專用控制網設計研究

測量控制網是整個施工場地的平面和高程基準，是升船機各部位土建施工、一期埋件安裝、竣工測量和各階段變形測量的依據；三峽升船機技術難度高，施工質量要求高，對控制網的測量精度要求高。升船機施工區(qū)域的原有控制網點不能滿足升船機施工的精度和密度要求，需要依據實際施工的要求，建立升船機專用控制網。同樣，向家壩升船機在建設初期對專用控制網進行了設計研究，因施工環(huán)境、基巖條件的不同，對控制網的設計思路和布設方式也不同。三峽升船機采取“分級布網、逐級控制”的方式，根據施工工況和施工進度，分別建立了GPS首級網、全站儀加密網和安裝微型網，因升船機齒條和螺母柱設備安裝精度的需要，研究還提出了基于激光干涉測距六自由度模型的三峽升船機微型控制網，通過實驗和實踐進行了強有力的驗證和實施；向家壩升船機由于地勢開闊等現(xiàn)場條件的不同，升船機船廂室段為保證升船機整體的相對精度，提出了基于“一點一方向法”的局域控制網布設方案。

2.2　“投點張線法”模型設計

傳統(tǒng)的超高建筑垂直方向的測量偏差控制主要是通過正垂線或倒垂線的方式進行，因為一般情況下超高建筑混凝土垂直度要求在2～3cm左右，有的甚至更大。三峽升船機齒條和螺母柱設備及埋件在全長(約113m)范圍內的垂直度限差要求優(yōu)于5mm，并且，三峽升船機塔柱易受到溫度、自重、荷載等引起的位移和變形。根據《長江三峽水利樞紐升船機總體設計報告》提供的數(shù)據，塔柱變形主要由自重、設備重、風荷載和溫度荷載作用引起，其中自重和設備重會導致結構的豎向變形，風荷載和溫度荷載會導致結構的水平變形。自重產生的最大豎向變形為10.5mm，風荷載產生的最大橫向變形為19.4mm，溫度荷載產生的最大橫向變形為62.2mm，并且，升船機施工高差大，二期埋件和三期設備與一期混凝土結構的貼合性緊密，簡單運用吊線錘設阻尼的辦法會帶來較大偏差，故傳統(tǒng)的吊掛重錘、放置油桶設阻尼的方法不適宜，因此提出“投點張線法”，如右圖所示，并根據需要研制發(fā)明控制測量點調整裝置和投點張線裝置。該技術的關鍵在于如何解決因受到混凝土結構收縮影響導致的變形較大的測設問題。研究發(fā)現(xiàn)，塔柱變形有著一定的規(guī)律，設計要求安裝測量與檢測均應在17℃無風條件下進行，這個要求基本難以實現(xiàn)，即使實現(xiàn)，效率也極低。如果將測量基準與塔柱結構捆綁為一個整體，則可以將塔柱自身變形的影響剔除，將極大地提高工作效率，節(jié)約施工時間和人力物力等勞動成本。

投點張線法模型設計示意圖

2.3　基于狹小空間多長度基準模型的攝影測量檢測技術研究

螺母柱設備在工廠內制作，出廠前一般采用三坐標測量機、激光跟蹤儀進行檢測，設備運抵工地安裝初調后，由于施工環(huán)境復雜，區(qū)域狹小，通視困難，無法采用激光跟蹤儀進行檢測，通過研究后決定采用攝影測量系統(tǒng)進行，但須針對現(xiàn)場情況進行研究，這里以某攝影測量系統(tǒng)的Inca3a相機為例。一般情況下，在合適的距離范圍內，采用攝影測量系統(tǒng)測量或檢測，運用一個基準尺和一套Inca3a相機即可完成測量，并可保證測量精度。當測量范圍較為狹窄，且待測物體又作狹長分布時，運用一套相機，采取一個長度基準時，待測對象的精度會隨著遠離基準尺而遞減，精度測量的結果呈現(xiàn)一個反梯形的狀態(tài)。課題組通過理論研究與分析測量試驗和精度估算發(fā)現(xiàn)，在被測對象的狹長范圍內如果設置β約束模型，增加β約束，則測量精度不易被降低。在對被測對象機理研究的基礎上，建立了β約束模型的線性化方程，并通過軟件模塊得以實現(xiàn)，針對具體的測量工況進行了測量限制測試并作了比對，得出結論：建立β約束對狹長對象進行攝影測量時，可以有效解決精度變形的問題；此研究有效解決了復雜工況下大型設備工地安裝高精度測量難題，具有開創(chuàng)性和借鑒性。三峽升船機螺母柱安裝現(xiàn)場呈狹長分布，課題組通過增加β約束模型進行測量計算，分別對螺母柱進行了預拼裝，按照安裝現(xiàn)場的空間狀態(tài)運用攝影測量進行了模擬檢測，又運用激光跟蹤儀系統(tǒng)進行了檢測。經比對發(fā)現(xiàn)，通過對攝影測量系統(tǒng)增加β約束模型，可更好地提供精度保證和滿足測量需求，效果呈現(xiàn)良好。向家壩升船機同樣采用該方法對首節(jié)螺母柱進行了安裝檢測，有效地提高了工作效率和準確度。

2.4　隱藏點精密測量輔助工裝設計研究

垂直升船機工程安裝測量的重點和難點為隱藏式埋件及設備的安裝測量定位，主要表現(xiàn)為以下幾點：?施工干擾大，測量精度要求高；?施工遮擋較多，通視條件差；?常規(guī)測量方法效率低下，精度低。隱藏桿套管測量工裝的發(fā)明，為解決大型設備及埋件安裝過程中幾何尺寸和形位公差的檢測提供了有效的解決手段和思路，適用于各類大型設備及埋件在通視困難時的測量，具有非常強的推廣價值。相對位置檢測工裝的研制，其創(chuàng)新點在于“相對關系控制”，該工裝極大地提高了工作效率，滿足了招標文件和設計上關于一期埋件相對位置關系指標的控制，節(jié)約了人力、物力和財力，節(jié)省了時間，保證了工期，經濟效益非常可觀。

3成果推廣與應用

該課題共獲得實用新型專利授權5項，分別是：“一種投點張線工裝”(201320399936.7)、“一種測量點放樣調整工裝”(201320399937.1)、“一種空心管隱藏桿測量定位工裝”(201320400187.5)、“一種套管相對測量位置工裝”(201320400239.9)、“一種曲線長度測量筆” (200820230429.X)。課題研究成果已成功應用于三峽升船機的施工測量控制中，結合該課題研究成果，根據現(xiàn)場施工、制造及安裝的要求，提出了細化方案，目前安裝的質量均滿足設計和相關標準要求，效果良好，并且已成功推廣到向家壩升船機施工及安裝測量中。

4結語

專用平面控制網的布設方案尤其是基于激光干涉測距的三峽升船機微型控制網在三峽升船機二期埋件和三期設備的安裝過程中，發(fā)揮了突出的作用，網形穩(wěn)定，精度可靠，目前所有二期埋件及齒條和螺母柱設備均通過了單元工程質量評定和驗收；三峽升船機齒條和螺母柱二期埋件和平衡重設備均已全部安裝完畢，通過對全高范圍內的垂直度測量結果來看，采用“投點張線法”進行測量，所有垂直度均在設計限差范圍之內。綜上所述，可以得出以下結論：

a.大型設備施工安裝前，應認真分析，詳細規(guī)劃，制訂翔實可靠的質量控制方案，這是保證施工安裝質量的關鍵所在。

b.大型工程專用控制網的精度控制，直接關系著整個工程設備的安裝精度，合理地進行專用控制網的布設研究和論證是保障工程精密安裝質量的前提。

c.高壩通航垂直升船機精密安裝測量技術研究成果，已成功應用于三峽和向家壩升船機工程，對于高落差垂直建筑物設備安裝精密測量具有極強的推廣價值。

參考文獻

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Research on the precise installation and measurement

technology of high dam navigation vertical ship lift

SHENG Xujun1, LI Dongming2, WU Xiaoyun3

(1.BureauofComprehensiveDevelopmentMinistryofWaterResources,Beijing100058,China;

2.NationalCenterofQualityInspectionandTestingforHydraulicMetalStructureMinistryofWaterResources,

Zhengzhou450044,China;

3.ChinaThreeGorgesGroupCorporation,Yichang443133,China)

Abstract:High dam navigation vertical ship lift is characterized by high lifting height, large installation height difference, high construction installation precision, complex process, insufficient similar experience as reference, etc. In the paper, Three Gorges ship lift is adopted as an example. High dam ship lift precise installation and measurement technology is studied through model design, simulated experiment and trial, precise adjustment, measuring practice, verification and other means based on the research for the mechanism of vertical ship lift. The results are successfully applied in engineering practice, thereby reaching anticipated effect with stronger promotion significance.

Key words:high dam navigation; vertical ship lift; miniature control network; throwing-dot tension wire alignment method

中圖分類號：TV691

文獻標識碼：A

文章編號：1673-8241(2016)01-0007-04

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.01.003