水電站壓力鋼管攝影測(cè)量及逆向建模分析

張瑞杰 李東明

（1.新疆伊犁河流域開(kāi)發(fā)建設(shè)管理局，新疆烏魯木齊 830000；2.水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心，河南鄭州 450044）

水電站壓力鋼管攝影測(cè)量及逆向建模分析

張瑞杰1李東明2

（1.新疆伊犁河流域開(kāi)發(fā)建設(shè)管理局，新疆烏魯木齊 830000；2.水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心，河南鄭州 450044）

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)具有非接觸測(cè)量，動(dòng)態(tài)性能好、檢測(cè)速度快、受外界環(huán)境影響小等，特別適合于形面的快速檢測(cè)，本文針對(duì)某水電站壓力鋼管局部變形區(qū)域進(jìn)行攝影測(cè)量，運(yùn)用測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，根據(jù)工程需要得出豐富的數(shù)據(jù)，取得了良好的效果。

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)；檢測(cè)；逆向；數(shù)學(xué)建模

VSTARS 系統(tǒng), 作為工業(yè)攝像測(cè)量系統(tǒng), 特別適用于缺乏紋理的金屬表面測(cè)量。

1 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量簡(jiǎn)介

1.1 基本原理

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的基本原理是從兩個(gè)或多個(gè)位置拍攝同一工件，以獲取在不同視角下的圖像，通過(guò)三角測(cè)量原理計(jì)算圖像像素間的位置偏差即視差來(lái)獲取被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。圖1中左圖是同一相機(jī)在兩個(gè)位置拍攝同一物體時(shí)的情況，右圖是物方空間與像方空間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1.2 V-STARS攝影測(cè)量系統(tǒng)的基本組成

攝影測(cè)量系統(tǒng)V-STARS時(shí)至今日已發(fā)展到第8套系統(tǒng)，其基本配置為：1臺(tái)智能相機(jī)、1臺(tái)筆記本電腦、1套系統(tǒng)軟件、1套基準(zhǔn)尺、1根定向工棒和1組回光標(biāo)志組成，如圖2所示。

1.3 攝影測(cè)量的特點(diǎn)

攝影測(cè)量系統(tǒng)因?yàn)榫哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)，所以適用性比較廣。

⑴ 測(cè)量精度高，在 10m范圍內(nèi)其測(cè)量精度可以達(dá)到0.06～0.08mm。

⑵ 非接觸式測(cè)量。

⑶ 測(cè)量速度快。

⑷ 便攜式、靈活、應(yīng)用面廣。

⑸ 可在狹小空間測(cè)量。

⑹ 受溫度影響小，可在震動(dòng)環(huán)境工作。

⑺ 不需要穩(wěn)定的測(cè)量平臺(tái)。

⑻ 設(shè)備靈巧，可在任意環(huán)境下啟動(dòng)。

⑼（自動(dòng)化程度高，對(duì)作業(yè)員的技能要求低。

2 工程概況

該水電站為典型的長(zhǎng)壓力管道引水式電站，水電站單機(jī)設(shè)計(jì)引用流量33.3m3/s，設(shè)計(jì)水頭154m，安裝3臺(tái)（套）單機(jī)容量為44MW的立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量132MW。工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等，壓力管道等主要建筑物級(jí)別為3級(jí)。工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為 0.2g ，相當(dāng)于 Ⅷ 度地震基本烈度區(qū)。主要建筑物地震設(shè)防烈度為8度。

該水電站引水系統(tǒng)為單機(jī)單管方式，直徑為4m，單根總長(zhǎng)度約為2006m。鋼管沿線每150m設(shè)置1個(gè)鎮(zhèn)墩，兩個(gè)鎮(zhèn)墩之間設(shè)置伸縮節(jié)室，伸縮節(jié)長(zhǎng)度1.6m，單管設(shè)置12個(gè)；距廠房70m和120m兩個(gè)跨斷層處，分別設(shè)置了長(zhǎng)度為7.0m波紋管伸縮節(jié)，可適應(yīng)最大的斷層錯(cuò)動(dòng)變形，3根鋼管共設(shè)置6個(gè)。圖3為壓力管線局部平面布置圖。

設(shè)計(jì)中考慮到冬季防冰凍的問(wèn)題，，要求鋼管上部覆蓋土層約2m。鋼管上部土層在壓力前池以下約 170m范圍內(nèi)為覆蓋堆積土層，其余為回填土層形式。本次發(fā)生的鋼管變形位置，位于壓力前池以下約100m左右的范圍內(nèi)。

3 測(cè)量任務(wù)及目的

經(jīng)過(guò)兩年的運(yùn)行，壓力鋼管上平段局部出現(xiàn)了褶皺狀塑性變形。為了分析鋼管變形對(duì)運(yùn)行帶來(lái)的影響，經(jīng)過(guò)論證，決定采取有限元結(jié)構(gòu)分析的技術(shù)手段，對(duì)變形后的鋼管進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，并結(jié)合變形區(qū)域的修復(fù)，作出鋼管是否具備安全運(yùn)行的評(píng)價(jià)。本次測(cè)量任務(wù)是針對(duì)變形區(qū)域選擇典型管段進(jìn)行測(cè)量，得出變形圖和截面圖，為變形后的鋼管剛度和強(qiáng)度分析以及變形部分的處理方案提供依據(jù)。

圖1 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的基本原理示意圖

圖2 V-STARS攝影測(cè)量系統(tǒng)基本組成

圖3 壓力管線平面布置圖（局部）

4 測(cè)量方案

4.1 總體思路

采用V-STARS攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，以獲取待測(cè)鋼管內(nèi)壁上的測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)，利用數(shù)據(jù)后處理軟件（PolyWorks/UG軟件）進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。

4.2 具體流程

⑴ 在待測(cè)管道內(nèi)壁上粘貼攝影RRT標(biāo)志。

⑵ 現(xiàn)場(chǎng)對(duì)表面的RRT標(biāo)志進(jìn)行交向攝影。

⑶ 用 V-STARS攝影測(cè)量軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理和計(jì)算，得到型面點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

4.3 數(shù)據(jù)后處理概述

⑴ 利用測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)，根據(jù)需要可以求得任意兩點(diǎn)間的空間距離、可以擬合出任意段管道的圓柱精度及點(diǎn)位偏差等等。

⑵ 利用測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。

⑶ 根據(jù)需要，出具任意斷面的斷面圖，求得該斷面的管道的變形情況。

4.4 逆向分析

本分析過(guò)程依托于達(dá)索CATIA V5R19環(huán)境，綜合使用DSE（Digitized Shape Editor）、QSR（Quick Surface Reconstruction）、GSD（Generative Shape Design）、Drafting等模塊，完成點(diǎn)云的導(dǎo)入與逆向以及測(cè)量等步驟，如4所示。

圖4 逆向變形分析過(guò)程

4.5 坐標(biāo)系的統(tǒng)一

⑴ 以管道的第一個(gè)截面的擬合圓（即端圓）圓心為坐標(biāo)系原點(diǎn)，以豎直向上方向?yàn)閆軸正向，以管道軸線順?biāo)鞣较驗(yàn)閅軸正向，右手系確定第三軸（即垂直于管壁方向?yàn)閄軸正向）。

⑵ 各個(gè)截面的X，Z都是同一坐標(biāo)基準(zhǔn)。

⑶ 關(guān)于Y向，第一個(gè)斷面第一個(gè)截面的Y值定義為0位，每個(gè)斷面的截面Y向距離等分（因?yàn)榻孛婊旧鲜堑染嚯x布點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)），即可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的管節(jié)之間的距離算出所有截面的Y向坐標(biāo)。

5 測(cè)量成果及分析

5.1 截面長(zhǎng)短軸數(shù)據(jù)

在壓力鋼管存在嚴(yán)重變形的部位，選擇一個(gè)測(cè)量管段，長(zhǎng)約4m。在4m范圍內(nèi)較均勻的選擇幾個(gè)截面布設(shè)測(cè)點(diǎn)（攝影測(cè)量專用測(cè)量標(biāo)志），測(cè)量布點(diǎn)圖5所示。測(cè)量完成后，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向建模，截面位置分布如圖6所示。將每個(gè)截面投影到與該鋼管的中軸線垂直的平面上。鋼管變形后的長(zhǎng)軸和短軸的數(shù)據(jù)，如表1所示。變形后的鋼管管壁上各點(diǎn)的坐標(biāo)值見(jiàn)圖7。

表1 長(zhǎng)短軸測(cè)量結(jié)果 單位：mm

圖5 測(cè)量布點(diǎn)圖

圖6 截面位置分布圖

5.2 統(tǒng)一坐標(biāo)系后的坐標(biāo)分布

根據(jù)單一截面的數(shù)據(jù)，并按照現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的長(zhǎng)度成果，建立統(tǒng)一坐標(biāo)系，并將每個(gè)截面變形結(jié)果，統(tǒng)一放置在此坐標(biāo)系中，以備后續(xù)計(jì)算使用，統(tǒng)一坐標(biāo)系后的變形截面坐標(biāo)方格圖如圖7所示。

圖7 截面投影圖

5.3 數(shù)據(jù)成果分析

通過(guò)對(duì)被測(cè)對(duì)象的測(cè)量采集，以及后續(xù)的逆向建模分析，取得以下成果。

（1）截面的長(zhǎng)短軸數(shù)據(jù)。

（2）截面位置分布圖。

（3）截面投影圖。

（4）在笛卡爾坐標(biāo)系或極坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。

（5）在同一坐標(biāo)系下的CAD圖形等。

采用V-STARS攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，取得了完善的測(cè)試成果，測(cè)試數(shù)據(jù)可以用于后續(xù)的有限元計(jì)算及分析，復(fù)核鋼管變形后的強(qiáng)度和剛度，進(jìn)而可以判斷是否可以繼續(xù)投入運(yùn)行，并為下一步加固修復(fù)提供建議。

6 結(jié) 語(yǔ)

⑴ 用攝影測(cè)量的方法進(jìn)行大型水利工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備曲面逆向重構(gòu)，方便、快捷、準(zhǔn)確、可靠。

⑵ 攝影測(cè)量系統(tǒng)便攜、靈活、應(yīng)用面廣的特點(diǎn)是本次測(cè)量成功的關(guān)鍵，這種方法解決了在復(fù)雜環(huán)境條件下的高精度測(cè)量的方案，是值得推廣和借鑒的。

[1] 李東明.V-STARS攝影測(cè)量系統(tǒng)的原理與應(yīng)用.水利電力機(jī)械.2006年10月

[2] 馮文灝.V-STARS 型工業(yè)攝像測(cè)量系統(tǒng)介紹.測(cè)繪信息與工程.2000年04月

[3] 攝影測(cè)量原理.王之卓.武漢:武漢大學(xué)出版社,2007

TV732.4

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1008-1305（2013）03-0036-04

10.3969/j.issn.1008-1305.2013.03.011

張瑞杰（1965年-），男，高級(jí)工程師。