白鶴灘水電站左岸壓力鋼管安裝測(cè)量新型輔助裝置的研制與應(yīng)用

曹 官 軍，游 玉 強(qiáng)，肖 烈

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

壓力鋼管安裝在各大型水電站中都有涉及，是水電工程施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其主要與蝸殼、伸縮節(jié)、蝴蝶閥、球閥、岔管等連接。目前壓力鋼管[1]施工的形式主要分為明廠房壓力鋼管安裝及地下廠房壓力鋼管安裝兩種形式。隨著施工技術(shù)水平的提高，逐漸向超大型、超高壓型壓力鋼管[2]發(fā)展。

目前國(guó)內(nèi)外水電工程中的壓力鋼管安裝測(cè)量普遍采用小棱鏡作為前視進(jìn)行觀測(cè)。該方法需要前視人員將小棱鏡立在對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)點(diǎn)上，采用極坐標(biāo)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。該方式存在偶然誤差大、安全風(fēng)險(xiǎn)高、施測(cè)空間受限、施工工效低等弊端，因此，傳統(tǒng)的測(cè)量方式已不能適應(yīng)當(dāng)前新的安全生產(chǎn)形勢(shì)和施工進(jìn)度要求，必須通過(guò)創(chuàng)新壓力鋼管安裝測(cè)量方法、創(chuàng)新施測(cè)技術(shù)來(lái)解放勞動(dòng)力，達(dá)到提質(zhì)增效、構(gòu)建本質(zhì)安全的目的。筆者闡述了在白鶴灘水電站左岸壓力鋼管安裝測(cè)量過(guò)程中不斷優(yōu)化新型測(cè)量輔助裝置、最終取得階段性成果的過(guò)程，介紹了壓力鋼管安裝測(cè)量的新方法、新工藝。

白鶴灘水電站是金沙江下游干流河段梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第二個(gè)梯級(jí)電站，是中國(guó)目前在建的最大的水電站，建成后將成為中國(guó)第二大水電站，其左岸壓力管道采用單洞單機(jī)豎井式布置，共設(shè)置 8 條引水隧洞。

壓力管道自上平段末端起全部采用鋼板襯砌，包括上彎段、豎井段、下彎段及下平段。①～⑥號(hào)引水隧洞單條壓力鋼管共88節(jié)，單條管線長(zhǎng)度為232.654 m，⑦⑧號(hào)引水隧洞單條壓力鋼管共89節(jié)，管線長(zhǎng)度為235.654 m，8條引水隧洞壓力鋼管總節(jié)數(shù)為706節(jié)，管線總長(zhǎng)度為1 867.234 m，工程總量為19 279.7 t。

壓力鋼管內(nèi)徑為8.6～10.2 m，流速為6.7～9.4 m/s。壓力鋼管制造分節(jié)長(zhǎng)度為1.241～3 m，管節(jié)最大內(nèi)徑10.2 m，壓力鋼管安裝上平至下平鋼管中心高差為164.5 m,每條壓力鋼管的中心間距為38 m。8條壓力鋼管均采用垂直進(jìn)廠，與機(jī)組蝸殼延伸段相接。

2 傳統(tǒng)測(cè)量方法利弊分析

2.1 資料收集

通過(guò)對(duì)三峽、溪洛渡、向家壩、烏東德等大型水電站壓力鋼管的安裝測(cè)量方法進(jìn)行實(shí)地調(diào)研了解到，以往工程壓力鋼管現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)量方法[3]與傳統(tǒng)測(cè)量方式相同。采用傳統(tǒng)測(cè)量方式施測(cè)時(shí)主要對(duì)管節(jié)的“上中”“下中”“左中”“右中”四個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行施測(cè)，施測(cè)位置為坡口內(nèi)壁，將徠卡小棱鏡鏡頭放置于坡口邊緣，用全站儀極坐標(biāo)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)坡口的設(shè)計(jì)參數(shù)通過(guò)計(jì)算器程序進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

2.2 施測(cè)過(guò)程及存在的問(wèn)題

施測(cè)時(shí)，前視人員需將小棱鏡放置在管節(jié)坡口內(nèi)壁、精確對(duì)點(diǎn)，并且需要對(duì)小棱鏡補(bǔ)充光源；“下中”基點(diǎn)距離地面最近，相對(duì)比較容易操作；“上中”“左中”“右中”三個(gè)基點(diǎn)位于引水隧洞腰線以上，前視人員需爬上壓力鋼管才能到達(dá)基準(zhǔn)點(diǎn)位置，四個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的施測(cè)過(guò)程耗時(shí)大約90 min。主要存在以下問(wèn)題：

(1)通過(guò)小棱鏡前視的傳統(tǒng)方式對(duì)壓力鋼管安裝施測(cè)，效率低。

(2)受施工環(huán)境限制，基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)難度大，每班組需要投入4人，人員投入較多，觀測(cè)數(shù)據(jù)不直觀且需轉(zhuǎn)換后使用，計(jì)算復(fù)雜，計(jì)算錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)較大。

(3)傳統(tǒng)施測(cè)方式存在施測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、高空臨邊作業(yè)、安全風(fēng)險(xiǎn)高、前視攀爬過(guò)程中小棱鏡攜帶不方便、容易發(fā)生掉落(原裝小棱鏡成本較高)、測(cè)量精度低、安全隱患突出等問(wèn)題。

2.3 調(diào)研后取得的結(jié)論

根據(jù)調(diào)研情況綜合分析后得知：壓力鋼管安裝測(cè)量采用小棱鏡作為測(cè)量前視，雖具有傳統(tǒng)方式施測(cè)技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，但其施測(cè)過(guò)程中存在安全隱患突出、重復(fù)立點(diǎn)增加偶然誤差發(fā)生機(jī)率、安裝精度不高且施測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等弊端，尤其在大規(guī)模壓力鋼管安裝[3]測(cè)量過(guò)程中不適用。因此，需對(duì)傳統(tǒng)施測(cè)工藝進(jìn)行創(chuàng)新，亟待研制出一種能夠替代人工前視的輔助設(shè)備，既能同時(shí)滿足施工安全、工程質(zhì)量，又能節(jié)約成本、提高效率的輔助裝置，才能優(yōu)質(zhì)高效地完成壓力鋼管的安裝測(cè)量工作。

3 新型輔助裝置的研究

根據(jù)白鶴灘水電站壓力鋼管的安裝規(guī)模以及包括定位節(jié)在內(nèi)的6節(jié)壓力鋼管組成的定位段整體澆筑的施工難度要求，考慮到焊接變形及混凝土澆筑過(guò)程中的抬動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，從而導(dǎo)致定位段相鄰管節(jié)出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象，水電七局白鶴灘施工局集思廣益，群策群力，經(jīng)過(guò)多次討論，提出了三種壓力鋼管安裝測(cè)量方案，具體如下：

(1)坡口處粘貼徠卡反射片+參數(shù)轉(zhuǎn)換程序。反射片作為前視觀測(cè)(也是傳統(tǒng)測(cè)量方式)，在工程中已被大量使用，如模板校核、變形監(jiān)測(cè)等方面，該施測(cè)方式已得到成熟運(yùn)用。

該方案以徠卡反射片為依托，在壓力鋼管運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)后，在壓力鋼管的翻身場(chǎng)地提前將徠卡專(zhuān)用反射片粘貼在壓力鋼管上中、下中、左中、右中坡口處，待壓力鋼管就位后，用徠卡全站儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再根據(jù)坡口的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)全站儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，方法簡(jiǎn)單，解決了人員前視問(wèn)題。

但該方案在實(shí)施過(guò)程中存在以下問(wèn)題：①白鶴灘水電站引水隧洞上彎段、豎井段、下彎段全部采用壓力鋼管襯砌施工，每節(jié)壓力鋼管都需要檢測(cè)驗(yàn)收，因此坡口處都需粘貼徠卡反射片，而反射片粘貼后不能重復(fù)利用，導(dǎo)致反射片需求量較大；②由于洞內(nèi)施工環(huán)境潮濕、灰塵較大，存在粘貼不牢靠的風(fēng)險(xiǎn)，過(guò)程中經(jīng)常存在脫落現(xiàn)象；③在采用極坐標(biāo)法[4]進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，需要根據(jù)每節(jié)管道的坡口參數(shù)將施測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，存在觀測(cè)數(shù)據(jù)反映不直觀，計(jì)算復(fù)雜等問(wèn)題。

(2)徠卡反射片+坡口還原模塊。該方案主要利用還原坡口的設(shè)計(jì)理念，根據(jù)壓力鋼管坡口尺寸加工了一個(gè)坡口還原模塊，將坡口位置還原至坡口前原始尺寸，在模塊上精確分中并粘貼反射片、制作成坡口還原模塊。在壓力鋼管“上中”“下中”“左中”“右中”4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)位置坡口上逐個(gè)安放坡口還原模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采用這種方式雖然解決了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換難題，但白鶴灘水電站左岸共有706節(jié)壓力鋼管，每節(jié)鋼管壁厚大小不一，需要根據(jù)不同管節(jié)的坡口參數(shù)加工不同型號(hào)的坡口還原模塊，加工量大，制作成本增加。另外，在模塊安放過(guò)程中還會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)安裝不匹配、安裝混亂現(xiàn)象，直接影響到壓力鋼管的安裝控制精度；另外，該模塊固定方式單一，存在高處墜落和物體打擊風(fēng)險(xiǎn)，安全問(wèn)題突出。該方式雖然觀測(cè)數(shù)據(jù)直接，但其投入大、過(guò)程控制混亂，安全風(fēng)險(xiǎn)極高。

(3)徠卡反射片+“L”形輔助模具。徠卡反射片+“L”形輔助模具主要利用還原坡口的設(shè)計(jì)理念，通過(guò)就地取材，選用不銹鋼材質(zhì)的角鋼作為模具基材，根據(jù)壓力鋼管最大坡口尺寸確定“L”形輔助模具的長(zhǎng)、短邊尺寸，其短直角邊為粘貼反射片使用，屬于受測(cè)區(qū)域，長(zhǎng)直角邊為安裝區(qū)域，裁切完成后對(duì)模具毛刺采用砂紙進(jìn)行打磨處理，處理完畢通過(guò)游標(biāo)卡尺進(jìn)行精細(xì)化分中處理，然后使用角尺、卡尺檢查模具的垂直度和分中精度，檢查合格后將徠卡專(zhuān)用反射片粘于模具上，形成徠卡反射片+“L”形輔助模具首件成品裝置，根據(jù)“首件制”產(chǎn)品的質(zhì)量管控要求，聯(lián)合監(jiān)理、業(yè)主進(jìn)行四方聯(lián)合驗(yàn)收。后續(xù)模具的制作按照首件制流程進(jìn)行加工和驗(yàn)收。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，為了更加準(zhǔn)確地反映測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)性，需要特意考慮不銹鋼材質(zhì)的厚度和徠卡反射片的厚度，通過(guò)游標(biāo)卡尺對(duì)模具進(jìn)行厚度檢測(cè)，厚度值均需在1.2 mm左右，根據(jù)對(duì)壓力鋼管的控制精度、壓力鋼管的自身加工精度、測(cè)量人員的觀測(cè)精度等因素進(jìn)行綜合分析，1.2 mm的影響可忽略不計(jì)。

模具加工驗(yàn)收完成后，待壓力鋼管運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)、在壓力鋼管的翻身場(chǎng)根據(jù)壓力鋼管的上中、下中、左中、右中分中線基準(zhǔn)點(diǎn)將模具與基準(zhǔn)點(diǎn)精確對(duì)點(diǎn)。為了方便其固定，采用強(qiáng)力磁鐵將“L”形輔助模具與壓力鋼管內(nèi)壁緊密固定以達(dá)到解放前視人員的目的。當(dāng)壓力鋼管初步就位后即可觀測(cè)反射片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、進(jìn)行鋼管定位及糾偏調(diào)整。由于模具加工是參考最大坡口尺寸進(jìn)行加工，因此，該“L”形輔助模具適用于任意角度坡口，一次加工，全程受用。

為了檢查“徠卡反射片+“L”形輔助模具”的安裝精度，主要通過(guò)對(duì)采用傳統(tǒng)方式已驗(yàn)收通過(guò)的定位管節(jié)與方案三的觀測(cè)方式進(jìn)行復(fù)核測(cè)量，另外，與通過(guò)傳統(tǒng)方式(采用吊垂線、鋼盤(pán)尺、水準(zhǔn)儀配合的方式檢查壓力鋼管的相對(duì)尺寸)控制的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行復(fù)核，經(jīng)過(guò)對(duì)多組數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合比對(duì)分析，各方法所測(cè)數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范要求，但新型輔助裝置的測(cè)量數(shù)據(jù)精度及數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)測(cè)量方式。

通過(guò)對(duì)三種方案在質(zhì)量、安全、進(jìn)度、成本四個(gè)方面進(jìn)行綜合對(duì)比分析后得知，方案三中的徠卡反射片+“L”形輔助模具具有輕盈便捷、重復(fù)使用、適用任意角度坡口、節(jié)約成本、人員投入少、安全風(fēng)險(xiǎn)低、精度高等特點(diǎn)，優(yōu)勢(shì)明顯。該方案打破了傳統(tǒng)壓力鋼管安裝測(cè)量施工思維的局限，提高了工作效率。

4 新型輔助裝置的應(yīng)用效果

該輔助裝置通過(guò)三維建模設(shè)計(jì)，加工后落實(shí)“首件制驗(yàn)收”制度及其在白鶴灘水電站左岸壓力鋼管安裝中的多方驗(yàn)證、比對(duì)，以及數(shù)據(jù)分析及對(duì)標(biāo)檢查得知：該裝置效果明顯，并且在左岸引水發(fā)電系統(tǒng)肘管、錐管、蝸殼安裝測(cè)量過(guò)程中推廣使用，該項(xiàng)裝置及其測(cè)量控制方法已獲得國(guó)家實(shí)用新型發(fā)明專(zhuān)利，其經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益突出，得到了業(yè)主、監(jiān)理等各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的高度認(rèn)可。

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

“L”形輔助模具在壓力鋼管安裝測(cè)量放樣、過(guò)程檢查、驗(yàn)收過(guò)程中起到了至關(guān)重要的作用。使用該方式進(jìn)行壓力鋼管安裝測(cè)量和驗(yàn)收[5]，實(shí)現(xiàn)了鋼管安裝單元優(yōu)良率100%、一次性驗(yàn)收合格率100%、人員投入由傳統(tǒng)方式的8個(gè)人工減少了5個(gè)人工，初檢耗時(shí)由傳統(tǒng)的4 h減少到2 h、復(fù)檢耗時(shí)由傳統(tǒng)的2 h減少到0.6 h、終檢耗時(shí)由傳統(tǒng)的1.5 h減少到0.4 h，全站儀投入減少為一臺(tái)，投入總費(fèi)用減少了49 3400元，成本節(jié)約56%，經(jīng)濟(jì)效益突出。

4.2 社會(huì)效益

“L”形輔助模具在白鶴灘水電站左岸引水發(fā)電系統(tǒng)實(shí)踐中取得成功應(yīng)用，其效果得到了三峽發(fā)展監(jiān)理及三峽業(yè)主的高度評(píng)價(jià)。新型壓力鋼管安裝測(cè)量輔助模具在工程實(shí)踐中簡(jiǎn)單高效、安全穩(wěn)定、能反復(fù)使用、成本低、精度高，并在使用過(guò)程中形成了一套標(biāo)準(zhǔn)化的制作過(guò)程和安裝測(cè)量方法，同時(shí)編寫(xiě)了《“L”形輔助模具制作明白卡》和《“L”形輔助模具安裝及使用明白卡》，為類(lèi)似工程壓力鋼管、尾水錐管、肘管、蝸殼等金屬結(jié)構(gòu)的安裝測(cè)量工作提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)和測(cè)量思路。

5 結(jié) 語(yǔ)

壓力鋼管安裝測(cè)量新型“L”型輔助模具在白鶴灘水電站左岸引水發(fā)電系統(tǒng)工程中的成功應(yīng)用，充分發(fā)揮了團(tuán)隊(duì)優(yōu)勢(shì)，就地取材，體現(xiàn)了以人為本的管理理念，實(shí)現(xiàn)了“小裝置解決大問(wèn)題”的目標(biāo)，達(dá)到了提質(zhì)增效，構(gòu)建本質(zhì)安全的的目的，對(duì)同類(lèi)壓力鋼管安裝及類(lèi)似金屬結(jié)構(gòu)安裝測(cè)量具有顯著的借鑒意義，極具推廣價(jià)值。