激光清障在重力壩結(jié)構(gòu)縫雜草清理中的應(yīng)用

陳光耀，鐘 恒，周 舟

（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

1 項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目背景

某大型重力壩左、右岸及泄洪壩段下游面邊坡存在大量結(jié)構(gòu)縫，高處部位易滋生雜草，且雜草生長(zhǎng)區(qū)域分布較廣，難以清理，嚴(yán)重影響美觀，同時(shí)，雜草根系發(fā)育也會(huì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)造成危害。

為保證大壩安全運(yùn)行，頻繁對(duì)壩后坡結(jié)構(gòu)縫部位進(jìn)行雜草清理，總體上未出現(xiàn)威脅混凝土結(jié)構(gòu)的問題，但是邊坡雜草清理危險(xiǎn)性較大，成本較高，因此有必要對(duì)邊坡雜草清理方式進(jìn)行研究，解決雜草清理問題。

1.2 常規(guī)清理方式

目前，常用的雜草清理方式為“蜘蛛人”，人員通過座板從高處下滑，利用手拔、工具鏟除等進(jìn)行雜草清理，清理范圍限制在安全繩附近，對(duì)于雜草分布較廣區(qū)域，清理人員需不斷上下，進(jìn)行多次清理。

但“蜘蛛人”的清理方式存在較多缺點(diǎn)，如：清理成本較高；高空作業(yè)多、安措復(fù)雜、危險(xiǎn)性高；清理效率較低等。

2 項(xiàng)目過程

項(xiàng)目以如何解決大體積重力壩結(jié)構(gòu)縫雜草清理為研究對(duì)象，結(jié)合成本、安全、效率等方面，提出利用激光清障技術(shù)清理邊坡雜草，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證該雜草清理體系的可行性，從而解決大型重力壩結(jié)構(gòu)縫雜草清理問題。

2.1 激光清障技術(shù)介紹

（1）激光設(shè)備主要組成

設(shè)備主要由主機(jī)系統(tǒng)、激光輸出與瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、無線控制系統(tǒng)、電動(dòng)云臺(tái)及三腳架、移動(dòng)電源等構(gòu)成。

（2）激光清障原理

通過激光電源系統(tǒng)對(duì)激光器施加電壓產(chǎn)生激光束，利用瞄準(zhǔn)系統(tǒng)瞄準(zhǔn)障礙物，鎖定目標(biāo)，將各類障礙物（如薄膜、枯枝等）燒斷、燒穿，實(shí)現(xiàn)清障作業(yè)功能[1]。

（3）激光燒灼性能

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光達(dá)到一定的功率密度后，功率密度與激光功率成正比，與受激光光束發(fā)射距離成反比，即：

式（1）中，P為激光功率密度；W為輻照表平面的激光總功率，單位：W；R為光斑半徑，單位：m。

當(dāng)然，激光的燒灼能力與輻照物體的材料種類也有關(guān)系：激光輻照物體時(shí)，會(huì)被反射、吸收、透射，而最終作用于物體的能量，是被物體吸收的部分，因此反射和透射的越少，被吸收的能量越多[2]。

（4）主體部位激光耐受特性研究

大壩主體部件主要是混凝土、鋼筋等，激光清除異物的過程中，存在激光直接照射主體部件的可能性，因此，需要對(duì)大壩主體部件的激光耐受特性進(jìn)行研究，確定各部件是否能夠經(jīng)受激光的輻照，從而確定激光清除異物的適用范圍。

圖1 激光清障設(shè)備照射混凝土情況

通過試驗(yàn)，距離30 m，大功率（100 W 以上）激光清障設(shè)備對(duì)混凝土存在傷害，使混凝土表面結(jié)晶化，影響混凝土局部強(qiáng)度，但對(duì)鋼材無影響。

2.2 激光清障設(shè)備功能

根據(jù)激光燒灼性能及大壩主體部位的激光耐受情況，確定激光遠(yuǎn)程清除裝置主要功能，以適用于三峽大壩雜草清理。

根據(jù)式（1），激光清障設(shè)備功率和使用距離直接影響混凝土是否受到傷害，需根據(jù)遠(yuǎn)程清理雜草的距離，靈活調(diào)整激光清障設(shè)備的輸出功率，保證混凝土不受傷害的同時(shí)，提高雜草清理的效率，故在激光清障設(shè)備制造中，增加功率調(diào)節(jié)功能。

2.3 激光清障設(shè)備參數(shù)

激光清障設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 設(shè)備主要參數(shù)

2.4 結(jié)構(gòu)縫雜草清理實(shí)例

（1）雜草定位

此次試驗(yàn)，計(jì)劃對(duì)某重力壩泄洪流道結(jié)構(gòu)縫雜草進(jìn)行清理，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察并確定雜草的位置和所在方向，鎖定目標(biāo)位置和清除角度，確定對(duì)應(yīng)輸出功率，并做好現(xiàn)場(chǎng)的安全管理。

將激光清障設(shè)備布置于壩頂，雜草與壩頂垂直高度約75 m，水平距離約67 m,直線距離約100 m，激光輸出頭與水平夾角約49°。

（2）設(shè)備調(diào)整

設(shè)備安裝完成后，根據(jù)雜草定位，將激光輸出頭進(jìn)行粗調(diào)，保證輸出頭瞄準(zhǔn)位置大致方向在雜草處。

設(shè)備連接平板電腦控制器，利用控制器，將輸出精準(zhǔn)定位雜草，調(diào)整輸出功率為300 W。

（3）遠(yuǎn)程激光除草

再次確認(rèn)附近安全后，按照作業(yè)指導(dǎo)書逐步進(jìn)行出光操作，完成雜草清理清除。

圖2 遠(yuǎn)程雜草清理

3 結(jié)語

激光清障設(shè)備具有成本低、效率高、風(fēng)險(xiǎn)低的特點(diǎn)，其遠(yuǎn)程清障的功能在大型重力壩結(jié)構(gòu)縫雜草清理方面的應(yīng)用具有良好效果，比傳統(tǒng)清理方式“蜘蛛人”具有較大的優(yōu)勢(shì)，可大幅降低結(jié)構(gòu)縫除草的安全風(fēng)險(xiǎn)和清理成本，提高水工建筑物例行維護(hù)的效率及安全性。且激光清障設(shè)備在其他領(lǐng)域（如生活區(qū)馬蜂窩清理、高壓輸電線路異物清理等）也具有較大優(yōu)勢(shì)，可在今后使用中，繼續(xù)推廣。