水電站壓力鋼管攝影測量及逆向建模分析

張瑞杰 李東明

（1.新疆伊犁河流域開發(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)量檢驗測試中心，河南鄭州 450044）

水電站壓力鋼管攝影測量及逆向建模分析

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)量檢驗測試中心，河南鄭州 450044）

數(shù)字攝影測量系統(tǒng)具有非接觸測量，動態(tài)性能好、檢測速度快、受外界環(huán)境影響小等，特別適合于形面的快速檢測，本文針對某水電站壓力鋼管局部變形區(qū)域進行攝影測量，運用測量點的三維坐標進行數(shù)學建模，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)字攝影測量系統(tǒng)；檢測；逆向；數(shù)學建模

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

1 數(shù)字攝影測量簡介

1.1 基本原理

數(shù)字攝影測量的基本原理是從兩個或多個位置拍攝同一工件，以獲取在不同視角下的圖像，通過三角測量原理計算圖像像素間的位置偏差即視差來獲取被測點的三維坐標。圖1中左圖是同一相機在兩個位置拍攝同一物體時的情況，右圖是物方空間與像方空間的一一對應關(guān)系。

1.2 V-STARS攝影測量系統(tǒng)的基本組成

攝影測量系統(tǒng)V-STARS時至今日已發(fā)展到第8套系統(tǒng)，其基本配置為：1臺智能相機、1臺筆記本電腦、1套系統(tǒng)軟件、1套基準尺、1根定向工棒和1組回光標志組成，如圖2所示。

1.3 攝影測量的特點

攝影測量系統(tǒng)因為具有以下優(yōu)點，所以適用性比較廣。

⑴ 測量精度高，在 10m范圍內(nèi)其測量精度可以達到0.06～0.08mm。

⑵ 非接觸式測量。

⑶ 測量速度快。

⑷ 便攜式、靈活、應用面廣。

⑸ 可在狹小空間測量。

⑹ 受溫度影響小，可在震動環(huán)境工作。

⑺ 不需要穩(wěn)定的測量平臺。

⑻ 設(shè)備靈巧，可在任意環(huán)境下啟動。

⑼（自動化程度高，對作業(yè)員的技能要求低。

2 工程概況

該水電站為典型的長壓力管道引水式電站，水電站單機設(shè)計引用流量33.3m3/s，設(shè)計水頭154m，安裝3臺（套）單機容量為44MW的立軸混流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量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別為3級。工程區(qū)地震動峰值加速度為 0.2g ，相當于 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)為單機單管方式，直徑為4m，單根總長度約為2006m。鋼管沿線每150m設(shè)置1個鎮(zhèn)墩，兩個鎮(zhèn)墩之間設(shè)置伸縮節(jié)室，伸縮節(jié)長度1.6m，單管設(shè)置12個；距廠房70m和120m兩個跨斷層處，分別設(shè)置了長度為7.0m波紋管伸縮節(jié)，可適應最大的斷層錯動變形，3根鋼管共設(shè)置6個。圖3為壓力管線局部平面布置圖。

設(shè)計中考慮到冬季防冰凍的問題，，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 測量任務及目的

經(jīng)過兩年的運行，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運行帶來的影響，經(jīng)過論證，決定采取有限元結(jié)構(gòu)分析的技術(shù)手段，對變形后的鋼管進行復核計算，并結(jié)合變形區(qū)域的修復，作出鋼管是否具備安全運行的評價。本次測量任務是針對變形區(qū)域選擇典型管段進行測量，得出變形圖和截面圖，為變形后的鋼管剛度和強度分析以及變形部分的處理方案提供依據(jù)。

圖1 數(shù)字攝影測量的基本原理示意圖

圖2 V-STARS攝影測量系統(tǒng)基本組成

圖3 壓力管線平面布置圖（局部）

4 測量方案

4.1 總體思路

采用V-STARS攝影測量系統(tǒng)進行現(xiàn)場檢測，以獲取待測鋼管內(nèi)壁上的測量點的三維坐標，利用數(shù)據(jù)后處理軟件（PolyWorks/UG軟件）進行數(shù)學建模。

4.2 具體流程

⑴ 在待測管道內(nèi)壁上粘貼攝影RRT標志。

⑵ 現(xiàn)場對表面的RRT標志進行交向攝影。

⑶ 用 V-STARS攝影測量軟件對圖像進行處理和計算，得到型面點的三維坐標。

4.3 數(shù)據(jù)后處理概述

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

⑵ 利用測量點的三維坐標，進行數(shù)學建模。

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

本分析過程依托于達索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，完成點云的導入與逆向以及測量等步驟，如4所示。

圖4 逆向變形分析過程

4.5 坐標系的統(tǒng)一

⑴ 以管道的第一個截面的擬合圓（即端圓）圓心為坐標系原點，以豎直向上方向為Z軸正向，以管道軸線順水流方向為Y軸正向，右手系確定第三軸（即垂直于管壁方向為X軸正向）。

⑵ 各個截面的X，Z都是同一坐標基準。

⑶ 關(guān)于Y向，第一個斷面第一個截面的Y值定義為0位，每個斷面的截面Y向距離等分（因為截面基本上是等距離布點采集的數(shù)據(jù)），即可根據(jù)現(xiàn)場測量的管節(jié)之間的距離算出所有截面的Y向坐標。

5 測量成果及分析

5.1 截面長短軸數(shù)據(jù)

在壓力鋼管存在嚴重變形的部位，選擇一個測量管段，長約4m。在4m范圍內(nèi)較均勻的選擇幾個截面布設(shè)測點（攝影測量專用測量標志），測量布點圖5所示。測量完成后，將采集的數(shù)據(jù)進行逆向建模，截面位置分布如圖6所示。將每個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的坐標值見圖7。

表1 長短軸測量結(jié)果 單位：mm

圖5 測量布點圖

圖6 截面位置分布圖

5.2 統(tǒng)一坐標系后的坐標分布

根據(jù)單一截面的數(shù)據(jù)，并按照現(xiàn)場測量的長度成果，建立統(tǒng)一坐標系，并將每個截面變形結(jié)果，統(tǒng)一放置在此坐標系中，以備后續(xù)計算使用，統(tǒng)一坐標系后的變形截面坐標方格圖如圖7所示。

圖7 截面投影圖

5.3 數(shù)據(jù)成果分析

通過對被測對象的測量采集，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）在笛卡爾坐標系或極坐標系中的坐標值。

（5）在同一坐標系下的CAD圖形等。

采用V-STARS攝影測量系統(tǒng)進行現(xiàn)場檢測，取得了完善的測試成果，測試數(shù)據(jù)可以用于后續(xù)的有限元計算及分析，復核鋼管變形后的強度和剛度，進而可以判斷是否可以繼續(xù)投入運行，并為下一步加固修復提供建議。

6 結(jié) 語

⑴ 用攝影測量的方法進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、準確、可靠。

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

[1] 李東明.V-STARS攝影測量系統(tǒng)的原理與應用.水利電力機械.2006年10月

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

[3] 攝影測量原理.王之卓.武漢:武漢大學出版社,2007

TV732.4

B

1008-1305（2013）03-0036-04

10.3969/j.issn.1008-1305.2013.03.011

張瑞杰（1965年-），男，高級工程師。