红石水电站真空激光测坝变形系统施工及安装样本.doc

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红石水电站真空激光测坝变形系统施工及安装
吴少华1 张伟2 陈文斌2
1 中水东北勘测设计研究有限责任公司 吉林 长春市 130061
2 白山发电厂 吉林 桦甸市 132400

摘要: 简要介绍了真空激光测坝变形系统的原理, 描述了真空激光测坝变形系统的组成部分, 详细介绍了施工过程和方法, 经过在工程实践中不断探索、 试验及结合以往工程施工经验, 抓住安装过程中的难点和关键工序进行技术创新, 采用新的安装工艺, 顺利实施了真空激光测坝变形系统的安装, 并总结出一套系统的、 实用的安装施工方案。

1工程概述
红石水电站位于第二松花江干流, 吉林省桦甸市红石镇。距上游白山电站约38公里, 为白山下游的一个梯级电站, 是一个以发电为主的中型水电站, 电站设计总装机200MW, 年发电4.4亿KWh。
红石电站大坝为混凝土重力坝, 坝长438米, 坝顶高程298米, 最大坝高46米, 顶宽8～14米, 正常高水位290米, 大坝共有26个坝段, 在8个溢流坝段上设置了8个12×10.5米泄洪洞。坝址主要岩石为前震旦纪混合岩, 地震烈度小于Ⅵ级。
2 真空激光测坝变形系统原理
光具有波动性, 波带板是利用这一特性设计的, 它是一种光栅, 也称为菲涅耳透镜。当它被激光点光源发出的一束可见的单色相干光照射时, 它相当于一块聚焦透镜, 在光源和波带板中心延长线上的一定距离处, 形成一个中心特别明亮的衍射图像——圆形光斑。
在实际应用中, 如图2-1, 能够在大坝两端稳定处固定点光源A和激光像点接收幕C, 在要观测位移的各坝段测点上, 设置相应的波带板B。
C( 探测仪)
B’
C’
A(点光源)
B( 波带板)
△
δ
L
U
V
图2-1 激光准直原理图

当测点( 波带板中心) 位移了一段距离δ, 在探测仪处的像点也位移了一段距离Δ, 用探测仪测出Δ, 用下列公式即可计算出测点的位移。
δ=( U/L) ·Δ=K·Δ ( 1)
用( 1) 式计算的位移, 是测点相对两端点的位移。如两端点也有不可忽略的位移, 能够用倒垂线和双金属标测定, 再对测点位移值加以修正。
波带板激光准直的精度, 主要受大气扰动的影响。这种影响可分为两部分: 一是气体中存在折射率梯度, 引起光束偏折, 使像点位移, 即折光差, 属系统误差; 二是气体折射率梯度的瞬间变化——大气涡流引起的光束漂移, 即像点的跳动和闪烁, 属于随机误差。
各种光学准直法的折光差近似公式如下:
ε=0.390×U×V×(P/T2)×Δt×10-6 ( 2)
式中:
ε
—
测点偏离值中含有的折光差(mm)
P
—
气体压强( Pa)
T
—
绝对温度(273.2℃)
Δt
—
温度梯度( ℃/cm)
可见测值中含有的折光差和测点到两端点的距离乘积成正比, 准直线中间的测点折光差最大; 折光差还和温度梯度成正比, 和气体压强成正比。经过设置真空管道, 使激光束在真空中传输, 由于气体压强大大减小, 折光差也大大减小。
由真空技术理论和实践可知, 如果管道内气体压强经常保持在20kPa之内, 管道将是一个真空干燥装置, 其中的设备材料不锈蚀、 少故障, 长期稳定可靠。
3 真空激光准直系统组成部分
真空激光准直系统主要有以下几部分组成: 发射端控制器、 接收端控制器、 测点控制器、 真空控制器及真空管道。
3.1发射端控制器
激光发射端控制器包括: He-Ne激光器、 激光器方向调整装置、 定位小孔光栏、 激光电源和密封外罩。
He-Ne激光器是真空激光准直系统的光源, 经过调整激光器的位置能够使得激光器发出的光源绝大部分经过定位小孔, 从而使得系统获得点光源。为了使得激光器具有防潮、 防尘的功能将整个发射端控制器密封在一个密封外罩内。
3.2 接收端控制器
这里是真空激光准直系统的中枢部分, 布置有现场工业控制计算机、 接收端控制器、 真空泵、 真空控制器、 像点接收幕、 网格校准幕、 两向线性精密坐标仪、 人工瞄准镜、 面阵CCD摄像机等。
现场工控机与接收端控制器、 真空控制器以及各测点控制器经过RS485通讯方式相连, 在其内部安装有激光数据采集专用软件, 在其上操作可完成激光测量的全过程。CCD摄像机是整个采集系统的核心部分, 经过CCD摄像机连续拍摄光斑的图像, 从而经过软件计算出光斑的坐标值, 近一步计算就能够得出每个光斑的测量值。
接收端控制器能够完成网格校准幕的移动、 各测点控制器及激光电源的测量电源的接通与断开, 同时能够监测接收端观测室的环境温度和湿度。
为了校核自动化测量的准确性, 真空激光系统同时设有人工观测装置。经过移动两向线性精密坐标仪, 使得光斑的中心落在人工瞄准镜的中心十字丝上, 读出坐标仪上的标尺的读数, 该读数即为光斑的人工测量坐标值。
3.3真空控制器
真空控制器是以可编程程序控制器( 简称PLC) 为核心, 结合真空传感器计、 智能型单片机MSP430F149以及常规低压电气元件等组成的智能型真空控制系统。可编程程序控制器可完成抽真空过程的顺序保护, 即在启动抽真空系统时是先开泵后开电磁阀, 关闭抽真空系统时先停电磁阀再停真空泵; 能够现场操作也能够遥控操作。
3.4测点控制器
测点控制器位于各个测点箱内, 主要有波带板及支架、 步进电机、 接近开关、 测点控制器等。所有测点控制器经过管道内的通讯电缆和电源电缆组成一个系统, 在现场工业控制计算机或人工测点控制器的控制下完成选点, 控制波带板起、 落功能。测点控制器同时也具有现场手动操作按钮, 在现场能够经过操作按钮控制波带板抬起、 落下, 完成现场调试功能。
3.5真空管道
激光束是在真空管道内传输的, 管道内的真空度大小直接影响光斑成像的质量好坏, 而真空管道的密封性能又直接对真空度的大小产生决定性的作用, 因此, 真空管道必须有较好的密封性能。
4 真空激光准直系统安装方案
在真空激光准直系统施工中, 首先施工的应该是真空管道部分, 其次是将测点控制器安装在测点墩上, 经过波纹管将管道部分和测点控制器连接起来, 再安装两个端点控制器的设备, 最后经过调整测点控制器的位置, 使得每个测点的光斑基本集中在接收幕的中间位置。下面对每个环节进行详细介绍。
4.1真空管道
管道工程施工的主要工艺流程为: 管道切割→管道焊接→压力试验。
( 1) 管道切割
1) 管道下料要以尽量减少对接焊缝的数量为原则。
2) 每根钢管均应进行平口, 并打坡口( 30°, 高4～5mm)
3) 切口断面倾斜偏差不大于2mm。
4) 切口和坡口表面符合施工图纸的加工要求, 管口应光滑、 平整, 无裂纹、 毛刺、 铁屑等。
( 2) 管道焊接
1) 焊接前, 需对每根钢管进行平直度检查, 误差不得超过±5mm; 焊接后, 每段钢管平直度误差不得超过±8mm。对内壁均应进行清洁处理, 除去锈皮、 杂物, 内壁还要用抹布擦去浮灰, 并用高压风吹净。
2) 管道拼接时采用点焊的方式进行管道联接与固定, 拼接时首先点焊四点, 接着再点四点, 共点8至16点左右即可( 见图4.1-1: 管道拼接点焊点位图) 。

( 1) ( 2) ( 3)
图4.1-1

3) 施工中采用仪器校测、 牵引轻质高强参考线等方法, 在每一个支承墩处设置校直参考点。将各节下料、 加工完毕的管道用手动葫芦吊装到支承墩上, 经过与已设置的管道校直参考点, 利用千斤顶等工具在管道拼接的过程中不断测量、 校直管道。
4) 焊接材料根据母材的材料成份选配与母材相适应的焊条, 对碳素钢的无缝钢管, 选用了422牌号的焊材。
5) 在引弧板或坡口内引弧, 焊缝在引出板上收弧, 弧坑应填满。焊接时严禁在坡口之外的母材表面引弧和试验电流, 并应防止电弧擦伤母材。焊接完毕并在外观检查符合规范要求后, 该道焊缝的焊接工作结束, 方可进行下一道焊缝的施工。焊缝的根部应保证焊透, 焊缝应尽可能一次焊完。
6) 每道焊缝均按这些步骤和要求进行施焊。
( 3) 压力试验
真空管道焊接完成后, 必须进行检漏试验。检漏分分段充气初检与最终的抽真空检验两个步骤。
1) 分段充气初检的施工方法为: 用堵头将该检验的管道封闭起来, 向试验段的管道内充气, 使管道内保持超过大气压0.1Mpa的正压, 然后用肥皂水在所有焊缝上依次刷涂, 并仔细观察是否有气泡产生。同时派专人观察高精度的管道气压表是否有变化。如果压力表始终保持在充气完毕时的读数, 各焊缝均没有气泡产生, 基本能够判定该段管道不漏气。
2) 最后用抽真空方式对整个管道( 含波纹管、 测点箱) 进行检漏, 升气率的检查以麦氏真空表或者其它电测真空计的测量为准。开始抽真空前, 再进行一次内壁清洁处理, 以防止污物、 灰尘对真空泵的磨损、 泵油的污染, 使泵的有效抽速降低。
4.2测点控制器
(1) 测点箱安装时, 应使波带板垂直于激光轴线, 波带板中心与激光轴线的偏离值应小于10mm, 距点光源近的点应从严控制。
(2) 为保证测点箱和坝体牢固结合, 并便于安装调整, 在每一测点处设1个混凝土测点墩, 上置钢面板, 用插筋( 带螺杆) 使面板和坝体联为一体, 再将测点箱暂时放置在面板上。为防止雨水等流进坑内, 测点坑上加盖钢盖板并有排水措施。
(3) 坝顶激光施工时首先用精密水准测出各墩面相对高程, 廊道激光施工时用水准仪直接测出个墩面的高程, 施工时用精密水准进行测量放线, 高出墩面的锚筋要割掉, 不足的要接长, 然后进行支模浇注混凝土。
(4) 此时, 测点箱和钢板间不能固定。
4.3发射端控制器
(1) 修建发射端安装平台, 在安装平台上安装14mm厚的钢板, 然后在其上面安装发射端设备。
(2) 安装激光点光源底板时, 应用水平尺控制底板处于水平位置, 其高度按照设计图纸进行调节。
(3) 安装激光点光源固定支架, 经过调节螺栓调节激光管, 使激光光源中心线在真空管道中心线上。
(4) 安装组合光栏, 调节光栏的高度, 使激光光束经过小孔光栏。
4.4接收端控制器
(1) 修建接收端端点安装平台, 在安装平台上安装14mm厚的钢板, 然后在其上面安装接收端设备。
(2) 安装接收端底板, 安装时应用水平尺控制底板处于水平位置, 其高度按照设计图纸进行调节。
(3) 安装接收幕, 使接收幕的中心位于管道中心线上。
(4) 安装两维线性精密坐标仪, 要保持坐标仪的水平度及垂直度, 安装应满足设计要求。
4.5系统调试
整个系统安装完成后, 将管道内的真空度抽至40Pa以下, 经过不断调整激光器和小孔的位置, 在发射端经过监视器观察接收幕上光斑的形状和大小, 如果光斑的形状象一个圆且直径略小于管道的直径, 那么小孔和接收幕的中心基本就在激光轴线上了, 这时的发射端控制器和接收端控制器的位置就千万不要动了。
调整好接收端和发射端的设备位置后, 就能够对测点箱的位置进行精确的调整了。在接收端观测室控制某一个测点控制器使得该波带板落下, 观察光斑的位置, 如果光斑的位置大致在幕的中心, 该测点箱的位置就不用调整了; 如果光斑的位置偏离幕的中心比较远, 经过对讲机通知测点箱附近的人员调整测点箱的上下、 左右的位置, 使得光斑在幕的中心附近。每一个测点箱的位置都需要用这样的方法进行调整, 直到所有测点箱的位置均能满足要求。
测点箱的位置调整好了后, 就能够对所有设备进行固定了, 在固定设备的同时也需要观察光斑的位置, 确定设备的位置没有改变的前提下, 才能够进一步进行固定设备的工作。
5结语
由于施工前制定了详细的施工方案, 对每个环节的工艺过程作了详细的规定, 同时采用了一些新的工艺流程和施工方法, 使得红石水电站真空激光测坝变形系统的安装工作得以顺利完成。该系统经过试运行和功能测试后表明, 各项技术指标完全满足合同要求。该系统的成功投入运行, 能够大大降低观测人员的劳动强度、 提高工作效率, 为大坝的安全运行提供有力的保障!

参考文献:
《红石水电站真空激光准直系统设计》中水东北勘测设计研究有限责任公司. .3

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