智能沉箱注水系统的研发与应用.pdf

智能沉箱注水系统的研发与应用张宏利，刘怡孟（中交第一航务工程局有限公司，天津300461）摘要：沉箱重力式码头已向深水化发展，无掩护海域大型沉箱的应用日益增多，对沉箱安装工艺提出了更高的要求。为保证防城港企沙港区赤沙作业区2号泊位工程5 200余t超大型椭圆沉箱的顺利安装，避免传统人工控制注水工艺的弊端，项目团队创新性的研发了一种智能沉箱注水系统，包含信息采集设备、数据处理系统、操作反应终端。通过对水位、流量、姿态等数据进行收集运算，可实现沉箱自动化精细调平。该系统在防城港企沙港区赤沙作业区2号泊位工程成功应用，顺利完成11座5 200余t超大型椭圆沉箱安装，提高了作业工效，保障了工程质量，降低了施工安全风险，并且具有显著的经济和社会效益，推广应用前景广阔。关键词：沉箱；智能注水系统；水泵；研发；测试中图分类号：U655.33；U443.132文献标志码：A文章编号：2095-7874（2024）02-0077-06doi：10.7640/zggwjs202402014Research and application of intelligent water injection system of caissonZHANG Hong-li,LIU Yi-meng（CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China）Abstract：Caisson gravity wharf has been developing into deep water,and the application of large caisson in unprotected seaarea is increasing day by day,which puts forward higher requirements for caisson installation technology.In order to ensure thesmooth installation of more than 5 200 tons of super large elliptical caisson in the No.2 berthing project in Chisha OperationArea of Qishagang District,Fangchenggang,and avoid the drawbacks of traditional manual control water injection process,theproject team innovatively developed an intelligent caisson water injection system.The system consists of information acquisitionequipment,data processing system and operation reaction terminal.By collecting and calculating the data of water level,flowrate and attitude,the caisson can be automatically fine-leveled.The system has been successfully applied in the No.2 berthingproject of Chisha Operation Area,Qishagang District,Fangchenggang,and successfully completed the installation of 11 superlarge elliptical caissons with more than 5 200 tons,which improves the working efficiency,guarantees the project quality,reduces the construction safety risk,and has significant economic and social benefits,and has broad prospects for promotionand application.Key words：caisson;intelligent water injection system;water pump;research and development;testing中国港湾建设China Harbour Engineering第44卷第2期2024年2月Vol.44No.2Feb.2024收稿日期：2023-04-21修回日期：2023-09-08作者简介：张宏利（1973），男，天津市人，高级工程师，土木工程专业。E-mail：0引言随着国民经济的高速发展和进出口贸易需求的迅猛提高，港口作为进出口贸易运输及扩散的重要节点，扮演着整个贸易往来环节中愈发关键的角色。沉箱码头由于其具有良好的整体性，较强的抗震性能以及水下工作量少等优点，在沿海区域得到广泛应用1-3。深水沉箱码头规模的扩大，带来大批量超大规模沉箱的实施4。而在这期间，沉箱施工工艺关键问题相继延伸拓展，推动沉箱施工工艺的优化完善5-7。防城港企沙港区赤沙作业区2号泊位工程8沉箱尺寸大，整体为椭圆形，仓格划分复杂，安装中国港湾建设2024年第2期过程中仓格间注水量控制难度大；沉箱安装施工环境为无遮拦无掩护海域，受风浪影响大，海况条件复杂，沉箱整体稳定性要求高；传统人工操作阀门注水方案，根据操作人员站在沉箱顶部读水尺确定各仓格注水量，操作阀门控制进水，该方法由于人为读数误差或操作阀门不及时很容易造成注水量不精确，导致沉箱整体不稳定，带来较大施工风险。如何保证本工程沉箱的平稳顺利安装是项目技术人员面临的一大挑战。1工程概况防城港企沙港区赤沙作业区2号泊位工程拟建设1个20万吨级散货泊位，水工结构按30万吨级预留，岸线总长415 m，码头宽度32.5 m，码头采用独立墩式沉箱基础。共设计11座椭圆形沉箱，沿码头前沿线布置，中心距35.5 m，位于无掩护海域环境。单个沉箱长29.0 m，高度为27.9 m，宽17.1 m（包括两边各1.8 m宽的趾），分为15个仓格，计算重量约5 278 t。经计算，沉箱浮游稳定吃水19.15 m，此时注水高度5.9 m，注水方量1 722.8 m3；沉箱着床后将沉箱仓格注满水，总注水方量8 008.5 m3。椭圆沉箱模型图见图1。沉箱相关参数见表1。2系统设计2.1设计总体思路为实现沉箱下潜过程中各仓格间注水量精确控制，充分适应无掩护海域下海况环境，避免传统阀门注水工艺下的操作人员安全风险，项目技术团队以自动化控制和科技化创新为理念，结合工程实际应用情况，设计研发智能沉箱注水系统。该系统可实现以下功能：1）数字化实时监测。采用电子液位计、电磁流量计、陀螺仪等智能感知终端对数据信息进行采集，实现沉箱注水仓格水位、流量、姿态远程数字化全过程监测。2）信息化模型建立。使用BIM技术创建沉箱信息化模型，对异形沉箱仓格进行合理划分，仓格之间设置连通形成不同区域，建立不同区域间对应关系。3）自动化精细调平。中控系统中建立运算机制，将收集到的数据进行分析，通过变频控制调节，实现沉箱自动化精细调平。2.2技术路线系统综合运用云计算、物联网、移动技术等信息化技术手段，通过智能感知终端对施工过程信息进行自动采集，上传至云架构中进行分析运算，变频自动调整，实现沉箱精细化调平。施工人员可在操作中心或手机端进行部署，实现施工过程的数字化把控。系统技术路线见图2。主机系统中建立沉箱注水施工信息模型（图3），根据各仓格内注水总量将沉箱仓格对称划分为7个区域，使用过水孔分别联通，确定各区域间对应逻辑关系。将数据信息进行分析运算，根据运算结果判断是否调整各仓格进水情况，通过操作变频系统完成水泵流量控制，实现智能监控、注水、调平功能，完成对整个施工过程的数字信息化表达。表1沉箱相关参数Table 1Caisson related parameters重心/m11.56空箱吃水/m14.26浮游稳定吃水/m19.15浮游稳定压水高度/m5.9定倾半径/m0.53定倾高度/m0.28体积/m32 006重量/t5 278参数数值参数数值图1椭圆沉箱模型图Fig.1Elliptical caisson model图2系统技术路线Fig.2System technology route陀螺仪测量沉箱倾斜情况仓格注水对沉箱姿态、水位、流量等数据进行运算分析液位计读取各仓格水位流量计读取实时流量数据采集数据分析自动调平远程把控78窑窑2024年第2期系统总体布置图见图4。3系统测试3.1测试方案本工程沉箱仓格划分复杂，施工环境差，对沉箱安装过程中注水精度要求很高。以往施工中，采用水泵注水安装沉箱的应用案例极少，智能沉箱注水系统为本项目首次研发应用。因此在研发过程中和施工前对该智能沉箱注水系统功能进行测试显得尤为关键。根据系统工作原理及主要软、硬件的性能要求，分析实际应用过程中可能发生的问题，对该智能沉箱注水系统的软件功能和硬件性能进行针对性测试。结合现场实际，充分利用现有条件，在研发过程中和应用前分阶段进行测试。3.2功能模型测试3.2.1测试准备结合智能沉箱系统的研发进度，在系统软件完成后先进行系统功能测试。为保证该系统功能能够充分体现，根据现有场地条件，将沉箱简化为模型，采用小规格自吸泵代替大功率水泵进行测试。2.3系统总体布置每个区域根据注水量分别设置12台大功率水泵进行注水，每台水泵设置水位测量仪、电磁流量计、电子陀螺仪对注水过程中仓格水位、注水流量、流速、沉箱姿态等信息进行实时收集，并将信息传输到操作主机，主要设备见表2。图3系统信息模型图Fig.3System information model表2系统设备清单Table 2System equipment list序号功能简述备注1扬程25 m，流量150 m3/h，功率22 kW一体化水泵含电机和泵及配套弯头2长18 m，外径175 mm，壁厚15 mm3根据计算机指令调节水泵运行速度连接主机和水泵的中间控制器4接收来自电磁流量计、电子陀螺仪和液位计的信号，通过比较计算，得出合理数据去控制变频器的运作，从而控制水泵的注水量承载指令输入和输出5感知每台水泵的实时和累计注水量，把数据传至计算机6感知仓格内水位，把数据传至计算机7感知沉箱的姿态，把数据传至计算机设备水泵/台泵管/根变频柜/台控制主机/套电磁流量计/个液位计/个电子陀螺仪/台数量8821882图4系统总体布置图Fig.4General layout of the system张宏利，等：智能沉箱注水系统的研发与应用水位1水位6水位2水位3水位7水位5水位4流1流2流3流8流7流6流5流4泵1泵7泵2泵3泵4泵5泵6泵8泵1泵2泵3泵4泵5泵6逻辑对应关系1号6号7号流8泵82号5号7号5号1号2号3号4号7号4号3号6号79中国港湾建设2024年第2期3.2.2测试过程和结果根据需要，将所需设备连接完毕。将沉箱模型4个仓格命名为a、b、c、d，水泵对应为泵a、泵b，泵c、泵d，仓格划分见图5。根据相对性水泵与相对性水泵连接的原则，将泵a与系统模型内泵1，泵c与泵4，泵b与泵2，泵d与泵5一一对应连接。关闭自动状态，手动调整模型内各仓格水位，使对应仓格内水位差为20 cm。关闭手动状态，打开自动状态。设置允许水位差为10 cm，观察各水泵变频调整情况和注水流量情况。经自动调平，模型达到平稳状态后，停止注水。将水泵对照表3所示对应关系重新连接，重复以上过程。测试结果记录见表3。3.3硬件性能测试3.3.1测试准备为保证大功率水泵测试运行要求，选取施工现场钢栈桥处为测试场地。该位置位于海面上方，可提供充足水源，取排水方便，能够提供足够的扬程测试条件。根据测试要求，准备材料见表4。3.3.2测试过程在测试位置设置支撑结构，使出水口高出桥面约1.7 m，标高在+10.0 m左右，此时水泵扬程为15.5 m，大于沉箱安装开始注水时工作扬程15.4 m。支撑结构安装完成后，进行泵管、弯头、电磁流量计等组装。连接水泵，安装前在水泵外侧设置钢筋护笼，使用准12 mm镀锌钢丝绳连接，钢丝绳通过抱箍固定于泵管侧边上方与弯头处吊点连接，保证整体起吊安装时，均由钢丝绳受力，防止泵管损坏。系统设备安装结束后，开始设备试运行。待水泵、流量计等运行正常，将系统连接网络，通过手机APP进行操作（图6），读取实时流量、累计流量等数值，输入开关指令，观察手机APP操作情况。图5沉箱模型仓格划分Fig.5Division of caisson model compartments表3系统功能测试结果Table 3Test results of system function水泵对应关系仓格手动设置的水位值/cm开始自动模式后情况描述a寅1，c寅4b寅2，d寅5a 40，c 60b 40，d 60泵a全速运转；泵c开始全速后流量逐渐减小，直至停止，仓格a、c水位差达到10 cm后，流量逐渐增加，直至全速运转；泵b全速运转；泵d开始全速后流量逐渐减小，直至停止，仓格b、d水位差达到10 cm后，流量逐渐增加，直至全速运转a寅1，c寅4b寅3，d寅6a 60，c 41b 40，d 60泵a开始全速后流量逐渐减小，直至停止，仓格a、c水位差达到10 cm后，流量逐渐增加，直至全速运转；泵c全速运转；泵b全速运转；泵d开始全速后流量逐渐减小，直至停止，仓格b、d水位差达到10 cm后，流量逐渐增加，直至全速运转a寅2，c寅5b寅3，d寅6a 60，c 40b 59，d 40泵a开始全速后流量逐渐减小，直至停止，仓格a、c水位差达到10 cm后，流量逐渐增加，直至全速运转；泵c全速运转；泵b开始全速后流量逐渐减小，直至停止，仓格b、d水位差达到10 cm后，流量逐渐增加，直至全速运转；泵d全速运转bcad表4硬件性能测试材料清单Table 4Hardware performance testing material list序号规格备注1接收信号，通过比较计算，得出合理数据用于控制变频器的运作，从而控制水泵的注水量2扬程25 m，流量150m3/h，功率22 kW随机选择2台3CXLD-DN150Z感知每台水泵的实时和累计注水量，把数据传至控制主机4长18 m，外径175mm，壁厚15 mm包括配套连接装置、弯头等5准12 mm钢筋加工制作材料控制主机/套水泵/台电磁流量计/个泵管/根水泵护笼/个数量12222图6手机APP操作界面Fig.6Mobile APP operation interface80窑窑2024年第2期3.4测试总结对测试结果进行记录、整理、分析，得出如下结论：1）本智能注水系统具备各仓格水位、注水流量等信息智能提取和数字化显示的功能。2）本智能注水系统具备数据分析运算，自动变频调节水泵流量，实现沉箱自动精细化调平的功能。3）水泵扬程、流量均满足使用要求，经长时间运转各项性能参数稳定，具备良好的稳定性及耐久性。水泵连接系统整体安拆操作可行，各连接位置处密闭性良好。4）本智能注水系统可与手机APP联动，数据信号稳定，操作便捷，使用效果良好。测试过程中存在问题及相应解决方案：1）系统内各硬件设备均需与控制中心有线传输，电源、信号电缆线接头多，安装过程较为繁琐。后续将更换为快速接头，并在接头处增加标识，达到快速安装的效果。2）系统所配变频柜为2台定制型一拖六立式柜机，单柜长1 m，宽0.6 m，高2.2 m，整体尺寸较大。考虑到后期使用时该套设备均放置于沉箱盖板，上部空间有限且风速大，后续将对变频柜尺寸进行优化，以节约空间，减小迎风面积，增加稳定性。3）经测试水泵连接变频器后运行电流稳定，但启动时电流较大，多台设备同时启动将对电源造成较大负荷。后续将针对此问题设置微差启动功能，避免电流过大影响使用。4应用效果4.1设备现场安装半潜驳运载沉箱到达施工现场后，拖轮、起锚艇配合驻位。驻位过程中同时安装智能注水系统相关设备。600 t自航驳载相关设备靠半潜驳左舷带缆定位，使用半潜驳左舷吊机进行安装。技术人员提前对水泵摆放位置进行编号确定，与安装人员进行交底，将水泵、发电机、控制柜等安装至指定位置。使用定制固定架固定于沉箱外墙上方。4.2设备连接与调试设备安装就位后，技术人员连接数据线、电源线。数据线、电源线提前编号，做成成捆线轴，按照编号连接快速插头。打开发电机和设备电源，检查各水泵、水位计、流量计是否正常。观察并记录注水前仓格水位情况。4.3分阶段注水4.3.1第一阶段注水（注水至浮游稳定压水高度）半潜驳下潜至沉箱压水水位后，启动智能沉箱注水系统进行注水。打开手机APP连接注水系统，设置目标注水水位5.6 m（浮游稳定压水高度5.9 m）和水位差允许差值0.1 m，微差启动8台注水水泵，数据及界面见图7。仓格水位达到5.6 m后，使用皮尺抽测仓格内水位是否正确（经多次检查，水位计显示数据均将流量计数值清零，2台水泵开始注水，记录开始时间。水泵连续运转满24 h，过程中每间隔一段时间，观察水泵运行情况，法兰连接处是否存在漏水情况，实时累计流量，并进行记录。3.3.3测试结果测试结果记录见表5。表5硬件性能测试结果Table 5Test results of hardware performance时刻实时流量/（m3h-1）累计流量/m3累计运行时长/h平均流速/（m3h-1）水泵运行情况水泵1水泵2水泵1水泵2水泵1水泵2水泵1水泵22021-10-20T11:08180181000正常正常2021-10-20T15:381811818168174.5181.3181.5正常正常2021-10-20T19:081801811 4501 4538.0181.3181.6正常正常2021-10-20T23:381811812 2682 27312.5181.4181.8正常正常2021-10-21T08:081811823 8163 82721.0181.7182.2正常正常2021-10-21T11:081811824 3614 37524.0181.7182.3正常正常图7第一阶段注水界面Fig.7The first stage water injection interface张宏利，等：智能沉箱注水系统的研发与应用81中国港湾建设2024年第2期与实测数据相匹配）。检查无误后，设置目标水位5.9 m继续压水，压水到位后自动停止。4.3.2第二阶段注水（注水至沉箱着床）沉箱出坞后，根据沉箱实际状态，通过调整仓格允许水位差调整仓格水位，使沉箱调平。沉箱粗定位至安装位置，结合潮水情况，待达到注水时间后开始注水，数据及界面见图8。沉箱距基床约2 m时，关闭沉箱注水系统。检查此时沉箱状态，若沉箱平稳则继续压水；若沉箱姿态不平稳，则调整沉箱姿态后进行压水。压水过程中，观察沉箱顶标高情况，实时进行调整，直至沉箱平稳着床。4.3.3第三阶段注水沉箱着床后，测量人员汇报沉箱偏位情况。若满足规范要求，则继续压水至沉箱满水；若不满足要求，则启动备用水泵，对沉箱进行抽水起浮，起浮后重新定位安装。4.4设备拆除沉箱仓格内满水后，定位驳上方履带吊配合拆除上方设备。将水泵拆除后，平顺放置于自航驳上方，方便下次使用。5结语本文就沉箱安装注水方式进行改良创新，通过全过程的研发、测试、应用，形成了一套高效、便捷、具有实操性的智能注水系统。应用该系统实现了沉箱安装数字化、信息化、可视化、减人化的施工过程，有效地增强了项目施工过程中的质量安全控制，提高了项目施工管理中现代化技术的应用，为日后工程推进提供了动力，为今后相似工程的承揽奠定技术基础。该技术适用于外海深水无掩护水域，仓格划分复杂、方形、圆形、椭圆形以及异形的超大型沉箱出运安装施工，后续将沉箱姿态控制变频调节作为重点优化方向，进一步适用于偏重心箱体式构件出运安装。参考文献：1李峰楠，张伟豪.重力式沉箱码头中沉箱安装施工及质量控制分析J.珠江水运，2018，459（11）：42-43.LI Feng-nan,ZHANG Wei-hao.Analysis on installation,construc原tion and quality control of caisson in gravity caisson wharfJ.PearlRiver Transport,2018,459(11):42-43.2陈奋，杨曦.斯里兰卡科伦坡南集装箱码头沉箱出运及安装施工J.珠江水运，2018，455（7）：25-28.CHEN Fen,YANG Xi.Caisson shipment and installation construc原tion of south Colombo container terminal in Sri LankaJ.PearlRiver Water Transport,2018,455(7):25-28.3陈奋，王乐滋.海港工程中沉箱出运与安装技术研究J.中国水运，2022，736（11）：125-127.CHEN Fen,WANG Le-zi.Research 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