智能沉箱注水系統的研發與應用

張宏利，劉怡孟

（中交第一航務工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

隨著國民經濟的高速發展和進出口貿易需求的迅猛提高，港口作為進出口貿易運輸及擴散的重要節點，扮演著整個貿易往來環節中愈發關鍵的角色。沉箱碼頭由于其具有良好的整體性，較強的抗震性能以及水下工作量少等優點，在沿海區域得到廣泛應用[1-3]。深水沉箱碼頭規模的擴大，帶來大批量超大規模沉箱的實施[4]。而在這期間，沉箱施工工藝關鍵問題相繼延伸拓展，推動沉箱施工工藝的優化完善[5-7]。

防城港企沙港區赤沙作業區2 號泊位工程[8]沉箱尺寸大，整體為橢圓形，倉格劃分復雜，安裝過程中倉格間注水量控制難度大；沉箱安裝施工環境為無遮攔無掩護海域，受風浪影響大，海況條件復雜，沉箱整體穩定性要求高；傳統人工操作閥門注水方案，根據操作人員站在沉箱頂部讀水尺確定各倉格注水量，操作閥門控制進水，該方法由于人為讀數誤差或操作閥門不及時很容易造成注水量不精確，導致沉箱整體不穩定，帶來較大施工風險。如何保證本工程沉箱的平穩順利安裝是項目技術人員面臨的一大挑戰。

1 工程概況

防城港企沙港區赤沙作業區2 號泊位工程擬建設1 個20 萬噸級散貨泊位，水工結構按30 萬噸級預留，岸線總長415 m，碼頭寬度32.5 m，碼頭采用獨立墩式沉箱基礎。共設計11 座橢圓形沉箱，沿碼頭前沿線布置，中心距35.5 m，位于無掩護海域環境。單個沉箱長29.0 m，高度為27.9 m，寬17.1 m（包括兩邊各1.8 m 寬的趾），分為15 個倉格，計算重量約5 278 t。經計算，沉箱浮游穩定吃水19.15 m，此時注水高度5.9 m，注水方量1 722.8 m3；沉箱著床后將沉箱倉格注滿水，總注水方量8 008.5 m3。橢圓沉箱模型圖見圖1。沉箱相關參數見表1。

表1 沉箱相關參數Table 1 Caisson related parameters

圖1 橢圓沉箱模型圖Fig.1 Elliptical caisson model

2 系統設計

2.1 設計總體思路

為實現沉箱下潛過程中各倉格間注水量精確控制，充分適應無掩護海域下海況環境，避免傳統閥門注水工藝下的操作人員安全風險，項目技術團隊以自動化控制和科技化創新為理念，結合工程實際應用情況，設計研發智能沉箱注水系統。該系統可實現以下功能：

1）數字化實時監測。采用電子液位計、電磁流量計、陀螺儀等智能感知終端對數據信息進行采集，實現沉箱注水倉格水位、流量、姿態遠程數字化全過程監測。

2）信息化模型建立。使用BIM 技術創建沉箱信息化模型，對異形沉箱倉格進行合理劃分，倉格之間設置連通形成不同區域，建立不同區域間對應關系。

3）自動化精細調平。中控系統中建立運算機制，將收集到的數據進行分析，通過變頻控制調節，實現沉箱自動化精細調平。

2.2 技術路線

系統綜合運用云計算、物聯網、移動技術等信息化技術手段，通過智能感知終端對施工過程信息進行自動采集，上傳至云架構中進行分析運算，變頻自動調整，實現沉箱精細化調平。施工人員可在操作中心或手機端進行部署，實現施工過程的數字化把控。系統技術路線見圖2。

圖2 系統技術路線Fig.2 System technology route

主機系統中建立沉箱注水施工信息模型（圖3），根據各倉格內注水總量將沉箱倉格對稱劃分為7 個區域，使用過水孔分別聯通，確定各區域間對應邏輯關系。將數據信息進行分析運算，根據運算結果判斷是否調整各倉格進水情況，通過操作變頻系統完成水泵流量控制，實現智能監控、注水、調平功能，完成對整個施工過程的數字信息化表達。

圖3 系統信息模型圖Fig.3 System information model

2.3 系統總體布置

每個區域根據注水量分別設置1～2 臺大功率水泵進行注水，每臺水泵設置水位測量儀、電磁流量計、電子陀螺儀對注水過程中倉格水位、注水流量、流速、沉箱姿態等信息進行實時收集，并將信息傳輸到操作主機，主要設備見表2。

表2 系統設備清單Table 2 System equipment list

系統總體布置圖見圖4。

圖4 系統總體布置圖Fig.4 General layout of the system

3 系統測試

3.1 測試方案

本工程沉箱倉格劃分復雜，施工環境差，對沉箱安裝過程中注水精度要求很高。以往施工中，采用水泵注水安裝沉箱的應用案例極少，智能沉箱注水系統為本項目首次研發應用。因此在研發過程中和施工前對該智能沉箱注水系統功能進行測試顯得尤為關鍵。

根據系統工作原理及主要軟、硬件的性能要求，分析實際應用過程中可能發生的問題，對該智能沉箱注水系統的軟件功能和硬件性能進行針對性測試。結合現場實際，充分利用現有條件，在研發過程中和應用前分階段進行測試。

3.2 功能模型測試

3.2.1 測試準備

結合智能沉箱系統的研發進度，在系統軟件完成后先進行系統功能測試。為保證該系統功能能夠充分體現，根據現有場地條件，將沉箱簡化為模型，采用小規格自吸泵代替大功率水泵進行測試。

3.2.2 測試過程和結果

根據需要，將所需設備連接完畢。將沉箱模型4 個倉格命名為a、b、c、d，水泵對應為泵a、泵b，泵c、泵d，倉格劃分見圖5。

圖5 沉箱模型倉格劃分Fig.5 Division of caisson model compartments

根據相對性水泵與相對性水泵連接的原則，將泵a 與系統模型內泵1，泵c 與泵4，泵b 與泵2，泵d 與泵5一一對應連接。關閉自動狀態，手動調整模型內各倉格水位，使對應倉格內水位差為20 cm。關閉手動狀態，打開自動狀態。設置允許水位差為10 cm，觀察各水泵變頻調整情況和注水流量情況。

經自動調平，模型達到平穩狀態后，停止注水。將水泵對照表3 所示對應關系重新連接，重復以上過程。測試結果記錄見表3。

表3 系統功能測試結果Table 3 Test results of system function

3.3 硬件性能測試

3.3.1 測試準備

為保證大功率水泵測試運行要求，選取施工現場鋼棧橋處為測試場地。該位置位于海面上方，可提供充足水源，取排水方便，能夠提供足夠的揚程測試條件。根據測試要求，準備材料見表4。

表4 硬件性能測試材料清單Table 4 Hardware performance testing material list

3.3.2 測試過程

在測試位置設置支撐結構，使出水口高出橋面約1.7 m，標高在+10.0 m 左右，此時水泵揚程為15.5 m，大于沉箱安裝開始注水時工作揚程15.4 m。支撐結構安裝完成后，進行泵管、彎頭、電磁流量計等組裝。

連接水泵，安裝前在水泵外側設置鋼筋護籠，使用φ12 mm 鍍鋅鋼絲繩連接，鋼絲繩通過抱箍固定于泵管側邊上方與彎頭處吊點連接，保證整體起吊安裝時，均由鋼絲繩受力，防止泵管損壞。

系統設備安裝結束后，開始設備試運行。待水泵、流量計等運行正常，將系統連接網絡，通過手機APP 進行操作（圖6），讀取實時流量、累計流量等數值，輸入開關指令，觀察手機APP 操作情況。

圖6 手機APP 操作界面Fig.6 Mobile APP operation interface

將流量計數值清零，2 臺水泵開始注水，記錄開始時間。水泵連續運轉滿24 h，過程中每間隔一段時間，觀察水泵運行情況，法蘭連接處是否存在漏水情況，實時累計流量，并進行記錄。

3.3.3 測試結果

測試結果記錄見表5。

表5 硬件性能測試結果Table 5 Test results of hardware performance

3.4 測試總結

對測試結果進行記錄、整理、分析，得出如下結論：

1）本智能注水系統具備各倉格水位、注水流量等信息智能提取和數字化顯示的功能。

2）本智能注水系統具備數據分析運算，自動變頻調節水泵流量，實現沉箱自動精細化調平的功能。

3）水泵揚程、流量均滿足使用要求，經長時間運轉各項性能參數穩定，具備良好的穩定性及耐久性。水泵連接系統整體安拆操作可行，各連接位置處密閉性良好。

4）本智能注水系統可與手機APP 聯動，數據信號穩定，操作便捷，使用效果良好。

測試過程中存在問題及相應解決方案：

1）系統內各硬件設備均需與控制中心有線傳輸，電源、信號電纜線接頭多，安裝過程較為繁瑣。后續將更換為快速接頭，并在接頭處增加標識，達到快速安裝的效果。

2）系統所配變頻柜為2 臺定制型一拖六立式柜機，單柜長1 m，寬0.6 m，高2.2 m，整體尺寸較大?？紤]到后期使用時該套設備均放置于沉箱蓋板，上部空間有限且風速大，后續將對變頻柜尺寸進行優化，以節約空間，減小迎風面積，增加穩定性。

3）經測試水泵連接變頻器后運行電流穩定，但啟動時電流較大，多臺設備同時啟動將對電源造成較大負荷。后續將針對此問題設置微差啟動功能，避免電流過大影響使用。

4 應用效果

4.1 設備現場安裝

半潛駁運載沉箱到達施工現場后，拖輪、起錨艇配合駐位。駐位過程中同時安裝智能注水系統相關設備。600 t 自航駁載相關設備靠半潛駁左舷帶纜定位，使用半潛駁左舷吊機進行安裝。技術人員提前對水泵擺放位置進行編號確定，與安裝人員進行交底，將水泵、發電機、控制柜等安裝至指定位置。使用定制固定架固定于沉箱外墻上方。

4.2 設備連接與調試

設備安裝就位后，技術人員連接數據線、電源線。數據線、電源線提前編號，做成成捆線軸，按照編號連接快速插頭。打開發電機和設備電源，檢查各水泵、水位計、流量計是否正常。觀察并記錄注水前倉格水位情況。

4.3 分階段注水

4.3.1 第一階段注水（注水至浮游穩定壓水高度）

半潛駁下潛至沉箱壓水水位后，啟動智能沉箱注水系統進行注水。打開手機APP 連接注水系統，設置目標注水水位5.6 m（浮游穩定壓水高度5.9 m）和水位差允許差值0.1 m，微差啟動8 臺注水水泵，數據及界面見圖7。

倉格水位達到5.6 m 后，使用皮尺抽測倉格內水位是否正確（經多次檢查，水位計顯示數據均與實測數據相匹配）。檢查無誤后，設置目標水位5.9 m 繼續壓水，壓水到位后自動停止。

4.3.2 第二階段注水（注水至沉箱著床）

沉箱出塢后，根據沉箱實際狀態，通過調整倉格允許水位差調整倉格水位，使沉箱調平。沉箱粗定位至安裝位置，結合潮水情況，待達到注水時間后開始注水，數據及界面見圖8。

圖8 第二階段注水界面Fig.8 The second stage water injection interface

沉箱距基床約2 m 時，關閉沉箱注水系統。檢查此時沉箱狀態，若沉箱平穩則繼續壓水；若沉箱姿態不平穩，則調整沉箱姿態后進行壓水。壓水過程中，觀察沉箱頂標高情況，實時進行調整，直至沉箱平穩著床。

4.3.3 第三階段注水

沉箱著床后，測量人員匯報沉箱偏位情況。若滿足規范要求，則繼續壓水至沉箱滿水；若不滿足要求，則啟動備用水泵，對沉箱進行抽水起浮，起浮后重新定位安裝。

4.4 設備拆除

沉箱倉格內滿水后，定位駁上方履帶吊配合拆除上方設備。將水泵拆除后，平順放置于自航駁上方，方便下次使用。

5 結語

本文就沉箱安裝注水方式進行改良創新，通過全過程的研發、測試、應用，形成了一套高效、便捷、具有實操性的智能注水系統。應用該系統實現了沉箱安裝數字化、信息化、可視化、減人化的施工過程，有效地增強了項目施工過程中的質量安全控制，提高了項目施工管理中現代化技術的應用，為日后工程推進提供了動力，為今后相似工程的承攬奠定技術基礎。

該技術適用于外海深水無掩護水域，倉格劃分復雜、方形、圓形、橢圓形以及異形的超大型沉箱出運安裝施工，后續將沉箱姿態控制變頻調節作為重點優化方向，進一步適用于偏重心箱體式構件出運安裝。