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）

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。

表1 沉箱相关参数Table 1 Caisson related parameters

图1 椭圆沉箱模型图Fig.1 Elliptical caisson model

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。

图2 系统技术路线Fig.2 System technology route

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。

图3 系统信息模型图Fig.3 System information model

2.3 系统总体布置

每个区域根据注水量分别设置1～2 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。

表2 系统设备清单Table 2 System equipment list

系统总体布置图见图4。

图4 系统总体布置图Fig.4 General layout of the system

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。

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。

图5 沉箱模型仓格划分Fig.5 Division of caisson model compartments

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。

表3 系统功能测试结果Table 3 Test results of system function

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。

表4 硬件性能测试材料清单Table 4 Hardware performance testing material list

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φ12 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6 手机APP 操作界面Fig.6 Mobile APP operation interface

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 5 Test results of hardware performance

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。

图8 第二阶段注水界面Fig.8 The second stage water injection interface

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。