桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)負(fù)壓下沉自動控制系統(tǒng)

舒方法，楊安韜，楊三元

（中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032）

1 項(xiàng)目背景

桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)防波堤是一種防波堤結(jié)構(gòu)。桶形結(jié)構(gòu)為上端封閉、下端開口、中間空腔的混凝土結(jié)構(gòu)[1]，通過對桶體內(nèi)部充壓縮空氣來實(shí)現(xiàn)氣浮拖運(yùn)。沉貫就位時，先靠自身重量及平臺上部結(jié)構(gòu)重量使其筒裙底端插入海底一定深度[2]，桶內(nèi)形成封閉空間，然后用泵抽吸，形成負(fù)壓，依靠桶頂內(nèi)外表面壓差，克服桶體下沉阻力，使桶體下沉到預(yù)定深度，從而達(dá)到施工要求[3]。

桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)部分9個倉，每個倉上有進(jìn)排氣孔和排水口，如圖1所示。通過電磁閥和抽水泵控制每個倉的進(jìn)排氣狀態(tài)或者抽水狀態(tài)來控制桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的平衡。在整個的工藝流程中，桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的傾斜度和下沉的標(biāo)高是控制系統(tǒng)的主要控制目標(biāo)，也是衡量工程質(zhì)量的一個重要參數(shù)。

圖1 桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)Fig.1 The bucket foundation structure

2 控制系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

2.1 控制系統(tǒng)需求分析

在桶式結(jié)構(gòu)充氣浮運(yùn)階段，通過桶體上的進(jìn)氣管路向桶體內(nèi)部充入壓縮空氣，使結(jié)構(gòu)漂浮于水面，調(diào)整桶體內(nèi)的充氣量，使桶體的入水深度達(dá)到滿足拖航穩(wěn)定性的要求。故控制系統(tǒng)首先要有桶式結(jié)構(gòu)姿態(tài)監(jiān)控功能，其次要有快速響應(yīng)處理功能，可以根據(jù)監(jiān)測的姿態(tài)數(shù)據(jù)，快速計算并反饋控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行充放氣調(diào)節(jié)，保證桶式結(jié)構(gòu)的姿態(tài)穩(wěn)定性。

2.2 控制工藝

根據(jù)施工工藝，桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的安裝分以下4個步驟：氣浮上升、氣浮拖運(yùn)、自重下沉、負(fù)壓下沉。

1）氣浮上升：壓縮空氣通過進(jìn)氣管往艙內(nèi)充氣，桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在大氣壓力和浮力的作用下緩緩上浮，直至達(dá)到浮運(yùn)穩(wěn)定狀態(tài)，在上浮過程中PLC自動控制桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的姿態(tài)，使之平衡、穩(wěn)定上升至目標(biāo)高度。

2）氣浮拖運(yùn)：當(dāng)桶體達(dá)到浮運(yùn)穩(wěn)定狀態(tài)后，由拖輪拖動桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)到達(dá)目的位置，在拖運(yùn)過程中，由PLC自動控制進(jìn)氣閥的打開和關(guān)閉來調(diào)整桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的姿態(tài)，使其保持平衡，并維持在浮運(yùn)穩(wěn)定允許的高度。

3）自重下沉：當(dāng)桶體到達(dá)目的位置后，PLC關(guān)閉進(jìn)氣閥門，打開排氣閥門，桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在自身重力和浮力的作用下下沉入泥，PLC通過控制排氣閥的打開和關(guān)閉來控制下沉的速度和桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的平衡。

4）負(fù)壓下沉：當(dāng)桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)自重下沉結(jié)束后，PLC關(guān)閉排氣閥門，打開抽水泵抽水，桶體在大氣壓力的作用下繼續(xù)下沉，PLC通過控制抽水泵的打開和關(guān)閉來控制下沉的速度和桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的平衡，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)計標(biāo)高時，關(guān)閉排水泵，負(fù)壓下沉結(jié)束。

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1 系統(tǒng)原理

桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)充氣浮運(yùn)及負(fù)壓下沉自動控制系統(tǒng)框圖如圖2所示，由4臺GPS通過RS232端口輸出經(jīng)、緯度信號，分別連接到PLC控制系統(tǒng)和計算機(jī)，PLC系統(tǒng)根據(jù)GPS輸出的Z方向信號來判斷構(gòu)件變化情況，為姿態(tài)控制提供依據(jù)。同時計算機(jī)讀取GPS信號并通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件，計算出構(gòu)件在工程坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，在計算機(jī)上進(jìn)行顯示。另配備有傾斜儀直接連到PLC控制系統(tǒng)的模擬模塊，通過PLC的CPU對其進(jìn)行循環(huán)掃描進(jìn)行姿態(tài)控制，故該套控制系統(tǒng)采用冗余控制策略，用兩套控制糾偏系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制優(yōu)先策略進(jìn)行姿態(tài)和下沉控制，保證了控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

圖2 桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)充氣浮運(yùn)及負(fù)壓下沉自動控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Diagram of the pneumatically floated bucket foundation structure and theautomatic control system with negative pressure sinking

2.3.2 設(shè)備選型

1） 姿態(tài)采集系統(tǒng)：采用4臺Trimble SPS852 GPS和1臺德國FRABA/POSITAGL公司的精密雙軸傾角傳感器ACS-080組成。GPS-RTK實(shí)時提供桶式結(jié)構(gòu)的三維坐標(biāo)，GPS系統(tǒng)在Z軸方向精度可以到達(dá)5 cm，水平精度3 cm。精密雙軸傾角傳感器實(shí)時提供桶式結(jié)構(gòu)的傾斜姿態(tài)，傾角儀精度為 0.01°。

2）壓力采集系統(tǒng)：檢測艙內(nèi)壓力的變化，并設(shè)計專用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲，作為姿態(tài)影響因素之一進(jìn)行研究；該壓力傳感器為真空壓力模擬量傳感器，壓力測量量程為-0.1～1 MPa，測量精度為0.1%FS，可以滿足負(fù)壓測量和精度要求。

3） 可編程序控制器 （PLC） 采用SIEMENS公司的S7-200系列，CPU本身自帶RS485通訊端口，可以和現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行自由口通訊，CPU通過RS485通訊端口采集GPS的高程數(shù)據(jù)，通過數(shù)字量輸入模塊采集現(xiàn)場的數(shù)字信號，通過模擬量輸入模塊采集現(xiàn)場的模擬信號，再結(jié)合上位機(jī)的操作指令，判斷桶式結(jié)構(gòu)的傾斜姿態(tài)，再根據(jù)不同的工藝流程，控制9個艙的進(jìn)排氣閥和排水泵的打開和關(guān)閉，通過調(diào)節(jié)9個艙內(nèi)部的氣壓或者排污泵產(chǎn)生的負(fù)壓來調(diào)節(jié)桶式結(jié)構(gòu)的姿態(tài)，以達(dá)到自動糾偏的目的。

2.3.3 姿態(tài)控制及報警系統(tǒng)

下沉姿態(tài)控制系統(tǒng)采用的冗余控制策略，分別采用GPS的高程數(shù)據(jù)和傾斜儀的角度數(shù)據(jù)來綜合判斷桶體的姿態(tài)，并在軟件中設(shè)置自動糾偏的控制精度，設(shè)定三級傾斜情況，第一級傾斜時，程序自動糾偏，報警燈發(fā)出黃光并閃爍；第二級傾斜時，程序自動糾偏，上位機(jī)彈出報警信息，報警燈發(fā)出紅光并閃爍，同時報警鈴聲響起提醒施工人員注意；第三級傾斜情況可能出現(xiàn)在設(shè)備出現(xiàn)故障或者桶體下沉?xí)r遇到鈣化物導(dǎo)致傾斜情況無法調(diào)整，這樣就需要停機(jī)檢查，排除設(shè)備故障，并切換到“手動”模式，通過一邊充氣一邊排水的方式進(jìn)行調(diào)平，當(dāng)桶體調(diào)平以后可切換到“自動”模式繼續(xù)施工。

2.3.4 上位機(jī)開發(fā)

上位機(jī)操作軟件采用模塊化設(shè)計方法，在LABVIEW 2009環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)，界面簡潔操作方便，施工人員可以在PC機(jī)上觀察到桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的位置和高程、桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的傾斜姿態(tài)、現(xiàn)場電磁閥和抽水泵的開閉狀態(tài)和艙內(nèi)大氣壓力等信息，而且所有傳感器信息、操作信息全部錄入數(shù)據(jù)庫，可以隨時查看以前的記錄。本系統(tǒng)具有自動和手動兩種控制方式，施工人員可以通過操作臺上的按鈕進(jìn)行手動和自動控制模式的切換，在界面上也可以觀察到目前是何種控制模式。在自動糾偏的過程中，施工人員可以通過上位機(jī)界面實(shí)時觀察桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。上位機(jī)操作軟件界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)操作界面Fig.3 System operation interfaces

3 結(jié)語

本控制系統(tǒng)針對該結(jié)構(gòu)的性能特點(diǎn)、研究建立了桶式結(jié)構(gòu)自動控制系統(tǒng)，在徐圩防波堤工程中實(shí)現(xiàn)桶式結(jié)構(gòu)自半潛駁上氣浮上升、氣浮拖運(yùn)至安裝位置和負(fù)壓下沉至設(shè)計標(biāo)高全過程自動控制，且在整個施工過程中，自動獲取桶式結(jié)構(gòu)的姿態(tài)信息并自動糾偏，保證桶式結(jié)構(gòu)的浮運(yùn)平衡和平穩(wěn)下沉。

[1] 高志偉，李亞，高樹飛，等.徐圩防波堤工程桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]．水運(yùn)工程，2013（10）：89-94.GAOZhi-wei,LIYa,GAOShu-fei,et al.Bucket foundation structure design of Xuwei breakwater[J].Port&Waterway Engineering,2013(10):89-94.

[2] 徐光，謝善文，李元音.防波堤的新結(jié)構(gòu)型式[J].水運(yùn)工程，2001（11）：20-25.XU Guang,XIE Shan-wen,LI Yuan-yin.New structure types of breakwaters[J].Port&Waterway Engineering,2001(11):20-25.

[3] 袁德奎，陶建華.半圓型防波堤波浪力的計算方法[J].中國港灣建設(shè)，2002（2）：11-15.YUAN De-kui,TAO Jian-hua.Calculation of wave forces on semi-circular breakwater[J].China Harbour Engineering,2002(2):11-15.