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)
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
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。
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。
2.3.1 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
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.
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