摘要: 為解決大型沉箱出運(yùn)壓載水監(jiān)測(cè)精度低、不連續(xù)、存在人身安全隱患的問(wèn)題，基于智能液位計(jì)研發(fā)了大型沉箱水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，達(dá)到安全、不間斷地監(jiān)測(cè)沉箱水位的目的，也可為大型沉箱遠(yuǎn)距離安全拖航提供借鑒。
          隨著世界經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展以及全球化進(jìn)程的加深，港口作為連接世界各國(guó)的橋梁與紐帶也迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。碼頭建設(shè)朝大泊位、深水泊位方向發(fā)展，因此沉箱大型化發(fā)展趨勢(shì)明顯，沉箱高度、質(zhì)量越來(lái)越大，***大質(zhì)量可達(dá) 7 000 t［1］。這些大型沉箱浮游穩(wěn)定成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題，對(duì)沉箱壓載水監(jiān)測(cè)也提出更高的要求。在沉箱出運(yùn)過(guò)程中，沉箱格倉(cāng)水位是控制沉箱浮運(yùn)、下沉姿態(tài)的重要參數(shù)。若壓載水控制不好，沉箱將失穩(wěn)傾翻，造成安全事故和經(jīng)濟(jì)損失。但目前沉箱壓載水監(jiān)測(cè)仍沿用帶刻度測(cè)繩懸吊浮球的方法，

　　1、智能液位計(jì)監(jiān)測(cè)水位工作原理：
　　智能液位計(jì)以微處理器為核心單元，具有檢測(cè)、判斷和信息處理功能。其測(cè)量水位的基本原理是利用半導(dǎo)體硅材料的壓阻效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)液位壓力與電信號(hào)的轉(zhuǎn)換［2］。即把與液體深度成正比的液體靜壓力，通過(guò)液位計(jì)( 變送器) 轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)輸出，從而建立輸出電信號(hào)與液體深度的線(xiàn)性對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)液位( 水位) 的測(cè)量。沉箱水位監(jiān)測(cè)選用MPM4700 型智能液位計(jì)，該液位計(jì)以擴(kuò)散硅壓阻式傳感器為管芯，集成變換器電路、微處理芯片為一體，其性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)緊湊，外圍線(xiàn)路簡(jiǎn)單。該液位計(jì)為四線(xiàn)制，可同時(shí)輸出一組4 ～ 20 mA 的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)和ＲS486 數(shù)字信號(hào)［3］。MPM4700 型智能

　　2、智能液位計(jì)在沉箱水位監(jiān)測(cè)中的布設(shè)：
　　為了避免在沉箱頂部現(xiàn)場(chǎng)布線(xiàn)和減少高空作業(yè)時(shí)間，沉箱水位監(jiān)測(cè)擬采用無(wú)線(xiàn)傳輸方式，智能液位計(jì)采集的沉箱水位數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)射和無(wú)線(xiàn)接收的方式，傳輸?shù)诫娔X進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，在屏幕上直觀顯示出大型沉箱不同格倉(cāng)水位和倉(cāng)外吃水深度。一個(gè)MPM4700 型智能液位計(jì)對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的無(wú)線(xiàn)發(fā)射單元，根據(jù)所監(jiān)測(cè)的沉箱格倉(cāng)數(shù)量來(lái)確定無(wú)線(xiàn)發(fā)射單元的數(shù)量。每個(gè)無(wú)線(xiàn)發(fā)射單元包括卷線(xiàn)盤(pán)、MPM4700 型智能液位計(jì)、485 轉(zhuǎn)換器、無(wú)線(xiàn)發(fā)射器、無(wú)線(xiàn)發(fā)射天線(xiàn)、移動(dòng)電源等;無(wú)線(xiàn)接收單元與筆記本電腦相連接，包括無(wú)線(xiàn)接收器、無(wú)線(xiàn)接收天線(xiàn)、移動(dòng)電源。無(wú)線(xiàn)發(fā)射器和發(fā)射天線(xiàn)固定在卷線(xiàn)盤(pán)上，攜帶輕便，在沉箱出運(yùn)施工平臺(tái)吊裝時(shí)，卷線(xiàn)盤(pán)綁扎在施工平臺(tái)的人行通道旁，隨施工平臺(tái)吊升到沉箱頂部; 需要監(jiān)測(cè)時(shí)施工人員通過(guò)卷線(xiàn)盤(pán)放線(xiàn)，智能液位計(jì)探頭放入到沉箱格倉(cāng)底部，打開(kāi)無(wú)線(xiàn)發(fā)射單元的移動(dòng)電源即可。以漳州后石港區(qū)3 號(hào)泊位工程沉箱為例，該工程沉箱為16 個(gè)格倉(cāng)，沿前趾和后趾方向的相鄰2 個(gè)格倉(cāng)設(shè)置通水孔相互連通。因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)沉箱前趾4 個(gè)格倉(cāng)和后趾4 個(gè)格倉(cāng)的水位，就可以掌握整個(gè)沉箱的平衡狀態(tài)。在沉箱水位監(jiān)測(cè)時(shí)，總共布設(shè)9 個(gè)MPM4700 型智能液位計(jì)，平行前趾或平行后趾4 個(gè)格倉(cāng)分別布設(shè)4 個(gè)液位計(jì)，
　　1 個(gè)液位計(jì)放在格倉(cāng)外與沉箱底齊平以監(jiān)測(cè)半潛駁下潛時(shí)沉箱的吃水深度( 圖2) 。

　　3、智能液位計(jì)通訊設(shè)置及數(shù)據(jù)采集：
　　MPM4700 型智能液位計(jì)的輸出方式有模擬輸出和數(shù)字通訊輸出。為提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度及可靠性，大型沉箱水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用數(shù)字通訊輸出方式采集傳輸信號(hào)。通訊設(shè)置及數(shù)據(jù)采集方便快捷，液位計(jì)在沉箱格倉(cāng)布設(shè)完成后，開(kāi)啟無(wú)線(xiàn)發(fā)射單元電源，即可對(duì)液位計(jì)進(jìn)行通訊設(shè)置( 圖3) 。9 路液位計(jì)的電信號(hào)通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)射和無(wú)線(xiàn)接收，經(jīng)過(guò)沉箱水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件處理后，實(shí)時(shí)顯示8 個(gè)格倉(cāng)水位值和沉箱的吃水深度。通訊參數(shù)如下: ①設(shè)置串口號(hào)為無(wú)線(xiàn)接收器接入計(jì)算機(jī)占用的串口編號(hào)，波特率默認(rèn)為9 600。②點(diǎn)擊“設(shè)置串口”把修改過(guò)的串口設(shè)置好。如第①步串口參數(shù)沒(méi)變化，則忽略此步驟。③把在線(xiàn)液位計(jì)的編號(hào)從左邊框移到右邊框，總共9 個(gè)液位計(jì)，其中格倉(cāng)8 個(gè)，格倉(cāng)外1 個(gè)。④設(shè)定“傳輸控制”參數(shù)，此處按默認(rèn)設(shè)定即可。其中，錯(cuò)誤發(fā)生次數(shù)表示通訊軟件給液位計(jì)發(fā)出指令后，液位計(jì)沒(méi)有響應(yīng)的次數(shù)，則判定此液位計(jì)有故障。刷新周期表示系統(tǒng)軟件隔多少毫秒把通訊軟件中的數(shù)值刷新寫(xiě)入到大型沉箱水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件。指令間隔表示通訊軟件發(fā)給每個(gè)液位計(jì)指令的時(shí)間間隔。時(shí)間越短，指令下發(fā)速度越快。但并非時(shí)間越短越好，因?yàn)闀r(shí)間太快，液位計(jì)無(wú)法反應(yīng)過(guò)來(lái)，從而導(dǎo)致通訊失敗。指令間隔通常設(shè)置為400 ms 左右。⑤點(diǎn)擊“啟動(dòng)”按鈕與在線(xiàn)的各液位計(jì)進(jìn)行通訊。⑥點(diǎn)擊“啟動(dòng)KV 通訊”把各液位計(jì)采集的水位值寫(xiě)入大型沉箱水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件。通訊軟件啟動(dòng)后，若通訊參數(shù)設(shè)置正確，并且有液位計(jì)在線(xiàn)，則采集水位值，如圖3 的A 區(qū)，表示1～9 號(hào)液位計(jì)對(duì)應(yīng)的水位值; B 區(qū)表示各液位計(jì)的通訊故障狀態(tài)，0 表示通訊正常，1 表示通訊故障。

　　4、工程應(yīng)用：
　　漳州后石港區(qū)3 號(hào)泊位碼頭工程采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)，該工程沉箱共15 件，單件質(zhì)量4 365 t，沉箱長(zhǎng)、寬、高分別為19. 8、21. 9 、25. 0 m; 沉箱分7 層澆筑，澆筑***頂層時(shí)3# 格倉(cāng)按設(shè)計(jì)圖紙預(yù)留3 m 高的缺口。在漳州預(yù)制廠預(yù)制，沉箱安裝施工現(xiàn)場(chǎng)距離預(yù)制廠約6. 3 km。沉箱采用氣囊橫移至出運(yùn)通道，再縱移至出運(yùn)碼頭前沿線(xiàn)上駁，采用8 000 t 半潛駁下潛安裝。根據(jù)浮游穩(wěn)定計(jì)算，沉箱各格倉(cāng)壓載水見(jiàn)圖4。2#、6# 格倉(cāng)為3. 98 m，3#、7#格倉(cāng)為4. 34 m，其余格倉(cāng)為3. 80 m，沉箱倉(cāng)外吃水12. 15 m。根據(jù)當(dāng)?shù)厮恼境毕恚?015-04-17T20∶30 下潛坑潮位條件符合下潛要求，半潛駁在下潛區(qū)開(kāi)始加水下潛; 下潛至沉箱吃水1. 8 m 時(shí)，同時(shí)開(kāi)啟沉箱的8 個(gè)注水閥門(mén)開(kāi)始向沉箱格倉(cāng)中注入壓載水; 當(dāng)沉箱吃水5 m 時(shí)半潛駁暫停下潛，起重船靠近半潛駁，工人將連接起重船吊鉤的鋼絲繩用卡環(huán)固定在沉箱頂部吊環(huán)上。半潛駁繼續(xù)下潛至9 m 時(shí)再暫停下潛，等待吊纜就位。半潛駁繼續(xù)下潛，在沉箱底與枕木支墊處于脫離的臨界狀態(tài)時(shí)，減緩半潛駁下潛速度，直至沉箱完全脫離浮船塢。此時(shí)啟動(dòng)吊機(jī)，使鋼絲繩處于輕微受力狀態(tài)。在半潛駁下潛及沉箱格倉(cāng)注入壓載水過(guò)程中，通過(guò)大型沉箱水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)顯示各格倉(cāng)水位值及沉箱的吃水深度( 圖5)

，提示施工人員調(diào)整閥門(mén)的注水速率，判斷沉箱的平衡狀態(tài)，若未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)可以通過(guò)小幅度調(diào)整倉(cāng)格注水，使沉箱達(dá)到浮游穩(wěn)定要求并且處于平衡狀態(tài)。當(dāng)沉箱各格倉(cāng)壓載水注入完成后，關(guān)閉注水閥門(mén)，起重船操作人員啟動(dòng)后錨卷?yè)P(yáng)機(jī)，緩慢拖動(dòng)沉箱出塢。

　　5、結(jié)論：
　　1) 沉箱浮運(yùn)安裝時(shí)應(yīng)用智能液位計(jì)監(jiān)測(cè)水位，具有安全、準(zhǔn)確、不分晝夜全程監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，解決了人工測(cè)量精度低、不連續(xù)、存在高空作業(yè)安全隱患的問(wèn)題，對(duì)工程安全和風(fēng)險(xiǎn)管理有較好的引導(dǎo)作用。
　　2) 漳州后石港區(qū)3 號(hào)泊位工程沉箱浮運(yùn)安裝過(guò)程中，應(yīng)用基于MPM4700 型智能液位計(jì)的大型沉箱水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)15 件質(zhì)量為4 365 t件的大型沉箱壓載水進(jìn)行監(jiān)測(cè)，滿(mǎn)足工程晝夜安全施工的需要，取得了良好的效果。
　　3) 沉箱浮運(yùn)安裝過(guò)程中應(yīng)用智能液位計(jì)監(jiān)測(cè)水位，能實(shí)時(shí)掌握沉箱各格倉(cāng)的水位情況及沉箱浮游穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，也可為大型沉箱的遠(yuǎn)距離安全拖航提供借鑒。