船閘大型浮式檢修門沉浮量自動檢測設計

胡 航， 陳友之， 佘立子， 黎 攀， 熊 玥

（長江三峽通航管理局， 湖北 宜昌 443002）

0 引言

三峽船閘浮式檢修門（后簡稱浮門）是一種用于輔助船閘閘室排干的浮箱式擋水門。在末級閘室檢修時，需用拖輪牽引浮門至門槽下沉就位擋水，門體依靠浮門內水艙充水或排水實現檢修門槽內的沉浮作業。浮門沉浮量是指浮門在檢修門槽內沉浮作業期間，浮門門體下沉或上浮的數值，一般需精確到cm。沉浮量數據可用于判斷浮門是否沉浮到位以及沉浮時浮門的浮態是否平穩，是沉浮過程中需采集的重要數據。

由于浮門使用頻率不高、檢修門槽環境特殊，三峽船閘現有浮門控制系統并未設計沉浮量自動檢測功能。沉浮量數據采集主要是人工測量，測量作業涉及懸邊，安全保障和安全監護難度大。人工測量的實時性、準確性、可靠性相對低，會造成沉放位置不合適需排水起升浮門，重復浮門沉浮作業，使沉放時間增加、沉放效率降低、安全風險增加。所以，研究實現沉浮量自動檢測，對于減少浮門沉浮人員配置，降低浮門沉浮作業安全風險，提高沉放浮門效率，可靠保障檢修安全有重要意義。

1 沉浮量檢測需求分析

1.1 沉浮量檢測精度需求分析

沉浮量檢測精度需求根據兩方面進行分析。

一是根據沉浮作業人員沉浮作業經驗分析。當差值大于20 cm 或大于15 cm 且有上升趨勢時需調整姿態，小于20 cm 且基本保持則判定作業平穩。浮門下沉至離門槽底檻50 cm 左右時，需中斷沉浮流程進行浮門姿態調整確保浮門位置合適、止水面貼合后，再進行下沉操作，可知沉浮量檢測精確到厘米即可。

二是根據浮門需要可靠反映的橫傾高度差值ΔH 分析。電氣控制系統中浮門橫傾角度α 為2°時，系統開始預警；當α 為3°時，系統報警并觸發沉浮作業緊急中斷操作。已知浮門長度為L，高度為h，門槽寬度為b，浮門橫傾角度為α，可以根據公式計算出浮門橫傾高度差值ΔH。

1）當α=3°時，sin α=ΔH/L；

2）當α=1°時，sin α=ΔH/L；

3）當浮門卡在門槽時，α≈5.79°，ΔH=Lsin α；

代入現場數據可知，沉浮量精確到分米就能滿足浮門姿態判斷需求。綜合可知，浮門沉浮量檢測精確到厘米即可。

1.2 沉浮量檢測量程需求分析

1）當檢測方式為門體吃水測量時，沉浮量為浮門門體吃水值H。已知浮門門體常規排空吃水值為H1，三峽船閘下游水位為H2，門槽底檻高程為H3。則沉浮量H=H2-H3-H1。量程區間為Hmin～Hmax。Hmin=H2min-H3-H1，Hmax=H2max-H3-H1。

2）當檢測方式為門體水上部分高程測量時，沉浮量為門體水上部分高程變化值H。已知門體高度為R，門槽底檻為H3，門體常規排空吃水值為H1，三峽船閘下游水位H2，則沉浮量H=（R-H1+H2）-[H2+R-（H2-H3）]=H2-H3-H1。量程區間為Hmin～Hmax。Hmin=H2min-H3-H1，Hmax=H2max-H3-H1。

可知，兩種檢測方式的量程均一致。

2 沉浮量檢測方式與方法

浮門沉浮量的測量方式主要有兩種方式。

2.1 門體水上部分高程測量方式

通過測量門體水上部分垂直水平面方向位移量變化，得出浮門沉浮量。主要的檢測方法有如下幾種：

1）基于拉繩式開度儀對門體水上部分的沉浮行程進行自動檢測得出沉浮量。

這種檢測方法在三峽船閘閘閥門活塞桿行程測量的應用十分成熟穩定。如能結合門槽環境設計出合適的測量、安裝方案，沉浮量數據的精度、實時性均能可靠保障。但此方法測量數據的準確性受浮門在門槽內的橫向位移范圍影響。當橫向位移較大時，會造成沉浮數據較實際值偏大，也會造成拉繩在出口處磨損。需實際試驗測量橫向位移情況對該方法測量準確性和設備的影響。

2）基于激光測距儀對門體水上部分高度值進行自動檢測，換算得出沉浮量[1]。激光有光速不變性、方向性好的特點，理論上測量精度、數據準確性高。項目成員通過了解葛洲壩船閘、三峽船閘閘門合攏處門縫錯位激光測量的應用情況，得知激光測量受環境光的影響較大，需設計裝置隔離環境光保護光檢測通路，才能保障檢測的可靠準確。裝置設計、安裝難度大。

2.2 門體吃水測量方式

一種方式是測量、監測門體水下部分垂直水平面方向位移量變化，得出浮門沉浮量。浮門門體近似船舶結構，沉浮量的測量技術可參考船舶吃水檢測技術。針對船舶吃水測量技術現狀，查閱相關論文及應用技術，了解到現有的主要測量方法有壓力傳感器法、電子水尺法、激光水位測量法、圖像處理法、聲吶測量法等[2]。結合三峽船閘浮門現場情況總結篩選得出如下兩種檢測方法推薦研究應用。

1）基于壓力傳感器（如水位計）對浮門的吃水量進行自動檢測，換算得出實時沉浮量。可通過在門體多處安裝壓力傳感器，綜合處理計算出沉浮量，以減少晃動和水浪等干擾的影響，增加測量的準確度。此方法的測量精度、可靠性、準確性是可以滿足要求的。

2）基于電子水尺對浮門的吃水量進行自動檢測，換算得出實時沉浮量。將數據采集儀和數字顯示儀相結合。其原理是利用水的導電性測量兩電極的電位差，從而測量出水位數據。從某種程度上講，電子水尺的原理與壓力傳感器方法是一樣的。

2.3 檢測方式比選

對四種檢測方式進行優缺點比較，結果如表1所示。

表1 四種檢測方式優缺點比較

3 三峽船閘浮門沉浮量自動檢測設計

結合比選結果，基于激光測距儀進行三峽船閘浮門沉浮量自動檢測設計。基于激光測距儀的設計方案，采用將激光測距儀傳感器本體安裝在浮門門體端固定支座上，反射板固定在閘墻端可調節支架上的安裝方式，安裝方式簡圖如圖1-1 和圖1-2 所示。通過設計計算，在保證激光在允許偏轉角度能打在反射板區域時，測量端的測量變化值即為浮門沉浮量。激光測距儀可獨立顯示沉浮量，也可接入控制系統，在人機界面顯示沉浮量。

圖1 激光測距儀安裝方案

該設計方案的支架安裝設計為兩個部分，分別為浮門端傳感器支座、閘墻端可調節反射板支架。傳感器支座需根據測距儀傳感器尺寸、浮門甲板安裝環境進行設計，要具備傳感器位置調整功能。可分解設計為浮門端固定支架、傳感器調節位移平臺、傳感器安裝板。

激光測距由激光測距儀發射激光至反射板，反射回激光測距儀。經過選型與測試，可選擇具有質量輕、材料強度高、不易變形等優點的KT 板作為反射板。由于測量距離長，反射板反射面積需根據浮門橫傾角度計算，確保浮門在允許的橫傾角度內，激光可以發射到反射板上，有檢測數據。反射板安裝支架需根據反射板尺寸、閘墻安裝環境進行設計，安裝位置要在傳感器反射區內且需結合傳感器位置進行校準以滿足反射要求。

4 結語

本文分析了三峽船閘浮式檢修門沉浮量檢測精度需求，針對目前三峽船閘浮式檢修門沉浮過程中采用人工測量及依靠水箱內水位計監測的技術作為沉浮量存在準確性差、可靠性不強、人員工作量大且安全風險高的問題，基于成熟的檢測技術探究了沉浮量的自動監測與測量的可行性，通過拉繩式開度儀、激光測距儀、壓力傳感器、電子水尺四種方案的對比，選定了基于激光測距儀為主體的實現浮門沉浮量自動檢測的設計思路。通過三峽船閘浮門門槽內沉浮測試實驗結果可知，該設計方案測量數據精準，分辨率高、響應速度快，滿足三峽船閘浮式檢修門沉浮量檢測精度需求。