一种海上筑堤自动充砂模拟装置论文和设计-李祺

全文摘要

本实用新型公开了一种海上筑堤自动充砂模拟装置，包括水槽、模拟冲砂袋、模拟冲砂装置和控制系统；所述水槽用以模拟海平面及水下充砂环境；所述模拟冲砂袋采用两个充填口，设置中间隔断以控制水的流动；所述模拟冲砂装置包括用于将模拟水砂混合填充物填充至模拟冲砂袋仓的水泵和冲砂管；所述控制系统包括用于监测模拟冲砂袋沉降量偏差的沉降量传感器、用于监测模拟冲砂袋冲砂流量偏差的涡轮流量计、和PLC控制器。本实用新型建立实物模型用以模拟海上充砂过程，实现砂袋充砂量自动控制，达到充砂均匀，平稳下沉的目的；其应用可以在实际工程中起到提高分流精度，提高人员工作效率，保证工程填充质量，节约工程成本的效果。

主设计要求

1.一种海上筑堤自动充砂模拟装置，其特征在于，包括水槽(1)、模拟冲砂袋、模拟冲砂装置和控制系统；所述水槽(1)内填充有水，用以模拟海平面及水下充砂环境；所述模拟冲砂袋位于所述水槽(1)内；所述模拟冲砂袋通过设置中间隔膜(2)实现分仓，分为相互独立且密封的模拟冲砂袋仓Ⅰ(3)和模拟冲砂袋仓Ⅱ(4)；所述模拟冲砂袋仓Ⅰ(3)和模拟冲砂袋仓Ⅱ(4)上分别设置有充填口Ⅰ(5)和充填口Ⅱ(6)；所述模拟冲砂装置包括用于将模拟水砂混合填充物填充至所述模拟冲砂袋仓Ⅰ(3)的水泵Ⅰ(7)和冲砂管Ⅰ(8)，以及用于将模拟水砂混合填充物填充至所述模拟冲砂袋仓Ⅱ(4)的水泵Ⅱ(9)和冲砂管Ⅱ(10)；所述控制系统包括用于监测所述模拟冲砂袋仓Ⅰ(3)和模拟冲砂袋仓Ⅱ(4)沉降量偏差的沉降量传感器、用于监测所述模拟冲砂袋仓Ⅰ(3)和模拟冲砂袋仓Ⅱ(4)冲砂流量偏差的涡轮流量计、和PLC控制器(11)，所述沉降量传感器、涡轮流量计、水泵Ⅰ(7)、水泵Ⅱ(9)均连接至所述PLC控制器(11)。

设计方案

1.一种海上筑堤自动充砂模拟装置，其特征在于，包括水槽(1)、模拟冲砂袋、模拟冲砂装置和控制系统；

所述水槽(1)内填充有水，用以模拟海平面及水下充砂环境；

所述模拟冲砂袋位于所述水槽(1)内；所述模拟冲砂袋通过设置中间隔膜(2)实现分仓，分为相互独立且密封的模拟冲砂袋仓Ⅰ(3)和模拟冲砂袋仓Ⅱ(4)；所述模拟冲砂袋仓Ⅰ(3)和模拟冲砂袋仓Ⅱ(4)上分别设置有充填口Ⅰ(5)和充填口Ⅱ(6)；

所述模拟冲砂装置包括用于将模拟水砂混合填充物填充至所述模拟冲砂袋仓Ⅰ(3)的水泵Ⅰ(7)和冲砂管Ⅰ(8)，以及用于将模拟水砂混合填充物填充至所述模拟冲砂袋仓Ⅱ(4)的水泵Ⅱ(9)和冲砂管Ⅱ(10)；

所述控制系统包括用于监测所述模拟冲砂袋仓Ⅰ(3)和模拟冲砂袋仓Ⅱ(4)沉降量偏差的沉降量传感器、用于监测所述模拟冲砂袋仓Ⅰ(3)和模拟冲砂袋仓Ⅱ(4)冲砂流量偏差的涡轮流量计、和PLC控制器(11)，所述沉降量传感器、涡轮流量计、水泵Ⅰ(7)、水泵Ⅱ(9)均连接至所述PLC控制器(11)。

2.根据权利要求1所述的一种海上筑堤自动充砂模拟装置，其特征在于，所述模拟冲砂袋通过砂袋四周固定装置(12)连接在所述水槽(1)内，所述砂袋四周固定装置(12)包括立柱和细绳，所述立柱固定在所述水槽(1)的四角，所述细绳一端固定在所述模拟冲砂袋上、另一端套设在所述立柱上。

3.根据权利要求1所述的一种海上筑堤自动充砂模拟装置，其特征在于，所述模拟水砂混合填充物采用浓度为3％～5％的盐水。

4.根据权利要求1所述的一种海上筑堤自动充砂模拟装置，其特征在于，所述水泵Ⅰ(7)和水泵Ⅱ(9)均采用24V大流量可调速DC40F系列水泵。

5.根据权利要求1所述的一种海上筑堤自动充砂模拟装置，其特征在于，所述冲砂管Ⅰ(8)和冲砂管Ⅱ(10)采用PVC塑料软管，所述PVC塑料软管与所述充填口Ⅰ(5)、充填口Ⅱ(6)的内径相匹配。

6.根据权利要求1所述的一种海上筑堤自动充砂模拟装置，其特征在于，所述沉降量传感器设置有两个，分别为用于监测所述模拟冲砂袋仓Ⅰ(3)沉降量的沉降量传感器Ⅰ(13)和用于监测所述模拟冲砂袋仓Ⅱ(4)沉降量的沉降量传感器Ⅱ(14)；所述沉降量传感器Ⅰ(13)和沉降量传感器Ⅱ(14)均连接至所述PLC控制器(11)。

7.根据权利要求1所述的一种海上筑堤自动充砂模拟装置，其特征在于，所述沉降量传感器包括滑轮系统和滑动变阻器，所述滑轮系统包括滑轮(15)、无弹性绳(16)和配重(17)，所述无弹性绳(16)一端与所述模拟冲砂袋固定连接，中间经过所述滑轮(15)，另一端设置所述配重(17)；所述滑动变阻器与所述滑轮(15)固定连接，随所述滑轮(15)的转动而转动，所述滑动变阻器连接至所述PLC控制器(11)。

8.根据权利要求1所述的一种海上筑堤自动充砂模拟装置，其特征在于，所述涡轮流量计设置有两个，分别为用于监测所述模拟冲砂袋仓Ⅰ(3)冲砂流量的涡轮流量计Ⅰ(18)和用于监测所述模拟冲砂袋仓Ⅱ(4)冲砂流量的涡轮流量计Ⅱ(19)；所述涡轮流量计Ⅰ(18)设置在所述冲砂管Ⅰ(8)上，所述涡轮流量计Ⅱ(19)设置在所述冲砂管Ⅱ(10)上，所述涡轮流量计Ⅰ(18)和涡轮流量计Ⅱ(19)均连接至所述PLC控制器(11)。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及环境(能源)技术，特别涉及一种海上筑堤自动充砂模拟装置。

背景技术

充砂袋作为堤心的一种新型结构，具有对软基适应力强、施工速度快、费用低、作业面广等较多优点，在堤防工程、陆域形成工程等领域应用非常广泛。其原理是采用水力充填法，即把泥砂物质填充到袋里，砂袋层级叠置形成整个堤。海上充填砂袋尺寸很大，如30*50*1m^{3<\/sup>。填充水砂混合物施工方法是在砂袋沉放地点用船引拉砂袋边缘固定砂袋，砂袋上布置多个填充砂浆管，海上装砂船通过管道连接充砂泵进行充灌作业。}

传统充填作业中水下充砂袋的控制技术尚不完善，施工质量较难保证。由于填充量大，作业时间长，人工凭经验控制阀门启闭，误差较大；海上风、浪、流等荷载作用和潮位的涨落使得铺设范围、控制轴线偏移量和船体的位移难以准确控制，导致砂袋排列达不到规整和紧密的要求；水下观察难，较难及时纠正位移偏差；易形成某些局部“过满”快速下沉，或者某些局部“空穴”漂轻难以下沉；较难监控充砂袋沉降变化，较难实现平整均匀下沉；施工区域各砂袋不均匀累积使得水下表面平整度较差，无法准确判断加载间歇期，充砂袋的后续堆叠存在隐患。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有砂袋充填方法存在的不足，提供一种低风险、切实有效的海上筑堤自动充砂模拟装置，建立实物模型用以模拟海上充砂过程，实现砂袋充砂量自动控制，达到充砂均匀，平稳下沉的目的。

本实用新型所采用的技术方案是：一种海上筑堤自动充砂模拟装置，包括水槽、模拟冲砂袋、模拟冲砂装置和控制系统；

所述水槽内填充有水，用以模拟海平面及水下充砂环境；

所述模拟冲砂袋位于所述水槽内；所述模拟冲砂袋通过设置中间隔膜实现分仓，分为相互独立且密封的模拟冲砂袋仓Ⅰ和模拟冲砂袋仓Ⅱ；所述模拟冲砂袋仓Ⅰ和模拟冲砂袋仓Ⅱ上分别设置有充填口Ⅰ和充填口Ⅱ；

所述模拟冲砂装置包括用于将模拟水砂混合填充物填充至所述模拟冲砂袋仓Ⅰ的水泵Ⅰ和冲砂管Ⅰ，以及用于将模拟水砂混合填充物填充至所述模拟冲砂袋仓Ⅱ的水泵Ⅱ和冲砂管Ⅱ；

所述控制系统包括用于监测所述模拟冲砂袋仓Ⅰ和模拟冲砂袋仓Ⅱ沉降量偏差的沉降量传感器、用于监测所述模拟冲砂袋仓Ⅰ和模拟冲砂袋仓Ⅱ冲砂流量偏差的涡轮流量计、和PLC控制器，所述沉降量传感器、涡轮流量计、水泵Ⅰ、水泵Ⅱ均连接至所述PLC控制器。

进一步的，所述模拟冲砂袋通过砂袋四周固定装置连接在所述水槽内，所述砂袋四周固定装置包括立柱和细绳，所述立柱固定在所述水槽的四角，所述细绳一端固定在所述模拟冲砂袋上、另一端套设在所述立柱上。

进一步的，所述模拟水砂混合填充物采用浓度为3％～5％的盐水。

进一步的，所述水泵Ⅰ和水泵Ⅱ均采用24V大流量可调速DC40F系列水泵。

进一步的，所述冲砂管Ⅰ和冲砂管Ⅱ采用PVC塑料软管，所述PVC塑料软管与所述充填口Ⅰ、充填口Ⅱ的内径相匹配。

进一步的，所述沉降量传感器设置有两个，分别为用于监测所述模拟冲砂袋仓Ⅰ沉降量的沉降量传感器Ⅰ和用于监测所述模拟冲砂袋仓Ⅱ沉降量的沉降量传感器Ⅱ；所述沉降量传感器Ⅰ和沉降量传感器Ⅱ均连接至所述PLC控制器。

进一步的，所述沉降量传感器包括滑轮系统和滑动变阻器，所述滑轮系统包括滑轮、无弹性绳和配重，所述无弹性绳一端与所述模拟冲砂袋固定连接，中间经过所述滑轮，另一端设置所述配重；所述滑动变阻器与所述滑轮固定连接，随所述滑轮的转动而转动，所述滑动变阻器连接至所述PLC控制器。

进一步的，所述涡轮流量计设置有两个，分别为用于监测所述模拟冲砂袋仓Ⅰ冲砂流量的涡轮流量计Ⅰ和用于监测所述模拟冲砂袋仓Ⅱ冲砂流量的涡轮流量计Ⅱ；所述涡轮流量计Ⅰ设置在所述冲砂管Ⅰ上，所述涡轮流量计Ⅱ设置在所述冲砂管Ⅱ上，所述涡轮流量计Ⅰ和涡轮流量计Ⅱ均连接至所述PLC控制器。

本实用新型的有益效果是：

1、充填过程自动化。区别于传统充填方法需人工目测袋子饱和度启闭阀门，本实用新型通过前期对各种规格砂袋的填充总量的测量，通过涡轮流量计和PLC控制器内置计时器实时监测，实现充砂自动停止。充填过程自动化可减少海上人工作业的安全风险和质量不确定性，提高充填质量和效率。

2、充填过程实时监测。区别于人工手动凭经验开启阀门，本实用新型通过沉降量传感器监测砂袋下沉深度，通过PLC控制器将电压差转换为调节水泵功率的电信号，进而实现自动流量控制，可及时发现位移偏差并通过自动流量调节实现砂袋均匀充填、平稳下沉。有利于砂袋规整布置、紧密排列，进一步提高施工质量。

3、二次调节提高流量控制精度。考虑到流量电压曲线的误差及PVC塑料软管对水流的阻碍作用，本装置增设涡轮流量计实时监测流量，实现流量精确控制。

4、节省人工具经济优势。本实用新型操作简单，可操作性强，操作人员不需大量经验，节省人力开支。此外，本实用新型装置可通过调整不同的参数而适用于不同的充填工程，其可重复利用的特点使其相较传统人工充填更具经济优势。

综上所述，本装置可为拟建的海上大型充砂袋充填控制设计和施工提供参考意见，为充填过程精确自动运行提供技术支持。将自动控制系统用于实际筑堤砂袋填充工程中，可以填补目前工作中的不足。本装置的应用可以在实际工程中起到提高分流精度，提高人员工作效率，保证工程填充质量，节约工程成本的效果。

附图说明

图1：本实用新型一种海上筑堤自动充砂模拟装置示意图；

图2：本实用新型一种海上筑堤自动充砂模拟装置的模拟充砂袋示意图；

图3：本实用新型一种海上筑堤自动充砂模拟装置的沉降量传感器的滑轮系统示意图；

附图标注：1、水槽；2、中间隔膜；3、模拟冲砂袋仓Ⅰ；4、模拟冲砂袋仓Ⅱ；5、充填口Ⅰ；6、充填口Ⅱ；7、水泵Ⅰ；8、冲砂管Ⅰ；9、水泵Ⅱ；10、冲砂管Ⅱ；11、PLC控制器；12、砂袋四周固定装置；13、沉降量传感器Ⅰ；14、沉降量传感器Ⅱ；15、滑轮；16、无弹性绳；17、配重；18、涡轮流量计Ⅰ；19、涡轮流量计Ⅱ；20、内侧整体密封线；21、外侧整体密封线；22、红色电气绝缘胶布；23、水泵连接线盒；24、流量传感器连接线盒。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如附图1至图3所示，一种海上筑堤自动充砂模拟装置，包括充砂模拟系统和控制系统。

所述充砂模拟系统包括水槽1、模拟冲砂袋、砂袋四周固定装置12、模拟水砂混合填充物和模拟冲砂装置，用于模拟实际工程中的充砂环境及设施。

所述水槽1的内部填充水，用以模拟海平面及水下充砂环境；所述水槽1采用有机玻璃制成，尺寸为60cm×90cm。

所述模拟冲砂袋位于所述水槽1内。为了简化模型便于调节，本新型模拟冲砂袋采用两个充填口，中间设置有隔断以控制水的流动，如附图2所示，具体为：所述模拟冲砂袋通过设置中间隔膜2实现分仓，分为相互独立且密封的模拟冲砂袋仓Ⅰ3和模拟冲砂袋仓Ⅱ4；所述模拟冲砂袋仓Ⅰ3和模拟冲砂袋仓Ⅱ4上分别设置有充填口Ⅰ5和充填口Ⅱ6。经过多次试验，本新型模拟冲砂袋的制作方法可以实现分仓和密封的功能。所述模拟冲砂袋主体采用A2塑封膜制成，中间隔膜2宽度稍短于所述模拟冲砂袋的整体宽度。所述模拟冲砂袋的长边，每边压两次，第一次要压到中间隔膜2，形成内侧整体密封线20，以实现分仓。再用502胶水对中间隔膜2的凸起部位加固。第二次压所述模拟冲砂袋的长边边缘，不压到中间隔膜2，形成外侧整体密封线21，以实现所述模拟冲砂袋整体密封。各边用透明胶、红色电气绝缘胶布22粘贴，一方面起到二次密封的作用，一方面使所述模拟冲砂袋的形态变化更易观察。

所述砂袋四周固定装置12用于固定所述模拟冲砂袋，采用立柱和细绳模拟船上固定砂袋装置。所述立柱设置在所述水槽1的四角，上下分别固定，其外径为2cm，内径为1.5cm。所述细绳一端通过曲别针连接在所述模拟冲砂袋上、另一端套在所述立柱上。

所述模拟水砂混合填充物采用浓度为3％～5％的盐水，用盐水模拟真实水砂混合物是为了保证比重相似的基础上，使所述模拟冲砂装置的水泵Ⅰ7和水泵Ⅱ9正常运行便于控制。

所述模拟冲砂装置包括用于将模拟水砂混合填充物填充至所述模拟冲砂袋仓Ⅰ3的水泵Ⅰ7和冲砂管Ⅰ8，以及用于将模拟水砂混合填充物填充至所述模拟冲砂袋仓Ⅱ4的水泵Ⅱ9和冲砂管Ⅱ10。所述冲砂管Ⅰ8和冲砂管Ⅱ10采用PVC塑料软管，所述PVC塑料软管与所述充填口Ⅰ5、充填口Ⅱ6的内径相匹配，均为1cm。所述水泵Ⅰ7和所述水泵Ⅱ9均为可调速直流微型水泵，采用24V大流量可调速DC40F系列水泵。所述水泵Ⅰ7和所述水泵Ⅱ9均通过水泵连接线盒23(内含控制线)连接至所述控制系统的PLC控制器11。

所述控制系统包括PLC控制器11和监测沉降量偏差与流量偏差的传感器。

所述PLC控制器11有5个单元，分别是：机组电源、中央处理器、模拟量转数字量(AD)单元、数字量转模拟量(DA)单元、脉冲单元。所述脉冲单元与下述涡轮流量计Ⅰ18和涡轮流量计Ⅱ19相连，可以测量涡流转速，得到流量值。所述PLC控制器11中设置0-4000是间断的数字量(d)，0-5V电压是连续的模拟量(a)，数字量的采样间隔越小精度越高。所述PLC控制器11接收0-4000的流量监测值与0-800的滑动变阻器压差值，输出0-5V电压值调节水泵功率。

监测沉降量偏差的传感器包括：用于监测所述模拟冲砂袋仓Ⅰ3沉降量的沉降量传感器Ⅰ13和用于监测所述模拟冲砂袋仓Ⅱ4沉降量的沉降量传感器Ⅱ14。所述沉降量传感器Ⅰ13和沉降量传感器Ⅱ14均包括滑轮系统和滑动变阻器，所述滑轮系统包括滑轮15、无弹性绳16和配重17，所述无弹性绳16一端与所述模拟冲砂袋固定连接，中间经过所述滑轮15并保证其与滑轮15无位移差，另一端设置所述配重17；所述滑动变阻器与所述滑轮15固定连接，随所述滑轮15的转动而转动，所述滑动变阻器连接至所述PLC控制器11。由此实现模拟冲砂袋下沉深度到滑动变阻器阻值的传递，形成滑动变阻器电压差。PLC控制器11接受电压差信号，再转换成可以调节水泵功率的电信号输出给水泵Ⅰ7和水泵Ⅱ9。该过程具有稳定、抗干扰能力强、开发调试周期短的优点。

监测流量偏差的传感器包括用于监测所述模拟冲砂袋仓Ⅰ3冲砂流量的涡轮流量计Ⅰ18和用于监测所述模拟冲砂袋仓Ⅱ4冲砂流量的涡轮流量计Ⅱ19。所述涡轮流量计Ⅰ18设置在所述冲砂管Ⅰ8上，所述涡轮流量计Ⅱ19设置在所述冲砂管Ⅱ10上。所述涡轮流量计Ⅰ18和涡轮流量计Ⅱ19均通过流量传感器连接线盒24(内含电源线、数据线)连接至所述PLC控制器11。本发明通过涡轮流量计Ⅰ18和涡轮流量计Ⅱ19实时监测冲砂管Ⅰ8和冲砂管Ⅱ10内流量，用于反馈调节。所述涡轮流量计Ⅰ18和涡轮流量计Ⅱ19均采用4分1寸口径，输出霍尔脉冲信号。

本实用新型配备操控操作平台，实现充填过程实时监测可视化。所述操控操作平台与涡轮流量计Ⅰ18、涡轮流量计Ⅱ19和沉降量传感器Ⅰ13、沉降量传感器Ⅱ14相连，可实时显示冲砂管Ⅰ8、冲砂管Ⅱ10的充填流量和模拟冲砂袋仓Ⅰ3、模拟冲砂袋仓Ⅱ4的沉降量。

综上所述，本实用新型通过传感器实时监测，可及时发现沉降量偏差并通过自动流量调节最终实现砂袋均匀充填、平稳下沉。有利于砂袋规整布置、紧密排列，进一步提高施工质量。

尽管上面结合附图对本实用新型的优选实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护范围之内。

设计图

一种海上筑堤自动充砂模拟装置论文和设计

一种海上筑堤自动充砂模拟装置论文和设计-李祺

全文摘要

主设计要求

设计方案

设计说明书

设计图

相关信息详情

猜你喜欢