一种基于自动化定点作业的水上清淤施工方法与流程

1.本发明属于水库清淤技术领域，具体涉及一种基于自动化定点作业的水上清淤施工方法。


背景技术：

2.为确保水库综合效益的发挥，对水库进行适当清淤施工是必要。实施水库清淤工程，能恢复或增加水库兴利和防洪库容，是水库增效扩容重要手段。目前常见的清淤方式一般为清淤船清淤作业，清淤船包括水上作业平台和水下清淤装置，传统水上作业平台都是以船舶为主，移动作业和抽沙设备需要靠燃料提供能量，设备较大，投资费用较高，需要的人力较多。不能较好的规划清淤区域、定位清淤位置，清理的位置深度也不够精准。


技术实现要素：

3.本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供了一种清淤成本低、效率高、效果好的基于自动化定点作业的水上清淤施工方法。
4.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于自动化定点作业的水上清淤施工方法，包括以下步骤：（1）在清淤现场组装水上移动式定点清淤平台；（2）在清淤现场水面区域外周岸边定位四个锚固桩，水上移动式定点清淤平台通过缆绳与四个锚固桩连接并张紧；（3）依据提前测量的清淤区域水下地形及淤积物特性，确认清淤作业点间隔距离、抽沙深度、作业时间等参数并输入编制到水上移动式定点清淤平台的自动化作业程序流程，操控水上移动式定点清淤平台对水底淤进行全方位清淤作业；（4）清淤作业完毕后，拆除水上移动式定点清淤平台。
5.水上移动式定点清淤平台包括可拼装船体、导航定位控制装置和底泥清淤扰动运输装置；导航定位控制装置包括牵引设备、导航定位器和控制柜，牵引设备和控制柜设置可拼装船体上，牵引设备均设有四个，四个锚固桩设置在岸边并分别位于一个四边形的顶点上，四台牵引设备分别设置在一个四边形的顶点上，每台牵引设备均通过缆绳与一个锚固桩连接，导航定位器为高精度定位仪，导航定位器的数据与控制柜连接；底泥清淤扰动运输装置包括移动式吊装机构、底泥扰动射流装置和柔性排沙装置，吊装机构设置在可拼装船体上，吊装机构通过钢丝绳吊挂住底泥扰动射流装置，柔性排沙装置的进口与底泥扰动射流装置连接。
6.可拼装船体包括四个大型船箱和六个小型船箱，四个大型船箱通过锚索连接为一体形成后矩形船体，三个小型船箱沿前后方向通过锚索串联形成左矩形船体，另外三个小型船箱沿前后方向通过锚索串联形成右矩形船体，左矩形船体后侧通过锚索与后矩形船体前部左侧连接，右矩形船体后侧通过锚索与后矩形船体前部右侧连接，左矩形船体和右矩
形船体左右对称布置，左矩形船体和右矩形船体之间形成排淤通道，左矩形船体和右矩形船体的前侧之间通过联系梁连接。
7.控制柜设置在后矩形船体中间位置，牵引设备采用卷扬机，其中两台卷扬机位于排淤通道左侧且前后间隔布置，另两台卷扬机位于排淤通道左侧且前后间隔布置，左侧的两台卷扬机和右侧的两台卷扬机关于排淤通道左右对称，左矩形船体前部左侧、右矩形船体前部右侧、后矩形船体前部左侧和后矩形船体前部右侧均设有一个导向器，每台卷扬机对应与一个锚固桩连接的缆绳均穿过临近的一个导向器。
8.移动式吊装机构包括后龙门架和前龙门架，后龙门架垂直设置在排淤通道正后方的后矩形船体上，前龙门架的左立柱固定设在左矩形船体前侧，前龙门架的右立柱固定设在右矩形船体前侧，前龙门架的横梁中间位置下方与后龙门架上端之间设有位于排淤通道正上方的纵向滑轨，纵向滑轨上滚动连接设有电动葫芦。
9.底泥扰动射流装置包括底部敞口的保护罩，保护罩下部为圆筒形结构，保护罩上部为上细下粗的圆锥形结构，电动葫芦的钢丝绳下端通过荷载测试仪与保护罩顶部连接，保护罩顶部中心连接有输沙管道，输沙管道上沿流向方向依次设有抽水泵、流量计和含沙量在线监测装置，保护罩内部沿圆周内壁设有圆环形的射流管，射流管下部均匀设有若干个射流孔，保护罩顶部设有水深检测仪和为射流管供水的射流泵。
10.柔性排沙装置包括排沙管道和若干个间隔套在排沙管道外圆的浮筒，浮筒将整个排沙管道悬浮在水下一定深度，输沙管道向上穿过排淤通道并沿可拼装船体延伸到水面下与排沙管道的进口连接，排沙管道出口延伸到岸边指定排沙区域。
11.步骤（1）的具体施工过程为：将移动式定点清淤平台的各部件运输至水库的清淤现场，先对可拼装船体的安装，然后在可拼装船体安装控制柜、四台卷扬机、四个导向器和移动式吊装机构；步骤（2）中水上移动式定点清淤平台通过缆绳与四个锚固桩连接并张紧时需将缆绳穿过对应的导向器。
12.步骤（3）中清淤作业的具体施工过程为：a、操控移动式吊装机构的电动葫芦起吊底泥扰动射流装置，沿纵向滑轨向前移动，悬空在前龙门架前端，并将柔性排沙装置的排沙管道连接到底泥扰动射流装置上，操控电动葫芦将底泥扰动射流装置缓慢下放到水面以下，然后再操控电动葫芦通过纵向滑轨向后移动，使底泥扰动射流装置也向后移动至平台底部下方中央位置，在左矩形船体和右矩形船体的前侧之间安装上联系梁；b、然后操控控制柜控制四台卷扬机上的缆绳缩放，将可拼装船体移动到清淤区域，并通过gps-rtk导航定位器进行定位，水深检测仪对底泥扰动射流装置的工作深度数据传输到控制柜，控制柜通过操控移动式吊装机构的电动葫芦进行启闭，对底泥扰动射流装置工作深度进行调整；c、启动控制柜的自动化定点作业程序，打开各管路，启动或关闭卷扬机、抽水泵、射流泵、电动葫芦设备，通过预设的清淤航行轨迹，进行自动化移动和定点清淤。射流泵抽取水库内的清水，通过射流管上的射流孔向保护罩下方的淤泥射出高压水柱，从而扰动底泥成为水沙混合液，这样就很容易被抽水泵通过输沙管道抽出；电动葫芦吊放整个底泥扰动射流装置，根据水深检测仪实时监测的深度数据，在可拼装船体移动过程中进行升降调节，以适应水库底部的地形。
13.步骤（4）的具体施工过程为：闭控制柜的清淤控制程序，启动电动葫芦将扰动射流装置，拆卸联系梁，电动葫芦沿纵向滑轨向前移动，带动将底泥扰动射流装置移动至平台前方，悬空吊放；接着通过操作控制柜使四台卷扬机上的缆绳缩放，将平台移动至岸边，依次拆除排柔性排沙装置、扰动射流装置、控制柜、卷扬机、前龙门架，后龙门架、纵向导轨，最后拆分可拼装船体，将各设备部件运输至存放点，完成整个清淤作业。
14.采用上述技术方案，导航定位器采用gps-rtk导航定位器，通过自动化定点程序进行监测，实时观测平台位置及作业点的水深；控制柜包含相应的线路、可视化显示器和操作系统，内置自动化定点程序，通过实施监测数据自动控制四个卷扬机的拉、放缆绳操作，本发明可按照预先设计的清淤航行轨迹进行自动化移动和定点清淤。荷载测试仪、流量计、含沙量在线监测装置和水深检测仪所监测的数据也通过信号线传输到控制柜，通过可视化显示器实时显示相关数据。控制柜信号控制卷扬机、抽水泵、射流泵、电动葫芦等部件的启闭。
15.综上所述，本发明解决了清淤作业中清淤区域规划、清淤位置定位、清淤深度测控问题。可拼接船体构成清淤平台的主体，可拼接船体由多个船箱连接而成，可拼接船体上安装四台卷扬机，通过gps-rtk导航定位器控制卷扬机的缆绳缩放来实现可拼接船体在水上移动和定位，通过自动化作业程序进行清淤区域规划，可拼接船体上安装移动式吊装机构，起吊底泥扰动射流装置，通过抽水泵和排沙管道将抽出的泥沙运输至下游指定位置，并通过水深、流量、含沙量在线监测装置等传感器在线实施监测清淤作业关键指标。
16.本发明通过模块化的船箱拼接能够实现平台预制和便捷运输；通过控制模块实现清淤区域的自动化移动和定点清淤作业；通过gps-rtk导航定位器等仪器实现清淤位置的精确定位和自主移动。本发明实现了全自动化的清淤作业方式，有效提高了清淤排沙作业效率，节省人力物力，大幅度降低了清淤成本。拼装化船体作为清淤平台主体可重复性使用，也可为不同清淤区域作为设计通用模块。
附图说明
17.图1是本发明中水上移动式定点清淤平台的主视结构示意图图2是图1的俯视结构示意图；图3是底泥清淤扰动运输装置的结构示意图；图4是图3的俯视图；图5是柔性排沙装置的结构示意图。
具体实施方式
18.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.如图1-图5所示，本发明的一种基于自动化定点作业的水上清淤施工方法，包括以下步骤：（1）在清淤现场组装水上移动式定点清淤平台；（2）在清淤现场水面区域外周岸边定位四个锚固桩（图未示），水上移动式定点清淤平台通过缆绳与四个锚固桩连接并张紧；
（3）依据提前测量的清淤区域水下地形及淤积物特性，确认清淤作业点间隔距离、抽沙深度、作业时间等参数并输入编制到水上移动式定点清淤平台的自动化作业程序流程，操控水上移动式定点清淤平台对水底淤进行全方位清淤作业；（4）清淤作业完毕后，拆除水上移动式定点清淤平台。
20.水上移动式定点清淤平台包括可拼装船体、导航定位控制装置和底泥清淤扰动运输装置；导航定位控制装置包括牵引设备（卷扬机2）、导航定位器（图未示）和控制柜1，牵引设备和控制柜1设置可拼装船体上，牵引设备设有四个，四个锚固桩设置在岸边并分别位于一个四边形的顶点上，四台牵引设备分别设置在一个四边形的顶点上，每台牵引设备均通过缆绳9与一个锚固桩连接，导航定位器为高精度定位仪，导航定位器的数据与控制柜1连接；底泥清淤扰动运输装置包括移动式吊装机构、底泥扰动射流装置24和柔性排沙装置，吊装机构设置在可拼装船体上，吊装机构通过钢丝绳吊挂住底泥扰动射流装置24，柔性排沙装置的进口与底泥扰动射流装置24连接。
21.可拼装船体包括四个大型船箱和六个小型船箱，四个大型船箱通过锚索连接为一体形成后矩形船体3，三个小型船箱沿前后方向通过锚索串联形成左矩形船体4，另外三个小型船箱沿前后方向通过锚索串联形成右矩形船体5，左矩形船体4后侧通过锚索与后矩形船体3前部左侧连接，右矩形船体5后侧通过锚索与后矩形船体3前部右侧连接，左矩形船体4和右矩形船体5左右对称布置，左矩形船体4和右矩形船体5之间形成排淤通道6，左矩形船体4和右矩形船体5的前侧之间通过联系梁7连接。
22.控制柜1设置在后矩形船体3中间位置，牵引设备采用卷扬机2，其中两台卷扬机2位于排淤通道6左侧且前后间隔布置，另两台卷扬机2位于排淤通道6左侧且前后间隔布置，左侧的两台卷扬机2和右侧的两台卷扬机2关于排淤通道6左右对称，左矩形船体4前部左侧、右矩形船体5前部右侧、后矩形船体3前部左侧和后矩形船体3前部右侧均设有一个导向器8，每台卷扬机2对应与一个锚固桩连接的缆绳9均穿过临近的一个导向器8。
23.移动式吊装机构包括后龙门架10和前龙门架11，后龙门架10垂直设置在排淤通道6正后方的后矩形船体3上，前龙门架11的左立柱固定设在左矩形船体4前侧，前龙门架11的右立柱固定设在右矩形船体5前侧，前龙门架11的横梁中间位置下方与后龙门架10上端之间设有位于排淤通道6正上方的纵向滑轨12，纵向滑轨12上滚动连接设有电动葫芦13。
24.底泥扰动射流装置24包括底部敞口的保护罩14，保护罩14下部为圆筒形结构，保护罩14上部为上细下粗的圆锥形结构，电动葫芦13的钢丝绳下端通过荷载测试仪15与保护罩14顶部连接，保护罩14顶部中心连接有输沙管道16，输沙管道16上沿流向方向依次设有抽水泵17、流量计18和含沙量在线监测装置19，保护罩14内部沿圆周内壁设有圆环形的射流管20，射流管20下部均匀设有若干个射流孔，保护罩14顶部设有水深检测仪25和为射流管20供水的射流泵21。
25.柔性排沙装置包括排沙管道22和若干个间隔套在排沙管道22外圆的浮筒23，浮筒23将整个排沙管道22悬浮在水下一定深度，输沙管道16向上穿过排淤通道6并沿可拼装船体延伸到水面下与排沙管道22的进口连接，排沙管道22出口延伸到岸边指定排沙区域。
26.导航定位器采用gps-rtk导航定位器，通过自动化定点程序进行监测，实时观测平
台位置及作业点的水深；控制柜1包含相应的线路、可视化显示器和操作系统，内置自动化定点程序，通过实施监测数据自动控制四个卷扬机2的拉、放缆绳9操作，本发明可按照预先设计的清淤航行轨迹进行自动化移动和定点清淤。荷载测试仪15、流量计18、含沙量在线监测装置19和水深检测仪25所监测的数据也通过信号线传输到控制柜1，通过可视化显示器实时显示相关数据。控制柜1信号控制卷扬机2、抽水泵17、射流泵21、电动葫芦13等部件的启闭。
27.步骤（1）的具体施工过程为：将移动式定点清淤平台的各部件运输至水库的清淤现场，先对可拼装船体的安装，然后在可拼装船体安装控制柜1、四台卷扬机2、四个导向器8和移动式吊装机构；步骤（2）中水上移动式定点清淤平台通过缆绳9与四个锚固桩连接并张紧时需将缆绳9穿过对应的导向器8；步骤（3）中清淤作业的具体施工过程为：a、操控移动式吊装机构的电动葫芦13起吊底泥扰动射流装置24，沿纵向滑轨12向前移动，悬空在前龙门架11前端，并将柔性排沙装置的排沙管道22连接到底泥扰动射流装置24上，操控电动葫芦13将底泥扰动射流装置24缓慢下放到水面以下，然后再操控电动葫芦13通过纵向滑轨12向后移动，使底泥扰动射流装置24也向后移动至平台底部下方中央位置，在左矩形船体4和右矩形船体5的前侧之间安装上联系梁7；b、然后操控控制柜1控制四台卷扬机2上的缆绳9缩放，将可拼装船体移动到清淤区域，并通过gps-rtk导航定位器进行定位，水深检测仪25对底泥扰动射流装置24的工作深度数据传输到控制柜1，控制柜1通过操控移动式吊装机构的电动葫芦13进行启闭，深度调整。
28.c、启动控制柜1的自动化定点作业程序，打开各管路，启动或关闭卷扬机2、抽水泵17、射流泵21、电动葫芦13设备，通过预设的清淤航行轨迹，进行自动化移动和定点清淤。射流泵21抽取水库内的清水，通过射流管20上的射流孔向保护罩14下方的淤泥射出高压水柱，从而扰动底泥成为水沙混合液，这样就很容易被抽水泵17通过输沙管道16抽出。电动葫芦13吊放整个底泥扰动射流装置24，根据水深检测仪25实时监测的深度数据，在可拼装船体移动过程中进行升降调节，以适应水库底部的地形；步骤（4）的具体施工过程为：关闭控制柜1的清淤控制程序，启动电动葫芦13将扰动射流装置，拆卸联系梁7，电动葫芦13沿纵向滑轨12向前移动，带动将底泥扰动射流装置24移动至平台前方，悬空吊放。接着通过操作控制柜1使四台卷扬机2上的缆绳9缩放，将平台移动至岸边，依次拆除排柔性排沙装置、扰动射流装置、控制柜1、卷扬机2、前龙门架11，后龙门架10、纵向导轨，最后拆分可拼装船体，将各设备部件运输至存放点，完成整个清淤作业。
29.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。