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    降风险 提效率 智能排水系统在栖霞山大桥管养中的应用

    2021-01-14    作者:admin  阅读:16次

    亚博网站首页南京栖霞山长江大桥(原南京长江第四大桥,以下简称栖霞山大桥)是南京绕城高速公路的过江通道和重要组成部分,大桥位于南京长江第二大桥下游约10公里处。栖霞山大桥主桥为双塔三跨钢箱梁悬索桥,其跨径布置为576.2+1418+481.8=2476米,大桥于2008年12月开工建设,2012年12月建成通车。


    栖霞山大桥横跨长江,是重要的交通枢纽。大桥的建成给两岸的生产及生活带来交通便利,也给桥梁的管理养护带来了巨大的挑战。截至2020年6月底,栖霞山大桥累计交通通行量为8082万辆,其中货车约2779万辆,占比为34%。当前日均交通量约为35000辆,近期统计数据表明,平均每天约有300辆危化品车辆要从大桥通过。


    亚博网站首页在大桥建设期,为防止危化品运输车辆泄漏及污染长江水体,在主桥桥面上各泄水孔安装了不锈钢材质的排水盖板(见图1),共计552个。


    亚博网站首页图1主桥桥面的不锈钢排水盖板


    亚博网站首页为避免雨水在桥面积聚,排水盖板平时处于开启状态。当有危化品泄漏等特殊情况发生时,需要人工进行关闭,关闭实施的过程中存在安全和应急时效性差等问题。


    排水系统的管养“痛点”


    大量危化品运输车辆通行


    由于地域的特殊性,栖霞山大桥毗邻化工园区及仓储区,为南京市内主要化工品车辆过江通道,也是过境危化品车辆的主要通道之一。根据2019年10月30日至11月6日的危化品车辆通行情况统计:7天内总计通行2120辆危化品车辆,其中易燃易爆为1617辆,有毒127辆,易腐蚀为261辆,不燃115辆,如图2所示。


    亚博网站首页图2栖霞山大桥一周内危化品车辆通行状况


    由此可以看出,大量的危化品运输车辆在大桥上通行,因而危化品发生泄漏的风险较大。


    排水板盖缺陷


    亚博网站首页栖霞山大桥桥址距离二级水源保护区上游边界约2.5公里,距离一级水源保护区上游边界约6公里。在一级水源保护区内有南京市龙潭水厂的取水口,根据政府规定需作重点保护。栖霞山大桥与龙潭饮用水水源保护区的位置关系,如图3所示。


    亚博网站首页图3栖霞山大桥与龙潭饮用水水源保护区的位置关系


    亚博网站首页根据原有的管理流程,排水盖板始终处于开启的时候,能有效降低桥面积水,避免车辆在桥面出现打滑现象。但在实际管理使用过程中,原有排水盖板的管养过程存在以下几点不足:


    (1)易产生二次泄漏


    原排水盖板直接与沥青路面接触,存在较大间隙,封闭不严,在危化品泄漏后可能直接排入长江污染水源。


    亚博网站首页(2)应急管理流程问题


    亚博网站首页由于排水盖板处于开启状况,此时若发生危化品泄漏,有关工作人员必须奔赴现场去关闭盖板。但从危化品泄漏处置的应急管理要求来看,所有人员都应尽快撤离,而人工关闭盖板的安排则显得不够合理。


    亚博网站首页(3)人工操作效率不高


    若涉及关闭多个排水盖板,工程量较大,而人工操作效率低下,耗时又多,基本无法满足应急处置的要求。


    亚博网站首页(4)较大的安全隐患


    排水盖板均匀分布于2476米长的主桥桥面,桥面常有高速通行的车辆。即便不考虑危险品的泄漏风险,工作人员乘坐工程车上路手动启闭盖板时,亦会影响其他车辆通行,存在较大的交通安全隐患。


    盖板的智能化改造


    亚博网站首页为了解决排水盖板养护管理的痛点,经充分调研,大桥管理单位探索实施栖霞山大桥主桥面排水盖板智能化改造,拟采用低压气动控制盖板启闭,开发专用软件实现开闭动作的自动化控制,目标是为了消除危化品车辆泄漏后直排入江的安全隐患。


    改造方案比选


    亚博网站首页经调研,相关人员主要对电动阀门控制和低压气动控制两种方案展开讨论,最终选择后者。两种改造方案的对比情况可见表1。


    低压气动控制方案


    低压气动方案采用分段分区域控制,以跨中和桥中线,将主桥桥面划分为4个区域。在两桥塔处各安装两套防爆控制电柜及动力气源,控制方式为气动控制,即采用气缸来控制排水盖板的开启与关闭。其中,A、B区域共用控制系统C1#,C、D区域共用控制系统C2#。两套控制系统通过GPRS与监控室进行数据交换与控制。该方案应用两种工作模式:


    (1)远程无线控制。在监控室通过GPRS无线监控A、B、C、D各区域排水盖板的启闭状态,同时监测各路气压。如果气压不足,系统会发出报警信号(见图4)。


    图4第一种模式:远程无线控制


    亚博网站首页(2)现场手动控制。根据现场情况,可选择现场手动控制,分别控制A、B、C、D区域排水盖板的启闭状态(见图5)。需要说明的是,正常情况下盖板是打开状态,只有出现危化品泄漏,才会将其关闭。


    图5第二种模式:现场手动控制方式


    采用本方案具有以下优点:


    (1)桥面采用气压传动,无火花且无污染,安全环保。


    亚博网站首页(2)专门开发软件并通过4G、5G网络远程控制,先进可靠。


    (3)现场设有手动控制模式,方便应急处理。


    (4)可用手机短信、APP、云平台远程控制,灵活机动。


    亚博网站首页(5)建立数据库管理,便于数据追踪。


    (6)可根据用户需求,未来加装智能检测装置、升级控制系统,例如可根据雨量、通行量等数据信息,实现更加安全、可靠的数字化、信息化、智能化的智慧交通与智慧桥梁管理与控制。


    关键技术与实施效果


    关键技术


    亚博网站首页根据桥面跨度大、排水盖板分布广的特点,在控制方式上采用分段分区域控制。其目的是当一个区间关闭时,不影响其他区域正常工作,确保各系统的稳定性和及时性,同时便于分区域检修和监控。在区域划分上结合桥面桥塔的位置、盖板的分布、控制系统的位置安放综合考虑。针对突出问题,管养单位制定应对措施,涉及以下几项关键技术:


    (1)重新设计运行方式


    亚博网站首页①设计控制方式。开启为常态,紧急情况下关闭;实时监测,对数据库进行统一管理。


    ②分段分区域控制。每个区域单独控制,互不影响,也便于分区域检修和监测。全桥四个区域,共计552个排水盖板,每个区域138个,实现分段分区域控制。


    ③开发专用控制系统。自主开发研制自动化控制系统,采用西门子PLC控制系统、GPRS无线通讯,设置远程无线控制和现场手动控制方式。在优先级方面,设置现场手动控制方式为最高级别,方便根据实际情况进行应急处理。系统方框图如图6所示。


    图6控制系统方框图


    (2)增强防水密闭性


    拆下原排水盖板,在盖板外轮廓内侧加装硅胶类密封圈(如图7所示)。密封圈材质为硅胶,可耐200摄氏度以上高温,具有较强的抗腐蚀、抗老化、低温柔韧性。加装密封圈后,盖板关闭时可实现良好的密闭效果,在寒冷冬季亦不失效。


    图7排水盖板密封


    (3)保证系统功能性


    由于原泄水孔、排水盖板日久损坏,对可以修复的加以维修,对于破损严重的器件,需要重新制作盖板或直接更换,如图8所示。


    图8排水盖板维修与更换


    (4)创新管养方式


    亚博网站首页由于开发了远程监测软件,管养方式发生了变化。操作人员在监控大厅就可以实现远程监测与控制,在发生事故时亦不必奔赴现场,保障人身安全。为便于应急处理,在桥塔内控制电柜、桥塔外手动按钮箱均安装手动操作装置,提高了系统的稳定性与安全性,如图9所示。


    图9远程监控与现场手动控制


    实施效果


    根据改造方案目标,管养单位对排水盖板控制系统进行设计,并经现场施工和调试,控制系统于2020年6月中投入试运行(图10)。


    图10现场及远程调试


    2020年6月23日,栖霞山大桥管理单位在大桥上组织开展危化品车辆过桥应急演练,如图11所示。经现场实际测试,主桥排水盖板气动控制系统单区域气压在0.4-0.6MPa时,气缸就能快速启闭,排水盖板分区域控制正确、动作无误、反应迅速(如图12),最快6秒钟就可完成盖板关闭。经实际检验,所有参数均达到既定目标,排水盖板自动控制系统达到设计预期,能满足大桥应急管养之用。


    亚博网站首页图11危化品车辆过桥应急演练


    图12现场关闭效果


    经本次改造工程的建成及投用,解决了栖霞山大桥原有排水盖板需要手动操作及效率低等问题,有效防范危化品事故车辆泄漏直排长江等风险,保护长江水体和下游集中式饮用水水源地,提高应急处置效率和能力。


    在排水盖板的智能化控制方面,充分运用先进物联网技术,对原运行控制方式进行重新定义与设计,并专门开发智能控制系统,可实现远程控制与数据库全程实时监测管理。为了确保安全,在现场设置最高级别的手动控制装置。


    该项目是国内跨江大桥排水系统管养技术与控制方式的革新,是将现代控制技术与物联网技术有效结合的成功案例,亦为此类技术在跨江大桥排水系统上的首次应用,为同类跨江跨海大桥的科学管养,提供了借鉴与指导。