堤防加固用拋沙枕袋裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

任保臣 史俊姣 張立永 侯石景 馬法杰

（1.濮陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院，濮陽(yáng) 457000；2.濮陽(yáng)市黃河河務(wù)局水上搶險(xiǎn)隊(duì)，濮陽(yáng) 457000；3.河南鼎誠(chéng)環(huán)保裝備股份有限公司，濮陽(yáng) 457000）

1 研究背景

黃河下游河道在中小洪水長(zhǎng)期作用下，壩垛根石出險(xiǎn)[1]，過(guò)去一直采用人工或機(jī)械方式拋碎石加固除險(xiǎn)，成本較高，操作不便，效果較差。經(jīng)過(guò)黃河科技人員多年探索，研發(fā)出沙枕加固壩垛技術(shù)，采用新型高強(qiáng)度機(jī)織反濾布[2]制作成不同型號(hào)的充沙土工反濾布長(zhǎng)管袋，進(jìn)行壩垛加固或搶險(xiǎn)。利用黃河泥沙代替了石料，與傳統(tǒng)的石料加固根石相比，沙源可就地取材，穩(wěn)定性高，使用壽命長(zhǎng)，造價(jià)低，不破壞生態(tài)環(huán)境，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著，且堤壩護(hù)根效果較好。但工程施工過(guò)程中，充填沙枕管袋體積大，重量大，充填好的沙枕袋少則十幾噸，甚至幾十噸，對(duì)于如何將沙枕安全、準(zhǔn)確地拋擲到加固或搶險(xiǎn)位置成為亟待解決的新問(wèn)題。工程技術(shù)人員，根據(jù)工程實(shí)踐和施工單位現(xiàn)有的施工條件，利用防汛船只，創(chuàng)造性地研制出了自動(dòng)拋沙枕袋裝置械設(shè)備，可有效解決以上問(wèn)題。

2 自動(dòng)拋沙枕袋裝置的結(jié)構(gòu)及作業(yè)工藝過(guò)程

2.1 沙枕拋投堤壩加固技術(shù)

沙枕拋投堤壩加固技術(shù)就是利用泥漿泵將黃河水中泥沙注入預(yù)置在拋枕船間的沙枕袋中，形成長(zhǎng)約10m、寬至約2m的大型沙袋，即堤壩加固工程中所說(shuō)的“沙枕袋”，然后利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)或全站儀結(jié)合錨機(jī)組合系統(tǒng)進(jìn)行放樣，將“沙枕袋”拋投到原來(lái)設(shè)計(jì)擺放位置的一種施工工藝方法。

2.2 自動(dòng)拋沙枕袋裝置的組成

工程技術(shù)人員根據(jù)工程搶險(xiǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和施工作業(yè)現(xiàn)有的資源條件，對(duì)兩艘80t自動(dòng)駁船進(jìn)行改造。該自動(dòng)拋沙枕袋裝置包括第一駁船和第二駁船兩艘駁船，第一駁船和第二駁船通過(guò)可拆式鋼梁并排固定，兩艘駁船之間有約2m的距離用于充填沙枕袋，兩艘駁船之間的距離可根據(jù)作業(yè)實(shí)際進(jìn)行調(diào)節(jié)。

第一駁船在靠近第二駁船的船舷上設(shè)計(jì)有多個(gè)旋轉(zhuǎn)軸支架，旋轉(zhuǎn)軸支架上設(shè)計(jì)有軸承座，旋轉(zhuǎn)軸穿過(guò)軸承座，旋轉(zhuǎn)軸上焊接有短柱，短柱徑向焊接在旋轉(zhuǎn)軸上，第二駁船上設(shè)置駕駛室、電氣配電柜、卷?yè)P(yáng)機(jī)和龍門(mén)架，鋼纜一端固定在旋轉(zhuǎn)軸，鋼纜另一端穿過(guò)龍門(mén)架頂滑輪纏繞于卷?yè)P(yáng)機(jī)。第二駁船靠近第一駁船的船舷上設(shè)置固定樁，沙枕承載料兜由高強(qiáng)度尼龍帶和雙層反濾布縫制，沙枕承載料兜一邊通過(guò)固定端尼龍帶固定在固定樁上，沙枕承載料兜的另一邊連接活動(dòng)端尼龍帶一端，活動(dòng)端尼龍帶另一端連接吊環(huán)，吊環(huán)掛在短柱上，活動(dòng)端尼龍帶纏繞在旋轉(zhuǎn)軸上。沙枕袋平展置于沙枕承載料兜上面，沙枕袋設(shè)有進(jìn)沙口和出水口，沙枕袋為長(zhǎng)管袋，沙枕袋由高強(qiáng)度機(jī)織反濾布制成。船上安裝有2臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)、2個(gè)橫梁裝有滑輪的龍門(mén)支架、變電柜一個(gè)、旋轉(zhuǎn)軸、旋轉(zhuǎn)軸支架、高強(qiáng)度機(jī)織反濾布料兜、工字鋼等。

2.3 自動(dòng)拋沙枕袋裝置的工作原理及作業(yè)工藝過(guò)程

自動(dòng)拋沙枕袋裝置的工作原理就是利用20cm槽鋼和30cm工字鋼把2艘80t自動(dòng)駁船固接在一起，中間留有放置沙枕袋的間隙，把卷?yè)P(yáng)機(jī)、龍門(mén)架、旋轉(zhuǎn)軸支架、拋袋旋轉(zhuǎn)軸固定到船體上。料兜由10根寬4cm雙層高強(qiáng)尼龍帶和雙層土工反濾布縫制在一起，將料兜一端固定到船舷10個(gè)固定樁上，另一端10個(gè)吊環(huán)掛在另一艘船的拋袋旋轉(zhuǎn)軸固定柱上，啟動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼纜吊緊拋袋旋轉(zhuǎn)軸，把沙枕袋平展放在料兜上，然后進(jìn)行充填泥沙，充填達(dá)到要求進(jìn)行封口，檢查完畢后，啟動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)放松鋼纜，利用沙枕袋自重帶動(dòng)拋袋旋轉(zhuǎn)軸反向旋轉(zhuǎn)，

料兜上的10個(gè)圓環(huán)自動(dòng)脫落，沙枕袋順沿料兜一側(cè)下落到指定投拋位置。

拋沙枕裝置的作業(yè)工藝過(guò)程為：首先啟動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)正轉(zhuǎn)，收緊鋼纜，鋼纜帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，吊環(huán)掛在短柱上，活動(dòng)端尼龍帶纏繞于旋轉(zhuǎn)軸上，沙枕袋平展置于沙枕承載料兜上，然后啟動(dòng)泥漿泵河底抽沙，高壓注水管插入沙枕袋充填沙枕，沙枕袋為反濾布，水由反濾布縫隙流出，泥沙沙枕袋中落淤；沙枕充填完成，封閉沙枕袋袋口，啟動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)放松鋼纜，利用沙袋自重帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸反向轉(zhuǎn)動(dòng)，吊環(huán)從固定樁自動(dòng)脫落，沙枕袋順料兜下落側(cè)拋向預(yù)定位置。拋投作業(yè)斷面及拋投過(guò)程如圖1所示。

圖1 施工斷面及拋枕固根過(guò)程

3 自動(dòng)拋沙枕袋裝置的工程應(yīng)用效果

自動(dòng)拋沙枕設(shè)備研發(fā)試制完成后，在下游黃河調(diào)水調(diào)沙前，范縣李橋險(xiǎn)工利用自動(dòng)拋沙枕袋裝置進(jìn)行了充填沙枕護(hù)壩根試驗(yàn)，調(diào)水調(diào)沙后經(jīng)過(guò)壩根探摸，沙枕拋投位置準(zhǔn)確，且抗沖刷和護(hù)根效果良好。自動(dòng)拋沙枕袋裝置在該次工程應(yīng)用中主要有以下優(yōu)點(diǎn)。

3.1 機(jī)動(dòng)時(shí)間短

一旦有拋沙枕?yè)岆U(xiǎn)任務(wù)，自動(dòng)拋沙枕袋裝置所有的零部件可在2小時(shí)內(nèi)固定到船體上，船只在自身動(dòng)力作用下，可隨時(shí)?？康綊伾痴碇付ㄎ恢?，特別是在道路過(guò)水，搶險(xiǎn)車輛不能到達(dá)搶險(xiǎn)地點(diǎn)的情況下，更能發(fā)揮自動(dòng)拋沙枕袋裝置的作用。

3.2 拋投準(zhǔn)確度高

以往進(jìn)行壩垛搶險(xiǎn)時(shí)只是在壩垛上面，利用自卸汽車或挖掘機(jī)進(jìn)行柳枕或石枕的拋投，拋投準(zhǔn)確度不高，而自動(dòng)拋沙枕袋裝置可以直接在出現(xiàn)位置進(jìn)行拋枕，準(zhǔn)確率達(dá)到98﹪以上。

3.3 安全系數(shù)大

拋沙枕施工是在水上進(jìn)行，二艘80t自動(dòng)駁船的大貨倉(cāng)，為施工人員操作提供了安全的工作平臺(tái)；同時(shí)，船只的承載力大大超出了沙枕袋的自身重量，使安全系數(shù)大大增加。

3.4 成本造價(jià)低

本設(shè)備是把現(xiàn)有的自動(dòng)駁船和卷?yè)P(yáng)機(jī)，有機(jī)結(jié)合起來(lái)，不需要更多購(gòu)置設(shè)備。所拋的沙枕為采用黃河泥沙進(jìn)行填充土工反濾布袋而成，可就地取材，造價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于石枕和柳枕。

3.5 設(shè)備操作容易

拋沙枕袋機(jī)械設(shè)備操作簡(jiǎn)單，將船?？康街付ㄉ痴泶斗盼恢煤?，只需操控卷?yè)P(yáng)機(jī)吊放料兜、充填沙枕袋即可，對(duì)操控和沙袋充填人員等技能要求低，操作程序較簡(jiǎn)單。

3.6 應(yīng)用前景好

自動(dòng)拋沙枕袋裝置采用新的技術(shù)工藝替代了傳統(tǒng)的石料加固壩垛的做法，且沙枕袋采用的新型材料，具有優(yōu)良的透水反濾特性和強(qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng)、造價(jià)低、易操作的特點(diǎn)，在黃河等防汛搶險(xiǎn)和壩根加固工程中，有良好的應(yīng)用發(fā)展前景。

4 結(jié)論

由于自動(dòng)拋沙枕袋裝置模塊化設(shè)計(jì)，裝拆及移動(dòng)機(jī)動(dòng)靈活，沙枕袋拋投位置準(zhǔn)確，作業(yè)平臺(tái)大，安全系數(shù)高，可利用防洪搶險(xiǎn)船只改造成型，具有成本造價(jià)低的特點(diǎn)，且設(shè)備操作簡(jiǎn)單，該裝置在黃河等防汛搶險(xiǎn)和壩垛加工工程中有利于沙枕加固壩垛技術(shù)的推廣應(yīng)用。