自封口水袋

◎長沙市中雅培粹學(xué)校 陳柯如 鐘忻霓 長沙市長郡雙語實驗中學(xué) 唐才懿

一、課題的提出

由于全球氣候變暖，強降水天氣發(fā)生的頻率增加，城市“內(nèi)澇”現(xiàn)象出現(xiàn)的概率也增加。一旦城市遭遇“內(nèi)澇”，地下車庫、地鐵站等公共區(qū)域首當(dāng)其沖成為洪水肆虐的對象，造成的生命財產(chǎn)損失不容忽視。

于是，我們組建研究性學(xué)習(xí)興趣小組，重點關(guān)注地下車庫被淹問題，研究防止地下車庫被淹的有效方案。

圖1 某小區(qū)地下車庫被淹

二、前期調(diào)研

（一）實地考察

為什么地下車庫會被淹？當(dāng)遭遇暴雨時，人們會采取哪些措施防止雨水灌入地下車庫？我們考察了分布在長沙市四個轄區(qū)的8個地下車庫，考察結(jié)果見表1。

表1 長沙市8個地下車庫的情況和防淹措施

結(jié)果分析：長沙市的地下車庫大多無門檻設(shè)計，部分地下車庫地勢較低（占調(diào)查比37.5%），存在被水淹的風(fēng)險。在被考察的地下車庫中，只有一個地下車庫（曾被水淹）備有沙袋這一防災(zāi)物資。

經(jīng)過考察，我們還發(fā)現(xiàn)地下車庫排水設(shè)計不當(dāng)?shù)纫矔?dǎo)致地下車庫被淹。

（二）體驗沙袋制作

沙袋防汛主要是通過一層一層地堆疊沙袋來“堵”洪水。為了了解大多數(shù)地下車庫沒有準(zhǔn)備沙袋這一常規(guī)防汛物資的原因，我們到沙場熟悉沙袋的制作過程和使用方法。

體驗制沙后，我們發(fā)現(xiàn)制作沙袋費時費力，且沙袋存放比較占地方。防汛時，沙袋質(zhì)量大，搬運不易，防汛后拆除處理沙袋較麻煩。由于環(huán)保等要求，河沙成為城市稀缺材料。

圖2 體驗沙袋制作

三、設(shè)計創(chuàng)意

既然沙袋防汛存在諸多不便，那么是不是可以用其他材料替代沙袋，有效防止雨水灌入地下車庫呢？

我們在老師的組織下進行“頭腦風(fēng)暴會”，各抒己見：發(fā)明一種“防洪閘”，設(shè)計“泡沫墻”，就地取材制作替代“沙袋”的設(shè)備，……最終，經(jīng)過討論，大家一致認為就地取材制作替代“沙袋”的設(shè)備比較有創(chuàng)意，就地取的“材”最好是水。因此，我們決定以“水”代“沙”，以水治水，制作水袋。

四、研制過程

（一）材料的選擇

我們購買PE塑料（聚乙烯）、雨衣布料、彩條布，這三種材料的厚度均為0.6 mm。委托雨衣制作廠家用3種材料分別制作直徑為20 cm、高40 cm的圓柱體袋各10個。

我們往制作好的袋中灌滿等量的水并密封，比較三種材料袋的密封性。之后，將裝有等量的水的三種材料袋各6個分別疊放壘高，比較疊放高度和下層袋承壓情況。接著，將裝有等量的水的三種材料袋各10個碼放在一個100 cm×60 cm×40 cm的水槽里，筑起一道“擋水墻”，觀察、比較防滲漏效果。具體情況見表2。

表2 三種材料袋性能的比較

三種材料袋的密封性都不錯，可以承受高度超過60 cm的自重壓力。PE塑料的水袋防滲漏效果最好。綜合比較，確定選擇PE塑料為水袋的制作材料。

（二）袋形狀的選擇

用厚度為0.6 mm的PE塑料制作3種形狀的袋子：直徑20 cm、高40 cm的圓柱體袋10個，40 cm×20 cm×20 cm的長方體袋10個，底邊長15 cm、高40 cm的六棱柱袋10個。我們往袋中灌入等量的水并密封，比較三種材料袋的密封性。

之后，我們將裝有等量的水的三種材料袋各6個分別疊放壘高，比較疊放高度和下層袋承壓情況。接著，將裝有等量的水的三種材料袋全部碼放在一個100 cm×60 cm×40 cm的水槽里，筑起一道“擋水墻”，觀察、比較防滲漏效果。具體情況見表3。

表3 三種形狀的水袋的情況比較

三種形狀的水袋密封性都不錯，可以承受高度超過60 cm的自重壓力。圓柱體形狀的水袋防滲漏效果最好。綜合比較，確定選擇圓柱體形狀為水袋的形狀。

（三）制作水袋

我們以PE塑料為主要材料制作了圓柱體形狀的第一代水袋。之后，在老師的指導(dǎo)下，我們運用水袋簡易制作裝置制作了第二代水袋——熱封口水袋。

圖3 我們制作第二代水袋

圖4 第一代水袋（上）和第二代水袋（下）

經(jīng)使用測試，我們認為第一代水袋和第二代水袋均存在制作麻煩、自身密封性不好和易破裂等缺點。受空氣填充袋的啟發(fā)，在充分考慮防洪的真實場景需求后，我們設(shè)計制作了第三代水袋——夾層自封口水袋，由內(nèi)層的自封口塑料袋和外層的麻袋（或魔術(shù)貼）組合而成。

圖5 第三代水袋

五、效果測試

（一）密封性測試

我們制作20個直徑為15 cm、高30 cm、裝有等量的水的夾層自封口水袋，每隔1小時觀察這些水袋的密封效果。

經(jīng)過10個多小時的觀察，我們得出結(jié)論：夾層自封口水袋的密封性良好，均無滲漏。

（二）承壓測試

我們將3個裝有等量的水的夾層自封口水袋并列平放，再在其上放置一塊木板，在木板上分別碼放質(zhì)量為5～50 kg的砝碼，觀察其承壓情況。

測試結(jié)果：夾層自封口水袋無滲漏，可以承受至少50 kg的壓力。

（三）穩(wěn)定性及防滲透效果測試

我們制作50個直徑為15 cm、高30 cm、裝有等量的水的夾層自封口水袋，將它們碼放在一個100 cm×60 cm×40 cm的水槽里，筑起一道“擋水墻”。

然后，我們在水槽的一端注水，分別使水位達到10 cm、20 cm、30 cm、38 cm，分別觀察1小時，記錄其穩(wěn)定性和防滲漏效果。

測試結(jié)果：夾層自封口水袋筑成的“擋水墻”保持原樣，沒有傾斜，都無滲漏。

所有的測試都說明，夾層自封口水袋可以用于城市地下車庫的防洪阻水。

六、主要創(chuàng)新點

夾層自封口水袋采用夾層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為自封口塑料袋，外層為麻袋（或魔術(shù)貼）。當(dāng)汛情發(fā)生時，我們可以就地取材，用水灌裝這種水袋，以水代沙，極大地節(jié)約防洪成本。

夾層自封口水袋的密封性、穩(wěn)定性和防滲透效果都很好，能以水治水，快速地在洪水與地下車庫、地鐵站等公共區(qū)域之間筑起一道防洪墻，應(yīng)急防汛，防止車輛和地鐵等被淹受損，有效地保護人民的生命財產(chǎn)安全，是應(yīng)急防災(zāi)減災(zāi)措施的新探索。

七、下一步設(shè)想

為提高水袋的穩(wěn)定性，使其便于搬運，我們擬設(shè)計b形水袋。這種水袋的袋體為一厚一薄兩部分，各占一半。較厚的部分填充物為水，充水后為長方體，另一部分預(yù)先置入環(huán)保膨脹填充物，遇水膨脹，膨脹厚度不超過3 cm，使水袋形狀為字母“b”。

在應(yīng)急防洪應(yīng)用中，將相鄰的b形水袋交錯旋轉(zhuǎn)，使其形成咬合狀態(tài)，筑成的防洪堤壩會更加牢固。水袋壘堤后，較薄層吸水后膨脹，可防止水從袋體間縫隙滲漏，同時，這一部分可作為提手，方便搬運、抬放，大大節(jié)省人力。

（指導(dǎo)老師：梁碩 張梨）

專家點評

陳柯如、鐘忻霓、唐才懿同學(xué)的自封口水袋是一項具有改進性的發(fā)明作品。這個作品的完成主要體現(xiàn)了：其一，三位同學(xué)具有創(chuàng)新性解決問題的心理趨勢——創(chuàng)新意識，能夠在觀察城市內(nèi)澇現(xiàn)象后針對這種生活現(xiàn)象進行思考，提出發(fā)明課題；其二，三位同學(xué)具有良好的科學(xué)探究意識，當(dāng)這個課題定下來之后，他們就進行了現(xiàn)場考察與結(jié)果分析，進一步明確解決問題的主攻方向；其三，三位同學(xué)具有良好的科學(xué)態(tài)度，研究的過程特別翔實。

用水袋防洪這個課題，他人已經(jīng)進行過研究。2017年就公開了一種防汛水袋的發(fā)明專利，去年也公開了一種新型球狀防洪堵口水袋實用新型專利。但三位同學(xué)敢于創(chuàng)新，用錦綸搭扣緊封外袋的方法，解決了上述兩項專利中封口不方便、不牢固的問題。值得指出的是，這個項目雖然獲得了許多贊美之詞，也獲了省市級的多個獎項，但它到實際應(yīng)用與推廣階段還有很長的路要走，我們切不可沾沾自喜、故步自封。