堤防加固用拋沙枕袋裝置的設計與應用研究

任保臣 史俊姣 張立永 侯石景 馬法杰

（1.濮陽職業技術學院機電與汽車工程學院，濮陽 457000；2.濮陽市黃河河務局水上搶險隊，濮陽 457000；3.河南鼎誠環保裝備股份有限公司，濮陽 457000）

1 研究背景

黃河下游河道在中小洪水長期作用下，壩垛根石出險[1]，過去一直采用人工或機械方式拋碎石加固除險，成本較高，操作不便，效果較差。經過黃河科技人員多年探索，研發出沙枕加固壩垛技術，采用新型高強度機織反濾布[2]制作成不同型號的充沙土工反濾布長管袋，進行壩垛加固或搶險。利用黃河泥沙代替了石料，與傳統的石料加固根石相比，沙源可就地取材，穩定性高，使用壽命長，造價低，不破壞生態環境，經濟效益和社會效益顯著，且堤壩護根效果較好。但工程施工過程中，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，對于如何將沙枕安全、準確地拋擲到加固或搶險位置成為亟待解決的新問題。工程技術人員，根據工程實踐和施工單位現有的施工條件，利用防汛船只，創造性地研制出了自動拋沙枕袋裝置械設備，可有效解決以上問題。

2 自動拋沙枕袋裝置的結構及作業工藝過程

2.1 沙枕拋投堤壩加固技術

沙枕拋投堤壩加固技術就是利用泥漿泵將黃河水中泥沙注入預置在拋枕船間的沙枕袋中，形成長約10m、寬至約2m的大型沙袋，即堤壩加固工程中所說的“沙枕袋”，然后利用衛星定位系統或全站儀結合錨機組合系統進行放樣，將“沙枕袋”拋投到原來設計擺放位置的一種施工工藝方法。

2.2 自動拋沙枕袋裝置的組成

工程技術人員根據工程搶險實踐經驗和施工作業現有的資源條件，對兩艘80t自動駁船進行改造。該自動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作業實際進行調節。

第一駁船在靠近第二駁船的船舷上設計有多個旋轉軸支架，旋轉軸支架上設計有軸承座，旋轉軸穿過軸承座，旋轉軸上焊接有短柱，短柱徑向焊接在旋轉軸上，第二駁船上設置駕駛室、電氣配電柜、卷揚機和龍門架，鋼纜一端固定在旋轉軸，鋼纜另一端穿過龍門架頂滑輪纏繞于卷揚機。第二駁船靠近第一駁船的船舷上設置固定樁，沙枕承載料兜由高強度尼龍帶和雙層反濾布縫制，沙枕承載料兜一邊通過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端尼龍帶一端，活動端尼龍帶另一端連接吊環，吊環掛在短柱上，活動端尼龍帶纏繞在旋轉軸上。沙枕袋平展置于沙枕承載料兜上面，沙枕袋設有進沙口和出水口，沙枕袋為長管袋，沙枕袋由高強度機織反濾布制成。船上安裝有2臺卷揚機、2個橫梁裝有滑輪的龍門支架、變電柜一個、旋轉軸、旋轉軸支架、高強度機織反濾布料兜、工字鋼等。

2.3 自動拋沙枕袋裝置的工作原理及作業工藝過程

自動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自動駁船固接在一起，中間留有放置沙枕袋的間隙，把卷揚機、龍門架、旋轉軸支架、拋袋旋轉軸固定到船體上。料兜由10根寬4cm雙層高強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個固定樁上，另一端10個吊環掛在另一艘船的拋袋旋轉軸固定柱上，啟動卷揚機鋼纜吊緊拋袋旋轉軸，把沙枕袋平展放在料兜上，然后進行充填泥沙，充填達到要求進行封口，檢查完畢后，啟動卷揚機放松鋼纜，利用沙枕袋自重帶動拋袋旋轉軸反向旋轉，

料兜上的10個圓環自動脫落，沙枕袋順沿料兜一側下落到指定投拋位置。

拋沙枕裝置的作業工藝過程為：首先啟動卷揚機正轉，收緊鋼纜，鋼纜帶動旋轉軸旋轉，吊環掛在短柱上，活動端尼龍帶纏繞于旋轉軸上，沙枕袋平展置于沙枕承載料兜上，然后啟動泥漿泵河底抽沙，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，啟動卷揚機放松鋼纜，利用沙袋自重帶動旋轉軸反向轉動，吊環從固定樁自動脫落，沙枕袋順料兜下落側拋向預定位置。拋投作業斷面及拋投過程如圖1所示。

圖1 施工斷面及拋枕固根過程

3 自動拋沙枕袋裝置的工程應用效果

自動拋沙枕設備研發試制完成后，在下游黃河調水調沙前，范縣李橋險工利用自動拋沙枕袋裝置進行了充填沙枕護壩根試驗，調水調沙后經過壩根探摸，沙枕拋投位置準確，且抗沖刷和護根效果良好。自動拋沙枕袋裝置在該次工程應用中主要有以下優點。

3.1 機動時間短

一旦有拋沙枕搶險任務，自動拋沙枕袋裝置所有的零部件可在2小時內固定到船體上，船只在自身動力作用下，可隨時停靠到拋沙枕指定位置，特別是在道路過水，搶險車輛不能到達搶險地點的情況下，更能發揮自動拋沙枕袋裝置的作用。

3.2 拋投準確度高

以往進行壩垛搶險時只是在壩垛上面，利用自卸汽車或挖掘機進行柳枕或石枕的拋投，拋投準確度不高，而自動拋沙枕袋裝置可以直接在出現位置進行拋枕，準確率達到98﹪以上。

3.3 安全系數大

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

3.4 成本造價低

本設備是把現有的自動駁船和卷揚機，有機結合起來，不需要更多購置設備。所拋的沙枕為采用黃河泥沙進行填充土工反濾布袋而成，可就地取材，造價遠遠低于石枕和柳枕。

3.5 設備操作容易

拋沙枕袋機械設備操作簡單，將船停靠到指定沙枕袋投放位置后，只需操控卷揚機吊放料兜、充填沙枕袋即可，對操控和沙袋充填人員等技能要求低，操作程序較簡單。

3.6 應用前景好

自動拋沙枕袋裝置采用新的技術工藝替代了傳統的石料加固壩垛的做法，且沙枕袋采用的新型材料，具有優良的透水反濾特性和強度高、使用壽命長、造價低、易操作的特點，在黃河等防汛搶險和壩根加固工程中，有良好的應用發展前景。

4 結論

由于自動拋沙枕袋裝置模塊化設計，裝拆及移動機動靈活，沙枕袋拋投位置準確，作業平臺大，安全系數高，可利用防洪搶險船只改造成型，具有成本造價低的特點，且設備操作簡單，該裝置在黃河等防汛搶險和壩垛加工工程中有利于沙枕加固壩垛技術的推廣應用。