堤防加固用抛沙枕袋装置的设计与应用研究

任保臣 史俊姣 张立永 侯石景 马法杰

（1.濮阳职业技术学院机电与汽车工程学院，濮阳 457000；2.濮阳市黄河河务局水上抢险队，濮阳 457000；3.河南鼎诚环保装备股份有限公司，濮阳 457000）

1 研究背景

黄河下游河道在中小洪水长期作用下，坝垛根石出险[1]，过去一直采用人工或机械方式抛碎石加固除险，成本较高，操作不便，效果较差。经过黄河科技人员多年探索，研发出沙枕加固坝垛技术，采用新型高强度机织反滤布[2]制作成不同型号的充沙土工反滤布长管袋，进行坝垛加固或抢险。利用黄河泥沙代替了石料，与传统的石料加固根石相比，沙源可就地取材，稳定性高，使用寿命长，造价低，不破坏生态环境，经济效益和社会效益显著，且堤坝护根效果较好。但工程施工过程中，充填沙枕管袋体积大，重量大，充填好的沙枕袋少则十几吨，甚至几十吨，对于如何将沙枕安全、准确地抛掷到加固或抢险位置成为亟待解决的新问题。工程技术人员，根据工程实践和施工单位现有的施工条件，利用防汛船只，创造性地研制出了自动抛沙枕袋装置械设备，可有效解决以上问题。

2 自动抛沙枕袋装置的结构及作业工艺过程

2.1 沙枕抛投堤坝加固技术

沙枕抛投堤坝加固技术就是利用泥浆泵将黄河水中泥沙注入预置在抛枕船间的沙枕袋中，形成长约10m、宽至约2m的大型沙袋，即堤坝加固工程中所说的“沙枕袋”，然后利用卫星定位系统或全站仪结合锚机组合系统进行放样，将“沙枕袋”抛投到原来设计摆放位置的一种施工工艺方法。

2.2 自动抛沙枕袋装置的组成

工程技术人员根据工程抢险实践经验和施工作业现有的资源条件，对两艘80t自动驳船进行改造。该自动抛沙枕袋装置包括第一驳船和第二驳船两艘驳船，第一驳船和第二驳船通过可拆式钢梁并排固定，两艘驳船之间有约2m的距离用于充填沙枕袋，两艘驳船之间的距离可根据作业实际进行调节。

第一驳船在靠近第二驳船的船舷上设计有多个旋转轴支架，旋转轴支架上设计有轴承座，旋转轴穿过轴承座，旋转轴上焊接有短柱，短柱径向焊接在旋转轴上，第二驳船上设置驾驶室、电气配电柜、卷扬机和龙门架，钢缆一端固定在旋转轴，钢缆另一端穿过龙门架顶滑轮缠绕于卷扬机。第二驳船靠近第一驳船的船舷上设置固定桩，沙枕承载料兜由高强度尼龙带和双层反滤布缝制，沙枕承载料兜一边通过固定端尼龙带固定在固定桩上，沙枕承载料兜的另一边连接活动端尼龙带一端，活动端尼龙带另一端连接吊环，吊环挂在短柱上，活动端尼龙带缠绕在旋转轴上。沙枕袋平展置于沙枕承载料兜上面，沙枕袋设有进沙口和出水口，沙枕袋为长管袋，沙枕袋由高强度机织反滤布制成。船上安装有2台卷扬机、2个横梁装有滑轮的龙门支架、变电柜一个、旋转轴、旋转轴支架、高强度机织反滤布料兜、工字钢等。

2.3 自动抛沙枕袋装置的工作原理及作业工艺过程

自动抛沙枕袋装置的工作原理就是利用20cm槽钢和30cm工字钢把2艘80t自动驳船固接在一起，中间留有放置沙枕袋的间隙，把卷扬机、龙门架、旋转轴支架、抛袋旋转轴固定到船体上。料兜由10根宽4cm双层高强尼龙带和双层土工反滤布缝制在一起，将料兜一端固定到船舷10个固定桩上，另一端10个吊环挂在另一艘船的抛袋旋转轴固定柱上，启动卷扬机钢缆吊紧抛袋旋转轴，把沙枕袋平展放在料兜上，然后进行充填泥沙，充填达到要求进行封口，检查完毕后，启动卷扬机放松钢缆，利用沙枕袋自重带动抛袋旋转轴反向旋转，

料兜上的10个圆环自动脱落，沙枕袋顺沿料兜一侧下落到指定投抛位置。

抛沙枕装置的作业工艺过程为：首先启动卷扬机正转，收紧钢缆，钢缆带动旋转轴旋转，吊环挂在短柱上，活动端尼龙带缠绕于旋转轴上，沙枕袋平展置于沙枕承载料兜上，然后启动泥浆泵河底抽沙，高压注水管插入沙枕袋充填沙枕，沙枕袋为反滤布，水由反滤布缝隙流出，泥沙沙枕袋中落淤；沙枕充填完成，封闭沙枕袋袋口，启动卷扬机放松钢缆，利用沙袋自重带动旋转轴反向转动，吊环从固定桩自动脱落，沙枕袋顺料兜下落侧抛向预定位置。抛投作业断面及抛投过程如图1所示。

图1 施工断面及抛枕固根过程

3 自动抛沙枕袋装置的工程应用效果

自动抛沙枕设备研发试制完成后，在下游黄河调水调沙前，范县李桥险工利用自动抛沙枕袋装置进行了充填沙枕护坝根试验，调水调沙后经过坝根探摸，沙枕抛投位置准确，且抗冲刷和护根效果良好。自动抛沙枕袋装置在该次工程应用中主要有以下优点。

3.1 机动时间短

一旦有抛沙枕抢险任务，自动抛沙枕袋装置所有的零部件可在2小时内固定到船体上，船只在自身动力作用下，可随时停靠到抛沙枕指定位置，特别是在道路过水，抢险车辆不能到达抢险地点的情况下，更能发挥自动抛沙枕袋装置的作用。

3.2 抛投准确度高

以往进行坝垛抢险时只是在坝垛上面，利用自卸汽车或挖掘机进行柳枕或石枕的抛投，抛投准确度不高，而自动抛沙枕袋装置可以直接在出现位置进行抛枕，准确率达到98﹪以上。

3.3 安全系数大

抛沙枕施工是在水上进行，二艘80t自动驳船的大货仓，为施工人员操作提供了安全的工作平台；同时，船只的承载力大大超出了沙枕袋的自身重量，使安全系数大大增加。

3.4 成本造价低

本设备是把现有的自动驳船和卷扬机，有机结合起来，不需要更多购置设备。所抛的沙枕为采用黄河泥沙进行填充土工反滤布袋而成，可就地取材，造价远远低于石枕和柳枕。

3.5 设备操作容易

抛沙枕袋机械设备操作简单，将船停靠到指定沙枕袋投放位置后，只需操控卷扬机吊放料兜、充填沙枕袋即可，对操控和沙袋充填人员等技能要求低，操作程序较简单。

3.6 应用前景好

自动抛沙枕袋装置采用新的技术工艺替代了传统的石料加固坝垛的做法，且沙枕袋采用的新型材料，具有优良的透水反滤特性和强度高、使用寿命长、造价低、易操作的特点，在黄河等防汛抢险和坝根加固工程中，有良好的应用发展前景。

4 结论

由于自动抛沙枕袋装置模块化设计，装拆及移动机动灵活，沙枕袋抛投位置准确，作业平台大，安全系数高，可利用防洪抢险船只改造成型，具有成本造价低的特点，且设备操作简单，该装置在黄河等防汛抢险和坝垛加工工程中有利于沙枕加固坝垛技术的推广应用。