自封口水袋

陈柯如　钟忻霓　唐才懿

本期点评专家

谭迪熬  中国发明协会院士专家咨询工作委员会首任专家，中国发明协会中小学创造教育分会会长，科技创新教育特级教师，教育部国培计划专家库专家。

一、课题的提出

由于全球气候变暖，强降水天气发生的频率增加，城市“内涝”现象出现的概率也增加。一旦城市遭遇“内涝”，地下车库、地铁站等公共区域首当其冲成为洪水肆虐的对象，造成的生命财产损失不容忽视。

于是，我们组建研究性学习兴趣小组，重点关注地下车库被淹问题，研究防止地下车库被淹的有效方案。

二、前期调研

（一）实地考察

为什么地下车库会被淹？当遭遇暴雨时，人们会采取哪些措施防止雨水灌入地下车库？我们考察了分布在长沙市四个辖区的8个地下车库，考察结果见表1。

结果分析：长沙市的地下车库大多无门槛设计，部分地下车库地势较低（占调查比37.5%），存在被水淹的风险。在被考察的地下车库中，只有一个地下车库（曾被水淹）备有沙袋这一防灾物资。

经过考察，我们还发现地下车库排水设计不当等也会导致地下车库被淹。

（二）体验沙袋制作

沙袋防汛主要是通过一层一层地堆叠沙袋来“堵”洪水。为了了解大多数地下车库没有准备沙袋这一常规防汛物资的原因，我们到沙场熟悉沙袋的制作过程和使用方法。

体验制沙后，我们发现制作沙袋费时费力，且沙袋存放比较占地方。防汛时，沙袋质量大，搬运不易，防汛后拆除处理沙袋较麻烦。由于环保等要求，河沙成为城市稀缺材料。

三、设计创意

既然沙袋防汛存在诸多不便，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车库呢？

我们在老师的组织下进行“头脑风暴会”，各抒己见：发明一种“防洪闸”，设计“泡沫墙”，就地取材制作替代“沙袋”的设备，……最终，经过讨论，大家一致认为就地取材制作替代“沙袋”的设备比较有创意，就地取的“材”最好是水。因此，我们决定以“水”代“沙”，以水治水，制作水袋。

四、研制过程

（一）材料的选择

我们购买PE塑料（聚乙烯）、雨衣布料、彩条布，这三种材料的厚度均为0.6 mm。委托雨衣制作厂家用3种材料分别制作直径为20 cm、高40 cm的圆柱体袋各10个。

我们往制作好的袋中灌满等量的水并密封，比较三种材料袋的密封性。之后，将装有等量的水的三种材料袋各6个分别叠放垒高，比较叠放高度和下层袋承压情况。接着，将装有等量的水的三种材料袋各10个码放在一个100 cm×60 cm×40 cm的水槽里，筑起一道“挡水墙”，观察、比较防渗漏效果。具体情况见表2。

三种材料袋的密封性都不错，可以承受高度超过60 cm的自重压力。PE塑料的水袋防渗漏效果最好。综合比较，确定选择PE塑料为水袋的制作材料。

（二）袋形状的选择

用厚度为0.6 mm的PE塑料制作3种形状的袋子：直径20 cm、高40 cm的圆柱体袋10个，40 cm×20 cm×20 cm的长方体袋10个，底边长15 cm、高40 cm的六棱柱袋10个。我们往袋中灌入等量的水并密封，比较三种材料袋的密封性。

之后，我们将装有等量的水的三种材料袋各6个分别叠放垒高，比较叠放高度和下层袋承压情况。接着，将装有等量的水的三种材料袋全部码放在一个100 cm×60 cm×40 cm的水槽里，筑起一道“擋水墙”，观察、比较防渗漏效果。具体情况见表3。

三种形状的水袋密封性都不错，可以承受高度超过60 cm的自重压力。圆柱体形状的水袋防渗漏效果最好。综合比较，确定选择圆柱体形状为水袋的形状。

（三）制作水袋

我们以PE塑料为主要材料制作了圆柱体形状的第一代水袋。之后，在老师的指导下，我们运用水袋简易制作装置制作了第二代水袋——热封口水袋。

经使用测试，我们认为第一代水袋和第二代水袋均存在制作麻烦、自身密封性不好和易破裂等缺点。受空气填充袋的启发，在充分考虑防洪的真实场景需求后，我们设计制作了第三代水袋——夹层自封口水袋，由内层的自封口塑料袋和外层的麻袋（或魔术贴）组合而成。

五、效果测试

（一）密封性测试

我们制作20个直径为15 cm、高30 cm、装有等量的水的夹层自封口水袋，每隔1小时观察这些水袋的密封效果。

经过10个多小时的观察，我们得出结论：夹层自封口水袋的密封性良好，均无渗漏。

（二）承压测试

我们将3个装有等量的水的夹层自封口水袋并列平放，再在其上放置一块木板，在木板上分别码放质量为5～50 kg的砝码，观察其承压情况。

测试结果：夹层自封口水袋无渗漏，可以承受至少50 kg的压力。

（三）稳定性及防渗透效果测试

我们制作50个直径为15 cm、高30 cm、装有等量的水的夹层自封口水袋，将它们码放在一个100 cm×60 cm×40 cm的水槽里，筑起一道“挡水墙”。

然后，我们在水槽的一端注水，分别使水位达到10 cm、20 cm、30 cm、38 cm，分别观察1小时，记录其稳定性和防渗漏效果。

测试结果：夹层自封口水袋筑成的“挡水墙”保持原样，没有倾斜，都无渗漏。

所有的测试都说明，夹层自封口水袋可以用于城市地下车库的防洪阻水。

六、主要创新点

夹层自封口水袋采用夹层结构，内层为自封口塑料袋，外层为麻袋（或魔术贴）。当汛情发生时，我们可以就地取材，用水灌装这种水袋，以水代沙，极大地节约防洪成本。

夹层自封口水袋的密封性、稳定性和防渗透效果都很好，能以水治水，快速地在洪水与地下车库、地铁站等公共区域之间筑起一道防洪墙，应急防汛，防止车辆和地铁等被淹受损，有效地保护人民的生命财产安全，是应急防灾减灾措施的新探索。

七、下一步设想

为提高水袋的稳定性，使其便于搬运，我们拟设计b形水袋。这种水袋的袋体为一厚一薄两部分，各占一半。较厚的部分填充物为水，充水后为长方体，另一部分预先置入环保膨胀填充物，遇水膨胀，膨胀厚度不超过3 cm，使水袋形状为字母“b”。

在应急防洪应用中，将相邻的b形水袋交错旋转，使其形成咬合状态，筑成的防洪堤坝会更加牢固。水袋垒堤后，较薄层吸水后膨胀，可防止水从袋体间缝隙渗漏，同时，这一部分可作为提手，方便搬运、抬放，大大节省人力。

（指导老师：梁硕  张梨）

专家点评

陈柯如、钟忻霓、唐才懿同学的自封口水袋是一项具有改进性的发明作品。这个作品的完成主要体现了：其一，三位同学具有创新性解决问题的心理趋势——创新意识，能够在观察城市内涝现象后针对这种生活现象进行思考，提出发明课题；其二，三位同学具有良好的科学探究意识，当这个课题定下来之后，他们就进行了现场考察与结果分析，进一步明确解决问题的主攻方向；其三，三位同学具有良好的科学态度，研究的过程特别翔实。

用水袋防洪这个课题，他人已经进行过研究。2017年就公开了一种防汛水袋的发明专利，去年也公开了一种新型球状防洪堵口水袋实用新型专利。但三位同学敢于创新，用锦纶搭扣紧封外袋的方法，解决了上述两项专利中封口不方便、不牢固的问题。值得指出的是，这个项目虽然获得了许多赞美之词，也获了省市级的多个奖项，但它到实际应用与推广阶段还有很长的路要走，我们切不可沾沾自喜、故步自封。