水利工程堤防抢险用石笼、石笼投放车及溃口抢险方法与流程

1.本发明涉及水利工程技术领域，尤其涉及堤坝溃口抢险技术。


背景技术：

2.我国河流众多，河堤、水坝是常见的水利设施，应用广泛。在汛期，堤坝承受河水的冲击，时有溃口现象发生，为此出现了抢险技术；最初抢险是人工抢险，人工搬运石块、沙袋等物资填堵溃口，效率低下，难以有效应对水流冲击力较大的场合。随着机械化水平的提高，在工程抢险中所需料物（如土石方和柳秸料等）的挖、装、运、填等各道工序及抢险中的部分技能操作（如打桩、编织铅丝网片、捆枕等）均可由某类机械或某些配套机械完成。由多种机械配合完成的“一条龙”抢险流程形成综合机械化抢险。抢险工程车辆是机械化抢险中不可或缺的一部分。
3.在水流湍急的河段，尤其是溃口处抢险时，抛入水中的石头容易被水流冲走，为此人们使用金属线材编织成笼状形成石笼（古代是竹子编织而成），在石笼内装入大量石块；石笼将多个石块集合在一起，更不易被水流冲走。当水流过急时，石笼也可能被冲走，这就需要投入更多的石笼，既形成浪费又降低效率。为此又出现了火箭锚网技术，此项技术需要先使用发射车向溃口处（拟投放石笼处）的河床发射火箭锚、使火箭锚插入河床从而定位其连接的锚索，再将锚索的上端（一直留在岸上）连接到石笼投放车辆上，在石笼上预先设置与锚索配合的吊运滑钩，将石笼沿锚索下放至溃口处的河道内。由于吊运滑钩钩住了锚索，因而可以防止石笼被水冲走。这种技术的缺点是，需要现场发射火箭锚、连接锚索与石笼投放车辆，不能车到即投；另外，石笼投放位置被火箭锚限制死，当溃口有扩大危险时，也不能随时向溃口两侧河道内投放石笼来预防溃口扩大；当溃口较宽时，也不能在溃口宽度方向上均匀投放石笼，而只能向火箭锚处投放石笼；要想向溃口另一侧投放石笼，需要向另一侧重新发射火箭锚。总之，此项技术虽然能够解决石笼被水流冲走的问题，但不够灵活方便。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种水利工程堤防抢险用石笼，不需要与火箭锚配合也能降低被水流冲走的机率。
5.为实现上述目的，本发明的水利工程堤防抢险用石笼包括铅丝石笼的本体，本体内盛装有多个石块；本体的水平截面呈圆形并用于旋转投放入水。
6.本体的周向外表面间隔固定连接有多个拨水片，拨水片一端为连接端且另一端为自由端；各拨水片与其连接端处石笼切线的夹角α相同；α为38
±
5度，以拨水片接近本体的一侧为拨水片的内侧，石笼的旋转方向指向组成α角的石笼切线方向。
7.本发明还提供了一种石笼投放车，用于向河道的抢险处抛射上述水利工程堤防抢险用石笼，包括车架，车架前部设有驾驶室总成，车架向下设有至少四个车轮；车架上设有弹力抛射机构，弹力抛射机构抛射石笼的抛射方向与铅垂线的夹角为70
±
5度。
8.弹力抛射机构包括支撑台，以石笼投放车的车尾方向为后向，支撑台位于车架后部并朝后倾斜设置，支撑台上设有垂直于支撑台的导向轴，导向轴上套设有承台，承台通过其中心孔套设在导向轴上；承台与支撑台之间的导向轴上套设有强力弹簧，强力弹簧的上端与承台的下表面固定连接，强力弹簧的下端与支撑台的上表面固定连接；承台通过间隔设置的若干连接架向上连接有抛射板，抛射板用于支撑并抛射石笼；强力弹簧处于最大压缩状态时抛射板高于导向轴，强力弹簧处于压缩释放反弹后的最长伸展状态时承台的中心孔的下端低于导向轴的顶端；抛射板和承台均平行于支撑台；承台的下表面设有开口向下的环形槽，环形槽的竖向截面呈t形并包括位于相对上方的大槽部分和位于相对下方的小槽部分，大槽部分和小槽部分相接处形成台阶，环形槽处设有移动悬吊机构；移动悬吊机构包括在小槽部分顶端两侧的台阶上分别设置的行走轮，两个行走轮分别通过轴承连接同一根转动轴，转动轴连接有悬吊装置，悬吊装置向下伸出环形槽，悬吊装置包括与转动轴相连接的吊绳，吊绳向下连接有吊钩，吊钩的中下部连接有脱钩绳；移动悬吊机构在环形槽处设有两套；支撑台上设有两个上下通透的通孔，支撑台下设有卷扬机，卷扬机的转轴的两端与两个通孔的位置相对应，卷扬机的转轴的两端分别连接有拉绳，两根拉绳的顶端分别设有吊环；两个拉绳分别穿过对应的通孔，两个吊环分别挂在一个移动悬吊机构的吊钩上。
9.抛射板的周边设有环形挡板。
10.所述导向轴为螺纹轴，承台与导向轴螺纹配合。
11.本发明还公开了一种溃口抢险方法，采用上述石笼投放车进行，按以下步骤进行：第一步骤是准备步骤；第二步骤是吊装石笼；第三步骤是强力弹簧蓄力；第四步骤是旋转抛射石笼；循环进行第二至第四步骤，将水利工程堤防抢险用石笼不断抛射至堤坝溃口处直到完成溃口封堵。
12.第一步骤具体是：工作人员利用运输车将水利工程堤防抢险用石笼运输至溃口抢险处的堤坝上；将吊运车和石笼投放车行驶并停在溃口抢险处的堤坝上；使石笼投放车的车尾朝向堤坝溃口处；第二步骤具体是：工作人员使用吊运车的吊机将水利工程堤防抢险用石笼吊装至抛射板上，水利工程堤防抢险用石笼位于环形挡板内；向上拉动两根拉绳，将两个吊环分别挂在一个移动悬吊机构的吊钩上；第三步骤具体是：工作人员启动卷扬机，将拉绳卷绕至卷扬机的转轴上，拉绳通过吊环、吊钩、吊绳、转动轴和行走轮对承台施加下向力，承台向下运动时压缩强力弹簧，弹力弹簧积蓄压应力；承台向下运动时，在螺纹配合的作用下绕导向轴旋转；承台旋转时，在拉绳和吊绳的拉动下，行走轮沿小槽部分顶端两侧的台阶行走，吊钩保持在与支撑台上的通孔对应的位置；在将强力弹簧压缩到抛射需要的程度时，关闭卷扬机；第四步骤具体是工作人员手动拉动两个移动悬吊机构的脱钩绳，两个吊钩的钩口
向下旋转，使得两个吊环均由相应的吊钩上脱出，从而释放承台；在强力弹簧的弹力作用下，承台通过连接架带动抛射板一体向上旋转升起，强力弹簧在伸展至最长位置后向自然舒张状态回收，带动承台和抛射板一同向下回收，此时水利工程堤防抢险用石笼脱离抛射板，完成旋转抛射；旋转抛射出去的石笼在重力的作用下向下落入溃口处的河水内。
13.在第三步骤结束之后和第四步骤开始之前，向溃口上游处的河道水体内投放高分子增稠剂。
14.本发明具有如下的优点：旋转投放入水后，旋转的石笼在和水流的相互作用中会转速降低，使一部分河水冲击力消耗在降低石笼及其内石块的旋转能量上，通过降低石笼及其内石块的旋转能量减少河水冲击力转化为石笼向河水下游运动的动能的量，从而降低石笼受河水冲击而随河水流动的速度。
15.拔水片的设置，在石笼入水后能够加速消耗石笼及其内石块的旋转能量，利用旋转能量更多地降低石笼受河水冲击而随河水流动的速度。具体地，以拨水片接近本体的一侧为拨水片的内侧；河水冲击在拨水片的内表面时被拨水片和石笼阻挡，河水冲击在拨水片的外表面时沿拨水片的外表面向河水下游流动；河水冲击在拨水片的内表面时对拨水片和石笼的冲击力大于河水冲击在拨水片的外表面时对拨水片和石笼的冲击力从而形成冲击力差（图1中所示石笼右侧的拨水片受到的河水冲击力小于石笼左侧的拨水片所受到的河水冲击力）；所述冲击力差（图1中左大右小）对石笼产生扭矩，且该扭矩的方向与石笼的转动方向相反，降低石笼的转速，通过降低石笼的旋转能量减少河水冲击力转化为石笼向河水下游运动的动能的量。
16.α大于90度时，实际上拨水片与石笼切线的夹角另一侧也是锐角，因而对α只考虑90度和锐角两种情况。
17.α如果是90度，则石笼左右两侧受到的河水作用力相同，无助于增大河水对石笼施加的扭矩，也就不能更迅速地释放石笼及其盛装的石块的旋转能量。
18.α小于90度为锐角时，α越小，其径向延伸出石笼的有效受力面就越小，α为零时拨水片未径向延伸出石笼（位于切线方向），无助于增大河水对石笼施加的扭矩，无助于通过降低石笼的旋转能量减少河水冲击力转化为石笼向河水下游运动的动能的量。
19.α越接近90度，石笼左右两侧受到的河水作用力越趋同，河水对石笼施加的扭矩也越小。综合各种考虑，将α确定为38
±
5度，以取得相对较好的防止石笼被河水冲离溃口的作用。利用石笼的转动使河水对石笼产生逆转动方向的扭矩，使得部分河水对石笼的冲击力消耗在降低石笼及其内装石块的旋转能量上。
20.石笼的旋转方向指向组成α角的石笼切线方向，使得α角在朝向水流方向时（图1中石笼左侧）是拨水片是逆水流转动，而α角背向水流方向时（图1中石笼的右侧）拨水片是顺水流转动，这样有助于进一步增大河水对石笼整体施加的扭矩，在同样的水流条件下使河水冲击力相对更多地消耗在降低石笼及其内石块的旋转能量上，有助于防止石笼被水流冲走。
21.使用时石笼投放车停在溃口附近的堤坝上。70
±
5度的抛射角度，通过倾斜向上高抛石笼，在将石笼抛入溃口的同时，赋予石笼以较高的下落速度，携重力势能以较高速度入水的石笼在河道内触底前被水流冲击而随河水流动的距离更短，从而使石笼更不易被水流
冲走而离开溃口。由于不需要发射火箭锚并更换作业车辆，且作业车辆的位置不受限于发射后的火箭锚，因而更加灵活方便。
22.使用时石笼投放车停在溃口附近的堤坝上。70
±
5度的抛射角度，通过倾斜向上高抛石笼，在将石笼抛入溃口的同时，赋予石笼以较高的下落速度，携重力势能以较高速度入水的石笼在河道内触底前被水流冲击而随河水流动的距离更短，从而使石笼更不易被水流冲走而离开溃口。由于不需要发射火箭锚并更换作业车辆，且作业车辆的位置不受限于发射后的火箭锚，因而更加灵活方便。
23.使用吊运车将水利工程堤防抢险用石笼吊装至抛射板上，通过卷扬机向下拉动承台并压缩强力弹簧，然后人工拉动脱钩绳使吊环与吊钩相脱离，此时强力弹簧迅速伸展释放其被压缩时积累的压应力，使抛射板倾斜向上将石笼抛射出去。这种抛射方式结构简单，工作可靠。
24.移动悬吊机构为允许在向下牵引拉绳、压缩强力弹簧时移动悬吊机构不随承台旋转作好了结构准备，为旋转发射提供了结构支撑。
25.承台与导向轴螺纹配合，使得承台在沿导向轴上下移动的同时必然发生旋转，从而实现旋转抛射石笼，使石笼旋转入水，使一部分河水冲击力消耗在降低石笼及其内石块的旋转能量上，使石笼更不易被水流冲离溃口部位。
26.投放高分子增稠剂能够短时间显著增强水体的粘度，降低水流速度，有助于实现防止石笼被水流冲离溃口的技术目的。
27.本发明综合利用
①
高抛石笼使石笼下坠入水速度较快、
②
石笼旋转入水从而使一部分水流冲击力消耗在降低石笼及其内石块的旋转能量上和
③
增加水体粘度的技术方案，即便面对高流速的溃口水流，石笼也不易被水流冲走，从而提高石笼抢险的有效性和抢险效率，同时石笼投放位置灵活可变（只需要调整石笼投放车的位置或角度），具有很强的实用性。
附图说明
28.图1是石笼相对河水旋转的结构示意图；图1中的直线箭头所示为河水的流动方向，图1中的弧形箭头所示为石笼入水时的旋转方向；图2是石笼投放车的结构示意图；图3是图2中弹力抛射机构处的放大图；图4是承台的剖视结构示意图；图5是承台的仰视结构示意图。
具体实施方式
29.本实施例中的水利工程堤防抢险用石笼也简称为“石笼”。
30.如图1至图5所示，本发明的水利工程堤防抢险用石笼包括铅丝石笼的本体1，本体1内盛装有多个石块（图未示石块）；本体1的水平截面大致呈圆形并用于旋转投放入水。
31.旋转投放入水后，旋转的石笼在和水流的相互作用中会转速降低，使一部分河水冲击力消耗在降低石笼及其内石块的旋转能量上，通过降低石笼及其内石块的旋转能量减
少河水冲击力转化为石笼向河水下游运动的动能的量，从而降低石笼受河水冲击而随河水流动的速度。
32.本体1的周向外表面均匀间隔固定连接有多个拨水片2，拨水片2一端为连接端且另一端为自由端；各拨水片2与其连接端处石笼切线的夹角α相同；α为38
±
5度，以拨水片2接近本体1的一侧为拨水片2的内侧，石笼的旋转方向指向组成α角的石笼切线方向并与α角的开口方向一致。
33.拔水片的设置，在石笼入水后能够加速消耗石笼及其内石块的旋转能量，利用旋转能量更多地降低石笼受河水冲击而随河水流动的速度。
34.具体地，以拨水片2接近本体1的一侧为拨水片2的内侧；河水冲击在拨水片2的内表面时（图1中石笼左侧的拨水片2）被拨水片2和石笼阻挡，河水冲击在拨水片2的外表面时（图1中石笼右侧的拨水片2）沿拨水片2的外表面向河水下游流动；河水冲击在拨水片2的内表面时对拨水片2和石笼的冲击力大于河水冲击在拨水片2的外表面时对拨水片2和石笼的冲击力从而形成冲击力差（图1中所示石笼右侧的拨水片2受到的河水冲击力小于石笼左侧的拨水片2所受到的河水冲击力）；所述冲击力差（图1中左大右小）对石笼产生扭矩，且该扭矩的方向与石笼的转动方向相反，降低石笼的转速，通过降低石笼的旋转能量减少河水冲击力转化为石笼向河水下游运动的动能的量。
35.α大于90度时，实际上拨水片2与石笼切线的夹角另一侧也是锐角，因而对α只考虑90度和锐角两种情况。
36.α如果是90度，则石笼左右两侧受到的河水作用力相同，无助于增大河水对石笼施加的扭矩，也就不能更迅速地释放石笼及其盛装的石块的旋转能量。
37.α小于90度为锐角时，α越小，其径向延伸出石笼的有效受力面就越小，α为零时拨水片2未径向延伸出石笼（位于切线方向），无助于增大河水对石笼施加的扭矩，无助于通过降低石笼的旋转能量减少河水冲击力转化为石笼向河水下游运动的动能的量。
38.α越接近90度，石笼左右两侧受到的河水作用力越趋同，河水对石笼施加的扭矩也越小。综合各种考虑，将α确定为38
±
5度，以取得相对较好的防止石笼被河水冲离溃口的作用。利用石笼的转动使河水对石笼产生逆转动方向的扭矩，使得部分河水对石笼的冲击力消耗在降低石笼及其内装石块的旋转能量上。
39.石笼13的旋转方向指向组成α角的石笼切线方向，使得α角在朝向水流方向时（图1中石笼左侧）是拨水片2是逆水流转动，而α角背向水流方向时（图1中石笼的右侧）拨水片2是顺水流转动，这样有助于进一步增大河水对石笼整体施加的扭矩，在同样的水流条件下使河水冲击力相对更多地消耗在降低石笼及其内石块的旋转能量上，有助于防止石笼被水流冲走。
40.本发明还提供了一种石笼投放车，用于向河道的抢险处（如溃口处）抛射上述水利工程堤防抢险用石笼，包括车架3，车架3前部设有驾驶室总成4，车架3向下设有至少四个车轮5；车架3上设有弹力抛射机构，弹力抛射机构抛射石笼的抛射方向（即导向轴的延伸方向）与水平面的夹角为70
±
5度。
41.使用时石笼投放车停在溃口附近的堤坝上。70
±
5度的抛射角度，通过倾斜向上高抛石笼，在将石笼抛入溃口的同时，赋予石笼以较高的下落速度，携重力势能以较高速度入
水的石笼在河道内触底前被水流冲击而随河水流动的距离更短，从而使石笼更不易被水流冲走而离开溃口。由于不需要发射火箭锚并更换作业车辆，且作业车辆的位置不受限于发射后的火箭锚，因而更加灵活方便。
42.弹力抛射机构包括支撑台6，支撑台6通过支腿7支撑在车架3上，以石笼投放车的车尾方向为后向，支撑台6位于车架3后部并朝后倾斜设置，支撑台6上设有垂直于支撑台6的导向轴8，导向轴8上套设有承台9，承台9通过其中心孔套设在导向轴8上；承台9与支撑台6之间的导向轴8上套设有强力弹簧10，强力弹簧10的上端与承台9的下表面固定连接，强力弹簧10的下端与支撑台6的上表面固定连接；承台9通过均匀间隔设置的若干连接架11向上连接有抛射板12，抛射板12用于支撑并抛射石笼13；强力弹簧10处于最大压缩状态时抛射板12高于导向轴8，强力弹簧10处于压缩释放反弹后的最长伸展状态时承台9的中心孔的下端低于导向轴8的顶端（保证承台9不脱离导向轴8）；抛射板12和承台9均平行于支撑台6；如图4所示，承台9的下表面设有开口向下的环形槽，环形槽的竖向截面呈t形并包括位于相对上方的大槽部分14和位于相对下方的小槽部分15，大槽部分14和小槽部分15相接处形成台阶，环形槽处设有移动悬吊机构；移动悬吊机构包括在小槽部分15顶端两侧的台阶上分别设置的行走轮16，两个行走轮16分别通过轴承连接同一根转动轴17，转动轴17连接有悬吊装置，悬吊装置向下伸出环形槽，悬吊装置包括与转动轴17相连接的吊绳18，吊绳18向下连接有吊钩19，吊钩19的中下部连接有脱钩绳20；移动悬吊机构在环形槽处设有两套；支撑台6上设有两个上下通透的通孔21，支撑台6下设有卷扬机22，卷扬机22的转轴的两端与两个通孔21的位置相对应，卷扬机22的转轴的两端分别连接有拉绳23，两根拉绳23的顶端分别设有吊环24；两个拉绳23分别穿过对应的通孔21，两个吊环24分别挂在一个移动悬吊机构的吊钩19上。
43.使用吊运车将水利工程堤防抢险用石笼13吊装至抛射板12上，通过卷扬机22向下拉动承台9并压缩强力弹簧10，然后人工拉动脱钩绳20使吊环24与吊钩19相脱离，此时强力弹簧10迅速伸展释放其被压缩时积累的压应力，使抛射板12倾斜向上将石笼13抛射出去。这种抛射方式结构简单，工作可靠。
44.移动悬吊机构为允许在向下牵引拉绳23、压缩强力弹簧10时移动悬吊机构不随承台9旋转作好了结构准备，为旋转发射提供了结构支撑。
45.抛射板12的周边设有环形挡板25。环形挡板25用于防止石笼13在抛射出去前由抛射板12上掉落。
46.所述导向轴8为螺纹轴，承台9与导向轴8螺纹配合。承台9与导向轴8螺纹配合，使得承台9在沿导向轴8上下移动的同时必然发生旋转，从而实现旋转抛射石笼13，使石笼13旋转入水，使一部分河水冲击力消耗在降低石笼13及其内石块的旋转能量上，使石笼13更不易被水流冲离溃口部位。
47.本发明还提供了使用上述水利工程堤防抢险用石笼和石笼投放车进行的溃口抢险方法，按以下步骤进行：第一步骤是准备步骤；
第二步骤是吊装石笼13；第三步骤是强力弹簧10蓄力；第四步骤是旋转抛射石笼13；循环进行第二至第四步骤，在第二至第四步骤的进行当中也向溃口内投入其他常规封堵材料如沙袋，除石笼外，封堵材料的具体种类由抢险人员自行决定；将水利工程堤防抢险用石笼13不断抛射至堤坝溃口处直到完成溃口封堵。
48.第一步骤具体是：工作人员利用运输车将（包括）水利工程堤防抢险用石笼13（在内的封堵材料）运输至溃口抢险处的堤坝上；将吊运车和石笼13投放车行驶并停在溃口抢险处的堤坝上；使石笼13投放车的车尾朝向堤坝溃口处；第二步骤具体是：工作人员使用吊运车的吊机将水利工程堤防抢险用石笼13吊装至抛射板12上，水利工程堤防抢险用石笼13位于环形挡板25内；向上拉动两根拉绳23，将两个吊环24分别挂在一个移动悬吊机构的吊钩19上；第三步骤具体是：工作人员启动卷扬机22，将拉绳23卷绕至卷扬机22的转轴上，拉绳23通过吊环24、吊钩19、吊绳18、转动轴17和行走轮16对承台9施加下向力，承台9向下运动时压缩强力弹簧10，弹力弹簧积蓄压应力；承台9向下运动时，在螺纹配合的作用下绕导向轴8旋转；承台9旋转时，在拉绳23和吊绳18的拉动下，行走轮16沿小槽部分15顶端两侧的台阶行走，吊钩19保持在与支撑台6上的通孔21对应的位置；在将强力弹簧10压缩到抛射需要的程度时（根据抛射距离确定强力弹簧10的压缩程度，距离越远压缩程度越大，根据现场石笼13投放车停靠位置等情况具体决定），关闭卷扬机22；第四步骤具体是工作人员手动拉动两个移动悬吊机构的脱钩绳20，两个吊钩19的钩口向下旋转，使得两个吊环24均由相应的吊钩19上脱出，从而释放承台9；在强力弹簧10的弹力作用下，承台9通过连接架11带动抛射板12一体向上旋转升起，强力弹簧10在伸展至最长位置后向自然舒张状态回收，带动承台9和抛射板12一同向下回收，此时水利工程堤防抢险用石笼13脱离抛射板12，完成旋转抛射；旋转抛射出去的石笼13在重力的作用下向下落入溃口处的河水内。
49.在第三步骤结束之后和第四步骤开始之前，向溃口上游处的河道水体内投放高分子增稠剂。
50.投放高分子增稠剂能够短时间显著增强水体的粘度，降低水流速度，有助于实现防止石笼13被水流冲离溃口的技术目的。
51.本发明综合利用
①
高抛石笼13使石笼13下坠入水速度较快、
②
石笼13旋转入水从而使一部分水流冲击力消耗在降低石笼13及其内石块的旋转能量上和
③
增加水体粘度的技术方案，即便面对高流速的溃口水流，石笼13也不易被水流冲走，从而提高石笼13抢险的有效性和抢险效率，同时石笼13投放位置灵活可变（只需要调整石笼13投放车的位置或角度），具有很强的实用性。
52.高分子增稠剂最为典型的有三类：疏水改性碱溶胀丙烯酸共聚乳液(hase)、疏水改性羟乙基纤维素(hmhec)和疏水改性乙氧化聚氨酯(heur)。高分子增稠剂在水溶液中通过氢键和疏水缔合作用容易形成复杂的分子间、分子内的聚集网络结构，从而极大的阻碍了水分子的运动，使水性液体表观粘度的显著增加，为常规技术，具体实施不赘述。
53.以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发
明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。