本发明属于水利工程堤防溃决堵复相关，涉及一种用于堵口的模块化快速封堵构件、投放设备及应用方法。
背景技术：
1、水利工程建设中的堤防工程是我国国民经济发展的重要保障，一旦堤防溃决将严重威胁人民群众的生命财产安全。因此实现溃口快速封堵具有重要意义。在短时间内完成堤防溃口封堵对封堵材料提出了较高的要求。传统的封堵材料以木材、块石、袋装卵石等直接抛投封堵为主，直接抛投封堵材料的方法在堤防溃口流速小、水深低的条件下具有施工速度快等优点。但大流速条件下的溃口封堵材料的重量和体积有较高的要求，从而增加了封装及抛投的难度，会延缓封堵溃口时间。鉴于此，针对不同溃口条件，基于就地取材的封堵材料，开发封装材料的堵口构件，提高封装及抛投效率，是实现快速封堵溃口的有效解决方法。现有技术文献中对于土料、块石的封装方式多为规则柱体，该结构由于其较大的受水面积和易于滚动的特点，落水后的抗冲稳定性较差，因此亟需提出一种拥有更优水力特性的新型封装方式来解决上述问题。
2、另一方面，现有物料投放技术通常使用装载机、挖掘机、自卸车等通用工程器械，在需要高效率完成溃口堵复的抢险现场缺乏专门设备实现高效率且大量投送堵口构件的方式，因此需要基于堵口作业实际，提出一种便于施工、卸料快速，泛用性强的投放设备。
技术实现思路
1、针对现有堵口技术所采取的堵口构件普遍具有运输不便、内填材料适应性差、落水过程中抗横向漂移能力差、沉底后抗冲稳定性不足的问题，同时在施工现场要求较强的作业技术和具有较高的投放难度，本发明提供一种用于堵口的模块化快速封堵构件、投放设备及应用方法。
2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
3、一种用于堤防溃口堵复的模块化快速封堵构件，所述的模块化快速封堵构件1包括铁皮预制件上半球2、铁皮预制件下半球3、整体限位装置4、固管装置5、抗冲钢管6。所述的铁皮预制件上半球2、铁皮预制件下半球3为对称结构，通过整体限位装置4合拢后为空心球体结构。所述的固管装置5有多个，均焊接在铁皮预制件表面，利用固管装置5和铁皮预制件固定的抗冲钢管6。
4、所述的模块化快速封堵构件在运抵施工现场后装填块石或小型土工编织袋，利用固管装置5在铁皮预制件上半球2、铁皮预制件下半球3上分别固定一根和三根抗冲钢管6；并利用销钉41、螺母42将上、下两组铁皮预制件合拢固定，最终形成一个兼顾运输便利性、施工组装快速和良好透水性的封堵构件。
5、所述的铁皮预制件上半球2为倒半球台状，顶部为平面安装一组固管装置5，沿底部外缘整体均匀浇筑若干个整体限位销钉孔座20，每个孔座20上设有一个整体限位销钉孔21。沿半球体表面从上至下(顶部平坦处到开口位置)分布三组透水孔阵列，即分别整体浇筑第一透水孔阵列24、第二透水孔阵列25、第三透水孔阵列26，每个阵列均由沿着半球同一高度的表面圆分布的若干个透水孔27组成。
6、所述的铁皮预制件下半球3为倒半球台状，下半球底部为平面，且在顶部外缘浇筑若干个整体限位销钉孔座20，每个孔座20上设有一个整体限位销钉孔21。沿半球体表面从下至上(底部平坦处到开口位置)分布三组透水孔阵列，即分别整体浇筑第一透水孔阵列24、第二透水孔阵列25、第三透水孔阵列26，每个阵列由沿着半球同一高度的表面圆分布的若干个透水孔27组成。在第二透水孔阵列25和第三透水孔阵列26之间沿球体外表面均匀浇筑三个固管装置5。
7、进一步的，通过吊钩缆23穿过第一透水孔阵列24和第二透水孔阵列25的相邻透水孔27，将重型吊钩22固定在铁皮预制件上半球3上。
8、进一步的，所述的整体限位装置4包括销钉41、螺母42，合拢时，销钉41穿过上下半球边沿的整体限位销钉孔座20，拧紧螺母42完成整体结构锁定。
9、进一步的，每一组固管装置5由一个钢管限位孔51和两个固管销钉孔座52组成。抗冲钢管6穿过钢管限位孔51后，将销钉41分别穿过固管销钉孔座52和抗冲钢管6上的通孔61，拧紧螺母42完成抗冲钢管6锁定。
10、进一步的，所述抗冲钢管上沿钢管轴向方向设有多个通孔61。所述的抗冲钢管6是由普通钢管再加工得到，利用钢管开口机或激光切割机沿钢管轴向方向等间距打下若干组通孔，通孔直径和所述的固管销钉孔直径保持一致，为10～20mm。
11、进一步的，所述的半球台状铁皮预制件采用铁水和高温耐热钢模具整体浇筑成型，能够有效保证生产效率和整体强度，一组预制件分为上、下两个半球，即铁皮预制件上半球2、铁皮预制件下半球3。
12、进一步地，铁皮预制件上半球2、铁皮预制件下半球3的半径r、透水孔27的数量和直径根据所面向的溃口规模和堵口材料，在制作模具时确定。具体如下：
13、对于溃口口门水深小于6m、流速小于2m/s的中小型溃口或大尺寸石料难以取得时，所述的透水孔直径内装1.6×0.6×0.4m尺寸的土工编织袋且避免物料损耗，应小于0.3m；对于溃口口门水深大于6m、口门水流流速2～5m/s的大型溃口或便于获得大尺寸石料时，所述的透水孔直径为0.4～0.8m。所述的铁皮预制件半径r、从上到下第一透水孔阵列、第二透水孔阵列、第三透水孔阵列，共三组透水孔阵列各自的透水孔27数量分别为n1、n2、n3、透水孔27直径d所满足的控制方程为：
14、
15、进一步地，所形成的封堵构件整体外观呈球形，充分利用球体在湍流中的绕流效应，有效加大构件在急流中的抗横向漂移能力，提高构件的封堵效果，有效减少物料损耗。
16、进一步的，所述的钢管限位孔51的直径和固管销钉孔52的直径根据所采用的抗冲钢管6的尺寸决定。一般地，采用最容易获得的48mm直径钢管作为抗冲钢管6的原材料，考虑活动余量，所述的钢管限位孔51直径不小于52mm，所述的固管销钉孔52直径为10～20mm。
17、进一步地，在所述的铁皮预制件上半球底沿外侧，整体浇筑成型一组整体限位销钉孔座阵列，由若干个整体限位销钉孔座沿表面圆均匀分布组成。为降低材料储备的差异化需求，所述的整体限位销钉孔直径和所述的固管销钉孔保持一致。一般地，所述的整体限位销钉孔直径不小于52mm。
18、进一步的，从上至下，在铁皮预制件上半球2外表面的第一透水孔阵列24和第二透水孔阵列25之间，使用吊钩缆23穿过透水孔27固定一个重型吊钩22，便于吊装作业。从下至上，在铁皮预制件下半球3外表面的第一透水孔阵列24和第二透水孔阵列25之间，整体浇筑成型三组固管装置5，沿同一高度表面圆均匀分布。
19、进一步的，在铁皮预制件下半球3顶沿外侧，整体浇筑成型一组整体限位销钉孔座阵列，由若干个整体限位销钉孔座沿表面圆均匀分布组成，其数量和所述的铁皮预制件上半球对应的整体限位销钉孔座数量相同。
20、一种用于堤防溃口堵复的模块化快速封堵构件的现场组装方法为：发生溃口后，立即调运贮存的封堵模块化组件和内填材料，包括铁皮预制件上下半球、抗冲钢管、销钉、螺母和用于装填的土工包或大尺寸块石，在现场进行装填、固管、合拢作业，快速组装成型模块化封堵构件。具体地，上述方法拆分为以下两步：
21、调运材料：从备防点协调预备好的封堵模块化组件，包括铁皮预制件上下半球、抗冲钢管、销钉、螺母和土工编织袋，土工编织袋材料为棉纶、涤纶、腈纶等合成纤维；从石料厂或土料厂调运内填材料。为保证抗冲能力，石料应采用青石、红石、石灰石、麻石等大块径的毛石或已经开采的条料石；土料采用砾质土、马牙沙、板沙、黑胶土等浸水不易溶解，坚硬耐冲刷的沙土或就地取材采用河道附近易获得的淤土、粘土、壤土、黄土等。其中板沙、马牙沙等硬质沙土应在湿润状态下挖装，淤土采用便于挖掘的风化淤、花淤、块淤，而避免使用挖运困难的嫩淤。
22、组装构件：首先将铁皮预制件下半球平放，三根抗冲钢管从球体内部分别通过钢管限位孔伸出，之后将销钉穿过固管销钉孔和抗冲钢管上的通孔并使用螺母固定，随后利用装载机或挖掘机向铁皮预制件下半球内装填土工包或石料；待内填材料达到构件80％以上容积时，吊装铁皮预制件上半球，将销钉穿过上下半球的整体限位销钉孔，完成构件合拢；将最后一根抗冲钢管从球体外侧穿过铁皮预制件上半球顶面的钢管限位孔，利用销钉使其和固管装置固定，形成一个整体为球体，内填材料并外附四根抗冲钢管的封堵构件。
23、一种用于堤防溃口堵复的模块化快速封堵构件的投放设备，具体是一种车载式物料滑投架，包括：运载车7、滑轨平台8和滑投支架9。具体如下：
24、所述的运载车7前后车轮旁设有伸缩支腿71，用于作业时保持车辆稳定；车头后方设置一根电液推动液压杆72作为滑轨平台8抬升的动力，车身中部设置一根机械结构斜撑杆73用于分担荷载。
25、所述的滑轨平台8包括底板81、后铰链支座87、导轨82、滑座83、电机84、螺纹丝杆85和拦阻阀86。通过液压杆72、斜撑杆73和后铰链支座87与运载车7进行安装。两根工字形导轨82固定在底板81左右两侧，滑座83由滑块和搭板构成，通过滑块咬合在导轨82上；电机84固定在底板81尾部，通过机械传动机构带动螺纹丝杆85转动，同时为拦阻阀86升降提供动力；拦阻阀86的作用是暂时拦阻封堵构件，使得吊装上滑投支架9的多个封堵构件能够通过钢丝绳栓连后整体入水。
26、所述的滑投支架9由两组钢桁架组成，第一滑投支架91通过曲柄92和滑轨平台8上的滑座83连接，第二滑投支架93固定在滑座83上。在滑轨平台8抬升后，通过滑轨平台8上螺纹丝杆85和曲柄的转动，带动滑投支架9组装成为完整的封堵构件滑投设备。
27、进一步地，该投放设备工作时，运载车7支腿气缸加压，抬升车体离开地面，避免作业过程中运载车因受力不平衡导致侧翻或滑移。
28、进一步地，所述的液压杆72为独立电箱供电的电液推杆，加压后液压杆72抬升滑轨平台8绕后铰链支座转动抬升至最高点，之后压力自锁，使液缸内处于保压状态，避免液压电机因负荷过大而烧毁。
29、一种用于堤防溃口堵复的模块化快速封堵构件的投放设备的使用方法，包括以下步骤：
30、首先，溃决险情发生后，由抢险人员完成断堤头裹护和应急抢险通道抢修，同时立刻调运备防点储存的封堵模块化组件及堵口材料，在抢险现场进行封堵构件组装。投放设备运载车7经抢险通道开至溃口口门断堤头处，初始状态液压杆72未加压，滑轨平台8和运载车7底盘保持水平，第一滑投支架91、第二滑投支架93和对应的滑座83位于滑轨平台8中部，第一滑投支架91的和导轨82纵向轴线位于同一竖直面，滑投支架9前端距离运载车7的车头有一定距离，后端不超过运载车7的车身范围。
31、其次，选定运载车作业点后，运载车7四周的伸缩支腿71加压，使得车轮抬离地面，防止作业过程中因受力导致车身侧翻或滑移。随后液压杆72供电加压，滑轨平台8前端和液压杆铰接，绕后铰链支座87转动，同时有位于滑轨平台8底部中间未知的斜撑杆73分担荷载。待滑轨平台8抬升至最高点后，液压杆72压力自锁，保持稳定。
32、第三，滑轨平台8抬升稳定后，底部电机84发动，带动螺纹丝杆85转动，通过内螺纹孔旋紧在螺纹丝杆85上的滑座83及第一滑投支架向91向车头方向移动，到达最大距离后，曲柄92向内转动带动第一滑投支架91，使其与第二滑投支架92收尾并齐，组成完整的滑投支架9，同时电机84带动拦阻阀86向上移动，完成滑投支架的组装。
33、第四，通过现场起重机械，如吊车、挖掘机等将组装完成的模块化快速封堵构件1从下至上依次放置在滑投支架9上，抗冲钢管6与滑投支架接触，作为模块化快速封堵构件1的着力点。放置完成后，使用带锁扣95的钢丝绳94依次穿过模块化快速封堵构件1顶部抗冲钢管6上的通孔61，锁紧锁扣95，栓连成为封堵构件整体。
34、最后，发动电机84，降下拦阻阀86，封堵构件整体从滑投支架9上滑落入水，触底后抗冲钢管6刺入河床淤沙，形成具有一定抗冲稳定性的阻水体。
35、本发明的有益效果如下：
36、本发明通过提出一种模块化快速封堵构件及其投放设备，快速抛投多个封堵构件组合入水在水下形成具有一定抗冲稳定性的阻水体。其中封堵构件内填材料实现就地取材，材料供应足、施工效率高，物料损耗小，有效减少了溃决抢险时间，降低了灾害损失。
1.一种用于堵口的模块化快速封堵构件，其特征在于，所述的模块化快速封堵构件(1)包括铁皮预制件上半球(2)、铁皮预制件下半球(3)、整体限位装置(4)、固管装置(5)、抗冲钢管(6)；所述的铁皮预制件上半球(2)、铁皮预制件下半球(3)为对称结构，二者通过整体限位装置(4)合拢后为空心球体结构；所述的固管装置(5)有多个，均焊接在铁皮预制件表面，利用固管装置(5)和铁皮预制件固定的抗冲钢管(6)。
2.根据权利要求1所述的一种用于堵口的模块化快速封堵构件，其特征在于：
3.根据权利要求2所述的一种用于堵口的模块化快速封堵构件，其特征在于：
4.根据权利要求1所述的一种用于堵口的模块化快速封堵构件，其特征在于：所述的铁皮预制件上半球(2)、铁皮预制件下半球(3)的半径r、透水孔(27)的数量和直径根据所面向的溃口规模和堵口材料，在制作模具时确定；具体如下：
5.一种权利要求1-4任一所述的用于堤防溃口堵复的模块化快速封堵构件的组装方法，其特征在于，发生溃口后，立即调运贮存的封堵模块化组件和内填材料，包括铁皮预制件上下半球、抗冲钢管、销钉、螺母和用于装填的土工包或大尺寸块石，在现场进行装填、固管、合拢作业，快速组装成型模块化封堵构件。
6.一种权利要求1-4任一所述的用于堤防溃口堵复的模块化快速封堵构件的投放设备，其特征在于，所述的投放设备为车载式物料滑投架，包括：运载车(7)、滑轨平台(8)和滑投支架(9)；具体如下：
7.根据权利要求6所述的一种用于堤防溃口堵复的模块化快速封堵构件的投放设备，其特征在于，所述的液压杆(72)为独立电箱供电的电液推杆，加压后液压杆(72)抬升滑轨平台(8)绕后铰链支座转动抬升至最高点，之后压力自锁，使液缸内处于保压状态，避免液压电机因负荷过大而烧毁。
8.一种权利要求6或7所述的用于堤防溃口堵复的模块化快速封堵构件的投放设备的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
