◎长沙市中雅培粹学校 陈柯如 钟忻霓 长沙市长郡双语实验中学 唐才懿
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。
图1 某小区地下车库被淹
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。
表1 长沙市8个地下车库的情况和防淹措施
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。
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。
图2 体验沙袋制作
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。
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。
表2 三种材料袋性能的比较
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。
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“挡水墙”,观察、比较防渗漏效果。具体情况见表3。
表3 三种形状的水袋的情况比较
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。
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。
图3 我们制作第二代水袋
图4 第一代水袋(上)和第二代水袋(下)
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。
图5 第三代水袋
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。
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。
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。
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。
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。