礦區(qū)道路排水設(shè)施設(shè)計(jì)研究

梁旭之，鄭世倫，劉 斌，王云進(jìn)，肖 平

(貴州省遵義公路管理局，貴州 遵義 563000)

我國幅員遼闊，礦產(chǎn)資源較為豐富，對其科學(xué)、合理的開采，是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要舉措。礦產(chǎn)資源的開采與應(yīng)用，會(huì)帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，但與此同時(shí)，也會(huì)造成礦區(qū)地表的破壞，周圍生態(tài)環(huán)境的污染，以及為周圍人們的生產(chǎn)和生活帶來不利影響。道路是礦區(qū)的必要組成部分之一，承擔(dān)著運(yùn)輸、行走等任務(wù)。相較于常規(guī)環(huán)境來看，礦區(qū)具有一定的特殊性，其道路類型較多，例如等級(jí)公路、對外專屬道路、露天礦道路、田間道路、觀光道路、林間道路等[1]。隨著采礦區(qū)域的擴(kuò)展，礦區(qū)道路在不同時(shí)期也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，以此來滿足不同的道路需求。礦產(chǎn)資源開采過程中，礦坑可能出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，再加之降雨影響，很容易導(dǎo)致礦區(qū)水位過高，淹沒礦區(qū)機(jī)械與工作人員，從而威脅機(jī)械設(shè)備與工作人員的安全。為了避免上述情況的發(fā)生，設(shè)計(jì)有效的礦區(qū)道路排水設(shè)施，對礦產(chǎn)資源開采行業(yè)至關(guān)重要[2]。根據(jù)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)礦區(qū)離城市較遠(yuǎn)，具有海拔較高、邊坡較大、氣候條件較差、地質(zhì)條件較為復(fù)雜等問題，為道路排水帶來了一定的困難。就已有研究成果來看，現(xiàn)有礦區(qū)道路排水設(shè)施存在著合理性較低、排水功能較差等缺陷，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)今礦產(chǎn)資源開采的需求，故對礦區(qū)道路排水設(shè)施進(jìn)行設(shè)計(jì)，以此來提升道路排水功能，為礦區(qū)安全性保障提供助力。

1 礦區(qū)道路信息獲取與分析

為了有效提升礦區(qū)道路排水功能，首要任務(wù)即獲取并分析礦區(qū)道路信息，為后續(xù)排水設(shè)施的設(shè)計(jì)提供依據(jù)與支撐[3]。此研究基于InSAR技術(shù)獲取礦區(qū)道路圖像，示例如圖1所示。

圖1 礦區(qū)道路InSAR圖像示例Fig.1 Example of InSAR image of mining area road

如圖1所示，InSAR圖像能夠清晰地顯示礦區(qū)道路大致位置與信息，但是由于設(shè)備自身振動(dòng)、環(huán)境因素、電磁干擾的影響，獲得的InSAR圖像會(huì)存在一定的誤差，導(dǎo)致礦區(qū)道路信息具有相位差，不利于后續(xù)排水設(shè)施的設(shè)計(jì)[4]。為了消除InSAR圖像帶來的誤差，對InSAR圖像進(jìn)行一定的處理，獲取準(zhǔn)確礦區(qū)道路信息，InSAR圖像處理程序如圖2所示。通過圖2所示程序即可獲得精確的礦區(qū)道路信息，并能夠獲取到道路邊坡高度相關(guān)信息，為后續(xù)排水設(shè)施設(shè)計(jì)提供信息依據(jù)[5]。

圖2 InSAR圖像處理程序示意Fig.2 Schematic diagram of InSAR image processing program

2 礦區(qū)道路地表和地下排水設(shè)施設(shè)計(jì)

2.1 礦區(qū)道路地表排水設(shè)施設(shè)計(jì)

依據(jù)上述獲得的礦區(qū)道路相關(guān)信息，結(jié)合礦區(qū)道路實(shí)際情況，設(shè)計(jì)礦區(qū)道路地表排水設(shè)施，主要包括道路橫坡、排水溝以及急流槽，道路橫坡也被稱為路拱，是地表排水設(shè)施的一種主要形式。當(dāng)?shù)V區(qū)道路地表水流量較大時(shí)，車輛經(jīng)過后，地表水會(huì)向道路兩側(cè)流動(dòng)[6]。常規(guī)情況下，道路橫坡坡度越大，地表水排放越加順暢，路面水毀性越小。礦區(qū)道路橫坡坡度由路面類型決定，具體見表1。

表1 礦區(qū)道路橫坡坡度設(shè)置Tab.1 Cross slope gradient setting of roads in mining area

根據(jù)研究結(jié)果顯示，當(dāng)?shù)V區(qū)道路橫坡坡度小于5°時(shí)，對過道車輛穩(wěn)定性不會(huì)產(chǎn)生較大的影響，能夠有效地保障車輛的運(yùn)輸安全[7]。排水溝是道路排水設(shè)施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響道路排水功能的發(fā)揮。排水溝設(shè)計(jì)主要包括斷面、立面與排水口結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[8]。其中，排水溝斷面設(shè)計(jì)主要涉及內(nèi)容為深度、控制點(diǎn)高程與底坡坡度[9]。一般情況下，排水溝起始深度需要大于0.2 m，其余斷面處的深度需要根據(jù)水力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行具體的設(shè)置?？刂泣c(diǎn)高程決定著排水溝的縱坡與挖深，在確定過程中，需要將水力條件、深度等多因素考慮在內(nèi)，使排水溝滿足流速限制要求?？v坡主要由礦山道路土質(zhì)、地形、護(hù)砌等多種條件共同決定[10]。常規(guī)情況下，縱坡必須大于0.003°，才能滿足道路排水需求。排水溝斷面與立面如圖3所示。

圖3 排水溝斷面與立面示意Fig.3 Example of section and elevation of drainage ditch

排水口主要設(shè)計(jì)在邊溝斷面內(nèi)。但是，在其他特殊地點(diǎn)也應(yīng)該設(shè)計(jì)排水口，具體如下所示：①礦山道路交叉口的最低點(diǎn)處；②凹形道路底部前后3 m處；③道路上坡坡度變化若超過10°，需要在坡度改變處設(shè)置排水口[11]。

依據(jù)礦山道路需求，設(shè)計(jì)排水口為開口式，即在排水溝渠上開口，使得邊渠水流順利流向排水溝內(nèi)[12]。一般情況下，排水口功能如何主要由自身形狀、水流性質(zhì)等因素決定。排水口功能的好壞影響著水流轉(zhuǎn)移的體量，進(jìn)而影響這個(gè)排水設(shè)置的效率。若是排水口功能較差，容易導(dǎo)致礦山道路水流泛濫，不但對過往車輛造成不利的影響，也會(huì)侵害礦山道路本身。急流槽設(shè)計(jì)可以有效解決礦山道路水流泛濫問題，傳統(tǒng)急流槽材料容易腐蝕損壞，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)今礦山道路排水的需求，故此研究設(shè)計(jì)塑料管急流槽，該材料具有多種優(yōu)質(zhì)特征：①塑料管耐化學(xué)性能較好，幾乎不會(huì)出現(xiàn)生銹的現(xiàn)象；②塑料管具有較好的阻燃性、自熄性，使用壽命較長；③塑料管內(nèi)部較為光滑，能夠提升水流排放速率。另外，此種材料質(zhì)量較小，容易安裝，方便運(yùn)輸；④塑料管穩(wěn)定性較好、安全、無毒性，具有較好的環(huán)保性；⑤相較于其他材料來看，塑料管抗拉強(qiáng)度更高，伸縮性較好，方便材料形狀的塑造。

塑料管急流槽如圖4所示。

圖4 塑料管急流槽示例Fig.4 Example of plastic pipe chute

上述過程完成了礦區(qū)道路地表排水設(shè)施的設(shè)計(jì)，為道路地表水排放提供有效的設(shè)施支撐。

2.2 礦區(qū)道路地下排水設(shè)施設(shè)計(jì)

以上述礦區(qū)道路地表排水設(shè)施設(shè)計(jì)結(jié)果為依據(jù)，對地下排水設(shè)施進(jìn)行對應(yīng)的設(shè)計(jì)，主要涉及盲溝與反濾層。盲溝主要分為3種類型，分別為管式盲溝、填石盲溝與洞式盲溝。依據(jù)礦區(qū)道路排水需求，此研究設(shè)計(jì)盲溝為管式類型[13]。管式盲溝是在溝槽內(nèi)填充顆粒材料，下部設(shè)置泄水管，加速水體的排出。泄水管采用加肋軟式透水管，管徑設(shè)置為15～20 cm。需要注意的是，管式盲溝應(yīng)鋪設(shè)在地下引水較長地段，盲溝長度應(yīng)小于150 m，坡度應(yīng)大于0.5%，水體流速應(yīng)小于1.0 m/s。由于篇幅的限制，不對盲溝結(jié)構(gòu)進(jìn)行過多的展示。盲溝反濾層承擔(dān)著匯聚地下水的任務(wù)，并有效阻止顆粒、土體等進(jìn)入排水溝，保障排水設(shè)施的正常運(yùn)作[14]。依據(jù)排水設(shè)計(jì)規(guī)范，將盲溝反濾層設(shè)置為2層，防止礦區(qū)廢料、石子等進(jìn)入排水設(shè)施，影響礦區(qū)道路排水功能。常規(guī)情況下，盲溝反濾層層數(shù)越多，施工難度也隨之增加，施工投資金額也加大，故規(guī)定盲溝反濾層層數(shù)需小于3。另外，盲溝反濾層厚度也需要進(jìn)行設(shè)置，保障反濾功能的發(fā)揮[15]。依據(jù)礦區(qū)顆粒半徑大小，設(shè)置盲溝反濾層厚度大于0.15 m[16]。

通過上述過程完成了礦區(qū)道路地下水排水設(shè)施的設(shè)計(jì)，為道路地下水排放提供有效的設(shè)施支撐[17]。

2.3 地下排水最優(yōu)滲溝設(shè)計(jì)方案確定

一般情況下，地表排水設(shè)施已經(jīng)成熟，功能較好，無須對其進(jìn)行選擇[18]。而地下排水設(shè)施在鋪設(shè)過程中，需根據(jù)礦山道路排水需求對最優(yōu)滲溝設(shè)計(jì)方案進(jìn)行確定，承擔(dān)降低地下水位或者攔截地下水的任務(wù)。設(shè)置滲溝設(shè)計(jì)方案為3種，分別為單滲溝方案、雙滲溝方案與三滲溝方案[19]。①單滲溝。在底部和中間要用大碎石填筑，還需按照一定比例分層，鋪設(shè)較復(fù)雜，滲水效率一般，但投資較小。②雙滲溝。適用于地下水引水較長、流量較大的地區(qū)，當(dāng)管式滲溝長度100～300 m時(shí)，其末端宜設(shè)橫向泄水管分段排除地下水，并且鋪設(shè)方便，滲水效率高，投資較小。③三滲溝。適用于地下水流量較大的地段，對于水流量較小的地段并不適用，因?yàn)槿凉B溝方案鋪設(shè)較復(fù)雜，投資較大。

綜合比較，雙滲溝方案為最佳方案。搭建礦區(qū)道路排水層次結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 礦區(qū)道路排水層次結(jié)構(gòu)Fig.5 Road drainage hierarchy in mining area

對層次結(jié)構(gòu)中的元素進(jìn)行比較，確定每個(gè)元素的相對重要度，獲得判斷矩陣，見表2。

表2 判斷矩陣Tab.2 Judgment matrix

通過一次性檢驗(yàn)結(jié)果[20]對滲溝設(shè)計(jì)方案進(jìn)行總排序，排序最靠前的滲溝設(shè)計(jì)方案即為最佳滲溝設(shè)計(jì)方案，即雙滲溝設(shè)計(jì)方案，其獲取的最佳滲溝設(shè)計(jì)方案與分析的方案一致，設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 雙滲溝設(shè)計(jì)Fig.6 Design sketch of double seepage ditch

通過上述過程完成了礦區(qū)道路排水設(shè)施的設(shè)計(jì)，為礦區(qū)道路排水提供有效的設(shè)施支撐，也為礦區(qū)道路、工作人員的安全提供更有力的保障。

3 應(yīng)用效果分析

3.1 準(zhǔn)備階段

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)礦山道路排水設(shè)施的應(yīng)用效果，選取某礦區(qū)道路作為實(shí)驗(yàn)對象，調(diào)研礦區(qū)道路徑流系數(shù)，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行提供便利。礦區(qū)道路徑流系數(shù)見表3。

表3 礦區(qū)道路徑流系數(shù)Tab.3 Runoff coefficient of roads in mining area

以表3所示礦區(qū)道路徑流系數(shù)為基礎(chǔ)，對排水設(shè)施相關(guān)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)、科學(xué)的調(diào)整，為后續(xù)排水設(shè)施應(yīng)用效果分析提供便利。

3.2 排水設(shè)施應(yīng)用展示

將設(shè)計(jì)排水設(shè)施安裝在實(shí)驗(yàn)對象——礦山道路上，部分安裝過程如圖7所示。排水設(shè)施安裝成功后，采用人工方式對道路進(jìn)行澆水，測試道理的排水功能。設(shè)置澆水量為4 495.0 mm，與夏季最大降雨量持平，持續(xù)時(shí)間為2 h。礦山道路排水效果如圖8所示。如圖8所示，應(yīng)用設(shè)計(jì)排水設(shè)施后，礦山道路表面幾乎無水流存在，排水溝水流順暢，排水口處水流排出無阻礙，充分證實(shí)設(shè)計(jì)排水設(shè)施具有可行性。

圖7 排水設(shè)施安裝示例Fig.7 Example of drainage facilities installation

圖8 礦山道路排水效果Fig.8 Effect drawing of mine road drainage

3.3 排水設(shè)施應(yīng)用效果評價(jià)

為了清晰顯示排水設(shè)施的應(yīng)用效果，采用模糊評價(jià)理論，選取排水功能評價(jià)指標(biāo)，設(shè)置排水功能評價(jià)等級(jí)，見表4。

表4 排水功能評價(jià)指標(biāo)Tab.4 Drainage function evaluation index

應(yīng)用設(shè)計(jì)排水設(shè)施進(jìn)行測試，獲得匯水面積為4 200 m2，徑流系數(shù)為0.4，輸水能力為15 000 m3，溝渠無淤積，道路凍結(jié)深度為0.3 m，溝渠無沖刷現(xiàn)象，坡面加固完好。由表4評價(jià)指標(biāo)可知，設(shè)計(jì)排水設(shè)施排水功能評價(jià)等級(jí)為Ⅰ級(jí)，充分證實(shí)了設(shè)計(jì)排水設(shè)施應(yīng)用效果較佳。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)的礦區(qū)道路排水設(shè)施在礦產(chǎn)資源開采時(shí)不能順暢排出道路上水體，致使道路存在安全風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)了礦區(qū)道路排水設(shè)施。首先，通過InSAR技術(shù)獲取礦區(qū)道路圖像；然后，通過道路橫坡、排水溝以及急流槽設(shè)計(jì)礦區(qū)道路地表排水設(shè)施，通過盲溝與反濾層設(shè)計(jì)礦區(qū)道路地下排水設(shè)施；最后，根據(jù)礦山道路排水需求對最優(yōu)滲溝設(shè)計(jì)方案進(jìn)行確定，從而完成礦區(qū)道路排水設(shè)施設(shè)計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)排水設(shè)施的可行性與有效性，為礦區(qū)道路排水提供更有效的設(shè)施支撐，也為排水設(shè)施相關(guān)研究提供一定的理論參考。