矿区道路排水设施设计研究

梁旭之，郑世伦，刘 斌，王云进，肖 平

(贵州省遵义公路管理局，贵州 遵义 563000)

我国幅员辽阔，矿产资源较为丰富，对其科学、合理的开采，是国家经济发展中的重要举措。矿产资源的开采与应用，会带来较大的经济效益与社会效益，但与此同时，也会造成矿区地表的破坏，周围生态环境的污染，以及为周围人们的生产和生活带来不利影响。道路是矿区的必要组成部分之一，承担着运输、行走等任务。相较于常规环境来看，矿区具有一定的特殊性，其道路类型较多，例如等级公路、对外专属道路、露天矿道路、田间道路、观光道路、林间道路等[1]。随着采矿区域的扩展，矿区道路在不同时期也会发生相应的变化，以此来满足不同的道路需求。矿产资源开采过程中，矿坑可能出现涌水现象，再加之降雨影响，很容易导致矿区水位过高，淹没矿区机械与工作人员，从而威胁机械设备与工作人员的安全。为了避免上述情况的发生，设计有效的矿区道路排水设施，对矿产资源开采行业至关重要[2]。根据调查研究发现，大多数矿区离城市较远，具有海拔较高、边坡较大、气候条件较差、地质条件较为复杂等问题，为道路排水带来了一定的困难。就已有研究成果来看，现有矿区道路排水设施存在着合理性较低、排水功能较差等缺陷，已经无法满足现今矿产资源开采的需求，故对矿区道路排水设施进行设计，以此来提升道路排水功能，为矿区安全性保障提供助力。

1 矿区道路信息获取与分析

为了有效提升矿区道路排水功能，首要任务即获取并分析矿区道路信息，为后续排水设施的设计提供依据与支撑[3]。此研究基于InSAR技术获取矿区道路图像，示例如图1所示。

图1 矿区道路InSAR图像示例Fig.1 Example of InSAR image of mining area road

如图1所示，InSAR图像能够清晰地显示矿区道路大致位置与信息，但是由于设备自身振动、环境因素、电磁干扰的影响，获得的InSAR图像会存在一定的误差，导致矿区道路信息具有相位差，不利于后续排水设施的设计[4]。为了消除InSAR图像带来的误差，对InSAR图像进行一定的处理，获取准确矿区道路信息，InSAR图像处理程序如图2所示。通过图2所示程序即可获得精确的矿区道路信息，并能够获取到道路边坡高度相关信息，为后续排水设施设计提供信息依据[5]。

图2 InSAR图像处理程序示意Fig.2 Schematic diagram of InSAR image processing program

2 矿区道路地表和地下排水设施设计

2.1 矿区道路地表排水设施设计

依据上述获得的矿区道路相关信息，结合矿区道路实际情况，设计矿区道路地表排水设施，主要包括道路横坡、排水沟以及急流槽，道路横坡也被称为路拱，是地表排水设施的一种主要形式。当矿区道路地表水流量较大时，车辆经过后，地表水会向道路两侧流动[6]。常规情况下，道路横坡坡度越大，地表水排放越加顺畅，路面水毁性越小。矿区道路横坡坡度由路面类型决定，具体见表1。

表1 矿区道路横坡坡度设置Tab.1 Cross slope gradient setting of roads in mining area

根据研究结果显示，当矿区道路横坡坡度小于5°时，对过道车辆稳定性不会产生较大的影响，能够有效地保障车辆的运输安全[7]。排水沟是道路排水设施的关键环节，直接影响道路排水功能的发挥。排水沟设计主要包括断面、立面与排水口结构的设计[8]。其中，排水沟断面设计主要涉及内容为深度、控制点高程与底坡坡度[9]。一般情况下，排水沟起始深度需要大于0.2 m，其余断面处的深度需要根据水力计算结果进行具体的设置。控制点高程决定着排水沟的纵坡与挖深，在确定过程中，需要将水力条件、深度等多因素考虑在内，使排水沟满足流速限制要求。纵坡主要由矿山道路土质、地形、护砌等多种条件共同决定[10]。常规情况下，纵坡必须大于0.003°，才能满足道路排水需求。排水沟断面与立面如图3所示。

图3 排水沟断面与立面示意Fig.3 Example of section and elevation of drainage ditch

排水口主要设计在边沟断面内。但是，在其他特殊地点也应该设计排水口，具体如下所示：①矿山道路交叉口的最低点处；②凹形道路底部前后3 m处；③道路上坡坡度变化若超过10°，需要在坡度改变处设置排水口[11]。

依据矿山道路需求，设计排水口为开口式，即在排水沟渠上开口，使得边渠水流顺利流向排水沟内[12]。一般情况下，排水口功能如何主要由自身形状、水流性质等因素决定。排水口功能的好坏影响着水流转移的体量，进而影响这个排水设置的效率。若是排水口功能较差，容易导致矿山道路水流泛滥，不但对过往车辆造成不利的影响，也会侵害矿山道路本身。急流槽设计可以有效解决矿山道路水流泛滥问题，传统急流槽材料容易腐蚀损坏，已经无法满足现今矿山道路排水的需求，故此研究设计塑料管急流槽，该材料具有多种优质特征：①塑料管耐化学性能较好，几乎不会出现生锈的现象；②塑料管具有较好的阻燃性、自熄性，使用寿命较长；③塑料管内部较为光滑，能够提升水流排放速率。另外，此种材料质量较小，容易安装，方便运输；④塑料管稳定性较好、安全、无毒性，具有较好的环保性；⑤相较于其他材料来看，塑料管抗拉强度更高，伸缩性较好，方便材料形状的塑造。

塑料管急流槽如图4所示。

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

上述过程完成了矿区道路地表排水设施的设计，为道路地表水排放提供有效的设施支撑。

2.2 矿区道路地下排水设施设计

以上述矿区道路地表排水设施设计结果为依据，对地下排水设施进行对应的设计，主要涉及盲沟与反滤层。盲沟主要分为3种类型，分别为管式盲沟、填石盲沟与洞式盲沟。依据矿区道路排水需求，此研究设计盲沟为管式类型[13]。管式盲沟是在沟槽内填充颗粒材料，下部设置泄水管，加速水体的排出。泄水管采用加肋软式透水管，管径设置为15～20 cm。需要注意的是，管式盲沟应铺设在地下引水较长地段，盲沟长度应小于150 m，坡度应大于0.5%，水体流速应小于1.0 m/s。由于篇幅的限制，不对盲沟结构进行过多的展示。盲沟反滤层承担着汇聚地下水的任务，并有效阻止颗粒、土体等进入排水沟，保障排水设施的正常运作[14]。依据排水设计规范，将盲沟反滤层设置为2层，防止矿区废料、石子等进入排水设施，影响矿区道路排水功能。常规情况下，盲沟反滤层层数越多，施工难度也随之增加，施工投资金额也加大，故规定盲沟反滤层层数需小于3。另外，盲沟反滤层厚度也需要进行设置，保障反滤功能的发挥[15]。依据矿区颗粒半径大小，设置盲沟反滤层厚度大于0.15 m[16]。

通过上述过程完成了矿区道路地下水排水设施的设计，为道路地下水排放提供有效的设施支撑[17]。

2.3 地下排水最优渗沟设计方案确定

一般情况下，地表排水设施已经成熟，功能较好，无须对其进行选择[18]。而地下排水设施在铺设过程中，需根据矿山道路排水需求对最优渗沟设计方案进行确定，承担降低地下水位或者拦截地下水的任务。设置渗沟设计方案为3种，分别为单渗沟方案、双渗沟方案与三渗沟方案[19]。①单渗沟。在底部和中间要用大碎石填筑，还需按照一定比例分层，铺设较复杂，渗水效率一般，但投资较小。②双渗沟。适用于地下水引水较长、流量较大的地区，当管式渗沟长度100～300 m时，其末端宜设横向泄水管分段排除地下水，并且铺设方便，渗水效率高，投资较小。③三渗沟。适用于地下水流量较大的地段，对于水流量较小的地段并不适用，因为三渗沟方案铺设较复杂，投资较大。

综合比较，双渗沟方案为最佳方案。搭建矿区道路排水层次结构，如图5所示。

图5 矿区道路排水层次结构Fig.5 Road drainage hierarchy in mining area

对层次结构中的元素进行比较，确定每个元素的相对重要度，获得判断矩阵，见表2。

表2 判断矩阵Tab.2 Judgment matrix

通过一次性检验结果[20]对渗沟设计方案进行总排序，排序最靠前的渗沟设计方案即为最佳渗沟设计方案，即双渗沟设计方案，其获取的最佳渗沟设计方案与分析的方案一致，设计如图6所示。

图6 双渗沟设计Fig.6 Design sketch of double seepage ditch

通过上述过程完成了矿区道路排水设施的设计，为矿区道路排水提供有效的设施支撑，也为矿区道路、工作人员的安全提供更有力的保障。

3 应用效果分析

3.1 准备阶段

为了验证设计矿山道路排水设施的应用效果，选取某矿区道路作为实验对象，调研矿区道路径流系数，为后续实验的进行提供便利。矿区道路径流系数见表3。

表3 矿区道路径流系数Tab.3 Runoff coefficient of roads in mining area

以表3所示矿区道路径流系数为基础，对排水设施相关参数进行适当、科学的调整，为后续排水设施应用效果分析提供便利。

3.2 排水设施应用展示

将设计排水设施安装在实验对象——矿山道路上，部分安装过程如图7所示。排水设施安装成功后，采用人工方式对道路进行浇水，测试道理的排水功能。设置浇水量为4 495.0 mm，与夏季最大降雨量持平，持续时间为2 h。矿山道路排水效果如图8所示。如图8所示，应用设计排水设施后，矿山道路表面几乎无水流存在，排水沟水流顺畅，排水口处水流排出无阻碍，充分证实设计排水设施具有可行性。

图7 排水设施安装示例Fig.7 Example of drainage facilities installation

图8 矿山道路排水效果Fig.8 Effect drawing of mine road drainage

3.3 排水设施应用效果评价

为了清晰显示排水设施的应用效果，采用模糊评价理论，选取排水功能评价指标，设置排水功能评价等级，见表4。

表4 排水功能评价指标Tab.4 Drainage function evaluation index

应用设计排水设施进行测试，获得汇水面积为4 200 m2，径流系数为0.4，输水能力为15 000 m3，沟渠无淤积，道路冻结深度为0.3 m，沟渠无冲刷现象，坡面加固完好。由表4评价指标可知，设计排水设施排水功能评价等级为Ⅰ级，充分证实了设计排水设施应用效果较佳。

4 结语

传统的矿区道路排水设施在矿产资源开采时不能顺畅排出道路上水体，致使道路存在安全风险，设计了矿区道路排水设施。首先，通过InSAR技术获取矿区道路图像；然后，通过道路横坡、排水沟以及急流槽设计矿区道路地表排水设施，通过盲沟与反滤层设计矿区道路地下排水设施；最后，根据矿山道路排水需求对最优渗沟设计方案进行确定，从而完成矿区道路排水设施设计。通过实验，验证了设计排水设施的可行性与有效性，为矿区道路排水提供更有效的设施支撑，也为排水设施相关研究提供一定的理论参考。