淺談鋁土礦山截排水溝工程設(shè)計(jì)

劉 瑾 陳 立

（貴州水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550000）

0 引言

為了深入貫徹落實(shí)“二十大”提出的綠色發(fā)展，促進(jìn)人與自然和諧共生的理念，對于礦山開采所引起的礦山地質(zhì)環(huán)境問題，要及時(shí)采取有效的措施予以解決。堅(jiān)持以礦區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)安全為中心，保護(hù)生態(tài)環(huán)境為關(guān)鍵任務(wù)，減少采礦過程中形成的污染，恢復(fù)采礦區(qū)原有的生態(tài)機(jī)制，使礦山開采行為經(jīng)濟(jì)與社會效益最大化，為“復(fù)綠區(qū)”日后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造良好的基礎(chǔ)條件。為了造福受礦山地質(zhì)環(huán)境影響多年的當(dāng)?shù)卮迕瘢€應(yīng)積極探索礦山環(huán)境治理措施[1]。

其中，截排水溝作為礦山地質(zhì)環(huán)境治理的重要措施，建成后能夠有效防止水土流失，對礦山邊坡的穩(wěn)定性至關(guān)重要。在布置截排水溝之前應(yīng)該計(jì)算溝渠截面尺寸，尺寸過大將會影響工程造價(jià)，過小會導(dǎo)致排水效果不佳。本文結(jié)合鋁土礦山項(xiàng)目，對其截排水溝工程的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

1 項(xiàng)目概況

清鎮(zhèn)某鋁土礦位于貴州省貴陽市清鎮(zhèn)市，南面接馬桑灣，北至野豬麻窩，東抵新廠、雞冠山一線，西到牛奶沖、羅漢山一帶，南北長約2.3km、東西寬約1.5km，黔貴高速從礦區(qū)南部1km 處通過。區(qū)內(nèi)主要為巖溶地貌，有峰叢、槽谷、丘陵、洼地等。由中低山，丘陵及山間溝谷組成，山脈走向受構(gòu)造及巖性控制，主要為南北向，其次為北北東向。整體地勢西高東低，山脈走向近南北，最高峰位于礦段南部，海撥1397m；最低處位于礦段西部的落水洞，海撥1268m；最大高差129m[2]。

礦區(qū)大地構(gòu)造位于揚(yáng)子陸塊-黔北隆起區(qū)（揚(yáng)子地塊）-遵義臺地區(qū)-織金穹盆構(gòu)造變形區(qū)東部。區(qū)域構(gòu)造比較簡單，以南北向褶皺為主，伴以北東向及南北向斷裂。壇罐窯礦段則處于龍頭山復(fù)背斜向北傾末端。同時(shí)，礦區(qū)氣候?qū)賮啛釒駶櫄夂颍昶骄鶜鉁丶s14.1℃，極端最低氣溫-8℃；七月均溫22℃，極端最高氣溫34.5℃。降水多集中于5～9月，占年降水量的87%，年均降雨量1135mm（1990-2019 年），日最大降雨量發(fā)生在2014年，達(dá)到了287.8mm，多年平均蒸發(fā)量869.1mm。

該工程截排水溝的截面尺寸應(yīng)當(dāng)根據(jù)施工環(huán)境、工程造價(jià)等因素進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)要為后期的建設(shè)提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐；設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要對施工過程中的保障措施有安排，還要對建設(shè)后排水效果的檢查與清理有所考慮。

2 截排水溝的應(yīng)用特點(diǎn)

2.1 截水溝的應(yīng)用特點(diǎn)

截水溝又稱天溝，通常是為攔截降雨時(shí)邊坡流向路基的水，因而一般在路塹坡頂以外布置截水溝，但具體位置應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況而定，以不影響邊坡穩(wěn)定性為基礎(chǔ)[3]。截水溝的截面尺寸應(yīng)滿足實(shí)際工程所需，不宜過大，也不宜過小。因此在截水溝施工前，應(yīng)對截水溝截面進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保實(shí)用性。

2.2 排水溝的應(yīng)用特點(diǎn)

排水溝通常布置在邊坡底部或者截水溝兩側(cè)，用來攔截坡面上截水溝未能攔截的徑流，同時(shí)將路面的積水匯集到溝內(nèi)，通過排水系統(tǒng)及時(shí)將其排出[4]（如圖1所示）。因此，邊坡排水溝的作用就是把多余的水引到路基以外的地方，防止對路基形成侵害。

圖1 排水溝橫截面圖

3 截排水溝的工程設(shè)計(jì)

3.1 截排水溝設(shè)計(jì)的原則

（1）排水溝應(yīng)根據(jù)實(shí)際環(huán)境，布置在各區(qū)域截水溝兩端或最低處，這樣易于排水，同時(shí)溝渠能最大限度截水；截水溝盡可能沿海拔相同的位置連接布置[5-6]；

（2）下滲的雨水可通過排水溝排出廢石場，對于廢石場外圍的坡面徑流可以利用截水溝攔截；

（3）截排水溝的截面設(shè)計(jì)不僅要做到經(jīng)濟(jì)合理，還要做到實(shí)用性強(qiáng)，既能夠保證水流正常排出，又能確保截排水溝結(jié)構(gòu)不會被破壞；

（4）截排水溝設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)以直線為主，盡可能減少與其它建筑物或構(gòu)筑物相遇，若遇到田地應(yīng)盡量避開。

3.2 截排水溝設(shè)計(jì)的說明

清鎮(zhèn)某鋁土礦山所處的位置降雨集中于5～9 月，在此期間存在高強(qiáng)度且頻發(fā)的暴雨，雨水進(jìn)入土層后會導(dǎo)致內(nèi)摩擦和內(nèi)聚力下降。故在排土場后緣、邊坡坡頂及坡腳設(shè)計(jì)截排水溝，將地表水匯集到蓄水池為礦區(qū)農(nóng)業(yè)提供灌溉保證。其中降雨強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。

3.3 截排水溝的參數(shù)計(jì)算

3.3.1 流量計(jì)算

根據(jù)降雨強(qiáng)度及截水溝匯水面積，利用中國科學(xué)院公路研究所提出的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，求得截水溝流量：

式中：Qb——設(shè)計(jì)流量，m3/s；

R——滲流系數(shù)，R=0.8；

Hn——設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度，81.4mm/h；

F——匯水面積，0.05km2。

將以上各參數(shù)取值帶入公式可得Qb=0.905m3/s。

3.3.2 水力計(jì)算

為了確保溝道內(nèi)排水順暢，且不會影響邊坡排水，應(yīng)在礦山邊坡、堆渣體附近設(shè)置截排水溝，避免長時(shí)間水流沖刷導(dǎo)致水土流失。排水溝斷面設(shè)計(jì)的水力計(jì)算按下式進(jìn)行。

式中：Q——排水溝流量，m3/s；

V——水流平均流速，m/s；

A——排水溝有效斷面面積，m2；

R——水力半徑，m，R=A/X；

X——濕周，m，X=b+2h(1+m2)0.5；

b——排水溝底寬，m；

h——選定流量的正常水深，m；

m——溝壁邊坡系數(shù)；

n——粗糙系數(shù)，m，取0.025；

i——溝底坡度。

本次清鎮(zhèn)某鋁土礦山的截排水溝設(shè)計(jì)形狀采用矩形截面，截排水溝采用M10砂漿抹面，M7.5砂漿砌片石明溝，在建成以后其最大允許流速為4m/s。為控制水流速度，陡坡地段的排水溝，在超過最大允許流速的渠道可采用跌水消能。

根據(jù)礦區(qū)內(nèi)已經(jīng)修筑的截、排水溝斷面尺寸為0.4m×0.4m，帶入求得Q=1.100m3/s，大于Qb=0.905m3/s，能滿足排水要求。

3.4 截排水溝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

截水溝斷面設(shè)計(jì)為寬0.40m，高0.40m，壁厚0.30m，截排水溝結(jié)構(gòu)形式采用M7.5 漿砌片石明溝，M10 水泥砂漿抹面（厚2cm），碎石墊層，水溝斷面為矩形斷面，溝道縱坡坡度為5%。溝斷面每隔10.0m 或地形明顯變化處設(shè)沉降縫，縫寬30～50mm，用瀝青充填封閉。截流溝過水能力1.100m3/s，大于各單元的頻率洪峰流量，能滿足各個(gè)治理區(qū)設(shè)計(jì)的需要，具體斷面尺寸見圖2所示。

圖2 截水溝橫截面圖

4 結(jié)束語

綜上所述，在設(shè)計(jì)截排水溝時(shí)應(yīng)遵循保護(hù)生態(tài)環(huán)境，構(gòu)建人與自然和諧共生的理念，根據(jù)規(guī)范并考慮工程周圍地形地貌和挖填方邊坡等進(jìn)行設(shè)計(jì)。在保證工程造價(jià)合理、施工技術(shù)可靠、操作性強(qiáng)的同時(shí)，也要確保截排水溝后期的正常運(yùn)行，有效防止水土流失。本文以某鋁土礦山為例，對截排水溝進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，介紹了截水溝和排水溝的應(yīng)用，重點(diǎn)分析了截排水溝的工程設(shè)計(jì)，可為后期類似礦山環(huán)境治理提供設(shè)計(jì)參考，有助于當(dāng)?shù)氐V山地質(zhì)環(huán)境修復(fù)與治理工作的高效實(shí)施。