古冶采煤塌陷區綜合治理方案

趙恩輝

摘 要：在古冶區在開灤范各莊礦東北側有一采煤塌陷坑，為減少采煤塌陷坑的危害，解決古冶區水資源緊張的現狀，擬對此塌陷區進行綜合治理，將規劃范圍內水面連通，建立南范平原水庫，集蓄沙河雨洪水和河道徑流資源，為古冶區工業企業關停自備井提供替代水源。

關鍵詞：采煤塌陷區；水庫建設；防滲；關停自備井

中圖分類號：TD82 文獻標識碼：A

1.概況

古冶區隸屬于河北省唐山市，是唐山市煤炭的主要產區，區內煤礦較多，有開灤集團所屬的趙各莊礦、廣信公司、林西礦、范各莊礦、呂家坨礦五大煤礦及其他小型煤礦；同時又是唐山市三大地下水嚴重超采區之一，屬嚴重缺水地區。古冶區無外調水源，地表水資源開發利用程度很低，全區基本沒有地表水資源供水工程，地下水是古冶區工業及生活用水的主要水源。

由于古冶區地下水長期處于嚴重超采狀態，由此引發了諸多如地面沉降、地面裂縫、水環境污染等環境地質災害及生態環境破壞問題，水資源問題已成為制約古冶區經濟社會發展的重要瓶頸。古冶區針對區內水資源先天不足及地下水長期嚴重超采的嚴峻形勢，制定了自備井關停整治方案，并確定了企業關閉自備井后的生產替代水源：煤礦礦井水、污水處理廠中水、沙河及石榴河河道徑流等。

在開灤范各莊礦東北側有一采煤塌陷坑，即范礦北大坑，目前主要存蓄范各莊礦的礦井疏干水。通過實地勘察，該采煤塌陷坑緊鄰沙河左岸，塌陷區由東西兩側3個大坑及周圍魚池組成，現狀水面面積1250畝。塌陷區形成于1966年5月，沙河東南5、7、8、9、12煤層，除正處于沙河之上的2298高水位異常區未采外，其余區域均已回采完畢，回采時間為1965年～1983年，各采空區為自然垮落。

2.綜合治理方案

采煤塌陷區不僅造成了當地建設及農業用地的緊張，突出了人地矛盾，還可能引發相應的生態問題，如環境污染、水土流失、土壤鹽堿化等，嚴重制約著當地經濟、社會及環境的可持續發展。

2.1 治理方案

為緩解水資源短缺的現狀，擬對此塌陷區進行綜合治理，將規劃范圍內水面連通，建立南范平原水庫，可集蓄沙河雨洪水和河道徑流資源；并設置凈水廠、液壓壩、引水及退水涵洞等附屬設施。水庫建成后水面面積可達1900多畝，通過對其進行蓄水改造，大大提高了土地資源利用率，緩解了環境壓力，并可為古冶區工業企業關停自備井提供替代水源。

2.2 必要性和可行性

①南范水庫建設是貫徹落實當前古冶區自備井關停整治方案，解決古冶區工業用水替代水源、緩解水資源短缺的一種有效途徑；是全面提高古冶區水資源和水環境的承載能力，完善水資源保障體系保證供水安全的迫切需要。

②沙河流域至今尚沒有大規模的水資源開發利用工程，由于河道徑流豐枯差異懸殊，直接從河道取水利用比較困難。而南范平原水庫庫址區位于采煤塌陷坑，且緊鄰沙河，具有改造為平原水庫得天獨厚的優越條件；水庫建設范圍內已有國土資源行政主管部門的用地批復文件，不涉及征占地條件約束及拆遷補償問題；工程量和投資相對較小。水庫選址合理，建庫條件優越。

③南范水庫建成后，通過充分攔蓄沙河雨洪水和河道徑流資源，蓄豐補枯，同時范各莊礦增產后富余水量仍引入到南范水庫，一般年份供水能力可達700萬m3。水庫蓄水可作為榮義煉焦和南部工業區部分企業的生產替代水源，及國義特鋼的補充水源。

④南范水庫系向相關工業企業直接供水，其供水效益將會十分顯著，而且還能產生明顯的社會效益和環境效益。

因此，南范水庫工程建設是非常必要的，也是可行的。

2.3 建設內容

南范平原水庫庫址區位于開灤范各莊礦東北側采煤塌陷坑即范礦北大坑，目前主要存蓄范各莊礦的礦井疏干水，水庫建成后水面面積可達1900多畝。南范平原水庫建設內容主要包括：

根據塌陷區地形、開灤已征地范圍線等條件，在塌陷坑原址四周布置水庫大堤，并使水庫大堤外坡肩盡量靠近開灤已征地范圍線；大堤為碾壓式均質土壩，采用庫區土料筑壩；大堤堤頂為瀝青路面，兩側設綠化帶；在背水坡坡腳外2m處設置6m寬漿砌石排水溝，防止水庫蓄水后引起周圍地下水位升高等一系列生態問題。

在庫址區進行擴挖，至設計庫底高程，并對庫底及迎水坡進行防滲處理。

在沙河范各莊公路橋上游側約800m處修建一座液壓壩，以雍高水位，增加庫容；在沙河凹岸設置入庫涵洞，引沙河水入庫，并設置進水閘以調節水量；為防止平原水庫大堤失事對周圍城鎮、居民點及工礦企業造成巨大損失，在水庫西北側設置泄水涵洞，并設置退水閘。

考慮受水對象的位置，在水庫大堤西側合適位置設置凈水廠，為企業供水提供便利，保證企業用水水質要求。

2.4 水庫設計

（1）水庫大堤

水庫大堤填筑土料采取合理選擇土料、就地取土、經濟合理、方便施工的原則。工程項目區土質表層大多為沙土，采用庫區土料筑壩，復合土工膜進行防滲處理。填筑指標以相對密度為設計控制指標，參照《堤防工程設計規范》及《水工建筑物抗震設計規范》（SL203-1997），本工程相對密度不應低于0.80。大堤全長5392m，就每個壩段而言，壩軸線盡量采用直線，轉彎處中心線轉彎半徑為100m，與直線段相切連接。

為了保證在技術可行的前提下，使容積最大化，庫底高程確定時盡量考慮加大下挖深度；根據地質報告顯示，在高程18m～22m處有一個厚約1.4m～4m的連續黏土層，僅南側局部為無黏土層，本工程考慮利用此連續防滲層，庫底開挖時盡量不破壞黏土層結構；為節約用地、保證水質、減少水庫水量蒸發、降低工程建設投資，小（1）型水庫水深不宜小于5m，本項目水庫水深7m，符合規范要求。根據以上原因分析，最終確定水庫庫底高程為20.0m。

水庫大堤堤頂寬8m，其中瀝青路面寬6m，兩側各設1m寬的綠化帶。大堤背水側為1∶3的草皮護坡，坡腳外側2m處設置6m寬排水溝。大堤迎水側使用復合土工膜進行防滲處理，邊坡為1∶3，高程27.5m以下為0.4m厚的干砌石護坡，設0.1m厚的碎石墊層，27.5m以上為連鎖式生態護坡，并填0.4m厚的種植土。

考慮堤頂地面徑流的集中排放問題，在外坡肩處設置小集水溝，長度與大堤相同，沿大堤外側布置，在背水坡每隔100m設置一處集水井，由排水暗管排入排水溝內，并在排水溝設置5m長的漿砌石護砌，以保護排水溝不被水流沖刷破壞。

（2）庫區防滲

古冶區作為唐山市地下水漏斗區之一，地下水埋深一般在地表30m左右，而南范采煤塌陷區水位埋深較淺，究其原因，一是因為其臨近沙河，可由沙河徑流補充；二是范各莊礦常年向此地排放疏干水。而在水庫建成后切斷了疏干水補充地下水的渠道，地下水僅靠沙河徑流補充，枯水期水位將處于較低水平。根據本段沙河河底高程（約24.0m）、庫底滲漏區與沙河的距離（約1000m），考慮一定的水力坡降及水庫死水位（20.5m），經復核土工膜采用1m的壓蓋厚度合理可行。為保證土工膜穩定，防止土工膜拱起或撕裂，土工膜壓蓋厚度取為1m。另外，為防止運行期土工膜不被破壞，水庫周圍地下水位不應高出水庫內水位1m。

庫區防滲時考慮利用現有的黏土層天然防滲體，僅對局部無黏土層進行防滲處理，使之與周圍黏土層形成一個整體，達到良好的防滲效果。為此，將庫址區劃分為兩個大區，即Ⅰ區（黏性土層區）、Ⅱ區（非黏性土層區）。對庫區防滲進行分區處理，并以庫區中部為橫軸，每100m劃分一個橫斷作為縱軸，對每個橫斷面進行詳細的防滲處理。防滲仍采用復合土工膜，并使其深入黏性土層1m，并在末端設置固定措施，以保證土工膜不被過大的壓力差拽出。

另外，為保證防滲層的連續性，圍壩坡腳處及無黏性土層（滲漏區）邊緣處必須與現有黏土層可靠連接。當黏性土層低于設計庫底高程時，需再向下開挖至黏性土層，再進行防滲處理。

結論

通過對南范采煤塌陷區的綜合治理，既解決了對采煤塌陷區的合理利用、環境治理及綜合開發等問題，又為周邊工礦企業提供了用水水源，為古冶區關停自備井整治提供了實施保障，具有一定的抗風險能力，在經濟上是切實可行的；水庫建設方案及主要施工方法在技術也是可行的，建議抓緊前期的準備工作，使工程盡快上馬，發揮出應有的經濟和社會效益。

參考文獻

[1] GB 50286-2013，堤防工程設計規范[S].

[2] SL189，小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范[S].

[3] GB 50290-2014，土工合成材料應用技術規范[S].

[4] DB 37/1342-2009，平原水庫工程設計[S].