眉縣中型礦山生態環境修復工程設計

付龍飛

(陜西華正生態建設設計監理有限公司，陜西 西安 710000)

礦山開采會破壞原有地形地貌特征，造成山體破壞、水土流失等現象，造成了一定的資源流失。我國目前，有大量的礦山開采工程，帶來了嚴重的生態環境問題[1-3]。隨著國家經濟發展和對環境保護工程的重視，目前，已經有較多的地區采取了礦山生態環境恢復治理工程，并取得了良好的經濟、社會、環境效益[4-6]。礦山生態環境問題涉及學科多、工程較為復雜，治理難度大。結合眉縣某中型礦山工程，對礦山生態環境修復工程進行研究。

1 工程概況

眉縣中型礦山生態環境建設項目屬于秦嶺北麓，為了保護秦嶺生態環境，促進人與自然和諧共生，推進生態文明建設，實現經濟社會可持續發展，對其1號開采點進行治理，1號開采區位于眉縣齊鎮上磨石村西磨石溝內，該項目距離眉縣縣城約20 km，距離310國道18 km，距離齊鎮12 km，距離磨石村8 km，雖距離國道和鄉鎮村距離較近，但磨石村至礦區以土路渣石路為主，地形起伏大，彎道多，路面平整度較差，交通不便。

圖1 礦山現狀總體影像

2 生態修復方案

2.1 總體方案

根據本次治理區礦山地質環境治理工程目標要求，治理工程方案主要包括：開采立面治理工程、灌溉工程。

(1)開采立面高陡，近乎直立，開采面光滑，石灰巖巖體完整性好，強度高，裂隙基本不發育，治理難度極大，對施工工藝及后期的養護質量提出較高的要求。根據開采立面的自身特點，采用，網格梁配套喬灌木、邊坡栽植爬山虎恢復生態環境。

(2)對于坡度緩于60°邊坡，網格梁植生槽配合進行噴播綠化，從頂部俯視，將項目整個裸露面基本全部覆蓋。

(3)種植槽內配套噴灌等輔助工程，配備專人對綠化植物進行后期培育和養護。

2.2 巖石裸露邊坡生態環境修復方案

本次治理邊坡裸露面面積為14 595 m2，針對巖石裸露邊坡的特點，其主要治理措施是：

1)巖面清理及加固

施工前，對整個裸露坡面上的松動石塊進行清理，防止施工時發生安全事故，對無法清理的大石塊采用3 m長Φ22隨機錨桿進行加固，錨桿長3 m，外漏15 cm，錨固段長2.85 m，與山坡面呈垂直90°，錨固砂漿M30砂漿。

2)網格梁種植槽

按照5.0 m×5.0 m的間距自下而上，設置方格梁，橫向方格梁為水平，豎向方格梁為垂直向。落差100 m，橫豎向方格梁斷面尺寸均為0.5 m×0.6 m，采用C25混凝土澆筑，每隔20 m設置一道沉降縫，縫內采用瀝青麻絲填充。方格梁內部配6根ф22的主筋和ф16@200的箍筋。為保證網格梁能與山體連為一體，在網格梁上按照2.5 m×2.5 m的橫豎向布設3m長的ф22鋼筋錨桿，錨固2.50 m，外漏0.50 cm，與山坡面垂直，錨桿采用M30砂漿灌漿。錨桿外漏50 cm連接到方格梁內部的鋼筋上。在每層橫向方格梁上澆筑一個高1.0 m，厚0.15 m的C25混凝土板，用來盛放綠化種植土，混凝土板內部配置ф16@200的主筋和ф12@200的箍筋，鋼筋保護層厚度不小于2.5 cm。網格梁混凝土板和山體之間填充種植土，種植土填充厚度為0.90 m。

3)網格梁內掛網噴播綠化

對邊坡坡度小于60°的網格梁內的裸露邊坡，采用掛網噴播綠化。按照2 m×2 m的間排距布設1.5 m長ф16鋼筋主錨桿，主錨桿外漏15 cm，與山坡面垂直；同樣按照1 m×1 m的間排距布設1 m長ф12鋼筋副錨桿，副錨桿外漏15 cm，與山坡面垂直，主錨桿和副錨桿間隔布置；掛網前對山坡噴10 cm的種植基土，種植土為原種植客土，離析度小于20%；在裸露邊坡上掛鍍鋅鐵絲網，鐵絲網與緊貼種植土。在無法緊貼種植土的部位補打副錨桿；掛網完成后對邊坡噴混合草籽后的種植土(草籽選擇狗牙根，每平米40 g)。

4)坡頂排水系統

5)種植槽綠化

在種植槽內采用喬灌結合綠化，每隔2.5 m，種植一株1.5 m高的側柏，一級苗。在側柏下種植灌木，灌木品種為紅葉石楠，苗高80 cm，一級苗，種植密度均為20株/m2。

6)栽植爬山虎

在陡于60°的坡面上，沿種植靠近山坡內側種植攀爬植物，品種爬山虎，間距25 cm一株苗木，苗長0.8 m。

7)平臺綠化

對于現場較為平整的裸露地面，采區鋪30 cm種植土后，進行喬草結合綠化，綠化面積為2 511 m2。按照3 m×3 m的間排距補植側拍，側柏苗高1.5 m，一級苗；對裸露區域撒播草籽，品種為紅花醡漿和狗牙根混合，比例為1:1，撒播密度為40 kg/hm2。

8)灌溉系統設計

由于礦山治理時需要栽植苗木進行綠化，為保證苗木的成活率需要進行補水灌溉，因此需要設計灌溉系統，由于項目區內缺少水源，只能在項目區西側的山溝中攔截降雨洪水，作為灌溉水源。

在1#開采面西南側的山溝中建設一道攔水壩，攔截降雨時的水流，作為本工程的灌溉水源，壩高2.5 m，壩頂露出地表1.5 m，頂寬0.5 m，長11 m，壩基深入基巖層中，兩側為2.8 m高M10漿砌石擋墻。

本次設計蓄水池容量為500 m3，采用《圓形鋼筋混凝土蓄水池》(04S803)中的標準圓形蓄水池。蓄水池直徑為14.06 m，高4.13 m，頂部覆土0.50 m，蓄水池底部高程為1 314.0 m，頂部地面高程為1 318.6 m。蓄水池后接泄水井一座，泄水井型式選用國家標準圖集05S502《室外給水管道附屬構筑物》，井壁采用磚拱結構，平面形狀為圓形，井身采用C25現澆鋼筋混凝土結構，上部內徑φ800 mm，井下部內徑φ1 200 mm，井蓋采用預制鋼筋砼井蓋，蓋板厚度為200 mm。

因為現場實際落差比較大，采用水泵直接抽水灌溉沒有合適水泵，現場在山頂設計一座20 m3小型蓄水池，用以保證每天的灌溉。蓄水池長5 m，寬3 m，高2 m，底部高程為1 350 m。

9)水泵及輸水管

根據現場落差和水土損失，兩個水池間輸水管道管徑為壁厚3 mmDN50的鍍鋅鋼管。現場安裝一臺潛水泵，水泵型號為150QJ10-150/18，電機功率為7.5 kw。配套1 km的3×4 mm2，銅電纜。

10)灌溉管網，

噴灌輸水DN40干管(1.0 mpa)150 m；DN25PE灌溉支管2 600 m；微噴旋轉噴頭(噴嘴直徑為1.2 mm，工作壓力0.2 Mp)648個；DN25PE閥門648個，電磁閥40個；堵頭40個；配套減壓閥15個；灌溉自動控制器1套。

2.3 設計驗算

2.3.1 山頂排水溝驗算

頂部截水溝匯流面積為F=1.2 hm2。由于匯流面積遠小于20 km2，可直接將點雨量當作面雨量計。查《寶雞地區水文手冊》中10 a一遇1 h暴雨量為38 mm。

Q=0.278KIF

(1)

式中：Q設計洪峰流量(m3/s)；K徑流系數，項目區植被良好，查規范為0.15；I十年一遇最大一小時降雨強度(38 mm/h)；F集雨面積，0.01 km2。

經計算，頂部截水溝流量為0.015 m3/s。

渠道橫斷面設計按明渠均勻流公式進行試算：

(2)

式中：Q渠道設計流量，m3/s；ω過水斷面面積，m2；R水力半徑；C謝才系數；X濕周(m)；i渠道比降，取0.01；n糙率，取0.017。

2.3.2 蓄水池蓄水量計算

1)點面雨量的關系

根據衛星測繪地形圖和采用GPS實際量測，通過繪圖軟件，量得蓄水池匯流面積為F=5.51 hm2。由于匯流面積遠小于20 km2，可直接將點雨量當作面雨量計。20 a一遇6 h暴雨量為78 mm，10 a一遇1 h暴雨量為38 mm。

2)設計洪水總量

根據降雨量推求設計洪水總量。

W=10KRF

(3)

式中：W洪水總量(m3)；F集雨面積，5.51 hm2；R20 a一遇最大降雨量，mm；K徑流系數，項目位于山區，匯流區植被較好，查規范取0.15。

經計算，設計洪水總量為645 m3。

3)設計洪水流量

采用以下公式計算：

Q=0.278KIF

(4)

式中：Q為設計洪峰流量(m3/s)；K徑流系數，查規范為0.15；I十年一遇最大一小時降雨強度，(38 mm/h)；F集雨面積，0.055 km2。

經計算，流量為0.09 m3/s。

4)引水渠斷面尺寸設計

5)輸水管斷面設計

6)底部蓄水池設計

由于礦山治理時需要栽植苗木進行綠化，為保證苗木的成活率需要進行補水灌溉，根據本設計，本次設計礦山綠化面積為8 100 m2，根據陜西省《行業用水定額》(DB61/T943—2014)項目區綠化管理灌溉需水為2 L/(m2·d)，考慮干旱時單次灌溉養護期為30 d。

V灌=8 100×2×20/1 000=486 m3

(5)

結合洪水總量，本次設計蓄水池容量為500 m3。蓄水池直徑為14.06 m，高4.13 m，頂部覆土0.50 m，蓄水池底部高程為1 314.0 m，頂部地面高程為1 318.6 m。

蓄水池后接泄水井一座，泄水井井壁采用磚拱結構，平面形狀為圓形，井身采用C25現澆鋼筋混凝土結構，上部內徑φ800 mm，井下部內徑φ1 200 mm，井蓋采用預制鋼筋砼井蓋，蓋板厚度為200 mm。

7)頂部蓄水池設計：由于現場落差比較大，采用水泵抽水灌溉無法達到要求，現場在山頂設計一座小型蓄水池，用以保證每天的灌溉。由于本次設計礦山綠化面積為8 100 m2，每天灌溉水量為16.2 m3。設計一座20 m3的蓄水池。

8)水泵選型

由于通過蓄水池取水，故水泵確定為潛水泵，其選型根據供水規模，按每天運行2 h考慮，設計流量為2.25 L/s，由于揚程較大，管道選用鍍鋅鋼管，依據規范確定管道的經濟流速為0.9～1.5 m/s，試算管道直徑d：

(6)

計算得，灌溉吸水管道直徑為44～56 mm，本次設計補水管道內部直徑為50 mm、外徑56 mm的鍍鋅鋼管。根據現場地形，管道布設長度為226 m，連接方式采用焊接連接。

揚程為水池最低水位至山頂蓄水池最高水位的高差，加上設備運行所需水頭，故水泵設計凈揚程均為135 m，加上管道水頭損失2.232 m，設計總揚程為137.232 m。由于本工程流量較小，潛水泵只設1臺，布置于500 m3蓄水池內，潛水泵葉輪安裝高程為1 215.0 m，水泵運行時必須保證進水口在動水位以下1.0 m。潛水泵選型及輸水管管徑詳見表1。

表1 潛水泵型號及輸水管基本參數

2.3.3 噴灌制度設計

1)灌水器選擇及布置

噴頭采用微噴旋轉型，噴嘴直徑為1.2 mm，其性能參數如下：工作壓力0.2 Mpa，射程3 m，全圓噴灑流量60 L/h，設計布置間距為2.5 m。依據《噴灌工程技術規范》(GB/T50085—2007)，噴頭采用正方形布置方式。

2)設計保證率

結合項目區的自然條件和經濟條件，選取噴灌設計保證率為85%。

3)作物蒸散發量ETd

設計作物騰發量ETd取值4 mm/d。

4)灌溉水利用系數

依據《噴灌工程技術規范》(GB/T50085—2007)4.1.3，

η=ηG·ηp

(7)

式中：η灌溉水利用系數；ηG管道水利用系數取0.98；ηp田間噴灑水利用系數取0.9；

計算得噴灌系統灌溉水利用系數為η=0.88。

5)允許噴灌強度ρ

項目取允許噴灌強度=12 mm/h。

6)噴灌均勻系數Cu

項目取噴灌均勻系數Cu=0.75。

7)計劃濕潤土層深h

結合作物根系分布特性，選取計劃濕潤土層深Z=0.5 m。

8)設計日灌水時間td

設計日灌水時間td見表2。

表2 設計日灌水時間

結合項目布置情況及園區管理經驗，設計系統日工作小時數td=10 h。

2.3.4 灌溉制度

1)設計灌水定額m

根據陜西省綠化管理推薦數值，可算得灌水定額為m=40 mm。

2)灌水周期

按照下式計算：

T=m/ETd

(8)

式中：T灌水日期(d)；m設計灌水定額(mm)；ETd作物日蒸散發量(mm/d)，4 mm/d。

將上述參數代入上式計算得T=10 d。

3)設計噴灌強度ρs復核

(9)

式中：ρs單噴頭全圓噴灑時的噴灌強度，mm/h；qp噴頭流量，m3/h；R噴頭射程，m；噴灑水利用系數。

噴灌系統的計算噴灌強度ρs=1.9 mm/h，經復核：設計噴灌強度ρs<允許噴灌強度ρ=12 mm/h。

4)工作制度

(1)灌水時間

一個工作位置的灌水時間t，按照下式計算

(10)

式中：a噴頭布置間距(m)，2.5 m；b管布置間距(m)，5 m；

將上述參數代入上式計算得t=9.26 h，實際操作中，具體工作制度需要依照實時土壤情況、氣象條件以及種植作物生長情況靈活調整。

(2)一天工作位置數nd

依據《噴灌工程技術規范》(GB/T50085—2007)4.4.3，按照下式計算

(11)

式中：td設計日灌水時間；

將上述參數代入上式計算得nd=1.30，取整為1。

(3)噴頭數np及輪灌組劃分

同時工作的噴頭數np及輪灌組劃分，按照下式計算

(12)

式中：np同時工作的噴頭數；Np灌區噴頭總數，Np=648只；

將上述參數代入上式計算得np=648/1/10=64.8，取65。

根據實際供水能力與現場種植結構及地勢地貌特點，將灌溉區域設計劃分為13個輪灌組，每次50只噴頭同時工作。劃分輪灌組時每個閥門管控區域數量略有差別，盡可能使每個輪灌組管控面積及噴頭數均等，以保證水泵流量穩定，維持在高效區工作；同一條干管上數條支管同時工作時，適當分散水流，減少干管流量及損失。

3 結語

以眉縣中型礦山生態環境修復工程為 研究對象，對裸露基巖面的生態治理、修復工程設計進行了詳細的介紹。結合場區水文、環境、地質條件，采用攔水壩+蓄水池+截水溝+網格梁相結合的工程措施，并配合植被措施綜合治理方案以恢復礦山生態環境。為了保證長效治理效果，分析了礦區植被灌溉制度以及管道設計。可為類似礦山生態修復工程提供參考。