付龙飞

(陕西华正生态建设设计监理有限公司，陕西 西安 710000)

矿山开采会破坏原有地形地貌特征，造成山体破坏、水土流失等现象，造成了一定的资源流失。我国目前，有大量的矿山开采工程，带来了严重的生态环境问题[1-3]。随着国家经济发展和对环境保护工程的重视，目前，已经有较多的地区采取了矿山生态环境恢复治理工程，并取得了良好的经济、社会、环境效益[4-6]。矿山生态环境问题涉及学科多、工程较为复杂，治理难度大。结合眉县某中型矿山工程，对矿山生态环境修复工程进行研究。

1 工程概况

眉县中型矿山生态环境建设项目属于秦岭北麓，为了保护秦岭生态环境，促进人与自然和谐共生，推进生态文明建设，实现经济社会可持续发展，对其1号开采点进行治理，1号开采区位于眉县齐镇上磨石村西磨石沟内，该项目距离眉县县城约20 km，距离310国道18 km，距离齐镇12 km，距离磨石村8 km，虽距离国道和乡镇村距离较近，但磨石村至矿区以土路渣石路为主，地形起伏大，弯道多，路面平整度较差，交通不便。

图1 矿山现状总体影像

2 生态修复方案

2.1 总体方案

根据本次治理区矿山地质环境治理工程目标要求，治理工程方案主要包括：开采立面治理工程、灌溉工程。

(1)开采立面高陡，近乎直立，开采面光滑，石灰岩岩体完整性好，强度高，裂隙基本不发育，治理难度极大，对施工工艺及后期的养护质量提出较高的要求。根据开采立面的自身特点，采用，网格梁配套乔灌木、边坡栽植爬山虎恢复生态环境。

(2)对于坡度缓于60°边坡，网格梁植生槽配合进行喷播绿化，从顶部俯视，将项目整个裸露面基本全部覆盖。

(3)种植槽内配套喷灌等辅助工程，配备专人对绿化植物进行后期培育和养护。

2.2 岩石裸露边坡生态环境修复方案

本次治理边坡裸露面面积为14 595 m2，针对岩石裸露边坡的特点，其主要治理措施是：

1)岩面清理及加固

施工前，对整个裸露坡面上的松动石块进行清理，防止施工时发生安全事故，对无法清理的大石块采用3 m长Φ22随机锚杆进行加固，锚杆长3 m，外漏15 cm，锚固段长2.85 m，与山坡面呈垂直90°，锚固砂浆M30砂浆。

2)网格梁种植槽

按照5.0 m×5.0 m的间距自下而上，设置方格梁，横向方格梁为水平，竖向方格梁为垂直向。落差100 m，横竖向方格梁断面尺寸均为0.5 m×0.6 m，采用C25混凝土浇筑，每隔20 m设置一道沉降缝，缝内采用沥青麻丝填充。方格梁内部配6根ф22的主筋和ф16@200的箍筋。为保证网格梁能与山体连为一体，在网格梁上按照2.5 m×2.5 m的横竖向布设3m长的ф22钢筋锚杆，锚固2.50 m，外漏0.50 cm，与山坡面垂直，锚杆采用M30砂浆灌浆。锚杆外漏50 cm连接到方格梁内部的钢筋上。在每层横向方格梁上浇筑一个高1.0 m，厚0.15 m的C25混凝土板，用来盛放绿化种植土，混凝土板内部配置ф16@200的主筋和ф12@200的箍筋，钢筋保护层厚度不小于2.5 cm。网格梁混凝土板和山体之间填充种植土，种植土填充厚度为0.90 m。

3)网格梁内挂网喷播绿化

对边坡坡度小于60°的网格梁内的裸露边坡，采用挂网喷播绿化。按照2 m×2 m的间排距布设1.5 m长ф16钢筋主锚杆，主锚杆外漏15 cm，与山坡面垂直；同样按照1 m×1 m的间排距布设1 m长ф12钢筋副锚杆，副锚杆外漏15 cm，与山坡面垂直，主锚杆和副锚杆间隔布置；挂网前对山坡喷10 cm的种植基土，种植土为原种植客土，离析度小于20%；在裸露边坡上挂镀锌铁丝网，铁丝网与紧贴种植土。在无法紧贴种植土的部位补打副锚杆；挂网完成后对边坡喷混合草籽后的种植土(草籽选择狗牙根，每平米40 g)。

4)坡顶排水系统

5)种植槽绿化

在种植槽内采用乔灌结合绿化，每隔2.5 m，种植一株1.5 m高的侧柏，一级苗。在侧柏下种植灌木，灌木品种为红叶石楠，苗高80 cm，一级苗，种植密度均为20株/m2。

6)栽植爬山虎

在陡于60°的坡面上，沿种植靠近山坡内侧种植攀爬植物，品种爬山虎，间距25 cm一株苗木，苗长0.8 m。

7)平台绿化

对于现场较为平整的裸露地面，采区铺30 cm种植土后，进行乔草结合绿化，绿化面积为2 511 m2。按照3 m×3 m的间排距补植侧拍，侧柏苗高1.5 m，一级苗；对裸露区域撒播草籽，品种为红花醡浆和狗牙根混合，比例为1:1，撒播密度为40 kg/hm2。

8)灌溉系统设计

由于矿山治理时需要栽植苗木进行绿化，为保证苗木的成活率需要进行补水灌溉，因此需要设计灌溉系统，由于项目区内缺少水源，只能在项目区西侧的山沟中拦截降雨洪水，作为灌溉水源。

在1#开采面西南侧的山沟中建设一道拦水坝，拦截降雨时的水流，作为本工程的灌溉水源，坝高2.5 m，坝顶露出地表1.5 m，顶宽0.5 m，长11 m，坝基深入基岩层中，两侧为2.8 m高M10浆砌石挡墙。

本次设计蓄水池容量为500 m3，采用《圆形钢筋混凝土蓄水池》(04S803)中的标准圆形蓄水池。蓄水池直径为14.06 m，高4.13 m，顶部覆土0.50 m，蓄水池底部高程为1 314.0 m，顶部地面高程为1 318.6 m。蓄水池后接泄水井一座，泄水井型式选用国家标准图集05S502《室外给水管道附属构筑物》，井壁采用砖拱结构，平面形状为圆形，井身采用C25现浇钢筋混凝土结构，上部内径φ800 mm，井下部内径φ1 200 mm，井盖采用预制钢筋砼井盖，盖板厚度为200 mm。

因为现场实际落差比较大，采用水泵直接抽水灌溉没有合适水泵，现场在山顶设计一座20 m3小型蓄水池，用以保证每天的灌溉。蓄水池长5 m，宽3 m，高2 m，底部高程为1 350 m。

9)水泵及输水管

根据现场落差和水土损失，两个水池间输水管道管径为壁厚3 mmDN50的镀锌钢管。现场安装一台潜水泵，水泵型号为150QJ10-150/18，电机功率为7.5 kw。配套1 km的3×4 mm2，铜电缆。

10)灌溉管网，

喷灌输水DN40干管(1.0 mpa)150 m；DN25PE灌溉支管2 600 m；微喷旋转喷头(喷嘴直径为1.2 mm，工作压力0.2 Mp)648个；DN25PE阀门648个，电磁阀40个；堵头40个；配套减压阀15个；灌溉自动控制器1套。

2.3 设计验算

2.3.1 山顶排水沟验算

顶部截水沟汇流面积为F=1.2 hm2。由于汇流面积远小于20 km2，可直接将点雨量当作面雨量计。查《宝鸡地区水文手册》中10 a一遇1 h暴雨量为38 mm。

Q=0.278KIF

(1)

式中：Q设计洪峰流量(m3/s)；K径流系数，项目区植被良好，查规范为0.15；I十年一遇最大一小时降雨强度(38 mm/h)；F集雨面积，0.01 km2。

经计算，顶部截水沟流量为0.015 m3/s。

渠道横断面设计按明渠均匀流公式进行试算：

(2)

式中：Q渠道设计流量，m3/s；ω过水断面面积，m2；R水力半径；C谢才系数；X湿周(m)；i渠道比降，取0.01；n糙率，取0.017。

2.3.2 蓄水池蓄水量计算

1)点面雨量的关系

根据卫星测绘地形图和采用GPS实际量测，通过绘图软件，量得蓄水池汇流面积为F=5.51 hm2。由于汇流面积远小于20 km2，可直接将点雨量当作面雨量计。20 a一遇6 h暴雨量为78 mm，10 a一遇1 h暴雨量为38 mm。

2)设计洪水总量

根据降雨量推求设计洪水总量。

W=10KRF

(3)

式中：W洪水总量(m3)；F集雨面积，5.51 hm2；R20 a一遇最大降雨量，mm；K径流系数，项目位于山区，汇流区植被较好，查规范取0.15。

经计算，设计洪水总量为645 m3。

3)设计洪水流量

采用以下公式计算：

Q=0.278KIF

(4)

式中：Q为设计洪峰流量(m3/s)；K径流系数，查规范为0.15；I十年一遇最大一小时降雨强度，(38 mm/h)；F集雨面积，0.055 km2。

经计算，流量为0.09 m3/s。

4)引水渠断面尺寸设计

5)输水管断面设计

6)底部蓄水池设计

由于矿山治理时需要栽植苗木进行绿化，为保证苗木的成活率需要进行补水灌溉，根据本设计，本次设计矿山绿化面积为8 100 m2，根据陕西省《行业用水定额》(DB61/T943—2014)项目区绿化管理灌溉需水为2 L/(m2·d)，考虑干旱时单次灌溉养护期为30 d。

V灌=8 100×2×20/1 000=486 m3

(5)

结合洪水总量，本次设计蓄水池容量为500 m3。蓄水池直径为14.06 m，高4.13 m，顶部覆土0.50 m，蓄水池底部高程为1 314.0 m，顶部地面高程为1 318.6 m。

蓄水池后接泄水井一座，泄水井井壁采用砖拱结构，平面形状为圆形，井身采用C25现浇钢筋混凝土结构，上部内径φ800 mm，井下部内径φ1 200 mm，井盖采用预制钢筋砼井盖，盖板厚度为200 mm。

7)顶部蓄水池设计：由于现场落差比较大，采用水泵抽水灌溉无法达到要求，现场在山顶设计一座小型蓄水池，用以保证每天的灌溉。由于本次设计矿山绿化面积为8 100 m2，每天灌溉水量为16.2 m3。设计一座20 m3的蓄水池。

8)水泵选型

由于通过蓄水池取水，故水泵确定为潜水泵，其选型根据供水规模，按每天运行2 h考虑，设计流量为2.25 L/s，由于扬程较大，管道选用镀锌钢管，依据规范确定管道的经济流速为0.9～1.5 m/s，试算管道直径d：

(6)

计算得，灌溉吸水管道直径为44～56 mm，本次设计补水管道内部直径为50 mm、外径56 mm的镀锌钢管。根据现场地形，管道布设长度为226 m，连接方式采用焊接连接。

扬程为水池最低水位至山顶蓄水池最高水位的高差，加上设备运行所需水头，故水泵设计净扬程均为135 m，加上管道水头损失2.232 m，设计总扬程为137.232 m。由于本工程流量较小，潜水泵只设1台，布置于500 m3蓄水池内，潜水泵叶轮安装高程为1 215.0 m，水泵运行时必须保证进水口在动水位以下1.0 m。潜水泵选型及输水管管径详见表1。

表1 潜水泵型号及输水管基本参数

2.3.3 喷灌制度设计

1)灌水器选择及布置

喷头采用微喷旋转型，喷嘴直径为1.2 mm，其性能参数如下：工作压力0.2 Mpa，射程3 m，全圆喷洒流量60 L/h，设计布置间距为2.5 m。依据《喷灌工程技术规范》(GB/T50085—2007)，喷头采用正方形布置方式。

2)设计保证率

结合项目区的自然条件和经济条件，选取喷灌设计保证率为85%。

3)作物蒸散发量ETd

设计作物腾发量ETd取值4 mm/d。

4)灌溉水利用系数

依据《喷灌工程技术规范》(GB/T50085—2007)4.1.3，

η=ηG·ηp

(7)

式中：η灌溉水利用系数；ηG管道水利用系数取0.98；ηp田间喷洒水利用系数取0.9；

计算得喷灌系统灌溉水利用系数为η=0.88。

5)允许喷灌强度ρ

项目取允许喷灌强度=12 mm/h。

6)喷灌均匀系数Cu

项目取喷灌均匀系数Cu=0.75。

7)计划湿润土层深h

结合作物根系分布特性，选取计划湿润土层深Z=0.5 m。

8)设计日灌水时间td

设计日灌水时间td见表2。

表2 设计日灌水时间

结合项目布置情况及园区管理经验，设计系统日工作小时数td=10 h。

2.3.4 灌溉制度

1)设计灌水定额m

根据陕西省绿化管理推荐数值，可算得灌水定额为m=40 mm。

2)灌水周期

按照下式计算：

T=m/ETd

(8)

式中：T灌水日期(d)；m设计灌水定额(mm)；ETd作物日蒸散发量(mm/d)，4 mm/d。

将上述参数代入上式计算得T=10 d。

3)设计喷灌强度ρs复核

(9)

式中：ρs单喷头全圆喷洒时的喷灌强度，mm/h；qp喷头流量，m3/h；R喷头射程，m；喷洒水利用系数。

喷灌系统的计算喷灌强度ρs=1.9 mm/h，经复核：设计喷灌强度ρs<允许喷灌强度ρ=12 mm/h。

4)工作制度

(1)灌水时间

一个工作位置的灌水时间t，按照下式计算

(10)

式中：a喷头布置间距(m)，2.5 m；b管布置间距(m)，5 m；

将上述参数代入上式计算得t=9.26 h，实际操作中，具体工作制度需要依照实时土壤情况、气象条件以及种植作物生长情况灵活调整。

(2)一天工作位置数nd

依据《喷灌工程技术规范》(GB/T50085—2007)4.4.3，按照下式计算

(11)

式中：td设计日灌水时间；

将上述参数代入上式计算得nd=1.30，取整为1。

(3)喷头数np及轮灌组划分

同时工作的喷头数np及轮灌组划分，按照下式计算

(12)

式中：np同时工作的喷头数；Np灌区喷头总数，Np=648只；

将上述参数代入上式计算得np=648/1/10=64.8，取65。

根据实际供水能力与现场种植结构及地势地貌特点，将灌溉区域设计划分为13个轮灌组，每次50只喷头同时工作。划分轮灌组时每个阀门管控区域数量略有差别，尽可能使每个轮灌组管控面积及喷头数均等，以保证水泵流量稳定，维持在高效区工作；同一条干管上数条支管同时工作时，适当分散水流，减少干管流量及损失。

3 结语

以眉县中型矿山生态环境修复工程为 研究对象，对裸露基岩面的生态治理、修复工程设计进行了详细的介绍。结合场区水文、环境、地质条件，采用拦水坝+蓄水池+截水沟+网格梁相结合的工程措施，并配合植被措施综合治理方案以恢复矿山生态环境。为了保证长效治理效果，分析了矿区植被灌溉制度以及管道设计。可为类似矿山生态修复工程提供参考。