吳興付，王志強，張品楠

（安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，安徽 合肥 230001）

引言

開發(fā)煤炭資源過程中產(chǎn)生的地面塌陷、地裂縫等環(huán)境負效應越來越受到重視，礦山環(huán)境地質(zhì)問題層出不窮，嚴重威脅著礦區(qū)居民人民的生命財產(chǎn)安全［1］。為了改變劉橋二礦段采煤塌陷區(qū)的環(huán)境現(xiàn)狀，對塌陷區(qū)進行治理工程設計是很有必要的。喬剛［2］等結合采煤塌陷區(qū)形成規(guī)模、發(fā)育特征，就采煤塌陷區(qū)是否容易形成積水的情況，總結出兩種不同治理模式。劉飛［3］指出生態(tài)農(nóng)業(yè)復墾技術是治理采煤塌陷區(qū)的有效措施。本文根據(jù)塌陷區(qū)的地表破壞情況，結合當?shù)赝恋貜蛪ㄒ?guī)劃，設計了整個治理工程。本次設計對其它相似條件的地區(qū)具有重要的參考意義。

1 研究區(qū)概況

劉橋礦主要開采4、6煤層，局部開采3煤層。礦區(qū)面積為14.2604km2。井田開拓方式為立井多水平開拓，采煤方法為走向長壁采煤法。劉橋礦采煤活動引起的采空塌陷區(qū)，地面一般下沉0.5－1.5m，局部達4m；現(xiàn)狀下，地面標高一般為26－32m。治理區(qū)范圍見圖1。劉橋礦治理地塊為劉橋礦二礦段采煤塌陷區(qū)，面積為76.1527ha，塌陷積水區(qū)面積22.9275ha。

圖1 劉橋礦二礦段治理區(qū)范圍

2 塌陷區(qū)治理工程設計標準

根據(jù)治理區(qū)所處的周邊環(huán)境，本設計擬將該礦區(qū)塌陷區(qū)域恢復為農(nóng)用地和養(yǎng)殖魚塘，其中：農(nóng)用地以耕地的標準進行設計，同時設計配套農(nóng)田水利工程以及生產(chǎn)道路工程。

2.1 農(nóng)用地標準

設計耕植土層厚度0.5m，田面坡度1／300－1／500，田面相對高差小于10cm。田塊長150－200m，田塊寬100－150m。邊角地帶隨地形布局為不規(guī)則田塊。共設計田塊9個。設計地面標高＋31.45－＋31.56m。

2.2 道路工程標準

設計田間道標準為泥結碎石路面寬2m，碎石層厚度不小于0.5m；生產(chǎn)路線標準為泥結碎石路面寬4m，碎石厚度不小于0.5m。

2.3 農(nóng)田水利工程標準

斗渠采用U60、農(nóng)渠采用U40型斷面，斗渠渠深0.6m，水深0.5m，壁厚0.06m；農(nóng)渠渠深0.4m，水深0.3m，壁厚0.05m。斗溝采用梯形斷面設計，斗溝渠深0.7m，底寬0.6m，水深0.6m，采用C15混凝土預制塊護砌，壁厚0.1m；農(nóng)狗渠寬0.6m，底寬0.5m，水深0.5m。

3 塌陷區(qū)治理工程設計

3.1 農(nóng)用地工程設計

（1）土地平整布局

根據(jù)塌陷區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境條件，治理區(qū)共劃分為12個地塊，其中農(nóng)用地塊9個，魚塘3個。采用挖深墊淺的治理方法，對塌陷區(qū)進行恢復治理。土方在塌陷區(qū)進行內(nèi)部平衡，即通過對恢復為養(yǎng)殖魚塘的區(qū)域挖土，回填至恢復為耕地的區(qū)域，墊高該區(qū)域高程，并使該耕地區(qū)域與周邊地形地勢條件相符。

（2）土地平整工程量

a.土方的計算方法：土方采用散點法計算，首先根據(jù)各個田塊現(xiàn)狀高程點，初步擬定各田塊設計高程，再按各現(xiàn)狀高程點控制面積的權重，計算各田塊的挖方、填方量，然后根據(jù)挖方量和填方量，對設計高程進行修正，修正后重新計算各部分土方量，匯總得田塊的總土方量。各田塊現(xiàn)狀高程、設計高程、田塊面積挖方、填方見表1。

表1 各田塊挖、填方量明細表

b.計算結果分析：經(jīng)統(tǒng)計，本工程挖方量為111.57萬m3，填方量109.70萬m3；根據(jù)表1可知，挖方量還余18659.3m3，總挖方大于填方量，滿足土方回填。

3.2 農(nóng)田水利工程

（1）灌溉工程布置

治理區(qū)灌溉水源主要是從各區(qū)域周邊現(xiàn)有水渠引水。灌溉工程擬采用明渠地面灌溉方式。規(guī)劃治理區(qū)灌排分斗、農(nóng)兩級。斗渠和斗溝采用灌排分設布置，根據(jù)治理區(qū)地形特點，采用灌排相鄰布置形式。

根據(jù)治理區(qū)水源情況，規(guī)劃治理區(qū)內(nèi)新建斗渠2支，其中斗渠1與田間路平行，斗渠2沿王引河河岸修建。設計斗渠總長2296.9m。其中斗渠1長1343.5m，斗渠2長953.4m。

新建農(nóng)渠8支，總長度為1508.8m，其中農(nóng)渠1長459.3m，農(nóng)渠2長170.6m，農(nóng)渠3長105.6m，農(nóng)渠4長169.8m，農(nóng)渠5長101.6m，農(nóng)渠6長161.0m，農(nóng)渠7長140.5m，農(nóng)渠8長200.4m。斗渠、農(nóng)渠建造采用U型混凝土結構。

（2）灌溉渠道設計

劉橋礦區(qū)主要作物為小麥、大豆、玉米等旱作物。

a.設計灌水率：設計灌水率是單位灌溉面積上所需灌溉的凈流量，根據(jù)用水高峰期作物灌溉制度和作物種植比例確定。計算公式如下：

q＝αm／8.64T，式中：q－灌水率，m3／s／萬畝；α－各種作物種植面積占總面積的百分數(shù)；m－各種作物的各次灌水定額，m3／畝；T－各次灌水延續(xù)時間，以天計。

由于該治理區(qū)灌溉期以小麥種植為主，故采用小麥田灌溉定額作為計算依據(jù)。參考《安徽省行業(yè)用水標準》，小麥一次灌水定額，采用小麥返青時期最大一次灌水定額60m3／畝，一次灌水天數(shù)以8天計算，每天灌水時間，取24h。由此計算得灌水率為0.856m3／s／萬畝。

b.渠道設計流量：灌溉渠道分斗、農(nóng)兩級，灌水方式均采用續(xù)灌。斗渠的設計流量采用以下公式計算：Q＝q×F／η，式中：Q－設計流量，m3／s；q－灌水率，m3／s／萬畝；F－灌溉面積，萬畝；η－渠道水利系數(shù)。

考慮到斗、農(nóng)渠采用U型槽護砌，農(nóng)渠水利用系數(shù)，取0.95，斗渠水利用系數(shù)取0.9。

各斗渠設計流量成果見表2。上式算得的流量是按渠道正常引水計算的。考慮到治理實施后在管理運用中可能出現(xiàn)規(guī)劃設計未能預料的變化，如種植比例變化、稀遇的干旱氣候和短時加大輸水的要求等，計算渠道的加大流量。按下式計算：

由于各斗渠設計流量均小于1m3／s，故加大系數(shù)取30%，據(jù)此計算得各斗渠的加大流量。

c.渠道設計水位：設計灌溉渠道時，要使渠道斷面能夠通過設計流量，還要保證其水位滿足自流灌溉的要求。渠道的水位控制，應各結合沿渠地形條件及灌溉田塊高程進行。為了保證渠道所控制的灌溉面積都能進行自流灌溉，各級渠道在分水點處都具有足夠的水位高程。斗渠進水口水位的控制高程，按下式計算：

式中H設－斗渠節(jié)點進水閘閘上設計水位，m；H0－渠道控制灌溉面積內(nèi)參考點地面高程，m；Δh－灌水深度，取0.1m；l－渠道長度，m；i－渠道比降，取值1／2000；φ－水流通過渠系建筑物的水頭損失，斗渠進水閘和農(nóng)門進水口水頭損失取0.1m，田間道和生產(chǎn)路橋取0.03m。各斗渠進口水閘設計水位見表2。

表2 斗渠設計流量、水位成果表

d.渠道設計：斗渠：灌溉渠道的設計包括渠道的縱橫斷面設計。根據(jù)工程規(guī)劃區(qū)土地地面比降（沿渠線方向）較大的特點，為減少渠道工程量，斗渠比降同地面比降。灌溉斗渠采用預制砼U型槽護砌，其糙率n取為0.015，根據(jù)規(guī)劃設計流量和擬定的比降，按設計水位采用合適的水深。各斗渠橫斷面積尺寸具體數(shù)值見表3。在兩支斗渠的交匯處設置1座斗門，用于兩渠的連通。

農(nóng)渠：農(nóng)渠采用預制砼U型槽護砌，其糙率n取為0.015，比降采用1／2000，設計流量0.001m3／s，設計水深0.3m，渠深0.4m，壁厚0.05m。

農(nóng)渠的計算流量為0.08m3／s，按此斷面復核，能滿足排水流量0.001m3／s要求。每支農(nóng)渠中間部位預留一農(nóng)門缺口，用于田間的灌溉和排水。

（3）排水工程設計

治理區(qū)斗溝和農(nóng)溝采用梯形斷面設計。根據(jù)治理區(qū)地形、水系情況，結合灌溉工程布設。新建斗溝2支，總長度為2561.1m，其中斗溝1長1413.5m，斗溝2長1147.6m。斗溝每隔50m預留一毛門缺口，用于田間的灌溉和排水。新建農(nóng)溝8支，總長度為1316.8m，其中農(nóng)溝1長278.7m，農(nóng)溝2長170.6m，

農(nóng)溝3長196.0m，農(nóng)溝4長99.4m，農(nóng)溝5長169.9m，農(nóng)溝6長99.1m，農(nóng)溝7長158.9m，農(nóng)溝8長144.2m。

a.設計排水流量：排水溝設計流量是確定排水溝斷面和溝道上各種建筑規(guī)模的依據(jù)。本次排水溝設計排水流量以排澇流量控制，排澇流量參考《土地開發(fā)整理規(guī)范》，采用平均排除法設計排澇流量計算公式計算確定，其公式如下：

式中：Q澇——設計排澇流量，m3／s；q澇——設計排澇模數(shù)，m3／s／km2；

F——排水溝設計斷面所控制的除澇排水面積，km2；

R ——設計凈雨深，mm；α——徑流系數(shù)，旱地α＝0.6；

P——設計暴雨量，一日暴雨量，P＝215.8mm；3日暴雨量，P＝267.2mm；

h1——田間允許滯蓄水深，旱地菜地0mm；

f——歷時二天的水田滲漏量，取f＝6mm；

E——歷時二天的水田蒸發(fā)量，E＝4mm；

t——排水歷時，旱地t＝3天；

經(jīng)計算，旱地的排澇模數(shù)為0.46m3／s／Km2。

b.排水溝設計：斗溝：為減少斗溝的開挖量和占地面積，斗溝比降取地面比降基本相同，斗溝采用梯形斷面型式，邊坡取為1∶1，通過不同的b和h試算，并控制溝內(nèi)水流流速滿足渠道的不沖和不淤流速要求，確定各斗溝的斷面尺寸，采用的公式同斗渠的計算公式。結合治理區(qū)實際情況，該礦塌陷區(qū)相鄰較近，且處于淮北平原地區(qū)，地面高程相差很小，因此設計斗溝統(tǒng)一設計為底寬0.6m，溝深0.7m，設計水深0.5m，壁厚0.1m，底板0.1m，比降1∶1000，經(jīng)計算，設計排澇流量為0.49m3／s。

農(nóng)溝：新建農(nóng)溝采用梯形斷面型式，邊坡取為1∶1，比降為1／2000，通過不同的溝深和水深試算，并考慮控制地下水位要求，最終確定農(nóng)溝底寬采用0.4m，溝深0.48m，水深0.28m。

農(nóng)涵是為田間道，生產(chǎn)路跨斗渠、農(nóng)渠、斗溝、農(nóng)溝而設，因此將農(nóng)涵分為田間道穿斗渠涵管（涵A）、生產(chǎn)路穿斗渠涵管（涵B）、田間道穿斗溝涵管（涵C）、生產(chǎn)路穿斗溝涵管（涵D）、田間道穿農(nóng)溝涵管（涵E）、生產(chǎn)路穿農(nóng)溝涵管（涵F）、田間道穿農(nóng)渠涵管（涵G）、生產(chǎn)路穿農(nóng)渠涵管（涵H）共8種形式。涵洞均設計為鋼筋混凝土園管涵。具體各農(nóng)涵設計見該型號農(nóng)涵設計單體圖。

治理區(qū)共新建農(nóng)涵9座，其中涵B為3座、涵C為1座、涵D為2座、涵G為2座、涵H為1座。

3.3 生產(chǎn)道路工程

（1）工程布置

根據(jù)《土地開發(fā)整理標準》，本治理區(qū)內(nèi)道路分4m寬田間道和2m寬生產(chǎn)路2種規(guī)格。田間道沿斗渠一側布置，生產(chǎn)路沿農(nóng)渠一側布置。田間道路面寬4.0m，生產(chǎn)路路面寬2.0m。4m寬田間道共1條為南東－北西向，總長1054.5m，主要用于村與村之間的連接。2m寬生產(chǎn)路5條，共1488.9m。田間道、生產(chǎn)路全部為新建。

（2）工程設計

a.田間道：田間道沿斗渠平行布置。田間道總長1054.5m，碎石路面寬4m，兩側路肩各寬0.355m，路面高程高出地面0.355m，兩側邊坡為1∶1。田間道采用泥結碎石路面，泥結碎石路面厚0.15m，上鋪0.03m粗砂面層，路面下為碎石基層，厚0.15m，素土路基應分層壓實，壓實度不小于0.93。

b.生產(chǎn)路：生產(chǎn)路沿農(nóng)渠平行布置，寬2m的生產(chǎn)路共5條，總長1488.9m。生產(chǎn)路采用泥結碎石路面，泥結碎石路面厚0.1m。路面高出地面0.213m，兩側邊坡為1∶1，路基應壓實，壓實度不小于0.93。

4 結語

根據(jù)農(nóng)用地標準、生產(chǎn)道路工程標準和農(nóng)田水利標準，對塌陷區(qū)治理工程進行了工程設計，主要設計如下：

（1）采用挖深墊淺的方法，對塌陷區(qū)農(nóng)用地進行了恢復治理。本工程挖方量剩余18659.3m3，滿足土方回填；

（2）根據(jù)水源情況設計了斗渠2支，農(nóng)渠8支。該治理區(qū)灌水率為0.856m3／s／萬畝，渠道設計最大流量為0.091m／s，斗渠1和斗渠2的渠道設計水位分別為32.18m和32.04m，旱地的排澇模數(shù)為0.46m3／s／km2。

（3）治理區(qū)內(nèi)道路分為4m寬田間道和2m寬生產(chǎn)路2種規(guī)格，田間道沿斗渠一側布置，生產(chǎn)路巖農(nóng)渠一側布置，田間道總長為1054.5m，碎石路面寬4m，兩側路肩0.355m，路面高程高出地面0.355m，兩側邊坡為1∶1。生產(chǎn)線路總長1488.9m，路面高出地面0.213m，兩側邊坡為1∶1，路基應壓實，壓實度不小于0.93。

［1］ 武強，陳奇.礦山環(huán)境問題誘發(fā)的綜合環(huán)境效應［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2008，35（5）：81－85.

［2］ 喬岡，徐友寧，何芳，等.采煤塌陷區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境治理模式［J］.中國礦業(yè)，2012，21（11）：55－58.

［3］ 劉飛，陸林.淮北市洪莊村采煤塌陷區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)優(yōu)化研究［J］.安徽師范大學學報（自然科學版），2013，36（3）：263－267.