付龍飛
(陜西華正生態(tài)建設(shè)設(shè)計監(jiān)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(xiàn)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(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題[1-3]。隨著國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和對環(huán)境保護(hù)工程的重視,目前,已經(jīng)有較多的地區(qū)采取了礦山生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理工程,并取得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境效益[4-6]。礦山生態(tài)環(huán)境問題涉及學(xué)科多、工程較為復(fù)雜,治理難度大。結(jié)合眉縣某中型礦山工程,對礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)工程進(jìn)行研究。
眉縣中型礦山生態(tài)環(huán)境建設(shè)項目屬于秦嶺北麓,為了保護(hù)秦嶺生態(tài)環(huán)境,促進(jìn)人與自然和諧共生,推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè),實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展,對其1號開采點進(jìn)行治理,1號開采區(qū)位于眉縣齊鎮(zhèn)上磨石村西磨石溝內(nèi),該項目距離眉縣縣城約20 km,距離310國道18 km,距離齊鎮(zhèn)12 km,距離磨石村8 km,雖距離國道和鄉(xiāng)鎮(zhèn)村距離較近,但磨石村至礦區(qū)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(xiàn)狀總體影像
根據(jù)本次治理區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程目標(biāo)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?guī)r巖體完整性好,強(qiáng)度高,裂隙基本不發(fā)育,治理難度極大,對施工工藝及后期的養(yǎng)護(hù)質(zhì)量提出較高的要求。根據(jù)開采立面的自身特點,采用,網(wǎng)格梁配套喬灌木、邊坡栽植爬山虎恢復(fù)生態(tài)環(huán)境。
(2)對于坡度緩于60°邊坡,網(wǎng)格梁植生槽配合進(jìn)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(nèi)配套噴灌等輔助工程,配備專人對綠化植物進(jìn)行后期培育和養(yǎng)護(hù)。
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(jìn)行清理,防止施工時發(fā)生安全事故,對無法清理的大石塊采用3 m長Φ22隨機(jī)錨桿進(jìn)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(wǎng)格梁種植槽
按照5.0 m×5.0 m的間距自下而上,設(shè)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(shè)置一道沉降縫,縫內(nèi)采用瀝青麻絲填充。方格梁內(nèi)部配6根ф22的主筋和ф16@200的箍筋。為保證網(wǎng)格梁能與山體連為一體,在網(wǎng)格梁上按照2.5 m×2.5 m的橫豎向布設(shè)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(nèi)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(nèi)部配置ф16@200的主筋和ф12@200的箍筋,鋼筋保護(hù)層厚度不小于2.5 cm。網(wǎng)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(wǎng)格梁內(nèi)掛網(wǎng)噴播綠化
對邊坡坡度小于60°的網(wǎng)格梁內(nèi)的裸露邊坡,采用掛網(wǎng)噴播綠化。按照2 m×2 m的間排距布設(shè)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(shè)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(wǎng)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(wǎng),鐵絲網(wǎng)與緊貼種植土。在無法緊貼種植土的部位補(bǔ)打副錨桿;掛網(wǎng)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(tǒng)
5)種植槽綠化
在種植槽內(nèi)采用喬灌結(jié)合綠化,每隔2.5 m,種植一株1.5 m高的側(cè)柏,一級苗。在側(cè)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(nèi)側(cè)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(xiàn)場較為平整的裸露地面,采區(qū)鋪30 cm種植土后,進(jìn)行喬草結(jié)合綠化,綠化面積為2 511 m2。按照3 m×3 m的間排距補(bǔ)植側(cè)拍,側(cè)柏苗高1.5 m,一級苗;對裸露區(qū)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(tǒng)設(shè)計
由于礦山治理時需要栽植苗木進(jìn)行綠化,為保證苗木的成活率需要進(jìn)行補(bǔ)水灌溉,因此需要設(shè)計灌溉系統(tǒng),由于項目區(qū)內(nèi)缺少水源,只能在項目區(qū)西側(cè)的山溝中攔截降雨洪水,作為灌溉水源。
在1#開采面西南側(cè)的山溝中建設(shè)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(cè)為2.8 m高M(jìn)10漿砌石擋墻。
本次設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)圖集05S502《室外給水管道附屬構(gòu)筑物》,井壁采用磚拱結(jié)構(gòu),平面形狀為圓形,井身采用C25現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),上部內(nèi)徑φ800 mm,井下部內(nèi)徑φ1 200 mm,井蓋采用預(yù)制鋼筋砼井蓋,蓋板厚度為200 mm。
因為現(xiàn)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(xiàn)場在山頂設(shè)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(jù)現(xiàn)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?,F(xiàn)場安裝一臺潛水泵,水泵型號為150QJ10-150/18,電機(jī)功率為7.5 kw。配套1 km的3×4 mm2,銅電纜。
10)灌溉管網(wǎng),
噴灌輸水DN40干管(1.0 mpa)150 m;DN25PE灌溉支管2 600 m;微噴旋轉(zhuǎn)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。
2.3.1 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(yuǎn)小于20 km2,可直接將點雨量當(dāng)作面雨量計。查《寶雞地區(qū)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(shè)計洪峰流量(m3/s);K徑流系數(shù),項目區(qū)植被良好,查規(guī)范為0.15;I十年一遇最大一小時降雨強(qiáng)度(38 mm/h);F集雨面積,0.01 km2。
經(jīng)計算,頂部截水溝流量為0.015 m3/s。
渠道橫斷面設(shè)計按明渠均勻流公式進(jìn)行試算:
(2)
式中:Q渠道設(shè)計流量,m3/s;ω過水?dāng)嗝婷娣e,m2;R水力半徑;C謝才系數(shù);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(guān)系
根據(jù)衛(wèi)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(yuǎn)小于20 km2,可直接將點雨量當(dāng)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(shè)計洪水總量
根據(jù)降雨量推求設(shè)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(shù),項目位于山區(qū),匯流區(qū)植被較好,查規(guī)范取0.15。
經(jīng)計算,設(shè)計洪水總量為645 m3。
3)設(shè)計洪水流量
采用以下公式計算:
Q=0.278KIF
(4)
式中:Q為設(shè)計洪峰流量(m3/s);K徑流系數(shù),查規(guī)范為0.15;I十年一遇最大一小時降雨強(qiáng)度,(38 mm/h);F集雨面積,0.055 km2。
經(jīng)計算,流量為0.09 m3/s。
4)引水渠斷面尺寸設(shè)計
5)輸水管斷面設(shè)計
6)底部蓄水池設(shè)計
由于礦山治理時需要栽植苗木進(jìn)行綠化,為保證苗木的成活率需要進(jìn)行補(bǔ)水灌溉,根據(jù)本設(shè)計,本次設(shè)計礦山綠化面積為8 100 m2,根據(jù)陜西省《行業(yè)用水定額》(DB61/T943—2014)項目區(qū)綠化管理灌溉需水為2 L/(m2·d),考慮干旱時單次灌溉養(yǎng)護(hù)期為30 d。
V灌=8 100×2×20/1 000=486 m3
(5)
結(jié)合洪水總量,本次設(shè)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(jié)構(gòu),平面形狀為圓形,井身采用C25現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),上部內(nèi)徑φ800 mm,井下部內(nèi)徑φ1 200 mm,井蓋采用預(yù)制鋼筋砼井蓋,蓋板厚度為200 mm。
7)頂部蓄水池設(shè)計:由于現(xiàn)場落差比較大,采用水泵抽水灌溉無法達(dá)到要求,現(xiàn)場在山頂設(shè)計一座小型蓄水池,用以保證每天的灌溉。由于本次設(shè)計礦山綠化面積為8 100 m2,每天灌溉水量為16.2 m3。設(shè)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(jù)供水規(guī)模,按每天運(yùn)行2 h考慮,設(shè)計流量為2.25 L/s,由于揚(yáng)程較大,管道選用鍍鋅鋼管,依據(jù)規(guī)范確定管道的經(jīng)濟(jì)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(shè)計補(bǔ)水管道內(nèi)部直徑為50 mm、外徑56 mm的鍍鋅鋼管。根據(jù)現(xiàn)場地形,管道布設(shè)長度為226 m,連接方式采用焊接連接。
揚(yáng)程為水池最低水位至山頂蓄水池最高水位的高差,加上設(shè)備運(yùn)行所需水頭,故水泵設(shè)計凈揚(yáng)程均為135 m,加上管道水頭損失2.232 m,設(shè)計總揚(yáng)程為137.232 m。由于本工程流量較小,潛水泵只設(shè)1臺,布置于500 m3蓄水池內(nèi),潛水泵葉輪安裝高程為1 215.0 m,水泵運(yùn)行時必須保證進(jìn)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(shù)
2.3.3 噴灌制度設(shè)計
1)灌水器選擇及布置
噴頭采用微噴旋轉(zhuǎn)型,噴嘴直徑為1.2 mm,其性能參數(shù)如下:工作壓力0.2 Mpa,射程3 m,全圓噴灑流量60 L/h,設(shè)計布置間距為2.5 m。依據(jù)《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T50085—2007),噴頭采用正方形布置方式。
2)設(shè)計保證率
結(jié)合項目區(qū)的自然條件和經(jīng)濟(jì)條件,選取噴灌設(shè)計保證率為85%。
3)作物蒸散發(fā)量ETd
設(shè)計作物騰發(fā)量ETd取值4 mm/d。
4)灌溉水利用系數(shù)
依據(jù)《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T50085—2007)4.1.3,
η=ηG·ηp
(7)
式中:η灌溉水利用系數(shù);ηG管道水利用系數(shù)取0.98;ηp田間噴灑水利用系數(shù)取0.9;
計算得噴灌系統(tǒng)灌溉水利用系數(shù)為η=0.88。
5)允許噴灌強(qiáng)度ρ
項目取允許噴灌強(qiáng)度=12 mm/h。
6)噴灌均勻系數(shù)Cu
項目取噴灌均勻系數(shù)Cu=0.75。
7)計劃濕潤土層深h
結(jié)合作物根系分布特性,選取計劃濕潤土層深Z=0.5 m。
8)設(shè)計日灌水時間td
設(shè)計日灌水時間td見表2。
表2 設(shè)計日灌水時間
結(jié)合項目布置情況及園區(qū)管理經(jīng)驗,設(shè)計系統(tǒng)日工作小時數(shù)td=10 h。
2.3.4 灌溉制度
1)設(shè)計灌水定額m
根據(jù)陜西省綠化管理推薦數(shù)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(shè)計灌水定額(mm);ETd作物日蒸散發(fā)量(mm/d),4 mm/d。
將上述參數(shù)代入上式計算得T=10 d。
3)設(shè)計噴灌強(qiáng)度ρs復(fù)核
(9)
式中:ρs單噴頭全圓噴灑時的噴灌強(qiáng)度,mm/h;qp噴頭流量,m3/h;R噴頭射程,m;噴灑水利用系數(shù)。
噴灌系統(tǒng)的計算噴灌強(qiáng)度ρs=1.9 mm/h,經(jīng)復(fù)核:設(shè)計噴灌強(qiáng)度ρs<允許噴灌強(qiáng)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(shù)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(diào)整。
(2)一天工作位置數(shù)nd
依據(jù)《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T50085—2007)4.4.3,按照下式計算
(11)
式中:td設(shè)計日灌水時間;
將上述參數(shù)代入上式計算得nd=1.30,取整為1。
(3)噴頭數(shù)np及輪灌組劃分
同時工作的噴頭數(shù)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(shù);Np灌區(qū)噴頭總數(shù),Np=648只;
將上述參數(shù)代入上式計算得np=648/1/10=64.8,取65。
根據(jù)實際供水能力與現(xiàn)場種植結(jié)構(gòu)及地勢地貌特點,將灌溉區(qū)域設(shè)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(qū)域數(shù)量略有差別,盡可能使每個輪灌組管控面積及噴頭數(shù)均等,以保證水泵流量穩(wěn)定,維持在高效區(qū)工作;同一條干管上數(shù)條支管同時工作時,適當(dāng)分散水流,減少干管流量及損失。
以眉縣中型礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)工程為 研究對象,對裸露基巖面的生態(tài)治理、修復(fù)工程設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。結(jié)合場區(qū)水文、環(huán)境、地質(zhì)條件,采用攔水壩+蓄水池+截水溝+網(wǎng)格梁相結(jié)合的工程措施,并配合植被措施綜合治理方案以恢復(fù)礦山生態(tài)環(huán)境。為了保證長效治理效果,分析了礦區(qū)植被灌溉制度以及管道設(shè)計。可為類似礦山生態(tài)修復(fù)工程提供參考。