基于价值工程原理在某矿山地质环境恢复治理设计中的比选应用

多晓松，曹俊俏

(1.华北地质勘查局五一四地质大队，河北 承德 067000；2.河北省水文工程地质勘查院，石家庄 050021)

某矿山为灭失矿山迹地，开采方式为露天开采，现已废弃，责任主体灭失，由于在采矿过程中缺少合理的规划及管理，经多年的开采，矿山存在的主要地质环境问题为崩塌、泥石流等地质灾害，以及地貌景观破坏、植被毁坏、土地资源破坏、地表淋滤水入渗、粉尘污染等问题。该矿主要开采大理岩矿石(见图1)，矿山由于多年开采形成7个掌子面，总坡底边长742.2 m，最大高差51.98 m，坡度30°～89°，总坡面面积33 331.1 m2；渣堆4处，占地面积6 232.7 m2，方量约34 156 m3；渣坡14处，坡度20°～45°，总坡面面积36 279 m2；平台10处，平台总面积10 069 m2。矿山破坏总面积66 621 m2。

图1 矿山采坑高陡边坡Fig.1 High and steep slope of mining pit

该矿山最大的地质环境问题是露天开采形成的露天采坑，采坑边坡高陡，掌子面坡度在30°～89°，掌子面岩石较为完整，局部节理裂隙发育，局部掌子面孤石裂隙较大，存在崩塌隐患，掌子面局部顶部原生植被覆盖较好。掌子面形成白茬山，形成强烈的视觉冲击，破坏了土地及植被资源，严重影响地貌景观，同时掌子面坡面存在危岩、浮石等，裂隙发育，已形成崩塌地质灾害，对矿区道路及矿山生人造成威胁[1]。

1 矿山地质环境恢复治理设计方案

在矿山采坑中选取最高陡的一个边坡，该边坡高8～11 m，坡度65°～80°边坡需治理长度136 m，治理面积1 292 m2，根据采坑边坡特征、当地气候特点、地质条件、自然景观及植物群落自然演替规律等，结合乔灌草藤根系特征，设计初步拟定了4个方案：

方案A：上削下垫+绿化方案[2]

本方案设计岩质边坡削坡后边坡角为25°～30°，削坡(Ⅰ部分)后的松散岩质随坡就势垫于采坑底部(Ⅱ部分)，该方案既能消除崩塌地质灾害隐患，又能在削坡后的坡面上进行植被恢复，主要方法如图2。需注意的是削坡后的高陡边坡要与自然地形地貌相互协调，以彻底消除崩塌地质灾害隐患并达到恢复植被的坡度需求，同时削坡前将可能破坏区域表土全部进行剥离，以用于后期覆土工程，尽量减少外运土量。垫坡部分覆土厚度0.5 m，采用鱼鳞坑种植油松，行间距2.0 m，削坡部分覆土0.3 m，种植沙棘、地锦、草本等绿化。高度大于10 m时分级错台，错台高度5 m，马道宽度2.0 m(削坡工程示意图见图2)。

图2 方案A上削下垫+绿化设计方案Fig.2 Scheme A：Upper part cut the hill and lower part pile up slope+ greening design

削坡工程量计算方法见式(1)：

(1)

式中：V—削坡方量，m3；L—采坑边坡整治地带的长度，m；H—削坡段高度，m；a—马道宽度，m；α—设计边坡角，(°)；β—实际边坡角，(°)。

方案B：垫坡绿化方案

为减少削坡对土地资源的破坏，使采坑边坡变缓，利用治理区内清除的残山(梁)、废石堆对治理区内的采坑和高陡边坡进行回填、垫坡(垫坡工程示意图见图3)，从而达到治理后地形地貌与周围地形地貌相一致。

图3 方案B垫坡绿化设计方案Fig.3 Scheme B：Pile up slope greening design

垫坡设计先将大块径废石铺在底部，从坡底开始垫坡，铺垫物粒径由下向上依次减小，如果垫坡废石方量不够用，釆用外运碎石先行铺垫坡底，待垫坡快完成时再釆用采坑周边的废石堆垫坡，垫坡后，坡面角不大于30°。垫坡覆土厚度0.5 m，采用鱼鳞坑种植油松，行间距2.0 m。高度大于10 m时分级错台，错台高度5 m，马道宽度2.0 m。

垫坡的体积计算方法见式(2)：

(2)

式中：V—垫坡方量，m3；L—采坑边坡整治地带的长度，m；H—垫坡段高度，m；a—马道宽度，m；α—设计边坡角，(°)；β—实际边坡角，(°)。

方案C：清危+飘台绿化方案

用Φ18～20 mm钻杆在岩面与岩面垂直钻孔，深度0.5 m以上，间距1.0 m，采用Φ14～16 mm的钢筋锚入孔内。飘台采用钢混现浇结构，首先是锚杆与横筋形成飘台骨架，在钢筋骨架下安装模板，用C25混凝土现浇，使飘台与坡面完全密封。飘台规格内宽0.5 m，内高0.6 m，飘台外倾角20°，壁厚10 cm，上下飘台高差5 m，飘台内植入营养土，台内栽植油松、爬山虎、草本等。采坑底部砌筑挡墙填土绿化。油松间距2.0 m，爬山虎间距0.2 m，飘台外侧下垂类植物间距0.5 m，该方法由于不进行边坡削坡，雨水不易留存渗入，因此在飘台需构设滴灌系统(飘台工程示意图见图4)。

图4 方案C清危+飘台绿化方案Fig.4 Scheme C：Removal of dangerous rock+ Artificial platform greening design

方案D：清危+挂网喷播绿化方案

将铁丝网沿坡面顺势铺设，下铺时拉紧铁丝网，并用钻机在坡面上钻孔，沿坡面用长、短锚杆自上而下固定，使铁丝网与坡面距离3～7 cm。主网钉直径14 mm，长度200 mm；次网钉直径10 mm。长度100 mm。铁丝网采用机编镀锌网，网度50 mm×50 mm，Φ3～4 mm。长锚杆长1.0 m，短锚杆长0.5 m，Φ20 mm，长锚杆与短锚杆交错排列，行间距2.0 m，铁丝网搭接大于10 cm，根据坡面裂隙发育程度，加密锚杆间距及数量(挂网喷播工程示意图见图5)。

图5 方案D清危+挂网喷播绿化方案Fig.5 Scheme D：Removal of dangerous rock+ Fixed wire mesh spray seeding greening design

基质材料将土壤有机质、肥料、黏合剂拌匀，利用喷混机将混合料加保水剂、pH缓冲剂和水拌匀喷射到岩面，喷射厚度5～10 cm，然后把铁丝网覆盖铺设。基质材料喷射凝固后加入花草藤类种子进行基质层面喷射，厚度4～6 cm，保证基质在铁丝网上不少于5 cm，种子喷播后，用13～20 g/m2的无纺布从上至下覆盖固定，待苗出齐后揭除。

2 价值工程原理

价值工程是以提高产品或作业价值为目的，通过有组织的创造性工作，寻求用最低的寿命周期成本，可靠地实现使用者或所需功能的一种管理技术[3]。价值工程所述的“价值”指作为某产品所具有的功能与获得该功能的全部费用的比值，是作为对象的比较价值，作为评价事务有效程度的一种尺度提出来的[4]，这种对比关系可用公式(3)表达：

V=F/C

(3)

式中：V—研究对象的价值；F—研究对象的功能(量化为目标成本)；C—研究对象的成本，即周期寿命成本(现实成本)。

价值工程的目标是以最低的寿命周期成本使产品具有必须的功能，提高对象的价值。其核心是对产品进行功能分析，研究产品结构、材质等，将所要求的功能定量化，即将功能转化为能够与成本直接相比的量化值，在EPC工程中应用比较广泛[5]。

利用价值工程原理将所提出的矿山地质环境恢复治理方案从技术难度、预算费用、运维等方面进行分析评价，并通过强制评分法中0～4打分法等规则进行评分，计算方案价值系数，然后对计算结果选择，在满足方案功能目标的前提下，计算的价值系数数值越大，则方案越优。

该矿山治理设计方案主要是在经济合理的条件下实现消除地质灾害(F1)、恢复生态环境(F2)、修复地貌景观(F3)、降低施工难度(F4)、减少运行维护成本(F5)等功能，对各方案的功能进行评价。首先计算功能的重要性系数，其次计算各方案的功能加权得分后的功能指数，再计算各方案的成本系数，最后获得各方案的价值系数，根据价值系数的大小进行设计方案比选，价值工程系数最大者为最优设计方案，确定最优设计方案后再进行细部优化[6-7]。

3 价值系数计算

3.1 确定各功能的功能指数

确定方案功能重要性系数关键是对功能进行评价打分，方案功能重要性系数主要采用FD法，FD法中0～1打分分档较少，不能分开档次，为了弥补这一不足，将分档扩大为4级，因此采用0～4打分法，打分原则如下：

F1比F2重要得多，则F1得4分，F2得0分；

F1比F2重要，则F1得3分，F2得1分；

F1与F2同等重要，则F1得2分，F2得2分；

F1不如F2重要，则F1得1分，F2得3分；

F1远不如F2重要，则F1得0分，F2得4分。

第i个评价对象的功能指数：

(4)

经计算，各方案的功能指数见表1。

表1 功能重要性评分表

3.2 各功能的评价分析比较

矿山地质环境问题主要由人为及自然因素造成，根据矿山地质环境问题及矿山的地质、水工环、土壤植被及当地气象条件，露天采坑边坡治理方案重点是考虑消除地质灾害、恢复生态植被、修复地貌等，因地制宜，针对拟定的设计方案进行功能的比较分析，单位造价按照边坡坡面面积折算到单位m2计算，见表2。

表2 拟定各治理设计方案功能评价分析

根据价值工程原理，通过单位总工办专家组对方案功能进行评判，功能得分满分按照10分计，各方案单位面积投资指标见表3，拟选方案功能评价系数F分析表见表4。

表3 方案功能得分及单位造价

表4 拟选方案功能评价系数F分析表

3.3 方案成本系数及价值系数计算

根据价值工程原理，该方案成本系数为各方案(单位)造价费用与各方案(单位)造价费用和之比，其计算公式为：

第i个评价对象的成本系数Ci=第i个评价对象成本/各方案成本之和

价值系数为各方案的功能与各方案成本之比，其计算公式为：

(5)

该工程的成本系数与价值系数计算结果见表5。

表5 成本系数与价值系数分析表

4 矿山地质环境恢复治理方案比选

根据价值工程原理，经过价值工程计算，A方案价值系数为1.05，B方案价值系数为0.971，C方案价值系数为0.996，D方案价值系数为0.963，1.05>0.996>0.971>0.963，可见方案A价值系数最大，则选择方案A为最优方案。实际在工程实践中，削坡错台为常见工程措施[8]，作为北方干旱地区，飘台及喷播技术在雨水不足情况下很难恢复生态环境，尤其是对生物多样性起到的作用很小，削坡错台后，增大了绿化面积，本土植物在坡面易成活，且运维费用低[9-10]。

5 结论

矿山地质环境治理工程方案比选是在矿山地质环境勘查阶段提出的，为设计阶段提出合理性建议，通过价值工程原理对矿山地质环境恢复治理工程设计方案比选，计算其价值系数，价值系数最大者为最优设计方案，比简单的采用成本比选更具有科学性及说服力，将经济指标与技术指标结合，能更好指导矿山地质环境工程设计方案，可因地制宜科学合理地进行工程设计，力争做到一矿一策，在方案比选中可推广应用。