金屬礦水土保持措施體系探討

孔東蓮，郭孟霞，鄭培龍

(北京水保生態(tài)工程咨詢有限公司，北京 100055)

金屬礦在開(kāi)采礦山、堆放廢石等過(guò)程中易擾動(dòng)地貌，破壞植被，加速土壤侵蝕，惡化生態(tài)環(huán)境，若遇雨季洪期，不僅會(huì)造成大量水土流失，還會(huì)形成山洪和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。因此，金屬礦水土流失防治工作極其重要。基于此，我們通過(guò)收集相關(guān)學(xué)術(shù)研究成果和2000年以來(lái)水利部批復(fù)的金屬礦水土保持方案和水土保持設(shè)施驗(yàn)收等資料，結(jié)合對(duì)金屬礦的水土流失特點(diǎn)和典型案例的實(shí)地調(diào)查進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，歸納總結(jié)出了不同地貌類型區(qū)金屬礦露天采場(chǎng)區(qū)、工業(yè)場(chǎng)地區(qū)(含露天采礦工業(yè)場(chǎng)地、選礦廠和附屬設(shè)施區(qū))、排土場(chǎng)區(qū)(廢石場(chǎng))和尾礦庫(kù)區(qū)4個(gè)防治分區(qū)的水土保持措施配置模式。金屬礦的礦內(nèi)外道路、礦內(nèi)外管線、供電線路和施工生產(chǎn)生活區(qū)等防治區(qū)的水土保持措施配置模式和其他類型項(xiàng)目的道路工程、管道工程和輸電線路的類似，這里不再贅述。

1 露天采場(chǎng)區(qū)水土保持措施體系

露天采場(chǎng)是指用礦山設(shè)備進(jìn)行剝離及采礦的場(chǎng)所，為開(kāi)采所形成的采坑、臺(tái)階和露天溝道總稱，是金屬礦水土流失的防治重點(diǎn)區(qū)域。地形地貌為影響露天采場(chǎng)水土保持措施的主要因素，因此本節(jié)主要就山丘區(qū)和平原區(qū)(含新疆戈壁區(qū)和內(nèi)蒙古草原區(qū))兩個(gè)類型區(qū)進(jìn)行水土保持措施配置。

1.1 山丘區(qū)

山丘區(qū)露天采場(chǎng)通常三面地勢(shì)相對(duì)較高，開(kāi)采前，應(yīng)按照露采剝離計(jì)劃按需采伐植被，采伐后將表層土剝離，剝離厚度以30 cm為宜。剝離采場(chǎng)范圍內(nèi)的表土，集中堆放于臨時(shí)堆土場(chǎng)，同時(shí)采取攔擋、排水和苫蓋等臨時(shí)防護(hù)措施，以備后期植被恢復(fù)所用。在開(kāi)采面坡頂部或開(kāi)采平臺(tái)布設(shè)漿砌石截洪溝，在出口處設(shè)消力坎及排水順接工程。露天采場(chǎng)在工程運(yùn)行期間一直處于使用狀態(tài)，為有效防治水土流失，結(jié)合施工的實(shí)際情況，通常采取在一個(gè)開(kāi)采平面結(jié)束后立即進(jìn)行整治的方式來(lái)治理水土流失。開(kāi)采過(guò)程中，永臨結(jié)合布設(shè)排水溝，在開(kāi)采平臺(tái)內(nèi)側(cè)布設(shè)臨時(shí)排水溝。開(kāi)采面結(jié)束開(kāi)采后，沿開(kāi)采坡面坡腳布設(shè)漿砌石排水溝，在出口處設(shè)沉沙池。開(kāi)采平臺(tái)回覆表土、分塊整地后，植喬灌草進(jìn)行植被恢復(fù)；開(kāi)采形成的邊坡，在土地整治后種植灌草進(jìn)行防護(hù)。山丘區(qū)露天采場(chǎng)水土保持措施體系見(jiàn)圖1。

圖1 山丘區(qū)露天采場(chǎng)水土保持措施體系

1.2 平原區(qū)

平原區(qū)露天金屬礦多位于河北平原區(qū)、內(nèi)蒙古草原區(qū)和新疆戈壁區(qū)，地形相對(duì)開(kāi)闊、平緩。

開(kāi)采前按照剝離計(jì)劃進(jìn)行表土剝離，集中堆放，并采取臨時(shí)防護(hù)措施。平原區(qū)采場(chǎng)上游匯水面積相對(duì)較小，通常在露天采場(chǎng)較低處外側(cè)設(shè)置漿砌石截水溝，或者在采場(chǎng)周邊布設(shè)擋水埂，攔截外來(lái)雨水匯流，防止雨水對(duì)采場(chǎng)邊坡的沖刷。干旱區(qū)為了合理排除且有效利用礦坑涌水，在開(kāi)采界線外布設(shè)蓄水池。

開(kāi)采后期，開(kāi)采平臺(tái)回覆表土、分塊整地后，種植喬灌草進(jìn)行植被恢復(fù)；在開(kāi)采形成的邊坡上種植灌草、坡腳種植藤本植物或植草進(jìn)行防護(hù)。風(fēng)沙區(qū)采場(chǎng)邊坡回覆表土后，多采取沙障內(nèi)種草恢復(fù)植被。平原區(qū)露天采場(chǎng)水土保持措施體系見(jiàn)圖2。

圖2 平原區(qū)露天采場(chǎng)水土保持措施體系

2 工業(yè)場(chǎng)地區(qū)水土保持措施體系

2.1 山丘區(qū)

山丘區(qū)地勢(shì)起伏比較大，施工過(guò)程中為了減少挖填土石方量，工業(yè)場(chǎng)地通常依地形采取臺(tái)階式豎向布置。施工前，剝離表土并采取臨時(shí)防護(hù)措施，在西藏地區(qū)有條件的情況下應(yīng)剝離草皮，并對(duì)草皮進(jìn)行臨時(shí)防護(hù)。施工過(guò)程中，場(chǎng)地內(nèi)按永臨結(jié)合原則布設(shè)排水設(shè)施，在出口處設(shè)沉沙池。為了攔截場(chǎng)地外匯水，在場(chǎng)外挖方邊坡坡頂外側(cè)布設(shè)截水溝，坡腳處布設(shè)排水溝及順接工程，場(chǎng)內(nèi)臺(tái)階間采取擋土墻和邊坡進(jìn)行平臺(tái)之間的銜接[根據(jù)《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案技術(shù)審查要點(diǎn)》(水保監(jiān)〔2014〕58號(hào))規(guī)定，工業(yè)場(chǎng)地臺(tái)階間擋土墻不界定為水土保持措施]，邊坡采取直接種植灌草或在框格內(nèi)種植灌草的方式進(jìn)行防護(hù)。施工結(jié)束后，場(chǎng)內(nèi)空地回覆表土，進(jìn)行土地整治，植喬灌草進(jìn)行園林式綠化。干旱、半干旱地區(qū)，場(chǎng)地內(nèi)應(yīng)布設(shè)雨水收集池，收集雨水以備后期使用。山丘區(qū)工業(yè)場(chǎng)地區(qū)水土保持措施體系見(jiàn)圖3。

圖3 山丘區(qū)工業(yè)場(chǎng)地區(qū)水土保持措施體系

2.2 平原區(qū)

本節(jié)所述的平原區(qū)工業(yè)場(chǎng)地不單指位于平原地區(qū)的金屬礦，也包括工業(yè)場(chǎng)地比較平坦的項(xiàng)目。與山丘區(qū)相比，平原區(qū)工業(yè)場(chǎng)地多采用平坡式豎向布置，場(chǎng)地上游匯水面積較小，通常在場(chǎng)地圍墻外布設(shè)排水溝或擋水埂，邊坡植灌草等防護(hù)措施。施工前，剝離表土并及時(shí)采取臨時(shí)防護(hù)措施。施工過(guò)程中，場(chǎng)地內(nèi)按照永臨結(jié)合布設(shè)排水設(shè)施，干旱地區(qū)場(chǎng)地內(nèi)布設(shè)雨水收集池。施工結(jié)束后，對(duì)場(chǎng)地內(nèi)空地進(jìn)行土地整治，回覆表土，采取園林式綠化。平原區(qū)水土保持措施體系見(jiàn)圖4。

圖4 平原區(qū)工業(yè)場(chǎng)地水土保持措施體系

3 排土場(chǎng)(廢石場(chǎng))區(qū)水土保持措施體系

排土場(chǎng)是指集中排放采礦排棄物的場(chǎng)所，也稱為廢石場(chǎng)，主要堆放露天礦剝離覆蓋在礦床上部的表土和巖石、地下礦掘出的巖石，有時(shí)也包括可能回收的表外礦、貧礦。根據(jù)《冶金礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 51119—2015)，排土場(chǎng)按地形可劃分為溝谷型、山坡型和平地型三種。

3.1 溝谷型排土場(chǎng)

排土場(chǎng)棄土過(guò)程從基建期一直持續(xù)到采場(chǎng)閉礦，占地面積和服務(wù)年限相對(duì)較長(zhǎng)。對(duì)于表土資源的保護(hù)，如采取預(yù)先全部剝離的方案，不僅一次性投資大，堆放場(chǎng)地面積要求大，而且地表植被也一次性全部破壞。因此，排土場(chǎng)采取逐年按需采伐，以求盡可能地保護(hù)植被，減少表土存放的量和時(shí)間。具體做法為在每年排土前，按采剝進(jìn)度計(jì)劃確定棄土量，按棄土量確定剝離表土范圍和占地面積。鑒于排土場(chǎng)臨時(shí)表土堆存時(shí)間較長(zhǎng)，通常在采取臨時(shí)攔擋、排水、沉沙和苫蓋措施等防護(hù)措施的基礎(chǔ)上，增加撒播草籽措施。此方法同樣適用于山坡型排土場(chǎng)和平地型排土場(chǎng)。

排棄巖土前，為保障排土場(chǎng)的安全，防止溝谷上部匯水對(duì)排土場(chǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響，根據(jù)《冶金礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 51119—2015)規(guī)定，在溝谷上游占地邊界布設(shè)防洪設(shè)施，當(dāng)排土場(chǎng)上游洪水量較小時(shí)應(yīng)布設(shè)截水溝，在陡坡段設(shè)跌水消能設(shè)施，當(dāng)上游洪水量較大時(shí)應(yīng)布設(shè)導(dǎo)流堤，并根據(jù)地形條件設(shè)置防洪渠或在排土場(chǎng)底部設(shè)置暗涵。由于排土場(chǎng)邊坡是隨著排土的進(jìn)行不斷推進(jìn)，應(yīng)遵照先攔后棄原則，排棄巖土前，在排土場(chǎng)邊緣谷底處布設(shè)擋石壩，根據(jù)場(chǎng)地地形、地質(zhì)、水文、施工、運(yùn)行及排棄物的巖土組成等確定壩型，主要有堆石壩、干砌石壩和漿砌石壩三類。

排棄過(guò)程中，巖土分層堆放，形成多個(gè)臺(tái)階，為保障排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定、攔截平臺(tái)地面徑流，在平臺(tái)邊緣布設(shè)擋水埂或?qū)⑵脚_(tái)修成3°左右的反坡；在平臺(tái)內(nèi)側(cè)布設(shè)排水溝，與場(chǎng)地周邊截洪溝相連，棄土坡面設(shè)置縱向排水溝，形成完善的排水系統(tǒng)。由于排棄服務(wù)期較長(zhǎng)，應(yīng)對(duì)成形的平臺(tái)和邊坡及時(shí)覆土綠化，邊坡種植灌草防護(hù)或框格植灌草防護(hù)，平臺(tái)種植灌草綠化。溝谷型排土場(chǎng)水土保持措施體系見(jiàn)圖5。

圖5 溝谷型排土場(chǎng)水土保持措施體系

3.2 山坡型排土場(chǎng)

山坡型排土場(chǎng)沿山坡堆放排棄物，逐步向外擴(kuò)大，多見(jiàn)于地形起伏較大的山區(qū)和重丘區(qū)。排棄巖土前，按照表土剝離原則對(duì)表土采取保護(hù)利用措施。山坡型排土場(chǎng)地表水來(lái)自周邊坡面，依據(jù)坡面匯水面積，在場(chǎng)地三面邊界外布設(shè)截(排)水溝，在出口處布設(shè)沉沙池，攔截坡面來(lái)水。為防止坡面棄土棄石發(fā)生滑塌，在排土場(chǎng)下游布設(shè)漿砌石擋渣墻，對(duì)排棄物進(jìn)行擋護(hù)，堆渣坡腳要低于擋渣墻。

排棄結(jié)束后，較緩的邊坡回覆表土后，栽植喬灌木恢復(fù)植被；較陡的邊坡撒播草籽綠化，采用草籽和表土混合，攪拌均勻后撒播到排土場(chǎng)邊坡。山坡型排土場(chǎng)水土保持措施總體布置見(jiàn)圖6。

圖6 山坡型排土場(chǎng)水土保持措施體系

3.3 平地型排土場(chǎng)

平地型排土場(chǎng)多見(jiàn)于西北戈壁灘和荒漠草原區(qū)，通常以風(fēng)力侵蝕為主，因此布設(shè)水土保持措施應(yīng)重點(diǎn)考慮防風(fēng)蝕措施，植物措施應(yīng)配套灌溉設(shè)施。

排棄前，按照表土剝離的原則剝離表土和實(shí)施臨時(shí)防護(hù)，為了防止表土風(fēng)蝕和受雨水沖刷，在堆土表面迎風(fēng)面采用草簾苫蓋；對(duì)于戈壁灘表層礫石可利用的情況，應(yīng)剝離表層礫石，集中堆放，并采取臨時(shí)防護(hù)措施。

為了防止排土場(chǎng)渣石發(fā)生滑坡、瀉溜，對(duì)周邊產(chǎn)生危害，場(chǎng)地周邊通常布設(shè)攔渣圍堰或者擋渣墻(攔渣圍堰多修筑于平地或河灘地等較為平坦的區(qū)域，是用以攔擋排棄物的攔擋工程)，按照筑堰材料可分為土圍堰、土石圍堰和砌石圍堰，根據(jù)當(dāng)?shù)氐匦蔚刭|(zhì)、水文、施工條件、筑堰材料等確定堰型。

排棄過(guò)程中為防風(fēng)蝕，對(duì)排棄物定期灑水壓實(shí)。排棄平臺(tái)成形后，因排土場(chǎng)平臺(tái)面積較大，在排土場(chǎng)頂部平臺(tái)和臺(tái)階平臺(tái)周邊修筑擋水埂，不僅能保護(hù)邊坡安全，而且攔蓄的徑流可為平臺(tái)植被恢復(fù)提供水分條件。戈壁灘和荒漠區(qū)年降水量相對(duì)較少，因此擋水埂采用土質(zhì)或者就地采用排棄物修筑圍埂即可。平臺(tái)和邊坡回覆表土后，進(jìn)行土地整治，平臺(tái)栽植灌草防護(hù)，邊坡撒播草籽或沙障內(nèi)種植灌草恢復(fù)植被，并配套灌溉設(shè)施，可采用移動(dòng)式灑水車等。不具備灌溉的區(qū)域或無(wú)法進(jìn)行植被恢復(fù)的廢巖排土場(chǎng)邊坡，可灑水結(jié)皮或鋪碎石防護(hù)。平地型水土保持措施體系見(jiàn)圖7。

圖7 平地型排土場(chǎng)水土保持措施體系

4 尾礦庫(kù)區(qū)水土保持措施體系

本研究尾礦庫(kù)是用以貯存礦石選別后排出的尾礦或其他工業(yè)廢渣的場(chǎng)所。金屬礦產(chǎn)生尾礦數(shù)量大，對(duì)尾礦庫(kù)周邊的土壤和水體存在潛在的危害，造成的水土流失比較突出。通常按照地形地貌可將尾礦庫(kù)劃分為山谷型、山坡型、平地型和截河型四類[1]。截河型尾礦庫(kù)維護(hù)管理比較復(fù)雜，國(guó)內(nèi)采用的不多。山坡型尾礦庫(kù)是在山坡腳下依山筑壩圍成的尾礦庫(kù)，國(guó)內(nèi)低山丘陵區(qū)中小礦山常選用這類尾礦庫(kù)。因收集的水土保持方案和驗(yàn)收資料均來(lái)自國(guó)家級(jí)大型金屬礦項(xiàng)目，沒(méi)有找到山坡型尾礦庫(kù)的案例，筆者在從業(yè)中也未遇到過(guò)，所以這里僅對(duì)山谷型和平地型尾礦庫(kù)進(jìn)行水土保持措施配置。

4.1 山谷型尾礦庫(kù)區(qū)

山谷型尾礦庫(kù)是在山谷谷口筑壩形成的尾礦庫(kù)。特點(diǎn)是初期壩相對(duì)較短，壩體工程量較小，后期尾礦堆壩管理維護(hù)相對(duì)容易，當(dāng)堆壩較高時(shí)，可獲得較大的庫(kù)容；但匯水面積較大時(shí)，排洪設(shè)施工程量相對(duì)較大。我國(guó)現(xiàn)有的大、中型尾礦庫(kù)多屬于這種類型。尾礦庫(kù)區(qū)首先只建初期壩，后期再利用粗粒尾礦逐級(jí)向上加高壩體，尾礦壩不斷增高，庫(kù)容及占地面積不斷增大。施工前，尾礦庫(kù)采取逐年剝離表土、按需覆土、恢復(fù)植被、余土存放的措施，剝離表土和臨時(shí)防護(hù)措施同排土場(chǎng)。

為確保尾礦庫(kù)的安全并盡可能減少對(duì)周圍環(huán)境的影響，庫(kù)外布設(shè)截洪溝或者攔洪壩，攔截上游匯水。初期壩兩端山脊布設(shè)截洪溝，截排坡面匯水，壩肩截洪溝隨著堆積壩的抬高而不斷延長(zhǎng)，末端設(shè)沉沙池。為防止降雨對(duì)尾礦庫(kù)壩坡的沖刷，通常在初期壩坡面、臺(tái)階和坡腳布設(shè)排水溝，壩面排水溝分縱向排水溝和橫向排水溝兩種，縱向排水溝通常間隔40 m設(shè)置一條，橫向排水溝沿馬道內(nèi)側(cè)布設(shè)。根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50863—2013)規(guī)定，上游式尾礦壩的初期壩下游坡面應(yīng)沿標(biāo)高每隔10～15 m設(shè)一條馬道，寬度不宜小于1.5 m，尾礦堆積壩有行車要求時(shí)，其寬度不宜小于5 m。壩面橫縱向排水溝與兩端的截洪溝連通，由此形成排水網(wǎng)，可有效地將壩面雨水和滲水排往下游，運(yùn)行期在堆積壩每一級(jí)壩坡面均布設(shè)橫向、縱向排水溝。

施工結(jié)束后，對(duì)庫(kù)區(qū)擾動(dòng)區(qū)進(jìn)行土地整治，回覆表土，撒播草籽恢復(fù)植被。尾礦排放完畢后，對(duì)形成的尾礦堆積坡面和平臺(tái)進(jìn)行覆土整治，之后采用灌草結(jié)合恢復(fù)植被。山谷型尾礦庫(kù)水土保持措施體系見(jiàn)圖8。

圖8 山谷型尾礦庫(kù)區(qū)水土保持措施體系

4.2 平地型尾礦庫(kù)區(qū)

平地型尾礦庫(kù)是在平緩地形周邊筑壩圍成的尾礦庫(kù)。特點(diǎn)是初期壩和后期尾礦堆壩工程量大，維護(hù)管理比較麻煩；周邊堆壩，庫(kù)區(qū)面積越來(lái)越小，堆壩高度受限制，一般不高；匯水面積小，排水構(gòu)筑物相對(duì)較小。國(guó)內(nèi)平原或沙漠戈壁區(qū)常采用這類尾礦庫(kù)。

平地型尾礦庫(kù)一般采取三面或四面筑壩。施工前期，分期對(duì)占地范圍內(nèi)的表土進(jìn)行剝離，集中堆放于臨時(shí)堆放場(chǎng)，以備后期復(fù)墾或恢復(fù)植被利用。施工過(guò)程中，對(duì)表土采取臨時(shí)防護(hù)措施，堆土場(chǎng)周圍設(shè)置臨時(shí)擋土設(shè)施，采用編織袋裝土、“品”字形緊密排列的堆砌護(hù)坡方式，以防止水力侵蝕，表土采用密目網(wǎng)苫蓋和撒播草籽臨時(shí)防護(hù)，堆土場(chǎng)四周布設(shè)臨時(shí)排水溝，末端布設(shè)沉沙池。

施工后期，初期壩設(shè)置壩面排水溝和壩外排水溝，壩外排水溝沿壩體外腳布設(shè)，將庫(kù)內(nèi)集水引入壩下游溝道，壩面排水溝是在尾礦堆積體超出初期壩后沿初期壩內(nèi)緣設(shè)置的環(huán)向排水溝，二者之間設(shè)縱向排水溝連通，接入附近自然排水系統(tǒng)。

考慮到尾礦庫(kù)運(yùn)用期間，初期壩填筑至設(shè)計(jì)高程，尾礦漿濾干后形成尾砂干坡面，由于尾砂顆粒之間缺乏黏性，長(zhǎng)期暴露于空氣中易產(chǎn)生揚(yáng)塵，因此沿壩外排水溝外側(cè)布設(shè)防護(hù)林，采用喬、灌、草結(jié)合方式防止風(fēng)蝕。尾礦壩建成后，為防止壩身水土流失，對(duì)壩坡采用草皮防護(hù)。當(dāng)尾礦庫(kù)分層堆放達(dá)到逐級(jí)設(shè)計(jì)高程后，應(yīng)及時(shí)覆土整治，恢復(fù)土地的使用功能，栽植喬灌草恢復(fù)植被或恢復(fù)為耕地。平地型尾礦庫(kù)水土保持措施體系見(jiàn)圖9。

圖9 平地型尾礦庫(kù)水土保持措施體系

5 結(jié) 語(yǔ)

金屬礦建設(shè)內(nèi)容比較復(fù)雜，區(qū)域情況差異較大，因此在實(shí)踐中要綜合考慮地貌、氣象等因素，做好水土保持臨時(shí)措施、工程措施和植物措施的配置，這樣才能保障把開(kāi)采過(guò)程中的水土流失降到最低，把金屬礦開(kāi)采對(duì)項(xiàng)目區(qū)的環(huán)境影響最小化。

(本文所收集的水土保持方案和水土保持設(shè)施驗(yàn)收資料由水利部水土保持監(jiān)測(cè)中心協(xié)助完成，在此深表感謝！)