高原高寒地區(qū)自然生態(tài)集排水系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)

熊 濤， 劉 帥， 李 津， 梁俊安， 辛素偉， 趙競(jìng)賽， 高 超， 胡 航， 郭 鵬， 辛 順

(中煤地質(zhì)集團(tuán)有限公司，北京 100049)

近年來露天煤礦修復(fù)成為環(huán)境保護(hù)的熱點(diǎn)[1]，礦山環(huán)境下成果保護(hù)成為木里礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)最重要的一步[2]。大量的數(shù)據(jù)表明，木里高寒礦區(qū)因風(fēng)化作用強(qiáng)等特點(diǎn)且存在凍土層的寒季和暖季反復(fù)凍融作用，以往的圬工結(jié)構(gòu)排水溝在高寒礦區(qū)易發(fā)生變形、破損和沉降，土工布等排水溝雖起到了一定效果，但通透性不足、易破損及后期易造成污染[3-5]。通過對(duì)現(xiàn)有國(guó)內(nèi)礦山治理排水系統(tǒng)的梳理，結(jié)合地形地貌、自然環(huán)境等條件提出適合木里高寒礦區(qū)生態(tài)修復(fù)且與自然生態(tài)相融合的截排水系統(tǒng)[6-9]。通過木里現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的對(duì)比，實(shí)施了坡頂擋水墻、坡面跌水溝、坡底截水溝與平面主溝、支溝、毛細(xì)溝等溝溝相連優(yōu)勢(shì)明顯的自然生態(tài)截排水系統(tǒng)，有效地保護(hù)了降雨匯水對(duì)植被的破壞，對(duì)木里高寒礦區(qū)種草復(fù)綠成果起到有效的保護(hù)作用。

1 截排水溝作用及設(shè)置原則

1.1 作用

礦山開發(fā)正在改變著礦產(chǎn)當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境，產(chǎn)生了不良影響。露天采礦形成的采坑高陡邊坡和渣堆四周存在不穩(wěn)定邊坡，易形成邊坡失穩(wěn)直接導(dǎo)致地表植被破壞。坡度陡峻，基巖出露，渣堆壓實(shí)處理不到位，加之物理風(fēng)化作用和雨水沖刷產(chǎn)生裂隙，地表水下滲，易沿坡體形成危巖危坡，局部穩(wěn)定性較差[10-11]。

采坑周邊地表水和降雨不斷向坑內(nèi)排泄漏失，潛水水位下降，導(dǎo)致植被退化，而地表植被一旦遭受破壞，植被復(fù)綠難度大，成活率小，植被破壞或退化；在風(fēng)力侵蝕作用和工程設(shè)備碾壓下，造成采坑周邊土地沙化，不但造成土壤質(zhì)量下降，還會(huì)造成水土流失，礦區(qū)水源涵養(yǎng)功能也隨之衰減[12-13]。露天采場(chǎng)邊坡巖體上部、排土場(chǎng)剝離物堆放受水力沖蝕，極易造成滑坡、坍塌等問題，引起并加劇水土流失。另外，露天剝采形成新的裸露地表，亦可增加水土流失量[14-15]。

因此，針對(duì)采坑、渣山等礦區(qū)進(jìn)行覆土復(fù)綠生態(tài)修復(fù)，必須修筑建立完善的集排水系統(tǒng)，對(duì)安全行洪和水土保持具有重要的作用，為植被恢復(fù)生長(zhǎng)奠定重要的基礎(chǔ)。

1.2 設(shè)置原則

通過調(diào)研梳理，按照礦山生態(tài)修復(fù)治理的需要，針對(duì)不同的影響問題，有的放矢的建立完善的集排水系統(tǒng)，遵循以下主要原則：

1)盡量將排水溝布置在低洼地帶，并充分利用天然溝道。排水設(shè)施的排洪導(dǎo)水能力要按照既定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校核演算。排水設(shè)施要實(shí)現(xiàn)有效順接，形成系統(tǒng)，才能真正實(shí)現(xiàn)其排水功能。

2)注意與蓄水利用工程有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)天然降水的綜合利用。

3)合理分流礦區(qū)地表徑流，隨著匯水流量的增加，逐級(jí)增大匯排水能力。盡量使溝道順直，上下級(jí)互相垂直，便于匯流的順利排導(dǎo)。

4)排水溝的布置，應(yīng)使構(gòu)建物與土石方工程量最少，盡量保證基礎(chǔ)的穩(wěn)定。

5)在有外水入侵處布置截流溝，將外水引入排水干溝或直接排至承泄區(qū)。對(duì)于礦區(qū)坡面的排水設(shè)施的布設(shè)在考慮外水的同時(shí)，對(duì)坡面自身的徑流還需分級(jí)匯排。

6)礦區(qū)地表水排水系統(tǒng)一般采用明排系統(tǒng)，但是過道路或是相關(guān)設(shè)施時(shí)可采用暗排。明排設(shè)施在基礎(chǔ)條件好、壓實(shí)程度高的區(qū)域可優(yōu)選剛性的排水溝，在一些排水量相對(duì)不大的區(qū)域或表面覆土、易受氣候影響的情況下可采用柔性排水溝。

2 截排水溝類型分類及特點(diǎn)

通過梳理目前幾種常用的截排水溝加固類型，將礦山地表截排水工程系統(tǒng)現(xiàn)有的截排水溝加固類型按照剛性和柔性進(jìn)行了分類，具體分類見表1。

表1 截排水溝加固類型分類Table 1 Intercepting drainage ditch consolidation type classification

3 集排水系統(tǒng)方案對(duì)比

木里礦區(qū)在本次治理前，已開展了部分采坑、渣山等的治理工作。通過治理不同程度取得了一定成效。但仍存在和遺留部分問題，其中原有采坑、渣山邊坡在治理時(shí)采用了不同加固方式的集排水系統(tǒng)，比如聚乎更五號(hào)井渣山采用的混凝土砌塊截排水溝，聚乎更四號(hào)井南渣山采用的土工布截排水溝等，雖然取得了一定效果，但通過時(shí)間的檢驗(yàn)仍存在一定程度的問題，本文擬對(duì)兩種截排水溝進(jìn)行對(duì)比分析，為本次高原高寒礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)治理提供有益的借鑒。

3.1 聚乎更五號(hào)井渣山混凝土砌塊截排水溝

木里礦區(qū)聚乎更區(qū)五號(hào)井針對(duì)渣山開展了削坡整形、排水系統(tǒng)建立和種草復(fù)綠工作，取得了一定的治理效果。其中針對(duì)渣山主要采用混凝土砌塊截排水溝建立排水系統(tǒng)。

3.1.1 施工技術(shù)指標(biāo)

截排水溝采用C30砼現(xiàn)澆，并接入場(chǎng)區(qū)排水系統(tǒng)外排。截排水溝工程剖面如圖1所示。

3.1.2 施工技術(shù)要求

1)截排水溝采用C30砼現(xiàn)澆，水溝縱向坡率不小于0.3%，并接入場(chǎng)區(qū)排水系統(tǒng)外排。

2)為防止溫差裂縫和渠道不均勻沉降知成溝渠斷裂，在平臺(tái)與陡坎銜接處進(jìn)行分縫，伸縮縫間距15 000mm，縫寬30mm，填縫做好防滲。

3)截排水溝彎道處，采用圓弧形連接，保證提水暢通，圓弧外側(cè)加高100mm。

4)坡面根據(jù)匯水適當(dāng)調(diào)整間距，修筑排水溝，避免因下雨沖刷坡面，或因臺(tái)階地面積水，影響植物的生長(zhǎng)。

圖1 聚乎更五號(hào)井截排水溝剖面Figure 1 Intercepting drainage ditch section of Juhugeng coalmine No.5

在五號(hào)井渣山采用混凝土砌塊截排水溝起到了一定疏排水作用，且外觀質(zhì)量好、抗沖能力強(qiáng)，屬剛性加固方式的集排水系統(tǒng)。該類型截排水溝受地形條件的限制，施工技術(shù)要求相對(duì)復(fù)雜，執(zhí)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)較多，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工管理要求較高；同時(shí)，隨著木里礦區(qū)氣候變化降雨降雪和凍土層凍融的影響，易發(fā)生變形、破損和沉降，帶來后期整改維護(hù)難度加大，疏排效果產(chǎn)生較大影響(圖2)。

圖2 聚乎更五號(hào)井渣山混凝土砌塊排水溝Figure 2 Waste dump concrete block drainage ditchin Juhugeng coalmine No.5

3.2 聚乎更四號(hào)井南渣山土工布截排水溝

木里礦區(qū)聚乎更區(qū)四號(hào)井以往年度開展了削頂減載、排水系統(tǒng)建立和種草復(fù)綠工作，取得了一定的治理效果。其中針對(duì)渣山主要采用土工布截排水溝來建立排水系統(tǒng)。

3.2.1 施工技術(shù)指標(biāo)

1)土工布型號(hào)及規(guī)格。400g(國(guó)標(biāo))及以上，厚度1mm及以上。

2)截排水溝規(guī)格。坡頂截水溝規(guī)格1 000mm×600mm×600mm，坡腳排水溝規(guī)格1 200mm×800mm×600mm，平臺(tái)排水溝規(guī)格 800mm×500mm×500mm。

3.2.2 施工技術(shù)要求

1)開挖的渣土質(zhì)集水溝整形后，溝壁表層、溝底夯實(shí)進(jìn)行壓實(shí)。

2)鋪設(shè)土工布時(shí)應(yīng)力求焊縫最少，在保證質(zhì)量的前提下，盡量節(jié)約原材料,同時(shí)保證質(zhì)量。

3)土工布之間接縫的搭接寬度不小于10cm，通常使焊縫排列方向平行于最大坡度，即沿坡度方向排列。

4)通常在拐角及畸形地段，應(yīng)是接縫長(zhǎng)度盡量減短。除特殊要求外，在坡度大于1∶6的斜坡上距頂坡或應(yīng)力集中區(qū)域1.5m范圍內(nèi)，盡量不設(shè)焊縫。

5)土工布之間焊接開始前，必須在現(xiàn)場(chǎng)先試焊一條0.9mm×0.3mm的試樣搭接寬度不小于10cm，并用拉力機(jī)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行剝離和剪切試驗(yàn)試樣合格后，便可用當(dāng)時(shí)調(diào)整好的速度、壓力、溫度進(jìn)行正式焊接。

6)土工布鋪設(shè)完成后，應(yīng)盡量減少在膜面上行走、搬動(dòng)工具等，凡能對(duì)布造成危害的物件，均不應(yīng)放在布上或攜帶在布上行走，以免對(duì)布造成意外損傷。

在四號(hào)井南渣山采用土工布截排水溝起到了一定疏排水作用，減少了對(duì)排水溝基底的沖刷，且土工布鋪設(shè)較為方便，對(duì)地形的適用性較強(qiáng)，屬柔性加固方式的集排水系統(tǒng)。但隨著南渣山北側(cè)前緣滑坡體裂縫的變化，加之礦區(qū)氣候變化和凍土層凍融的影響，土工布通氣性和透水性效果產(chǎn)生了較大差異，排水溝基地受到影響，易發(fā)生破損和沉降變形，后期整改維護(hù)相關(guān)工序繁瑣，且易造成二次環(huán)境污染(圖3)。

圖3 聚乎更四號(hào)井南渣山土工布排水溝Figure 3 South waste dump Gongbu drainage ditchin Juhugeng coalmine No.4

4 自然生態(tài)集排水系統(tǒng)

高寒礦區(qū)多年凍土存在季節(jié)活動(dòng)層的寒季和暖季反復(fù)凍融作用，圬工結(jié)構(gòu)集水溝在高寒礦區(qū)易發(fā)生變形、破損和沉降，土工布等柔性集排水溝雖起到了一定效果，但通透性不足、易破損，所以需要針對(duì)性采用一種抗沖刷、易施工和維護(hù)的集排水系統(tǒng)。通過對(duì)現(xiàn)有國(guó)內(nèi)排水系統(tǒng)的梳理和木里現(xiàn)場(chǎng)的對(duì)比實(shí)踐形成了一種柔性自然生態(tài)集水溝在高寒礦區(qū)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)非常明顯。

高寒礦區(qū)自然生態(tài)集排水系統(tǒng)主要通過對(duì)開挖的渣土質(zhì)集水溝整形后，沿整形后坡面和平臺(tái)開挖排水溝槽，在溝壁表層夯實(shí)，在溝底面鋪設(shè)碎石并再次進(jìn)行壓實(shí)，撒播配方草種，人工輕耱使草種與表層基質(zhì)混合，覆蓋無紡布的方式形成集排水系統(tǒng)。

4.1 施工技術(shù)指標(biāo)

采坑邊幫區(qū)域周邊應(yīng)完善截排水系統(tǒng)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整布設(shè)。布設(shè)原則：坡頂設(shè)通長(zhǎng)截水溝，坡面同一標(biāo)高區(qū)的平臺(tái)應(yīng)設(shè)置通長(zhǎng)平臺(tái)排水溝，縱向水溝在混合質(zhì)邊坡區(qū)坡面布設(shè)，縱向水溝按30m間距布設(shè)[16-18]。

截排水溝修筑主要的依據(jù)地形及等高線，采用從高到低，根據(jù)實(shí)際情況分圖斑進(jìn)行。為防止羊板糞浪費(fèi)，排水溝修筑在攤鋪羊板糞之前完成，并且坡面跌水溝和坡底截水溝相連通，坑底主溝和支溝聯(lián)通，由主溝排至附近河流[19-20]。

截水溝采用土溝方式，溝壁表層夯實(shí)，壓實(shí)度不小于0.85。顆粒有機(jī)肥用量3kg/m2。草種采用同德短芒披堿草、青海草地早熟禾、青海冷地早熟禾、青海中華羊茅的混播比例為1∶1∶1∶1，用量6g/m2。無紡布為 20～22g/m2。

截排水溝規(guī)格：坡頂截水溝規(guī)格800mm×500mm×500mm，坡腳排水溝規(guī)格1 060mm×700mm×500mm，平臺(tái)排水溝規(guī)格 500mm×300mm×300mm，跌水溝坡率按照1∶1.12換算。局部區(qū)域截排水溝可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況適當(dāng)加大規(guī)格。

4.2 施工技術(shù)要求

1)溝槽夯實(shí)和碎石鋪設(shè)。開挖的渣土質(zhì)集水溝整形后，溝壁表層夯實(shí)，壓實(shí)度不小于0.85。在溝底面鋪設(shè)碎石并再次進(jìn)行壓實(shí)，增加土體的抗剪強(qiáng)度，提高邊坡的穩(wěn)定性、抗暴雨抗沖刷能力，以及抗風(fēng)蝕的能力。同時(shí)，截排水溝基地的正常自然沉降與底部鋪墊的碎石仍易形成整體。現(xiàn)有的木里礦區(qū)圬工結(jié)構(gòu)集水溝和土工布等柔性集排水溝均存在一定程度的共性問題，比如經(jīng)長(zhǎng)期或較大瞬時(shí)降雨沖刷后，圬工結(jié)構(gòu)和土工布與截排水溝基地分離，形成空隙未能形成整體，且排水溝基地未做針對(duì)性處理，存在沖刷破壞嚴(yán)重的情況。

同時(shí)，在溝槽內(nèi)播撒草種，溝底鋪設(shè)的碎石覆蓋可以提高土壤保水、保墑性能，同時(shí)起到調(diào)節(jié)被壓覆層的溫度的作用，有利于草種生長(zhǎng)成活。

2)邊坡放緩和植被重建。對(duì)坡體過高或坡度過大的邊坡，首先人工削坡，通過放緩原坡體使邊坡穩(wěn)定性達(dá)到安全要求，坡度放緩后利用水土保持和植被的生長(zhǎng)。溝槽內(nèi)有渣土和添加有機(jī)肥能夠提升溝內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量，增強(qiáng)土壤肥力，改良土壤結(jié)構(gòu)，能改善草本植物根系營(yíng)養(yǎng)環(huán)境，提高渣土養(yǎng)分，利用草籽成長(zhǎng)，復(fù)綠效果保持。

3)草種根莖固土。區(qū)內(nèi)配方草種植物根系具有吸收、輸送植物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的功能及分泌、收縮的特性，同時(shí)兼具復(fù)雜的彈性和塑性力學(xué)性質(zhì)，對(duì)邊坡穩(wěn)定的防護(hù)有著植物地上莖葉部分無法替代的功效，它如同交互錯(cuò)雜的“天然鋼筋”，同邊坡土壤形成混合結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了土體的強(qiáng)度。表層草皮可以為坡面提供良好的覆蓋層，草的莖葉能夠降雨截留，削弱濺蝕，增大糙率并減緩坡面流速，草的表面根系形成了一層土根的復(fù)合護(hù)面層，增強(qiáng)了裸露基土的抗沖蝕能力，同時(shí)草的深根錨固了基土。

4.3 效果和推廣前景

目前集排水系統(tǒng)主要分為傳統(tǒng)技術(shù)措施和生態(tài)綠色措施。常見的傳統(tǒng)技術(shù)主要結(jié)構(gòu)為漿砌石和混凝土等，而這些材料不僅施工難度相對(duì)較大，而且對(duì)周邊環(huán)境易造成再次破壞，且在高寒礦區(qū)易發(fā)生變形、破損和沉降，施工周期長(zhǎng)，成本高，相比于傳統(tǒng)技術(shù)自然生態(tài)截排水溝具有自我修復(fù)能力強(qiáng)、能耗物低及環(huán)境兼容性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。

柔性自然生態(tài)集水溝具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，特別是在多年凍土區(qū)的自然生態(tài)集排水溝具有抵抗凍脹產(chǎn)生的剪切作用，柔性可更好的適應(yīng)土體的不均勻凍脹、融沉變形，減少集水溝破損，從而達(dá)到延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)期、維修周期和節(jié)約成本的目的。同時(shí)自然生態(tài)集排水溝在高寒地區(qū)較之傳統(tǒng)圬工結(jié)構(gòu)施工時(shí)間更短，更高效。

工程實(shí)踐分析表明，圬工結(jié)構(gòu)截水溝每延米價(jià)格為150～300元。而自然生態(tài)截水溝每延米價(jià)格為30～80元。自然生態(tài)集水溝在高寒礦區(qū)具有施工方便、成本低，且在保證穩(wěn)定性基礎(chǔ)上起到了很好的保護(hù)生態(tài)環(huán)境的作用效果，同時(shí)還具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

高寒礦區(qū)自然生態(tài)集排水系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)目前已在青海省木里礦區(qū)完成試驗(yàn)和應(yīng)用，并且取得了良好效果。高寒礦區(qū)自然生態(tài)集排水系統(tǒng)未來還可以運(yùn)用在高寒地區(qū)各種場(chǎng)景，如高寒地區(qū)礦區(qū)修復(fù)、公路建設(shè)、鐵路建設(shè)等，同時(shí)，自然生態(tài)集水溝技術(shù)也能滿足其他降雨量較小的干旱地區(qū)，也可為其他地區(qū)提供新思路。

5 結(jié)論

1)經(jīng)過文獻(xiàn)收集和調(diào)研，針對(duì)截排水溝的作用和設(shè)置原則，將現(xiàn)有的截排水溝系統(tǒng)梳理后劃分為剛性和柔性兩種類別，可細(xì)分為漿砌片石、混凝土預(yù)制件、土工布、生態(tài)袋、自然排水溝五種加固形式，在礦山生態(tài)治理過程中應(yīng)充分考慮施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況采取選取相對(duì)應(yīng)的截排水溝。

2)木里礦區(qū)原有采坑、渣山邊坡在治理時(shí)采用了不同加固方式的集排水系統(tǒng)，通過治理不同程度取得了一定成效，但仍存在和遺留部分問題影響種草復(fù)綠效果。

3)通過木里現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的對(duì)比，實(shí)施了邊坡?lián)跛畨Α⒌疁?、截水溝與平面主溝、支溝、毛細(xì)溝等溝溝相連、植被固土優(yōu)勢(shì)明顯的自然生態(tài)截排水系統(tǒng)，有效的保護(hù)了降雨匯水對(duì)植被的破壞，對(duì)木里高寒礦區(qū)種草復(fù)綠成果起到有效的保護(hù)作用。

致謝：衷心感謝青海省木里礦區(qū)生態(tài)治理項(xiàng)目技術(shù)總負(fù)責(zé)王佟教授級(jí)高級(jí)工程師對(duì)本文的悉心指導(dǎo)和幫助，感謝木里項(xiàng)目組成員對(duì)本文相關(guān)研究的支持！