金屬礦水土保持措施體系探討

孔東蓮，郭孟霞，鄭培龍

(北京水保生態工程咨詢有限公司，北京 100055)

金屬礦在開采礦山、堆放廢石等過程中易擾動地貌，破壞植被，加速土壤侵蝕，惡化生態環境，若遇雨季洪期，不僅會造成大量水土流失，還會形成山洪和泥石流等地質災害。因此，金屬礦水土流失防治工作極其重要?；诖?，我們通過收集相關學術研究成果和2000年以來水利部批復的金屬礦水土保持方案和水土保持設施驗收等資料，結合對金屬礦的水土流失特點和典型案例的實地調查進行統計分析，歸納總結出了不同地貌類型區金屬礦露天采場區、工業場地區(含露天采礦工業場地、選礦廠和附屬設施區)、排土場區(廢石場)和尾礦庫區4個防治分區的水土保持措施配置模式。金屬礦的礦內外道路、礦內外管線、供電線路和施工生產生活區等防治區的水土保持措施配置模式和其他類型項目的道路工程、管道工程和輸電線路的類似，這里不再贅述。

1 露天采場區水土保持措施體系

露天采場是指用礦山設備進行剝離及采礦的場所，為開采所形成的采坑、臺階和露天溝道總稱，是金屬礦水土流失的防治重點區域。地形地貌為影響露天采場水土保持措施的主要因素，因此本節主要就山丘區和平原區(含新疆戈壁區和內蒙古草原區)兩個類型區進行水土保持措施配置。

1.1 山丘區

山丘區露天采場通常三面地勢相對較高，開采前，應按照露采剝離計劃按需采伐植被，采伐后將表層土剝離，剝離厚度以30 cm為宜。剝離采場范圍內的表土，集中堆放于臨時堆土場，同時采取攔擋、排水和苫蓋等臨時防護措施，以備后期植被恢復所用。在開采面坡頂部或開采平臺布設漿砌石截洪溝，在出口處設消力坎及排水順接工程。露天采場在工程運行期間一直處于使用狀態，為有效防治水土流失，結合施工的實際情況，通常采取在一個開采平面結束后立即進行整治的方式來治理水土流失。開采過程中，永臨結合布設排水溝，在開采平臺內側布設臨時排水溝。開采面結束開采后，沿開采坡面坡腳布設漿砌石排水溝，在出口處設沉沙池。開采平臺回覆表土、分塊整地后，植喬灌草進行植被恢復；開采形成的邊坡，在土地整治后種植灌草進行防護。山丘區露天采場水土保持措施體系見圖1。

圖1 山丘區露天采場水土保持措施體系

1.2 平原區

平原區露天金屬礦多位于河北平原區、內蒙古草原區和新疆戈壁區，地形相對開闊、平緩。

開采前按照剝離計劃進行表土剝離，集中堆放，并采取臨時防護措施。平原區采場上游匯水面積相對較小，通常在露天采場較低處外側設置漿砌石截水溝，或者在采場周邊布設擋水埂，攔截外來雨水匯流，防止雨水對采場邊坡的沖刷。干旱區為了合理排除且有效利用礦坑涌水，在開采界線外布設蓄水池。

開采后期，開采平臺回覆表土、分塊整地后，種植喬灌草進行植被恢復；在開采形成的邊坡上種植灌草、坡腳種植藤本植物或植草進行防護。風沙區采場邊坡回覆表土后，多采取沙障內種草恢復植被。平原區露天采場水土保持措施體系見圖2。

圖2 平原區露天采場水土保持措施體系

2 工業場地區水土保持措施體系

2.1 山丘區

山丘區地勢起伏比較大，施工過程中為了減少挖填土石方量，工業場地通常依地形采取臺階式豎向布置。施工前，剝離表土并采取臨時防護措施，在西藏地區有條件的情況下應剝離草皮，并對草皮進行臨時防護。施工過程中，場地內按永臨結合原則布設排水設施，在出口處設沉沙池。為了攔截場地外匯水，在場外挖方邊坡坡頂外側布設截水溝，坡腳處布設排水溝及順接工程，場內臺階間采取擋土墻和邊坡進行平臺之間的銜接[根據《生產建設項目水土保持方案技術審查要點》(水保監〔2014〕58號)規定，工業場地臺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種植灌草的方式進行防護。施工結束后，場內空地回覆表土，進行土地整治，植喬灌草進行園林式綠化。干旱、半干旱地區，場地內應布設雨水收集池，收集雨水以備后期使用。山丘區工業場地區水土保持措施體系見圖3。

圖3 山丘區工業場地區水土保持措施體系

2.2 平原區

本節所述的平原區工業場地不單指位于平原地區的金屬礦，也包括工業場地比較平坦的項目。與山丘區相比，平原區工業場地多采用平坡式豎向布置，場地上游匯水面積較小，通常在場地圍墻外布設排水溝或擋水埂，邊坡植灌草等防護措施。施工前，剝離表土并及時采取臨時防護措施。施工過程中，場地內按照永臨結合布設排水設施，干旱地區場地內布設雨水收集池。施工結束后，對場地內空地進行土地整治，回覆表土，采取園林式綠化。平原區水土保持措施體系見圖4。

圖4 平原區工業場地水土保持措施體系

3 排土場(廢石場)區水土保持措施體系

排土場是指集中排放采礦排棄物的場所，也稱為廢石場，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，有時也包括可能回收的表外礦、貧礦。根據《冶金礦山排土場設計規范》(GB 51119—2015)，排土場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

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

排棄巖土前，為保障排土場的安全，防止溝谷上部匯水對排土場穩定性產生不良影響，根據《冶金礦山排土場設計規范》(GB 51119—2015)規定，在溝谷上游占地邊界布設防洪設施，當排土場上游洪水量較小時應布設截水溝，在陡坡段設跌水消能設施，當上游洪水量較大時應布設導流堤，并根據地形條件設置防洪渠或在排土場底部設置暗涵。由于排土場邊坡是隨著排土的進行不斷推進，應遵照先攔后棄原則，排棄巖土前，在排土場邊緣谷底處布設擋石壩，根據場地地形、地質、水文、施工、運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。

排棄過程中，巖土分層堆放，形成多個臺階，為保障排土場邊坡穩定、攔截平臺地面徑流，在平臺邊緣布設擋水埂或將平臺修成3°左右的反坡；在平臺內側布設排水溝，與場地周邊截洪溝相連，棄土坡面設置縱向排水溝，形成完善的排水系統。由于排棄服務期較長，應對成形的平臺和邊坡及時覆土綠化，邊坡種植灌草防護或框格植灌草防護，平臺種植灌草綠化。溝谷型排土場水土保持措施體系見圖5。

圖5 溝谷型排土場水土保持措施體系

3.2 山坡型排土場

山坡型排土場沿山坡堆放排棄物，逐步向外擴大，多見于地形起伏較大的山區和重丘區。排棄巖土前，按照表土剝離原則對表土采取保護利用措施。山坡型排土場地表水來自周邊坡面，依據坡面匯水面積，在場地三面邊界外布設截(排)水溝，在出口處布設沉沙池，攔截坡面來水。為防止坡面棄土棄石發生滑塌，在排土場下游布設漿砌石擋渣墻，對排棄物進行擋護，堆渣坡腳要低于擋渣墻。

排棄結束后，較緩的邊坡回覆表土后，栽植喬灌木恢復植被；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邊坡。山坡型排土場水土保持措施總體布置見圖6。

圖6 山坡型排土場水土保持措施體系

3.3 平地型排土場

平地型排土場多見于西北戈壁灘和荒漠草原區，通常以風力侵蝕為主，因此布設水土保持措施應重點考慮防風蝕措施，植物措施應配套灌溉設施。

排棄前，按照表土剝離的原則剝離表土和實施臨時防護，為了防止表土風蝕和受雨水沖刷，在堆土表面迎風面采用草簾苫蓋；對于戈壁灘表層礫石可利用的情況，應剝離表層礫石，集中堆放，并采取臨時防護措施。

為了防止排土場渣石發生滑坡、瀉溜，對周邊產生危害，場地周邊通常布設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，根據當地地形地質、水文、施工條件、筑堰材料等確定堰型。

排棄過程中為防風蝕，對排棄物定期灑水壓實。排棄平臺成形后，因排土場平臺面積較大，在排土場頂部平臺和臺階平臺周邊修筑擋水埂，不僅能保護邊坡安全，而且攔蓄的徑流可為平臺植被恢復提供水分條件。戈壁灘和荒漠區年降水量相對較少，因此擋水埂采用土質或者就地采用排棄物修筑圍埂即可。平臺和邊坡回覆表土后，進行土地整治，平臺栽植灌草防護，邊坡撒播草籽或沙障內種植灌草恢復植被，并配套灌溉設施，可采用移動式灑水車等。不具備灌溉的區域或無法進行植被恢復的廢巖排土場邊坡，可灑水結皮或鋪碎石防護。平地型水土保持措施體系見圖7。

圖7 平地型排土場水土保持措施體系

4 尾礦庫區水土保持措施體系

本研究尾礦庫是用以貯存礦石選別后排出的尾礦或其他工業廢渣的場所。金屬礦產生尾礦數量大，對尾礦庫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]。截河型尾礦庫維護管理比較復雜，國內采用的不多。山坡型尾礦庫是在山坡腳下依山筑壩圍成的尾礦庫，國內低山丘陵區中小礦山常選用這類尾礦庫。因收集的水土保持方案和驗收資料均來自國家級大型金屬礦項目，沒有找到山坡型尾礦庫的案例，筆者在從業中也未遇到過，所以這里僅對山谷型和平地型尾礦庫進行水土保持措施配置。

4.1 山谷型尾礦庫區

山谷型尾礦庫是在山谷谷口筑壩形成的尾礦庫。特點是初期壩相對較短，壩體工程量較小，后期尾礦堆壩管理維護相對容易，當堆壩較高時，可獲得較大的庫容；但匯水面積較大時，排洪設施工程量相對較大。我國現有的大、中型尾礦庫多屬于這種類型。尾礦庫區首先只建初期壩，后期再利用粗粒尾礦逐級向上加高壩體，尾礦壩不斷增高，庫容及占地面積不斷增大。施工前，尾礦庫采取逐年剝離表土、按需覆土、恢復植被、余土存放的措施，剝離表土和臨時防護措施同排土場。

為確保尾礦庫的安全并盡可能減少對周圍環境的影響，庫外布設截洪溝或者攔洪壩，攔截上游匯水。初期壩兩端山脊布設截洪溝，截排坡面匯水，壩肩截洪溝隨著堆積壩的抬高而不斷延長，末端設沉沙池。為防止降雨對尾礦庫壩坡的沖刷，通常在初期壩坡面、臺階和坡腳布設排水溝，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設置一條，橫向排水溝沿馬道內側布設。根據《尾礦設施設計規范》(GB 50863—2013)規定，上游式尾礦壩的初期壩下游坡面應沿標高每隔10～15 m設一條馬道，寬度不宜小于1.5 m，尾礦堆積壩有行車要求時，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，可有效地將壩面雨水和滲水排往下游，運行期在堆積壩每一級壩坡面均布設橫向、縱向排水溝。

施工結束后，對庫區擾動區進行土地整治，回覆表土，撒播草籽恢復植被。尾礦排放完畢后，對形成的尾礦堆積坡面和平臺進行覆土整治，之后采用灌草結合恢復植被。山谷型尾礦庫水土保持措施體系見圖8。

圖8 山谷型尾礦庫區水土保持措施體系

4.2 平地型尾礦庫區

平地型尾礦庫是在平緩地形周邊筑壩圍成的尾礦庫。特點是初期壩和后期尾礦堆壩工程量大，維護管理比較麻煩；周邊堆壩，庫區面積越來越小，堆壩高度受限制，一般不高；匯水面積小，排水構筑物相對較小。國內平原或沙漠戈壁區常采用這類尾礦庫。

平地型尾礦庫一般采取三面或四面筑壩。施工前期，分期對占地范圍內的表土進行剝離，集中堆放于臨時堆放場，以備后期復墾或恢復植被利用。施工過程中，對表土采取臨時防護措施，堆土場周圍設置臨時擋土設施，采用編織袋裝土、“品”字形緊密排列的堆砌護坡方式，以防止水力侵蝕，表土采用密目網苫蓋和撒播草籽臨時防護，堆土場四周布設臨時排水溝，末端布設沉沙池。

施工后期，初期壩設置壩面排水溝和壩外排水溝，壩外排水溝沿壩體外腳布設，將庫內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緣設置的環向排水溝，二者之間設縱向排水溝連通，接入附近自然排水系統。

考慮到尾礦庫運用期間，初期壩填筑至設計高程，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，長期暴露于空氣中易產生揚塵，因此沿壩外排水溝外側布設防護林，采用喬、灌、草結合方式防止風蝕。尾礦壩建成后，為防止壩身水土流失，對壩坡采用草皮防護。當尾礦庫分層堆放達到逐級設計高程后，應及時覆土整治，恢復土地的使用功能，栽植喬灌草恢復植被或恢復為耕地。平地型尾礦庫水土保持措施體系見圖9。

圖9 平地型尾礦庫水土保持措施體系

5 結 語

金屬礦建設內容比較復雜，區域情況差異較大，因此在實踐中要綜合考慮地貌、氣象等因素，做好水土保持臨時措施、工程措施和植物措施的配置，這樣才能保障把開采過程中的水土流失降到最低，把金屬礦開采對項目區的環境影響最小化。

(本文所收集的水土保持方案和水土保持設施驗收資料由水利部水土保持監測中心協助完成，在此深表感謝！)