金属矿水土保持措施体系探讨

孔东莲，郭孟霞，郑培龙

(北京水保生态工程咨询有限公司，北京 100055)

金属矿在开采矿山、堆放废石等过程中易扰动地貌，破坏植被，加速土壤侵蚀，恶化生态环境，若遇雨季洪期，不仅会造成大量水土流失，还会形成山洪和泥石流等地质灾害。因此，金属矿水土流失防治工作极其重要。基于此，我们通过收集相关学术研究成果和2000年以来水利部批复的金属矿水土保持方案和水土保持设施验收等资料，结合对金属矿的水土流失特点和典型案例的实地调查进行统计分析，归纳总结出了不同地貌类型区金属矿露天采场区、工业场地区(含露天采矿工业场地、选矿厂和附属设施区)、排土场区(废石场)和尾矿库区4个防治分区的水土保持措施配置模式。金属矿的矿内外道路、矿内外管线、供电线路和施工生产生活区等防治区的水土保持措施配置模式和其他类型项目的道路工程、管道工程和输电线路的类似，这里不再赘述。

1 露天采场区水土保持措施体系

露天采场是指用矿山设备进行剥离及采矿的场所，为开采所形成的采坑、台阶和露天沟道总称，是金属矿水土流失的防治重点区域。地形地貌为影响露天采场水土保持措施的主要因素，因此本节主要就山丘区和平原区(含新疆戈壁区和内蒙古草原区)两个类型区进行水土保持措施配置。

1.1 山丘区

山丘区露天采场通常三面地势相对较高，开采前，应按照露采剥离计划按需采伐植被，采伐后将表层土剥离，剥离厚度以30 cm为宜。剥离采场范围内的表土，集中堆放于临时堆土场，同时采取拦挡、排水和苫盖等临时防护措施，以备后期植被恢复所用。在开采面坡顶部或开采平台布设浆砌石截洪沟，在出口处设消力坎及排水顺接工程。露天采场在工程运行期间一直处于使用状态，为有效防治水土流失，结合施工的实际情况，通常采取在一个开采平面结束后立即进行整治的方式来治理水土流失。开采过程中，永临结合布设排水沟，在开采平台内侧布设临时排水沟。开采面结束开采后，沿开采坡面坡脚布设浆砌石排水沟，在出口处设沉沙池。开采平台回覆表土、分块整地后，植乔灌草进行植被恢复；开采形成的边坡，在土地整治后种植灌草进行防护。山丘区露天采场水土保持措施体系见图1。

图1 山丘区露天采场水土保持措施体系

1.2 平原区

平原区露天金属矿多位于河北平原区、内蒙古草原区和新疆戈壁区，地形相对开阔、平缓。

开采前按照剥离计划进行表土剥离，集中堆放，并采取临时防护措施。平原区采场上游汇水面积相对较小，通常在露天采场较低处外侧设置浆砌石截水沟，或者在采场周边布设挡水埂，拦截外来雨水汇流，防止雨水对采场边坡的冲刷。干旱区为了合理排除且有效利用矿坑涌水，在开采界线外布设蓄水池。

开采后期，开采平台回覆表土、分块整地后，种植乔灌草进行植被恢复；在开采形成的边坡上种植灌草、坡脚种植藤本植物或植草进行防护。风沙区采场边坡回覆表土后，多采取沙障内种草恢复植被。平原区露天采场水土保持措施体系见图2。

图2 平原区露天采场水土保持措施体系

2 工业场地区水土保持措施体系

2.1 山丘区

山丘区地势起伏比较大，施工过程中为了减少挖填土石方量，工业场地通常依地形采取台阶式竖向布置。施工前，剥离表土并采取临时防护措施，在西藏地区有条件的情况下应剥离草皮，并对草皮进行临时防护。施工过程中，场地内按永临结合原则布设排水设施，在出口处设沉沙池。为了拦截场地外汇水，在场外挖方边坡坡顶外侧布设截水沟，坡脚处布设排水沟及顺接工程，场内台阶间采取挡土墙和边坡进行平台之间的衔接[根据《生产建设项目水土保持方案技术审查要点》(水保监〔2014〕58号)规定，工业场地台阶间挡土墙不界定为水土保持措施]，边坡采取直接种植灌草或在框格内种植灌草的方式进行防护。施工结束后，场内空地回覆表土，进行土地整治，植乔灌草进行园林式绿化。干旱、半干旱地区，场地内应布设雨水收集池，收集雨水以备后期使用。山丘区工业场地区水土保持措施体系见图3。

图3 山丘区工业场地区水土保持措施体系

2.2 平原区

本节所述的平原区工业场地不单指位于平原地区的金属矿，也包括工业场地比较平坦的项目。与山丘区相比，平原区工业场地多采用平坡式竖向布置，场地上游汇水面积较小，通常在场地围墙外布设排水沟或挡水埂，边坡植灌草等防护措施。施工前，剥离表土并及时采取临时防护措施。施工过程中，场地内按照永临结合布设排水设施，干旱地区场地内布设雨水收集池。施工结束后，对场地内空地进行土地整治，回覆表土，采取园林式绿化。平原区水土保持措施体系见图4。

图4 平原区工业场地水土保持措施体系

3 排土场(废石场)区水土保持措施体系

排土场是指集中排放采矿排弃物的场所，也称为废石场，主要堆放露天矿剥离覆盖在矿床上部的表土和岩石、地下矿掘出的岩石，有时也包括可能回收的表外矿、贫矿。根据《冶金矿山排土场设计规范》(GB 51119—2015)，排土场按地形可划分为沟谷型、山坡型和平地型三种。

3.1 沟谷型排土场

排土场弃土过程从基建期一直持续到采场闭矿，占地面积和服务年限相对较长。对于表土资源的保护，如采取预先全部剥离的方案，不仅一次性投资大，堆放场地面积要求大，而且地表植被也一次性全部破坏。因此，排土场采取逐年按需采伐，以求尽可能地保护植被，减少表土存放的量和时间。具体做法为在每年排土前，按采剥进度计划确定弃土量，按弃土量确定剥离表土范围和占地面积。鉴于排土场临时表土堆存时间较长，通常在采取临时拦挡、排水、沉沙和苫盖措施等防护措施的基础上，增加撒播草籽措施。此方法同样适用于山坡型排土场和平地型排土场。

排弃岩土前，为保障排土场的安全，防止沟谷上部汇水对排土场稳定性产生不良影响，根据《冶金矿山排土场设计规范》(GB 51119—2015)规定，在沟谷上游占地边界布设防洪设施，当排土场上游洪水量较小时应布设截水沟，在陡坡段设跌水消能设施，当上游洪水量较大时应布设导流堤，并根据地形条件设置防洪渠或在排土场底部设置暗涵。由于排土场边坡是随着排土的进行不断推进，应遵照先拦后弃原则，排弃岩土前，在排土场边缘谷底处布设挡石坝，根据场地地形、地质、水文、施工、运行及排弃物的岩土组成等确定坝型，主要有堆石坝、干砌石坝和浆砌石坝三类。

排弃过程中，岩土分层堆放，形成多个台阶，为保障排土场边坡稳定、拦截平台地面径流，在平台边缘布设挡水埂或将平台修成3°左右的反坡；在平台内侧布设排水沟，与场地周边截洪沟相连，弃土坡面设置纵向排水沟，形成完善的排水系统。由于排弃服务期较长，应对成形的平台和边坡及时覆土绿化，边坡种植灌草防护或框格植灌草防护，平台种植灌草绿化。沟谷型排土场水土保持措施体系见图5。

图5 沟谷型排土场水土保持措施体系

3.2 山坡型排土场

山坡型排土场沿山坡堆放排弃物，逐步向外扩大，多见于地形起伏较大的山区和重丘区。排弃岩土前，按照表土剥离原则对表土采取保护利用措施。山坡型排土场地表水来自周边坡面，依据坡面汇水面积，在场地三面边界外布设截(排)水沟，在出口处布设沉沙池，拦截坡面来水。为防止坡面弃土弃石发生滑塌，在排土场下游布设浆砌石挡渣墙，对排弃物进行挡护，堆渣坡脚要低于挡渣墙。

排弃结束后，较缓的边坡回覆表土后，栽植乔灌木恢复植被；较陡的边坡撒播草籽绿化，采用草籽和表土混合，搅拌均匀后撒播到排土场边坡。山坡型排土场水土保持措施总体布置见图6。

图6 山坡型排土场水土保持措施体系

3.3 平地型排土场

平地型排土场多见于西北戈壁滩和荒漠草原区，通常以风力侵蚀为主，因此布设水土保持措施应重点考虑防风蚀措施，植物措施应配套灌溉设施。

排弃前，按照表土剥离的原则剥离表土和实施临时防护，为了防止表土风蚀和受雨水冲刷，在堆土表面迎风面采用草帘苫盖；对于戈壁滩表层砾石可利用的情况，应剥离表层砾石，集中堆放，并采取临时防护措施。

为了防止排土场渣石发生滑坡、泻溜，对周边产生危害，场地周边通常布设拦渣围堰或者挡渣墙(拦渣围堰多修筑于平地或河滩地等较为平坦的区域，是用以拦挡排弃物的拦挡工程)，按照筑堰材料可分为土围堰、土石围堰和砌石围堰，根据当地地形地质、水文、施工条件、筑堰材料等确定堰型。

排弃过程中为防风蚀，对排弃物定期洒水压实。排弃平台成形后，因排土场平台面积较大，在排土场顶部平台和台阶平台周边修筑挡水埂，不仅能保护边坡安全，而且拦蓄的径流可为平台植被恢复提供水分条件。戈壁滩和荒漠区年降水量相对较少，因此挡水埂采用土质或者就地采用排弃物修筑围埂即可。平台和边坡回覆表土后，进行土地整治，平台栽植灌草防护，边坡撒播草籽或沙障内种植灌草恢复植被，并配套灌溉设施，可采用移动式洒水车等。不具备灌溉的区域或无法进行植被恢复的废岩排土场边坡，可洒水结皮或铺碎石防护。平地型水土保持措施体系见图7。

图7 平地型排土场水土保持措施体系

4 尾矿库区水土保持措施体系

本研究尾矿库是用以贮存矿石选别后排出的尾矿或其他工业废渣的场所。金属矿产生尾矿数量大，对尾矿库周边的土壤和水体存在潜在的危害，造成的水土流失比较突出。通常按照地形地貌可将尾矿库划分为山谷型、山坡型、平地型和截河型四类[1]。截河型尾矿库维护管理比较复杂，国内采用的不多。山坡型尾矿库是在山坡脚下依山筑坝围成的尾矿库，国内低山丘陵区中小矿山常选用这类尾矿库。因收集的水土保持方案和验收资料均来自国家级大型金属矿项目，没有找到山坡型尾矿库的案例，笔者在从业中也未遇到过，所以这里仅对山谷型和平地型尾矿库进行水土保持措施配置。

4.1 山谷型尾矿库区

山谷型尾矿库是在山谷谷口筑坝形成的尾矿库。特点是初期坝相对较短，坝体工程量较小，后期尾矿堆坝管理维护相对容易，当堆坝较高时，可获得较大的库容；但汇水面积较大时，排洪设施工程量相对较大。我国现有的大、中型尾矿库多属于这种类型。尾矿库区首先只建初期坝，后期再利用粗粒尾矿逐级向上加高坝体，尾矿坝不断增高，库容及占地面积不断增大。施工前，尾矿库采取逐年剥离表土、按需覆土、恢复植被、余土存放的措施，剥离表土和临时防护措施同排土场。

为确保尾矿库的安全并尽可能减少对周围环境的影响，库外布设截洪沟或者拦洪坝，拦截上游汇水。初期坝两端山脊布设截洪沟，截排坡面汇水，坝肩截洪沟随着堆积坝的抬高而不断延长，末端设沉沙池。为防止降雨对尾矿库坝坡的冲刷，通常在初期坝坡面、台阶和坡脚布设排水沟，坝面排水沟分纵向排水沟和横向排水沟两种，纵向排水沟通常间隔40 m设置一条，横向排水沟沿马道内侧布设。根据《尾矿设施设计规范》(GB 50863—2013)规定，上游式尾矿坝的初期坝下游坡面应沿标高每隔10～15 m设一条马道，宽度不宜小于1.5 m，尾矿堆积坝有行车要求时，其宽度不宜小于5 m。坝面横纵向排水沟与两端的截洪沟连通，由此形成排水网，可有效地将坝面雨水和渗水排往下游，运行期在堆积坝每一级坝坡面均布设横向、纵向排水沟。

施工结束后，对库区扰动区进行土地整治，回覆表土，撒播草籽恢复植被。尾矿排放完毕后，对形成的尾矿堆积坡面和平台进行覆土整治，之后采用灌草结合恢复植被。山谷型尾矿库水土保持措施体系见图8。

图8 山谷型尾矿库区水土保持措施体系

4.2 平地型尾矿库区

平地型尾矿库是在平缓地形周边筑坝围成的尾矿库。特点是初期坝和后期尾矿堆坝工程量大，维护管理比较麻烦；周边堆坝，库区面积越来越小，堆坝高度受限制，一般不高；汇水面积小，排水构筑物相对较小。国内平原或沙漠戈壁区常采用这类尾矿库。

平地型尾矿库一般采取三面或四面筑坝。施工前期，分期对占地范围内的表土进行剥离，集中堆放于临时堆放场，以备后期复垦或恢复植被利用。施工过程中，对表土采取临时防护措施，堆土场周围设置临时挡土设施，采用编织袋装土、“品”字形紧密排列的堆砌护坡方式，以防止水力侵蚀，表土采用密目网苫盖和撒播草籽临时防护，堆土场四周布设临时排水沟，末端布设沉沙池。

施工后期，初期坝设置坝面排水沟和坝外排水沟，坝外排水沟沿坝体外脚布设，将库内集水引入坝下游沟道，坝面排水沟是在尾矿堆积体超出初期坝后沿初期坝内缘设置的环向排水沟，二者之间设纵向排水沟连通，接入附近自然排水系统。

考虑到尾矿库运用期间，初期坝填筑至设计高程，尾矿浆滤干后形成尾砂干坡面，由于尾砂颗粒之间缺乏黏性，长期暴露于空气中易产生扬尘，因此沿坝外排水沟外侧布设防护林，采用乔、灌、草结合方式防止风蚀。尾矿坝建成后，为防止坝身水土流失，对坝坡采用草皮防护。当尾矿库分层堆放达到逐级设计高程后，应及时覆土整治，恢复土地的使用功能，栽植乔灌草恢复植被或恢复为耕地。平地型尾矿库水土保持措施体系见图9。

图9 平地型尾矿库水土保持措施体系

5 结 语

金属矿建设内容比较复杂，区域情况差异较大，因此在实践中要综合考虑地貌、气象等因素，做好水土保持临时措施、工程措施和植物措施的配置，这样才能保障把开采过程中的水土流失降到最低，把金属矿开采对项目区的环境影响最小化。

(本文所收集的水土保持方案和水土保持设施验收资料由水利部水土保持监测中心协助完成，在此深表感谢！)