高原高寒地区自然生态集排水系统构建技术

熊 涛， 刘 帅， 李 津， 梁俊安， 辛素伟， 赵竞赛， 高 超， 胡 航， 郭 鹏， 辛 顺

(中煤地质集团有限公司，北京 100049)

近年来露天煤矿修复成为环境保护的热点[1]，矿山环境下成果保护成为木里矿区生态环境保护最重要的一步[2]。大量的数据表明，木里高寒矿区因风化作用强等特点且存在冻土层的寒季和暖季反复冻融作用，以往的圬工结构排水沟在高寒矿区易发生变形、破损和沉降，土工布等排水沟虽起到了一定效果，但通透性不足、易破损及后期易造成污染[3-5]。通过对现有国内矿山治理排水系统的梳理，结合地形地貌、自然环境等条件提出适合木里高寒矿区生态修复且与自然生态相融合的截排水系统[6-9]。通过木里现场实践的对比，实施了坡顶挡水墙、坡面跌水沟、坡底截水沟与平面主沟、支沟、毛细沟等沟沟相连优势明显的自然生态截排水系统，有效地保护了降雨汇水对植被的破坏，对木里高寒矿区种草复绿成果起到有效的保护作用。

1 截排水沟作用及设置原则

1.1 作用

矿山开发正在改变着矿产当地的自然环境，产生了不良影响。露天采矿形成的采坑高陡边坡和渣堆四周存在不稳定边坡，易形成边坡失稳直接导致地表植被破坏。坡度陡峻，基岩出露，渣堆压实处理不到位，加之物理风化作用和雨水冲刷产生裂隙，地表水下渗，易沿坡体形成危岩危坡，局部稳定性较差[10-11]。

采坑周边地表水和降雨不断向坑内排泄漏失，潜水水位下降，导致植被退化，而地表植被一旦遭受破坏，植被复绿难度大，成活率小，植被破坏或退化；在风力侵蚀作用和工程设备碾压下，造成采坑周边土地沙化，不但造成土壤质量下降，还会造成水土流失，矿区水源涵养功能也随之衰减[12-13]。露天采场边坡岩体上部、排土场剥离物堆放受水力冲蚀，极易造成滑坡、坍塌等问题，引起并加剧水土流失。另外，露天剥采形成新的裸露地表，亦可增加水土流失量[14-15]。

因此，针对采坑、渣山等矿区进行覆土复绿生态修复，必须修筑建立完善的集排水系统，对安全行洪和水土保持具有重要的作用，为植被恢复生长奠定重要的基础。

1.2 设置原则

通过调研梳理，按照矿山生态修复治理的需要，针对不同的影响问题，有的放矢的建立完善的集排水系统，遵循以下主要原则：

1)尽量将排水沟布置在低洼地带，并充分利用天然沟道。排水设施的排洪导水能力要按照既定的标准进行校核演算。排水设施要实现有效顺接，形成系统，才能真正实现其排水功能。

2)注意与蓄水利用工程有效结合，实现天然降水的综合利用。

3)合理分流矿区地表径流，随着汇水流量的增加，逐级增大汇排水能力。尽量使沟道顺直，上下级互相垂直，便于汇流的顺利排导。

4)排水沟的布置，应使构建物与土石方工程量最少，尽量保证基础的稳定。

5)在有外水入侵处布置截流沟，将外水引入排水干沟或直接排至承泄区。对于矿区坡面的排水设施的布设在考虑外水的同时，对坡面自身的径流还需分级汇排。

6)矿区地表水排水系统一般采用明排系统，但是过道路或是相关设施时可采用暗排。明排设施在基础条件好、压实程度高的区域可优选刚性的排水沟，在一些排水量相对不大的区域或表面覆土、易受气候影响的情况下可采用柔性排水沟。

2 截排水沟类型分类及特点

通过梳理目前几种常用的截排水沟加固类型，将矿山地表截排水工程系统现有的截排水沟加固类型按照刚性和柔性进行了分类，具体分类见表1。

表1 截排水沟加固类型分类Table 1 Intercepting drainage ditch consolidation type classification

3 集排水系统方案对比

木里矿区在本次治理前，已开展了部分采坑、渣山等的治理工作。通过治理不同程度取得了一定成效。但仍存在和遗留部分问题，其中原有采坑、渣山边坡在治理时采用了不同加固方式的集排水系统，比如聚乎更五号井渣山采用的混凝土砌块截排水沟，聚乎更四号井南渣山采用的土工布截排水沟等，虽然取得了一定效果，但通过时间的检验仍存在一定程度的问题，本文拟对两种截排水沟进行对比分析，为本次高原高寒矿区生态恢复治理提供有益的借鉴。

3.1 聚乎更五号井渣山混凝土砌块截排水沟

木里矿区聚乎更区五号井针对渣山开展了削坡整形、排水系统建立和种草复绿工作，取得了一定的治理效果。其中针对渣山主要采用混凝土砌块截排水沟建立排水系统。

3.1.1 施工技术指标

截排水沟采用C30砼现浇，并接入场区排水系统外排。截排水沟工程剖面如图1所示。

3.1.2 施工技术要求

1)截排水沟采用C30砼现浇，水沟纵向坡率不小于0.3%，并接入场区排水系统外排。

2)为防止温差裂缝和渠道不均匀沉降知成沟渠断裂，在平台与陡坎衔接处进行分缝，伸缩缝间距15 000mm，缝宽30mm，填缝做好防渗。

3)截排水沟弯道处，采用圆弧形连接，保证提水畅通，圆弧外侧加高100mm。

4)坡面根据汇水适当调整间距，修筑排水沟，避免因下雨冲刷坡面，或因台阶地面积水，影响植物的生长。

图1 聚乎更五号井截排水沟剖面Figure 1 Intercepting drainage ditch section of Juhugeng coalmine No.5

在五号井渣山采用混凝土砌块截排水沟起到了一定疏排水作用，且外观质量好、抗冲能力强，属刚性加固方式的集排水系统。该类型截排水沟受地形条件的限制，施工技术要求相对复杂，执行的技术标准较多，对现场施工管理要求较高；同时，随着木里矿区气候变化降雨降雪和冻土层冻融的影响，易发生变形、破损和沉降，带来后期整改维护难度加大，疏排效果产生较大影响(图2)。

图2 聚乎更五号井渣山混凝土砌块排水沟Figure 2 Waste dump concrete block drainage ditchin Juhugeng coalmine No.5

3.2 聚乎更四号井南渣山土工布截排水沟

木里矿区聚乎更区四号井以往年度开展了削顶减载、排水系统建立和种草复绿工作，取得了一定的治理效果。其中针对渣山主要采用土工布截排水沟来建立排水系统。

3.2.1 施工技术指标

1)土工布型号及规格。400g(国标)及以上，厚度1mm及以上。

2)截排水沟规格。坡顶截水沟规格1 000mm×600mm×600mm，坡脚排水沟规格1 200mm×800mm×600mm，平台排水沟规格 800mm×500mm×500mm。

3.2.2 施工技术要求

1)开挖的渣土质集水沟整形后，沟壁表层、沟底夯实进行压实。

2)铺设土工布时应力求焊缝最少，在保证质量的前提下，尽量节约原材料,同时保证质量。

3)土工布之间接缝的搭接宽度不小于10cm，通常使焊缝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，应是接缝长度尽量减短。除特殊要求外，在坡度大于1∶6的斜坡上距顶坡或应力集中区域1.5m范围内，尽量不设焊缝。

5)土工布之间焊接开始前，必须在现场先试焊一条0.9mm×0.3mm的试样搭接宽度不小于10cm，并用拉力机现场进行剥离和剪切试验试样合格后，便可用当时调整好的速度、压力、温度进行正式焊接。

6)土工布铺设完成后，应尽量减少在膜面上行走、搬动工具等，凡能对布造成危害的物件，均不应放在布上或携带在布上行走，以免对布造成意外损伤。

在四号井南渣山采用土工布截排水沟起到了一定疏排水作用，减少了对排水沟基底的冲刷，且土工布铺设较为方便，对地形的适用性较强，属柔性加固方式的集排水系统。但随着南渣山北侧前缘滑坡体裂缝的变化，加之矿区气候变化和冻土层冻融的影响，土工布通气性和透水性效果产生了较大差异，排水沟基地受到影响，易发生破损和沉降变形，后期整改维护相关工序繁琐，且易造成二次环境污染(图3)。

图3 聚乎更四号井南渣山土工布排水沟Figure 3 South waste dump Gongbu drainage ditchin Juhugeng coalmine No.4

4 自然生态集排水系统

高寒矿区多年冻土存在季节活动层的寒季和暖季反复冻融作用，圬工结构集水沟在高寒矿区易发生变形、破损和沉降，土工布等柔性集排水沟虽起到了一定效果，但通透性不足、易破损，所以需要针对性采用一种抗冲刷、易施工和维护的集排水系统。通过对现有国内排水系统的梳理和木里现场的对比实践形成了一种柔性自然生态集水沟在高寒矿区应用优势非常明显。

高寒矿区自然生态集排水系统主要通过对开挖的渣土质集水沟整形后，沿整形后坡面和平台开挖排水沟槽，在沟壁表层夯实，在沟底面铺设碎石并再次进行压实，撒播配方草种，人工轻耱使草种与表层基质混合，覆盖无纺布的方式形成集排水系统。

4.1 施工技术指标

采坑边帮区域周边应完善截排水系统，可根据现场情况调整布设。布设原则：坡顶设通长截水沟，坡面同一标高区的平台应设置通长平台排水沟，纵向水沟在混合质边坡区坡面布设，纵向水沟按30m间距布设[16-18]。

截排水沟修筑主要的依据地形及等高线，采用从高到低，根据实际情况分图斑进行。为防止羊板粪浪费，排水沟修筑在摊铺羊板粪之前完成，并且坡面跌水沟和坡底截水沟相连通，坑底主沟和支沟联通，由主沟排至附近河流[19-20]。

截水沟采用土沟方式，沟壁表层夯实，压实度不小于0.85。颗粒有机肥用量3kg/m2。草种采用同德短芒披碱草、青海草地早熟禾、青海冷地早熟禾、青海中华羊茅的混播比例为1∶1∶1∶1，用量6g/m2。无纺布为 20～22g/m2。

截排水沟规格：坡顶截水沟规格800mm×500mm×500mm，坡脚排水沟规格1 060mm×700mm×500mm，平台排水沟规格 500mm×300mm×300mm，跌水沟坡率按照1∶1.12换算。局部区域截排水沟可根据现场情况适当加大规格。

4.2 施工技术要求

1)沟槽夯实和碎石铺设。开挖的渣土质集水沟整形后，沟壁表层夯实，压实度不小于0.85。在沟底面铺设碎石并再次进行压实，增加土体的抗剪强度，提高边坡的稳定性、抗暴雨抗冲刷能力，以及抗风蚀的能力。同时，截排水沟基地的正常自然沉降与底部铺垫的碎石仍易形成整体。现有的木里矿区圬工结构集水沟和土工布等柔性集排水沟均存在一定程度的共性问题，比如经长期或较大瞬时降雨冲刷后，圬工结构和土工布与截排水沟基地分离，形成空隙未能形成整体，且排水沟基地未做针对性处理，存在冲刷破坏严重的情况。

同时，在沟槽内播撒草种，沟底铺设的碎石覆盖可以提高土壤保水、保墒性能，同时起到调节被压覆层的温度的作用，有利于草种生长成活。

2)边坡放缓和植被重建。对坡体过高或坡度过大的边坡，首先人工削坡，通过放缓原坡体使边坡稳定性达到安全要求，坡度放缓后利用水土保持和植被的生长。沟槽内有渣土和添加有机肥能够提升沟内土壤有机质含量，增强土壤肥力，改良土壤结构，能改善草本植物根系营养环境，提高渣土养分，利用草籽成长，复绿效果保持。

3)草种根茎固土。区内配方草种植物根系具有吸收、输送植物生长所必需的营养物质的功能及分泌、收缩的特性，同时兼具复杂的弹性和塑性力学性质，对边坡稳定的防护有着植物地上茎叶部分无法替代的功效，它如同交互错杂的“天然钢筋”，同边坡土壤形成混合结构，增强了土体的强度。表层草皮可以为坡面提供良好的覆盖层，草的茎叶能够降雨截留，削弱溅蚀，增大糙率并减缓坡面流速，草的表面根系形成了一层土根的复合护面层，增强了裸露基土的抗冲蚀能力，同时草的深根锚固了基土。

4.3 效果和推广前景

目前集排水系统主要分为传统技术措施和生态绿色措施。常见的传统技术主要结构为浆砌石和混凝土等，而这些材料不仅施工难度相对较大，而且对周边环境易造成再次破坏，且在高寒矿区易发生变形、破损和沉降，施工周期长，成本高，相比于传统技术自然生态截排水沟具有自我修复能力强、能耗物低及环境兼容性强等优势。

柔性自然生态集水沟具有很强的经济价值，特别是在多年冻土区的自然生态集排水沟具有抵抗冻胀产生的剪切作用，柔性可更好的适应土体的不均匀冻胀、融沉变形，减少集水沟破损，从而达到延长养护期、维修周期和节约成本的目的。同时自然生态集排水沟在高寒地区较之传统圬工结构施工时间更短，更高效。

工程实践分析表明，圬工结构截水沟每延米价格为150～300元。而自然生态截水沟每延米价格为30～80元。自然生态集水沟在高寒矿区具有施工方便、成本低，且在保证稳定性基础上起到了很好的保护生态环境的作用效果，同时还具有明显的经济效益和社会效益。

高寒矿区自然生态集排水系统构建技术目前已在青海省木里矿区完成试验和应用，并且取得了良好效果。高寒矿区自然生态集排水系统未来还可以运用在高寒地区各种场景，如高寒地区矿区修复、公路建设、铁路建设等，同时，自然生态集水沟技术也能满足其他降雨量较小的干旱地区，也可为其他地区提供新思路。

5 结论

1)经过文献收集和调研，针对截排水沟的作用和设置原则，将现有的截排水沟系统梳理后划分为刚性和柔性两种类别，可细分为浆砌片石、混凝土预制件、土工布、生态袋、自然排水沟五种加固形式，在矿山生态治理过程中应充分考虑施工现场的实际情况采取选取相对应的截排水沟。

2)木里矿区原有采坑、渣山边坡在治理时采用了不同加固方式的集排水系统，通过治理不同程度取得了一定成效，但仍存在和遗留部分问题影响种草复绿效果。

3)通过木里现场实践的对比，实施了边坡挡水墙、跌水沟、截水沟与平面主沟、支沟、毛细沟等沟沟相连、植被固土优势明显的自然生态截排水系统，有效的保护了降雨汇水对植被的破坏，对木里高寒矿区种草复绿成果起到有效的保护作用。

致谢：衷心感谢青海省木里矿区生态治理项目技术总负责王佟教授级高级工程师对本文的悉心指导和帮助，感谢木里项目组成员对本文相关研究的支持！