李葉鑫，呂 剛，王道涵，刁立夫，李朝輝，董 亮，杜昕鵬

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000; 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000; 3.內(nèi)蒙古大唐國際錫林浩特礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000; 4.撫順礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 撫順 113006)

全球氣候的變化會導(dǎo)致區(qū)域性的干旱和洪澇災(zāi)害頻發(fā)，降水和水資源分布不均勻，極端天氣的發(fā)生頻率和程度也逐漸加劇，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來嚴(yán)重危害。隨著干旱的發(fā)生，土壤水分在蒸發(fā)和干燥狀態(tài)下不斷減少，土壤呈現(xiàn)不同程度地開裂狀態(tài)，形成土體裂縫[1]。土體裂縫的形成不僅改變了土壤結(jié)構(gòu)[2]、入滲能力[3]、蒸發(fā)能力[4]，而且也影響植物生長發(fā)育及其生態(tài)水文過程[5]。土體裂縫多出現(xiàn)在水稻土、膨脹土和黏土等農(nóng)業(yè)用地，多是由土壤水分變化導(dǎo)致，一方面會增加土壤水分蒸發(fā)和損失，降低植物對水分的吸收及利用效率[6];另一方面，在降雨或農(nóng)業(yè)灌溉條件下大量地表徑流快速流入土體裂縫[7]，造成水分和養(yǎng)分的嚴(yán)重流失，降低水資源利用效率和作物產(chǎn)量[8]。此外，農(nóng)藥在優(yōu)先流作用下運動到深層土壤，造成地下水污染和灌溉水浪費[9]。在邊坡工程方面，土體裂縫會增加土壤滲透性、降低土體抗剪強(qiáng)度，是土體邊坡崩塌和直接產(chǎn)生重力侵蝕的成因[10]。在礦業(yè)工程方面，土體裂縫是采煤沉陷對地表環(huán)境損傷最直觀的表現(xiàn)形式[11]，也是排土場滑坡或泥石流危害發(fā)生的前兆[12]，嚴(yán)重威脅礦區(qū)土地資源和生態(tài)環(huán)境。

煤炭是中國的主要能源，其產(chǎn)量連續(xù)多年居世界第1。2017年能源消費結(jié)構(gòu)中煤炭占60.4%，探明儲量16 666.73億t，年產(chǎn)量為34.5億t[13]。我國的煤炭資源主要分布在干旱和半干旱地區(qū)，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，大規(guī)模的開采活動會加劇破壞當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)[14-15]，嚴(yán)重影響礦區(qū)社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境[16]。煤炭資源開采會形成不同程度的地表破壞和變形，出現(xiàn)塌陷盆地、塌陷坑、冒落、沉陷、土體裂縫等地質(zhì)災(zāi)害[17-18]。土體裂縫是衍生地質(zhì)災(zāi)害中最直觀的一種，也是危害最大的一種，其數(shù)量多、分布廣、危害重，是一種典型的重力地裂縫[19]，嚴(yán)重威脅土地生態(tài)安全[20-21]。排土場是煤炭資源開采過程中形成的人工松散堆積體，具有礫石含量高、持水能力差、高容重、低養(yǎng)分等特征[22]，嚴(yán)重污染土壤資源和水資源[23-24]。排土場是一種典型的重構(gòu)土體，其結(jié)構(gòu)松散、孔隙發(fā)達(dá)，在自身重力下容易發(fā)生不均勻沉降，產(chǎn)生土體裂縫。然而，關(guān)于煤礦區(qū)排土場平臺土體裂縫形態(tài)特征及空間分布研究較少。相關(guān)研究表明，土體裂縫分布在排土場各個臺階上，其寬度大小不一，最大可達(dá)10 cm，走向平行于等高線[25]。王永強(qiáng)等[12]采用探地雷達(dá)技術(shù)檢測排土場土體裂縫寬度在4～205 mm，部分裂縫的地表出露部分已經(jīng)貫通。韓靜等[26]調(diào)查發(fā)現(xiàn)排土場平臺出現(xiàn)大量裂縫，裂縫面積比超過10%，最高可達(dá)79%，裂縫情況極其嚴(yán)重。排土場土體沉降及土體裂縫在時間和空間上均具有明顯的空間異質(zhì)性[27]，這為排土場平臺土體裂縫形態(tài)特征及其演變規(guī)律的研究帶來了極大的困難，直接影響排土場水分運動，加速土壤水分和養(yǎng)分流失，嚴(yán)重影響礦區(qū)植被恢復(fù)。因此，研究排土場平臺土體裂縫形態(tài)特征能夠為下一步摸清水分流失規(guī)律提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，對礦區(qū)水資源利用效率及植被恢復(fù)與重建具有重要意義。筆者以內(nèi)蒙古錫林郭勒盟錫林浩特市大唐國際勝利東二號露天煤礦南排土場為研究對象，摸清排土場平臺土體裂縫分布特征，揭示土體裂縫水平方向和垂直方向形態(tài)特征，闡明土體裂縫分形特征，以期為認(rèn)識排土場平臺土體裂縫特征及其對水分運動與植被恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟錫林浩特市大唐國際勝利東二號露天煤礦南排土場，地處東經(jīng)116.11°～116.24°，北緯44.04°～44.12°，根據(jù)《土地復(fù)墾質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》(TD/T 1036—2013)[28]，研究區(qū)屬于北方草原區(qū)。該外排土場位于礦區(qū)的東南部，總面積13.66 km2，屬中溫帶干旱半干旱氣候，年均氣溫 1.7 ℃，年均降水量 284.74 mm，主要集中在6至8月份，占全年降雨量的71%以上，暴雨多發(fā)生在此3個月內(nèi)，7月中旬到8月中旬則更是暴雨集中頻發(fā)時段，多年平均24 h最大降水量為46.8 mm。年平均蒸發(fā)量 1 794.6 mm，年均風(fēng)速3.4 m/s，凍結(jié)期為10月初至12月上旬，解凍期為3月末至4月中旬，最大凍土深度2.89 m，土壤為典型栗鈣土。排土場選擇在首采區(qū)南側(cè)境界外和采區(qū)內(nèi)，即在采掘場首采區(qū)南、北分別設(shè)南排土場和北排土場，其使用年限均為20 a。排土場設(shè)計主要參數(shù)見表1。為盡快恢復(fù)排土場的植被，平臺和邊坡復(fù)墾采取覆土措施(土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土)，平臺覆土厚度約為1.0 m，邊坡覆土厚度約為0.5 m，復(fù)墾植被有大白檸條、沙榆、沙柳、沙棘、沙打旺、草木樨、苜蓿等灌木或草本。

表1 排土場設(shè)計主要參數(shù)Table 1 Main design parameters of dump

1.2 研究方法

1.2.1樣地布設(shè)

相關(guān)研究表明，排土場沉降系數(shù)一般在1.1～1.2，沉降過程延續(xù)數(shù)年，但在前3 a，沉降量可達(dá)到總沉降量的80%[26,29]。因此，本研究選取2013年排土到界并進(jìn)行覆土的1105平盤為研究對象，于2017年8月(排棄年限為4 a)對該平臺的土體裂縫進(jìn)行全面調(diào)查，測定每條裂縫的長度、寬度和深度，利用數(shù)理統(tǒng)計原理從中選取3條典型土體裂縫(GFⅠ,GFⅡ,GF Ⅲ)作為研究對象，采用“樣框照相法”調(diào)查方法土體裂縫水平形態(tài)特征[26,30]。在典型土體裂縫處布置110 cm×110 cm的樣方，清除框內(nèi)雜草后，將數(shù)碼相機(jī)置于樣框中心點正上方進(jìn)行拍照，通過數(shù)碼相機(jī)實地拍攝照片獲得土體裂縫水平形態(tài)特征(土體裂縫水平分布圖)，利用ArcGIS對采集的裂縫照片進(jìn)行數(shù)字化，獲取土體裂縫水平形態(tài)特征，包括土體裂縫的長度、寬度、周長、面積等指標(biāo)。采用現(xiàn)場開挖法測定土體裂縫深度[11]。將4個長、寬均為110 cm的鐵板埋入之前布置的樣方內(nèi)，形成1個封閉的空間，采用標(biāo)準(zhǔn)建筑石膏粉為充填料，用水為蒸餾水，兩者按照1∶1質(zhì)量比進(jìn)行混合，將攪拌均勻的石膏漿體注入土體裂縫，對裂縫深度進(jìn)行標(biāo)識，以避免在開挖過程中周圍土體坍塌進(jìn)入裂縫而導(dǎo)致裂縫形態(tài)和深度難以辨識[31-32];同時，為了避免邊界效應(yīng)，分別在樣方兩邊去掉5 cm，形成100 cm×100 cm的樣方。待石膏漿體凝固后，在裂縫一端(O點)沿著土體裂縫走向(OO′)開挖3個土壤剖面(A,B,C剖面)，分別位于距離裂縫一端的30,50,70 cm處(圖1)，記錄土體裂縫深度，利用數(shù)碼相機(jī)實地拍攝照片獲得每個剖面土體裂縫垂直形態(tài)特征(土體裂縫垂直分布圖)，后期處理方法與裂縫水平分布圖相同。

1.2.2圖像處理與分析

圖1 排土場土體裂縫及剖面開挖示意Fig.1 Ground fissures and soil profiles in the dump

圖像處理能夠提取和獲取土體裂縫參數(shù)指標(biāo)。將土體裂縫水平分布圖導(dǎo)入ArcGIS，確定圖像尺寸，描繪土體裂縫輪廓線并繪制土體裂縫中心線(裂縫長度)，獲取裂縫長度、周長、面積，計算裂縫長度密度和面積密度。沿裂縫中心線將圖像照片等分100份，每份為1 cm，測量每份中心線長度、上下寬度以及相鄰兩份之間的夾角(均按照銳角劃分)，分析土體裂縫寬度、走勢等形態(tài)指標(biāo)。再將土體裂縫垂直分布圖導(dǎo)入ArcGIS，分析土體裂縫寬度隨裂縫深度的變化特征，揭示兩者之間的定量關(guān)系。各個參數(shù)指標(biāo)的內(nèi)涵及計算方法如下:

(1)裂縫走勢θ。裂縫走勢θ是指裂縫在水平面上的延展方向，是表征裂縫結(jié)構(gòu)形態(tài)的一個重要指標(biāo)[4]，也是最直觀反映土體裂縫形態(tài)參數(shù)的指標(biāo)之一，多為直線型、弧線型等。以10°為一個區(qū)間，將0°～90°等分為9份，分析土體裂縫走勢在每個區(qū)間的分布特征及頻率。

(2)裂縫長度L和裂縫寬度W。裂縫長度L是指裂縫中心線長度;裂縫寬度W是指裂縫地表寬度，反映了裂縫的張開程度，裂縫寬度越大，對土體連續(xù)性的破壞程度和擾動范圍越大，為多個測點的平均值;2者能反映土體裂縫的發(fā)育程度。

(3)裂縫周長C和裂縫面積S。裂縫周長是指裂縫輪廓線之和C，裂縫面積是指裂縫輪廓線內(nèi)的面積S。

(4)裂縫深度H。裂縫深度H是指裂縫垂直深度，反映了裂縫發(fā)育的深度，裂縫深度越大，對土壤力學(xué)性質(zhì)、水分入滲和蒸發(fā)影響越大。

(5)裂縫長度密度PL。裂縫長度密度PL是指裂縫長度L與樣方面積A0(100 cm×100 cm)的比值，其計算公式為

PL=L/A0

(1)

式中，PL為裂縫長度密度,cm/cm2;L為裂縫長度,cm;A0為樣方面積,cm2。

(6)裂縫面積密度PS。裂縫面積密度PS是指裂縫區(qū)面積S與樣方面積A0的比值，其計算公式為

(2)

式中，PS為裂縫面積密度,%;S為裂縫面積,cm2。

(7)裂縫寬深比k。裂縫寬深比k是指裂縫寬度W與裂縫深度H的比值，其計算公式為

k=W/H

(3)

式中，k為裂縫寬深比;W為裂縫寬度,cm;H為裂縫深度,cm。

(8)裂縫的分形維數(shù)。分形維數(shù)是定量表征事物分形性質(zhì)的重要參數(shù)，可以綜合描述土體裂縫的發(fā)育與裂縫化程度。采用盒維法[33]分析土體裂縫的自相似性，計算裂縫分形維數(shù)，用不同邊長r的方格網(wǎng)覆蓋裂縫圖像，計數(shù)每一次覆蓋時裂縫所占有的方格數(shù)Nr，2者之間的關(guān)系為

Nr～r-D

(4)

式中，Nr為含裂縫的方格數(shù);r為小網(wǎng)格邊長,cm;D為分形維數(shù)。

1.2.3數(shù)據(jù)處理

采用ArcGIS 10.2軟件對采集的裂縫照片進(jìn)行數(shù)字化，提取土體裂縫形態(tài)參數(shù)指標(biāo)。采用SPSS 17.0 數(shù)據(jù)分析，采用Origin 8.0軟件繪圖。選取納什系數(shù)ENS驗證擬合方程的有效性[34],即

(5)

其中，Yi為模型預(yù)測值;Oi為試驗觀測值;O為試驗觀測值的平均值;n為樣本個數(shù)。ENS為觀測值和預(yù)測值在1∶1線附近的分布情況。ENS越接近1，表明模型的預(yù)測效果越好;ENS趨向于0則表明模型預(yù)測值與實際觀測值之間有較大誤差。通常情況下，當(dāng)ENS>0.8時可認(rèn)為模型預(yù)測達(dá)到可接受的精度[35]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土體裂縫統(tǒng)計特征

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該排土場平臺共存在大小不等的土體裂縫61條，走向平行于等高線(排土場邊緣)，多為直線型，多集中在排土場平臺前緣5 m范圍內(nèi);部分裂縫的地表出露部分已經(jīng)貫通，相互交織在一起形成裂縫帶，裂縫帶或發(fā)育嚴(yán)重的土體裂縫處多存在裂縫壁坍塌或脫落現(xiàn)象。土體裂縫的長度、寬度和深度可以直觀地反映土體裂縫形態(tài)特征(表2)。土體裂縫長度最大值為3 998.5 cm，最小值為11.3 cm，平均為412.0 cm，最長裂縫對應(yīng)的寬度為40.4 cm(最寬)，對應(yīng)的深度僅為15.1 cm，而最短裂縫對應(yīng)的寬度為17.3 cm，深度為9.0 cm，說明裂縫長度與裂縫寬度和深度之間沒有明顯的正相關(guān)關(guān)系，不能用裂縫長度來估算寬度和深度。土體裂縫寬度為4.3～40.4 cm，平均為18.1 cm，深度為5.7～55.3 cm，平均為25.5 cm。

裂縫長度主要集中在0～500 cm，占80%以上，之后的頻率較低(圖2);裂縫寬度頻率最大值出現(xiàn)在15～20 cm，裂縫深度為20～30 cm。結(jié)合表2可知，裂縫寬度和深度符合正態(tài)分布，但是由于裂縫深度較難測量其誤差較大，而裂縫寬度容易測量且能夠較為直觀地反映出土體裂縫形態(tài)特征。因此，用裂縫寬度W將土體裂縫劃分為小裂縫(W<15 cm)、中裂縫(15 cm30 cm)3個等級。

表2 土體裂縫統(tǒng)計特征Table 2 Statistical characteristics of ground fissures

圖2 土體裂縫形態(tài)參數(shù)頻率分布直方圖Fig.2 Frequency distribution histogram of ground fissures morphological parameters

2.2 土體裂縫形態(tài)特征

2.2.1走 勢

各調(diào)查樣方內(nèi)僅有1條土體裂縫，其平面分布呈線型或弧型，表現(xiàn)為不同程度的彎曲。土體裂縫中心線的夾角各有不同(圖3)，GFⅠ角度為0°～80°，GFⅡ為0°～60°，GF Ⅲ為0°～50°。3個裂縫頻率最高的角度均為0°～10°，分別為26%,44%,49%。土體裂縫角度較小，GFⅠ,GFⅡ,GF Ⅲ小于30°分別占總數(shù)的65%,88%,94%，土體裂縫平均角度依次為24.8°,15.0°,13.1°，GFⅠ顯著大于GFⅡ和GFⅢ。GFⅠ角度頻次分布呈現(xiàn)雙峰分布式，峰值分別在0°～10°和20°～30°，GFⅡ和GF Ⅲ角度頻率隨著角度的增大呈冪函數(shù)減小。

2.2.2長度和長度密度

圖3 土體裂縫角度頻率分布直方圖Fig.3 Frequency distribution histogram of ground fissures angle

3個土體裂縫的長度在104.84～120.83 cm(表3)，均大于100 cm(樣方邊長)，說明裂縫存在不同程度的彎曲。GFⅠ長度顯著大于GFⅡ和GF Ⅲ，說明該裂縫彎曲程度更大，這與土體裂縫走勢變化規(guī)律相一致。裂縫長度密度反映了裂縫長度占樣方的面積比例，GFⅠ,GFⅡ,GF Ⅲ長度密度依次為0.012,0.011,0.01 cm/cm2，各裂縫之間無顯著差異且長度密度普遍較小。

2.2.3寬度和周長

GFⅠ,GFⅡ,GF Ⅲ裂縫寬度依次為9.85,2.86,5.77 cm(表3)，各裂縫之間差異顯著。GFⅠ寬度最大值為17.59 cm，最小值為2.61 cm，GFⅡ?qū)挾茸畲笾禐?.41 cm，最小值為0.84 cm，GF Ⅲ寬度最大值為10.89 cm，最小值為1.15 cm。同一裂縫不同點位的裂縫寬度變化明顯，3條裂縫寬度的變異系數(shù)依次為35.28%,29.29%,47.83%，均為中等變異，說明土體裂縫的寬度具有明顯的變異性，波動幅度較大。GFⅠ,GFⅡ,GF Ⅲ裂縫周長依次為287.65,230.65,228.58 cm，GFⅠ大于GFⅡ和GF Ⅲ。

表3 土體裂縫形態(tài)特征Table 3 Morphological characteristics of ground fissures

2.2.4面積和面積密度

GFⅠ,GFⅡ,GF Ⅲ裂縫面積依次為983.92,286.47,576.70 cm2(表3)，各裂縫之間差異顯著。GFⅠ,GFⅡ,GF Ⅲ面積密度依次為9.84%,2.86%,5.76%(表3)，均小于10%，說明排土場土體裂縫地表面積較小。GFⅠ裂縫面積和面積密度最大，這是由于該裂縫的彎曲程度和寬度較大，地表形變劇烈。

2.2.5深度和寬深比

圖4中白色石膏體反映土體裂縫的深度及分布特征，GFⅠ,GFⅡ,GF Ⅲ裂縫深度依次為29.00,30.67,28.67 cm(表3)，各裂縫之間無顯著差異。同一裂縫不同剖面的裂縫深度不同，GFⅠ3個剖面裂縫深度為36,26,25 cm，GFⅡ3個剖面裂縫深度為20,26,36 cm，GF Ⅲ3個剖面裂縫深度為25,15,46 cm，說明裂縫深度在空間分布上存在明顯的差異，裂縫深度的變異系數(shù)為16%～55%。隨著土體裂縫的發(fā)育，土體非連續(xù)性越加明顯，裂縫寬度不斷擴(kuò)張，松散的砂質(zhì)壤土?xí)诹芽p開裂過程中回填裂縫，裂縫壁處土壤會出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，造成裂縫被掩埋(圖4(b),(f),(i))，進(jìn)而弱化土體裂縫的顯示特征及裂縫深度，影響裂縫深度的測量結(jié)果。此外，土體裂縫在空間上出現(xiàn)貫穿的現(xiàn)象，盡管在土壤表層土體裂縫僅有一條，但在深層土壤會出現(xiàn)多條裂縫，如圖4(c)所示。

圖5為土體裂縫寬深比隨土層深度的變化特征。由圖5可知，0～10 cm土層內(nèi)裂縫寬深比迅速減小，之后趨于穩(wěn)定;同一裂縫不同剖面的裂縫寬深比變化趨勢相同，但裂縫寬深比的最大值有所差異，相差1.21～2.91倍;隨后裂縫寬深比迅速減小，其數(shù)值為最大值的34.02%～50.42%，其穩(wěn)定值僅為最大值的0.43%～1.71%，說明裂縫寬深比隨裂縫深度的增大而顯著減小。裂縫寬深比與裂縫深度之間具有較好的冪函數(shù)關(guān)系，其決定系數(shù)均在0.95以上，P<0.001，說明兩者達(dá)到了極顯著水平。為了進(jìn)一步分析回歸曲線的準(zhǔn)確性，計算裂縫寬深比的納什有效性系數(shù)ENS，均大于0.97，說明擬合函數(shù)符合模型有效性驗證的基本要求和一定的參考價值。

圖4 土體裂縫垂直分布Fig.4 Vertical distribution of ground fissures

圖5 土體裂縫寬深比變化特征Fig.5 Change of ground fissure width-to-depth ratio

2.3 土體裂縫分形特征

隨著方格尺寸的減小，總方格數(shù)不斷增多，最大為4 096，含裂縫的方格數(shù)(Nr)也逐漸增大，GFⅠ,GFⅡ,GF Ⅲ含裂縫的方格數(shù)占總格子數(shù)(4 096)的12.16%,5.05%,7.84%，說明裂縫占樣方面積的比例較小，這與前文關(guān)于裂縫面積和面積密度的研究結(jié)相一致。GFⅠ,GFⅡ,GF Ⅲ分形維數(shù)為1.437,1.240,1.309，回歸方程的決定系數(shù)為0.986～0.994，P<0.001，說明土體裂縫分布具有自相似性，且相關(guān)性達(dá)到極顯著水平(圖6)。土體裂縫分形維數(shù)與裂縫角度、長度、寬度、彎曲程度的變化趨勢具有一致性，其中GFⅠ裂縫角度、長度、彎曲程度均最大，裂縫空間變異程度最大，分形維數(shù)也最大，直觀表現(xiàn)為土體裂縫形態(tài)特征的復(fù)雜程度最大，對土壤及植被的擾動作用也越大。而對于土體裂縫分形維數(shù)最小的GFⅡ，其裂縫角度、長度、彎曲程度和空間變異程度最小，裂縫開裂程度最小，裂縫面積密度僅為2.86%，對土壤及植被的擾動作用也相對較小。

圖6 土體裂縫ln Nr～ln r關(guān)系Fig.6 Relation between ln Nr and ln r of ground fissures

3 討 論

3.1 土體裂縫形成機(jī)理的特殊性

排土場是露天開采形成的主要地貌單元之一，其結(jié)構(gòu)松散、大孔隙發(fā)達(dá)，由于排土場平臺前緣土體自重及沉降速度不一，導(dǎo)致土體沉降程度也有所差異，造成土體錯落，形成土體裂縫。自然土壤(水稻土、膨脹土和黏土等)形成的土體裂縫受到土壤質(zhì)地[36]、土壤有機(jī)碳[37]、土壤干濕交替[38]、凍融作用[39]、耕作方式[5]、植物生長[40]等因素影響，但排土場平臺土體裂縫的形成與發(fā)展更受到排土場自身重力因素(不均勻沉降)、基底地質(zhì)條件、地下水條件惡化、演化弱層的形成、排棄巖土的物理力學(xué)性質(zhì)、排土工藝、降雨特征等因素影響[41-42]，致使排土場平臺土體裂縫的形成機(jī)理不同于自然土體裂縫，其形態(tài)特征具有特殊性，如平面形態(tài)多為直線型、弧線型和折線型，分布在排土場平臺前緣，走向平行于等高線，ZHOU等[43]也得到了相似結(jié)論。GAUR等[1]指出土體裂縫的大小和形狀各不相同，形態(tài)特征主要呈曲線型。研究結(jié)果表明，土體裂縫多集中在平臺前緣5 m范圍內(nèi)，最遠(yuǎn)可達(dá)10 m，已接近平臺中間位置。張建華[44]通過對高臺階排土場平臺土體裂縫分布規(guī)律調(diào)查發(fā)現(xiàn)，土體裂縫形態(tài)并非均是直線型，部分裂縫存在彎曲，大部分土體裂縫距排土場平臺前緣的距離小于8 m，且越靠近排土場平臺前緣，土體裂縫發(fā)育越嚴(yán)重，這與本文研究結(jié)果相似，說明排土場平臺土體裂縫發(fā)育與所在位置關(guān)系密切，其位置和裂縫深度決定排土場邊坡是否穩(wěn)定。土體裂縫的出現(xiàn)會增加地表徑流流入排土場土體內(nèi)部的可能性，裂縫寬度和深度會促進(jìn)水分向深層土壤運動，水分運動也會進(jìn)一步加劇土體裂縫的發(fā)育與擴(kuò)張，2個過程相互促進(jìn)、不斷發(fā)展;同時，土壤水分會增加孔隙水壓力和土體自重，加大土體下滑力而降低抗剪強(qiáng)度，進(jìn)而降低土體穩(wěn)定性，增大土體滑坡、泥石流等水土流失災(zāi)害發(fā)生的可能性。排土場平臺土體裂縫不具有明顯的裂縫骨架結(jié)構(gòu)，裂縫條數(shù)、塊區(qū)和交叉點(節(jié)點)較少，深淺不同，具有較強(qiáng)的空間變異性和明顯的自相似性特征[45]。由本研究可知，土體裂縫分形維數(shù)在1.240～1.437，盡管土體裂縫的分布結(jié)構(gòu)和復(fù)雜程度不同，但自相似性特征明顯。土體裂縫分形維數(shù)越大，土體裂縫的分布結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，土體開裂程度和影響范圍也越大，嚴(yán)重影響植物正常生長發(fā)育，拉斷植物根系，造成植物受損死亡，導(dǎo)致植被退化(圖7);同時，土體裂縫為地表徑流及溶質(zhì)遷移提供優(yōu)先路徑，大量的水分和溶質(zhì)向深層土壤運動，穿過植物根系吸收層而造成流失，進(jìn)而導(dǎo)致植物缺水甚至死亡。

圖7 排土場平臺土體裂縫形態(tài)Fig.7 Morphology of ground fissures in the dump

3.2 土體裂縫地下擴(kuò)展的復(fù)雜性

由于排土場平臺土體裂縫形成機(jī)理的特殊性，使得以往關(guān)于土體裂縫的形態(tài)參數(shù)指標(biāo)可能不適用于排土場平臺土體裂縫。因此，有必要篩選新的形態(tài)指標(biāo)來反映土體裂縫。這些指標(biāo)不僅表達(dá)直觀、能夠反映土體裂縫的形態(tài)特征與發(fā)育形態(tài)，而且還要能夠與土壤緊實程度、導(dǎo)水能力、持水能力等土壤特性建立相關(guān)關(guān)系。目前，反映土體裂縫形態(tài)指標(biāo)有長度[46]、寬度[46]、深度[46]、裂隙面積密度[47]、等效寬度[40]、裂縫節(jié)點數(shù)量[48]、收縮塊區(qū)分散度[49]、裂縫交叉角度[49]。為研究土體裂縫的變化趨勢，提取并繪制土體裂縫寬度隨土層深度的變化趨勢圖(圖8)，并分析不同剖面土體裂縫寬度特征(表4)。土體裂縫寬度隨土層深度的增加而呈減小的變化趨勢，GFⅠ裂縫寬度為1.80～13.77 cm，GF Ⅲ裂縫寬度為1.12～14.98 cm，GFⅡ裂縫寬度主要集中為2.75～5.70 cm，部分土層深度的裂縫寬度為0，這是由于該段裂縫被土壤顆粒掩埋。

由表4可知，GFⅠ-30 cm裂縫寬度的最大值和最小值分別為6.54,2.27 cm，GFⅠ-50 cm裂縫寬度的最大值和最小值分別為8.97,2.24 cm，GFⅠ-70 cm裂縫寬度的最大值和最小值分別為13.77和1.80 cm，最大值分別是最小值的2.88,4.00,7.65倍，變異系數(shù)依次為26.63%,29.12%,40.92%，均達(dá)到了中等變異，說明排土場平臺土體裂縫地下擴(kuò)展情況較為復(fù)雜。同時，同一裂縫不同剖面土體裂縫寬度之間差異顯著，這也說明了土體裂縫寬度在空間的變異性。GFⅡ和GF Ⅲ具有相同的變化規(guī)律。

上述分析表明，深層土體裂縫的走勢和擴(kuò)展情況與地表之間具有不一致性，單純的研究表層土體裂縫的形態(tài)特征具有一定的局限性，不能準(zhǔn)確地反映裂縫發(fā)育的實際狀況。本研究選用石膏漿體填充土體裂縫，利用圖像處理技術(shù)和ArcGIS軟件矢量化3個土壤剖面土體裂縫，獲取其裂縫邊界的坐標(biāo)點，初步構(gòu)建其三維結(jié)構(gòu)特征，得到土體裂縫地下的擴(kuò)展方向圖(圖9)。圖中折線為裂縫3個剖面最低點在X-Y平面內(nèi)的投影。由圖9可知，該折線并不是呈現(xiàn)為直線型，而是存在角度的轉(zhuǎn)折，3條折線的夾角依次為138°(42°),160°(20°),111°(69°)，顯著大于地表反映的彎曲程度，說明土體裂縫并不是完全垂直向下延伸，而是在縱向延伸的過程中出現(xiàn)不同程度的橫向擴(kuò)展，深層土體裂縫具有更加明顯的空間變異性，表層裂縫走勢不能用來反映裂縫的實際走向。在今后的研究中，可以考慮采用樹脂、乳膠、石膏等對土體裂縫進(jìn)行填充，利用現(xiàn)場開挖后獲取土體裂縫的立體形態(tài)模型，通過立體攝影測量技術(shù)或三維激光掃描技術(shù)獲取裂縫表面積、投影面積等二維形態(tài)指標(biāo)參數(shù)和體積、軸距等三維形態(tài)指標(biāo)參數(shù)，摸清土體裂縫發(fā)育特征。

圖8 土體裂縫寬度隨土層深度的變化Fig.8 Change of ground fissure width with soil layer depth

表4 排土場不同剖面土體裂縫寬度特征Table 4 Ground fissure width in different profile of the dump

圖9 土體裂縫地下擴(kuò)展Fig.9 Underground expansion pattern of ground fissures

4 結(jié) 論

(1)北方草原區(qū)露天煤礦排土場平臺土體裂縫尺寸差異明顯，形態(tài)多為直線型，其走向平行于等高線且集中在平臺前緣5 m范圍內(nèi)，會影響排土場土壤侵蝕量及邊坡穩(wěn)定性。土體裂縫平均長度為412.0 cm，平均寬度為18.1 cm，平均深度為25.5 cm。依據(jù)裂縫寬度，可以將土體裂縫劃分為小裂縫(W<15 cm)、中裂縫(15 cm30 cm)3個等級，為今后排土場平臺土體裂縫形態(tài)特征的研究提供數(shù)據(jù)支持。

(2)該排土場平臺土體裂縫平面分布呈線型或弧型，呈現(xiàn)不同程度的彎曲，但彎曲程度較小，角度主要集中在0°～10°。GFⅠ角度頻次分布呈現(xiàn)雙峰分布式，GFⅡ和GF Ⅲ角度頻率隨著角度的增大呈冪函數(shù)減小。3個土體裂縫的長度為104.84～120.83 cm;裂縫寬度最大值為17.59 cm，最小值為0.84 cm，各裂縫之間差異顯著;土體裂縫寬度具有明顯的空間變異性，其變異系數(shù)可達(dá)48%。

(3)土體裂縫壁坍塌會導(dǎo)致裂縫被掩埋，進(jìn)而弱化土體裂縫的顯示特征及裂縫深度，影響裂縫深度的測量結(jié)果。裂縫寬深比隨著裂縫深度的增加而顯著減小，最終趨于穩(wěn)定，兩者具有極顯著的冪函數(shù)關(guān)系，擬合函數(shù)具有一定的參考價值。排土場平臺土體裂縫分布具有明顯的自相似性，可以采用分形維數(shù)對其結(jié)構(gòu)實現(xiàn)定量化描述。