巖溶區煤礦工程堆積體邊坡細溝發育及其水沙關系研究*

林 姿 史東梅? 婁義寶 蔣光毅 彭旭東 李葉鑫

(1 西南大學資源環境學院，重慶 400715）

（2 重慶市水土保持生態環境監測總站，重慶 401147）

（3 貴州大學林學院，貴陽 550025）

（4 遼寧工程技術大學環境科學與工程學院，遼寧阜新 123000）

工礦區水土流失是由于人為擾動地面或堆置固體廢棄物而造成水資源和土地資源的破壞和損失[1］。作為我國主要能源之一的煤礦工程在建設和生產運行期間的各種活動會大量占壓土地資源并產生各種廢棄堆積物，對周邊水資源、土地資源、植被資源、水文循環和生態環境質量造成嚴重影響甚至破壞。煤礦工程建設所產生的大量棄土、石、渣，在水力和重力作用下極易發生誘發性崩塌、滑坡、泥石流等地質災害[2］。一旦坡面水流將地面切割出一定高差后，溝道兩側的物質勢能得到釋放機會，形成水力與重力相伴發生的復合侵蝕[3］。當坡面侵蝕形式由面狀侵蝕發展為細溝侵蝕時，侵蝕量會成倍或數十倍增長[4-5］，可達到坡面總侵蝕量70%以上[6］。目前對工程堆積體坡面土壤侵蝕過程研究集中在工程堆積體陡坡土壤侵蝕過程[7］、邊坡面蝕[8］、棄土場侵蝕產沙過程[9］、邊坡土壤流失量的預測[10-11］、煤礦工程建設松散棄渣誘發人為泥石流發育特征[12-13］及工程堆積體水土流失防治等[14-15］，較少涉及重力作用對坡面細溝形態特征的影響。坡面上跌水的形成是侵蝕方式變化的重要分界點，標志著細溝開始形成[16］，重力作用對其形成和坡面產流產沙變化有直接影響。因此本文以煤礦工程堆積體為研究對象，采用野外實地放水沖刷法，重點研究：（1）工程堆積體坡面細溝侵蝕發生特征，分析坡面土壤侵蝕發展階段特征；（2）重力作用對不同堆積體坡面水沙關系的影響大小及形成原因；（3）重力作用對細溝發育過程的影響。研究結果對于正確認識煤礦工程堆積體坡面產流產沙特征、影響因素及土壤侵蝕量預測模型建立具有重要科學意義，也有助于科學認識重力作用在工程堆積體人為誘發性崩塌、滑坡和邊坡穩定性分析中的作用。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

工程堆積體來源于重慶市5大礦區之一的天府煤礦，該礦區處于喀斯特巖溶區；重慶市喀斯特巖溶區分布面積可達3×104km2，在該地區分布有大量錳礦、煤礦、石灰石等建設項目。當地多年平均降雨量在1 000 mm以上，工程堆積體在暴雨條件下極易發生誘發性崩塌、滑坡等嚴重土壤侵蝕現象。采樣區成土母巖主要是石灰巖、泥灰巖，土壤主要是暗紫色水稻土、暗紫泥土、礦子黃泥土、冷沙黃泥土等，工程堆積體由土壤、不同徑級的石灰巖及泥灰巖碎屑及塊石所組成的巖土混合物，這種物質組成在喀斯特礦區普遍存在。調查發現，其邊坡坡度多在25.5°～38°之間變化，為客觀反映不同堆放坡度條件下煤礦工程堆積體邊坡的侵蝕特征，本文設計了四種不同坡度25°、30°、35°、40°工程堆積體下墊面開展試驗研究。將同一批煤礦工程堆積體均勻分層填入4個不同坡度（25°、30°、35°、40°）試驗小區，試驗小區坡長10 m，寬1 m。各小區的布置情況見表1。試驗所用工程堆積體容重約為1.23 g·cm-3，總孔隙度為52.96%，毛管孔隙度為13.45%，非毛管孔隙為39.31%，黏聚力為9.82 kPa，內摩擦角為29.68°。每次放水沖刷試驗前，用鐵耙將小區坡面平整，同時在小區內采集工程堆積體土壤樣品，測定其物理性質，試驗小區基本情況如表1所示。

1.2 野外放水沖刷試驗設計

試驗于2013年7—8月在西南大學生產建設項目水土流失定位試驗基地進行（圖1）。根據當地暴雨歷時以及暴雨頻率在試驗小區上所產生的單寬流量特征，為揭示流量對煤礦工程堆積體邊坡細溝發育特征的影響，本文放水流量采用10、15、20、25、30 L·min-1五個梯度，沖刷時間設計為60 min。

小區頂端放置1個簸箕型溢流槽，以保證水流以薄層形式均勻向下流動。水流經穩壓水泵及流量計后流入溢流槽，并通過溢流槽上端閥門控制流量。試驗前，率定放水流量若干次，保證放水流量與設計流量誤差不超過5%。記錄產流時間，產流10 min內每1 min接取1次徑流泥沙樣，10 min后每隔3 min接取1次泥沙樣，用烘干法（105℃）測定泥沙量。流速的測定是在坡面上、中、下斷面中間位置，采用染色法測定坡面表層最大流速并根據徑流流態進行修正（過渡流修正系數為0.7，紊流修正系數為0.8）。流寬、流深采用直尺測量，分上、中、下三個斷面測定。

2 結 果

2.1 工程堆積體坡面細溝侵蝕發生特征

細溝是坡面侵蝕的一種類型，細溝形成是坡面土壤侵蝕程度加劇的主要標志，也是造成坡面產流產沙量變化的主要原因[17］；由于徑流匯集面積和流速不斷增大，坡面水流沖刷能力大大增加，引起工程堆積體坡面不均勻凹陷，從而在地表上逐漸形成細溝，對工程堆積體細溝發育程度的影響因不同下墊面類型而有很大差異。由不同坡度條件下工程堆積體坡面侵蝕過程的幾個關鍵時間可見（表2），工程堆積體坡面產流時間隨放水流量增大而縮短且坡度越大其產流時間越短，細溝出現時間越短；在各場沖刷試驗中，產流時間最遲（2 558 s）發生在25°坡面、10 L·min-1徑流沖刷條件下，而產流時間最早（76s）發生在40°坡面、25 L·min-1徑流沖刷條件下，這種現象主要與前期土壤含水率大小有關。各種工程堆積體坡面細溝出現時間也與放水流量、坡度呈負相關關系，即放水流量越大、坡度越大，細溝出現時間越短；細溝最快出現為4s、最慢為97s，二者時間相差24倍，這主要因為沖刷徑流量越大、則坡面泥沙流失越快，細溝出現時間越短。微地形（坡度）條件也是決定坡面細溝下切快慢和發育程度的原因之一，坡度越大、則重力作用對邊坡細溝發育影響越大、細溝下切越快，出現時間越短。

表1 試驗小區基本情況Table 1 Basic information of the experimental plots

圖1 工程堆積體實驗裝置及沖刷過程示意圖Fig. 1 Schematic of the field scouring experiment apparatus and its scouring process on engineering waste piles

工程堆積體坡面細溝形成后，由于細溝壁土體崩塌、脫落、下滑的隨機性，使得坡面徑流含沙量相應增大且呈現波動性變化趨勢（圖2）。不同坡度條件下工程堆積體坡面含沙量波動變化隨沖刷時間呈現變化幅度減小趨勢，工程堆積體坡面侵蝕過程可分為片蝕和細溝侵蝕2個階段。

（1）砂礫化面蝕階段，即坡面開始產流至細溝形成時的坡面侵蝕過程。該階段發生在產流后3 min以內，此時坡面表面形態被徑流侵蝕破壞程度小，未形成跌坎和細溝[18］，隨著徑流侵蝕力增大達到足以剝離和分散坡面土壤時便發生侵蝕，這對坡面后續跌坎及細溝形成產生直接影響。

（2）細溝狀面蝕階段，即坡面跌坎形成細溝后的坡面侵蝕過程，可概括為細溝擴張、過渡和穩定3個發展階段。細溝擴張階段主要發生在產流3～24 min之間，該階段坡面流沿坡面低凹處匯集，造成堆積體坡面集中沖刷現象并開始形成細溝；同時由于在坡面細溝發育早期階段，細溝溝頭崩塌、溝壁崩塌等重力作用過程嚴重，造成坡面含沙量劇烈波動變化現象，表現出明顯的水力—重力復合侵蝕特點。過渡階段主要發生在產流24～30 min之間，此時徑流沖刷形成的水力侵蝕作用減弱，坡面細溝長寬深基本保持穩定，細溝溝壁重力作用現象減弱，這造成徑流含沙量逐漸降低。穩定階段則發生在產流30 min后，細溝溝壁重力作用成為該階段泥沙的主要來源，坡面徑流含沙量較小。

表2 不同工程堆積體坡面細溝侵蝕過程特征Table 2 Characteristics of rill erosion process on slopes of the piles different in slope gradient

2.2 重力作用對堆積體坡面水沙關系的影響

重力作用是影響工程堆積體坡面產流產沙的重要因素。坡面細溝壁土體崩塌、滑落是造成工程堆積體坡面產流產沙過程中存在波動現象的重要原因，也是坡面不穩定的重要因素[19］。分析坡面產流產沙變異系數及重力作用對總產沙量貢獻的關系（表3）可知，平均產流率與放水流量呈正相關關系（R2= 0.94），而與坡度關系不明顯；坡面產流率變異系數總體上隨著放水流量增大而增加，變異系數最大（374. 3%）為40°坡面、25 L·min-1徑流條件，最小（7.774%）為35°坡面、10 L·min-1徑流條件，二者相差48倍以上；主要原因在于當徑流條件增大時，坡面細溝沖刷強烈，造成細溝溝壁崩塌，崩塌體在短時間內會堵塞水流；而當徑流匯集達到一定程度后，細溝內崩塌體被迅速沖開，這使得坡面徑流量在短時間內發生劇烈的波動變化。工程堆積體坡面徑流含沙量總體上隨放水流量增大而增加，在各次沖刷條件下徑流含沙量最大為0.480 kg·L-1，最小為0.020 kg·L-1，二者相差24倍，這種現象主要是坡面水力侵蝕和細溝重力作用共同造成的。

圖2 不同工程堆積體坡面含沙量變化特征Fig.2 Variation of sediment yield on the slope of the pile relative to feature of the pile

工程堆積體坡面徑流含沙量變異系數在一定程度可反映重力對細溝作用的程度，變異系數越小則說明在坡面侵蝕過程中徑流含沙量比較穩定，重力對細溝作用較少或沒有發生；反之，重力對細溝作用嚴重。由圖3可知，在不同坡度坡面條件下，徑流含沙量變異系數均隨著放水流量增大呈現先增加、后減小的變化趨勢，且20 L·min-1放水條件下徑流含沙量變異系數將達到最大值，這表明重力作用明顯影響堆積體坡面細溝發育的臨界徑流條件為20 L·min-1。當放水流量由10 L·min-1增加至20 L·min-1時，重力作用對坡面細溝程度逐漸增加并達到最大值，此時坡面徑流含沙量以重力作用產沙為主、水力侵蝕產沙為輔；當放水流量由20 L·min-1增加至30 L·min-1時，重力作用對坡面細溝程度減弱，此時坡面含沙量以水力侵蝕和重力對細溝溝壁綜合作用為主。在不同放水流量作用下，徑流含沙量變異系數隨坡度增加也表現出先增加、后減小的變化特點，且均在35°坡度條件下，徑流含沙量變異系數達到最大值，這表明重力作用明顯影響堆積體坡面細溝發育的臨界坡度條件為35°。因此，生產建設項目區工程堆積體水土保持措施布置時應關注工程堆積體邊坡的坡度大小，避免在暴雨誘發條件下人為崩塌、滑坡、泥石流的發生。

表3 坡面產流產沙變異系數及重力作用對總產沙量的貢獻Table 3 Variation coef fi cient of runoff and sediment yields and contribution of gravity to the total sediment yield on the slopes of the piles

圖3 徑流含沙量變異系數與放水流量和坡度的關系Fig. 3 Relationship of variation coefficient of the sediment concentration in runoff with discharged flow rate and slope gradient

在工程堆積體坡面細溝長、寬、深發育過程中，重力作用對細溝侵蝕發生具有很大的偶然性，很難及時觀測和定量測定由水力作用單純主導的臨界侵蝕產沙量。因此本文采用細溝發育穩定的徑流含沙量[21］（即每次沖刷試驗中最后10 min的平均徑流含沙量）作為水力侵蝕含沙量上限值和重力作用對細溝侵蝕含沙量的下限值。由表3可見，在各次沖刷試驗中重力作用對坡面產沙量貢獻最大為99.60%，最小為17.41%，這表明重力作用對工程堆積體坡面侵蝕是影響坡面產沙的重要因素，同時也是導致坡面徑流含沙量波動變化的重要原因。

2.3 重力作用對堆積體坡面細溝形態發育的影響

相關研究表明，重力作用是造成坡面細溝由淺變深、由窄變寬的主要原因之一[19,22］，此處采用重力作用產沙貢獻表明重力作用對細溝形成發育的影響。由表4可知，在不同放水流量、坡度條件下，工程堆積體坡面細溝發育過程和特征差異明顯。坡面細溝平均溝寬、溝深均隨放水流量增大而增加，且坡度越大則細溝寬度、深度越大；這是由于在坡面細溝發育過程中，水流侵蝕會加劇溝底下切，使細溝變深，同時重力對細溝溝壁的作用會加速溝岸擴張，使細溝變寬。在各次沖刷試驗中，細溝溝寬最小7.89 cm，最大19.73 cm；細溝溝深最大6.73 cm，最小2.17 cm，細溝的溝深、溝寬極值均相差3倍左右，這說明在堆積體坡面侵蝕過程中，徑流作用對溝深發展起主導作用，重力作用對溝寬發展起主導作用且兩種作用程度相當，所造成的侵蝕產沙量均為坡面徑流泥沙的主要來源。

表4 不同工程堆積體坡面細溝發育特征Table 4 Characteristics of rill development in the engineering accumulation slopes

在相同徑流條件下，坡面細溝密度越大則相應的侵蝕產沙量也越大；重力作用坡面產沙貢獻隨坡度和放水流量增加呈波動趨勢變化。在坡面細溝發育過程中，由于沖刷初期細溝長、寬、深和細溝密度均較小（1.35～1.90 m·m-2），水流沖刷形成的產沙量（1.74～2.39 kg）高于細溝溝壁重力坍塌形成的產沙量（0.46～1.77 kg）；在沖刷后期由于細溝長、寬、深的擴大和細溝密度變大（2.07～3.00 m·m-2），重力作用對細溝溝壁產沙量增加至149.00～162.7 kg，細溝溝壁崩塌泥沙可能堵塞水流，造成細溝水流流路發生改變使坡面細溝呈現S型發育。細溝溝壁崩塌主要與溝道下切、側蝕以及由于土壤含水率增大所致，造成的土壤黏聚力降低及土壤膨脹現象有關。細溝寬深比反映了坡面細溝下切程度及細溝溝壁發生崩塌等重力作用可能性，工程堆積體坡面細溝寬深比最大為4.36，最小為2.12，二者相差2倍；細溝寬深比隨放水流量和坡度增大而減小，說明坡度增大會加劇溝底下切、增大重力作用對細溝溝壁侵蝕發生可能性。

3 討 論

坡面侵蝕過程及坡度對工程堆積體邊坡穩定性有重要影響。相關研究表明，坡面徑流侵蝕對邊坡破壞形式主要包括邊坡淺部沖刷、淘蝕破壞及深部入滲溶蝕破壞3種形式[23-24］。在一次徑流沖刷后，工程堆積體坡面變得更加粗糙，這使得徑流流路更為集中，徑流動力條件不均勻程度迅速增加；因此當降雨徑流再次沖刷時，重力作用對坡面細溝侵蝕和溝壁崩塌等侵蝕更劇烈，造成了松散堆積坡面不穩定程度加劇。同時坡面入滲水流會促使邊坡內部土體含水率不斷增大，而入滲水的溶蝕作用會對土體內部可溶性鹽類和膠結物質產生化學侵蝕，這在一定程度上也增加了邊坡不穩定性。同時工程堆積體中塊石會直接影響堆積體坡面侵蝕類型和形式，也會導致重力作用對坡面侵蝕和水力侵蝕貢獻率差異性。坡度作為影響坡面侵蝕發生與否的地形因子，可直接決定坡面土體穩定狀態。坡度越大則坡面土體所受到的下滑力越大，最大靜摩擦力越小，同時坡度越大徑流流速越大，侵蝕潛能增加[25-27］。在不同坡度條件下，侵蝕發生形式及侵蝕量存在較大差別。根據本文研究，當放水流量為15、20、25 L·min-1時，35°坡面的徑流含沙量變異系數最大、重力作用對坡面產沙貢獻最大（圖4），這表明小于35°的坡面以水力侵蝕產沙為主，而大于35°坡面以重力作用產沙為主；在最小（10 L·min-1）和最大放水流量（30 L·min-1）條件下，35°坡面徑流含沙量變異系數較小、重力作用對坡面產沙貢獻也較小，初步判定，該流量條件下徑流侵蝕對坡面含沙量貢獻最大的臨界坡度為35°。王文龍等[28］對5°、15°、25°及35°條件下坡面侵蝕過程的研究也表明，坡溝系統在5°、15°和25°坡度條件下，坡面土壤侵蝕方式以濺蝕、片蝕和溝蝕為主，而大于或等于35°條件時，坡面土壤侵蝕方式以切溝為主，且有崩塌、滑塌等侵蝕發生。研究均表明在坡面細溝侵蝕過程中，細溝溝壁崩塌等侵蝕發生不僅取決于微地形條件，還決定于細溝被徑流沖刷淘蝕的程度，因此今后應加強重力與降雨、徑流、微地形（坡度和坡長）、坡面細溝發育形態之間的定量研究，不同土石比工程堆積體坡面徑流連續沖刷過程及其邊坡穩定性的模擬研究，為重力作用對坡面侵蝕過程模擬研究提供基礎數據。

土壤抗剪強度是影響坡面侵蝕發生的重要原因之一，它決定了坡面土體內部力學穩定性。研究表明，坡面土體穩定性取決于土壤摩擦阻力和土壤內聚力[29］，而土壤含水率及密實度則是影響重力作用的主要因素[30］。根據本文研究，工程堆積體土壤黏聚力在16.18%含水率時可達最大14.64 kPa，隨含水率增大呈先增加后減小變化趨勢，而內摩擦角則隨含水率增加而減小（圖5）。重力作用明顯影響堆積體坡面細溝發育的臨界坡度條件為35°，其數值大于工程堆積體內摩擦角（30.79°）。相關研究也表明，土壤抗剪強度和水分含量呈反比關系[31］。當坡面土壤含水率增大時，不僅會增大土體沿坡向的重力分力，而且會減小土體黏聚力和內摩擦角，使土體或土層處于失穩狀態。因此，根據上述坡面土體抗剪強度和含水率量化關系，在雨季及時采取邊坡防護措施，以提高工程堆積體穩定性，防止暴雨誘發性崩塌、滑坡、泥石流災害發生的可能性。植被在提高邊坡土壤的抗侵蝕能力、增強土壤的穩定性中起著至關重要的作用，細根、中等直徑的根系分泌物對土體顆粒起到黏結作用，從而提高土壤的黏聚力c，進而提高土壤的抗剪強度[32］，今后應加強植物根系、土壤含水率、土壤緊實度與土體抗剪強度相互作用關系研究，尋求減弱重力作用對坡面侵蝕有效途徑。

圖4 重力作用產沙貢獻與坡度的關系Fig.4 Relationship between contribution of gravity and slope gradient

圖5 土壤含水率與黏聚力和內摩擦角的關系Fig.5 Relationships of soil water content with cohesive strength and internal friction angle

4 結 論

工程堆積體坡面侵蝕過程可分為面蝕（產流3 min內）和細溝侵蝕階段，其中細溝侵蝕存在擴張（3～24 min）、過渡（24～30 min）和穩定（30 min后）3個發展過程。工程堆積體坡面細溝出現時間與放水流量、坡度呈負相關關系，細溝出現時間最快為4 s，最慢為97 s，二者約相差24倍。重力作用是影響工程堆積體邊坡產流產沙及波動變化的重要原因。在坡面侵蝕過程中產流率變異系數在7.77%～374.3%之間，產沙率變異系數在1.75%～1021%之間；重力作用對工程堆積體邊坡總產沙量貢獻在17.41%以上，最高可達99.60%；初步判定，重力作用明顯影響堆積體邊坡細溝發育的臨界徑流條件為20 L·min-1，臨界坡度條件為35°。徑流作用主導細溝深度發展，而重力作用主導細溝寬度發展，兩種主導作用對工程堆積體邊坡細溝發育影響程度相當。工程堆積體邊坡細溝溝寬在7.89～19.73 cm之間，溝深介于2.17～6.73 cm，寬深比介于2.12～4.36，細溝密度介于1.35～3.00 m·m-2；邊坡細溝平均溝寬、溝深均隨放水流量增大而增加，且坡度越大、細溝寬度、深度越大；在相同徑流條件下，侵蝕產沙量隨邊坡細溝密度增大而增大。