暴雨作用下排土場平臺-邊坡系統土壤侵蝕過程模擬研究

呂 剛，李葉鑫,，寧寶寬，魏忠平，王道涵

(1.遼寧工程技術大學 環境科學與工程學院，遼寧 阜新 123000; 2.沈陽工業大學 建筑與土木工程學院，遼寧 沈陽 110870; 3.遼寧省林業科學研究院，遼寧 沈陽 110032)

煤炭是中國的主要能源，其產量連續多年居世界第1。2017年能源消費結構中煤炭占60.4%，探明儲量16 666.73億t，年產量為34.5億t[1]。我國的煤炭資源主要分布在干旱和半干旱地區，生態環境極其脆弱，大規模的開采活動會加劇破壞當地的生態系統[2-3]，嚴重影響礦區社會經濟和生態環境[4-5]。煤炭開采過程中會產生大量的棄土棄渣，經運輸、排棄、堆置、碾壓等工藝形成平臺巖土緊實、邊坡高陡松散的排土場，是一種典型的人工堆墊地貌，具有礫石含量高、持水能力差、高容重、低養分等特征[6]。排土場是露天煤礦土壤侵蝕最為嚴重的區域，其土壤侵蝕形式豐富多樣，主要有濺蝕、砂礫化面蝕、溝蝕、土砂流瀉、坡面泥石流等[7-8]，嚴重污染土壤資源和水資源[9-10]。以往關于排土場土壤侵蝕的研究多集中在侵蝕機理[11-12]、侵蝕特征及影響因素[13-15]、侵蝕量預測預報[16-17]、減流減沙效益[18-19]等方面。排土場土壤侵蝕過程具有一定的特殊性和復雜性，土壤侵蝕量極其嚴重，其侵蝕速率更是撂荒地的43.6～239.2倍[20]，也容易發生排土場邊坡滑坡等災害[21]。白中科等[7,22]研究安太堡露天煤礦不同區段水土流失特征，指出排土場占地面積大、形成時間短，其土壤侵蝕模數高達15 060 t/(km2·a)，且排土場平臺植物根系穿透阻力高達30～60 kg/cm3，植被恢復困難;排土場邊坡坡度較陡，土壤抗沖性和抗蝕性較差[23]，在平臺匯集的地表徑流會嚴重沖刷邊坡，形成面蝕、細溝侵蝕等水力侵蝕和滑塌、泥石流等重力侵蝕[24]。鄭開歡等[25-26]研究結果也表明排土場邊坡在持續降雨狀況下容易失穩，水分沿邊坡內部滲流通道匯集到排土場坡腳而涌出，甚至發生淺層滑坡。郭建英等[27]以典型草原區大型露天煤礦排土場邊坡不同治理措施為研究對象，利用現場監測手段研究次降雨條件下排土場入滲、產流、產沙特征，結果表明裸露邊坡的徑流量、產沙量明顯大于天然草地，其年徑流量、年產沙量分別為天然草地的5.1倍和228.8倍，年均入滲量是天然草地62.1%，認為排土場邊坡是一種極強烈侵蝕的人工再塑地貌。楊漢宏等[28]研究喬、灌、草不同配置條件下排土場土壤侵蝕特征，其侵蝕量僅為裸坡的2.3%～6.7%，植被措施可以有效降低排土場土壤侵蝕量。王金滿等[29]也指出植被對于改善和恢復排土場生態環境具有重要作用。胡定興等[30]指出減少平臺匯水面積可以有效地防治溝蝕發育程度與狀況，降低土壤侵蝕量。速歡等[31]采用放水沖刷法研究了排土場平臺-邊坡系統徑流、產沙、侵蝕形態演變規律，并指出平臺徑流匯集是導致邊坡溝蝕的主要原因。排土場平臺除匯流作用外，其不均勻沉降導致的土體裂縫也會影響排土場土壤侵蝕過程。土體裂縫改變了地表徑流的運動路徑，使水流由水平流動為主轉向縱向運動，大量地表徑流直接由裂縫向排土場內部運動，改變滲流場的分布特征，形成巖土軟弱滑動面，降低土體穩定性，加大滑坡、泥石流等水土流失災害發生的可能性[32-33]。然而，以往研究并未涉及排土場平臺土體裂縫發育對土壤侵蝕過程的影響。因此，研究排土場平臺-邊坡系統土壤侵蝕過程能夠為排土場水土流失量預測提供科學依據，對礦區水土流失防治具有重要意義。筆者以排土場平臺-邊坡系統為研究對象，采用室內人工模擬降雨試驗研究不同裂縫深度和降雨強度下排土場平臺-邊坡系統土壤侵蝕演變過程、產流產沙特征和侵蝕溝形態特征，構建排土場土壤侵蝕量計算模型，闡明降雨和微地形對排土場土壤侵蝕的作用機制，以期為露天煤礦排土場水土流失量預測、水土保持措施科學布置提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內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116.1°～116.23°，北緯44.03°～44.12°，位于礦區東南部，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—8月，占全年降雨量的71%以上，暴雨多發生在此3個月內，7月中旬到8月中旬則更是暴雨集中頻發時段，多年平均24 h最大降水量為46.8 mm。年平均蒸發量 1 794.6 mm，年均風速3.4 m/s，凍結期為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。露天礦剝離采用單斗-卡車工藝，排土場采用履帶推土機排土。排土場位于采區南側，使用年限為20 a，設計主要參數見表1。為盡快恢復排土場的植被，平臺和邊坡復墾采取覆土措施(土壤質地為砂質壤土)，平臺覆土厚度約為1 m，邊坡覆土厚度約為0.5 m，復墾植被有檸條(Caraganakorshinskii)、沙柳(Salixpsammophila)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、沙打旺(Astragalusadsurgens)、草木樨(Melilotusofficinalis)等灌木或草本。

1.2 研究方法

1.2.1相似模擬原理

露天煤礦排土場占地面積較大，可達幾平方公里、幾十平方公里，高度通常可達幾十米甚至幾百米。在進行室內模擬研究時，通常采用相似原理確定排土場幾何尺寸，以野外實際排土場與室內模擬排土場的相似比例常數作為試驗設計依據。由表1可知，排土場單個臺階高度為25 m，平臺寬度為20 m，根據相似原理，本研究相似系數為50，即室內模擬排土場高度為50 cm，平臺寬度為40 cm(圖1)。

圖1 試驗土槽和土體裂縫等效模型Fig.1 Test soil tank and equivalent model of ground fissures

1.2.2試驗設計

降雨強度依據當地多年降雨資料暴雨發生頻率分析，結合現有研究成果[34-36]和極端降雨事件頻發，確定90，120，150 mm/h 3個等級。為研究排土場沉降過程中土體裂縫深度對平臺地表徑流、滲流及土壤侵蝕過程的影響，設計4個土體裂縫深度(5，10，15，20 cm)，共計4場降雨試驗，降雨強度為90 mm/h，試驗時間為60 min;同時，為研究極端降雨對排土場土壤侵蝕的影響，設計2個極端降雨事件(降雨強度為120和150 mm/h)，共計2場降雨試驗，土體裂縫深度為20 cm，試驗時間為30 min。以無裂縫排土場為對照，分析各場次降雨下土壤侵蝕量的差異，揭示降雨強度和土體裂縫對排土場平臺-邊坡系統土壤侵蝕的影響。

1.2.3試驗材料與裝置

利用人工模擬降雨裝置、自制玻璃土槽和土體裂縫等效模型進行試驗，整個試驗系統包括供水設備、降雨設備、土槽、土體裂縫等效模型和樣品收集5部分構成。

(1)供水設備由水源、蓄水池、潛水泵、壓力表構成。

(2)降雨設備為便攜式人工模擬降雨器，由10個噴頭構成，每個噴頭固定位置距離地面垂直高度為4.0 m，有效降雨半徑為1.8 m，可以完美覆蓋試驗土槽全部區域且雨滴均勻;本降雨器由于噴頭壓力使得雨滴在降落初期已具備初速度，保證雨滴下落時達到終點速度，且可通過控制降雨強度實現降雨動能與天然降雨的相似性;每次試驗前率定降雨均勻度(85%以上)，能夠滿足室內人工模擬降雨試驗[37-38]。

(3)試驗土槽為有機玻璃土槽。通過查閱國內外相關文獻[39-40]，確定土槽尺寸(長×寬×高)為110 cm×50 cm×60 cm，設計最大填土高度為50 cm，有機玻璃板為10 mm厚，土槽底部均勻分布4行4列直徑為2 cm的圓孔，以排除多余入滲水分;土槽內部土樣的垂直剖面為直角梯形，排土場上平臺為40 cm，下平面為110 cm(圖1);土槽前緣底部設有徑流泥沙出流口，用徑流桶收集降雨過程中產生的徑流泥沙。

試驗前，先將煤矸石(粒徑為10～30 mm)分2層填入試驗土槽，每10 cm為1個土層;再將風干土樣過10 mm孔徑篩，噴灑一定量的水(水量根據風干土含水率和原狀土含水率計算得到)，配置好重塑土樣，以最大程度地模擬排土場現場水分狀況;將配置好的土樣分3層填入試驗土槽內，每10 cm為1個土層。每層之間均打毛處理，控制容重使其達到或接近設計容重(根據現場取樣和室內試驗確定，煤矸石層密度為1.70 g/cm3，覆土層土壤密度為1.35 g/cm3，相對誤差均不超過5%)。在填土過程中將土體裂縫等效模型埋入土體。裝土后，在土槽表面覆蓋一層塑料薄膜，靜置48 h，使其在重力作用下固結。

(4)土體裂縫等效模型。為了研究土體裂縫對土壤侵蝕的影響，構建裂縫形態特征與侵蝕量之間的定量關系，需要對土體裂縫進行概化。基于現場調查結果和相關文獻[41-43]，采用薄剛性金屬板作為模型材料，構建土體裂縫等效模型，裂縫等效模型位于排土場平臺前緣5 cm處(距排土場坡肩5 cm)，參照實際土體裂縫長度、寬度和深度之間的比例，設計裂縫模型長度為30 cm，深度依次為5，10，15，20 cm，模型縱剖面為等腰銳角三角形，底邊邊長為5 cm(圖1)。

(5)樣品收集。試驗前，將裂縫模型取出，在土槽前方安裝高速攝影機記錄試驗過程，同時采用數碼相機記錄關鍵點試驗圖像。試驗開始后，記錄土槽產流時間，產流后每3 min收集一次徑流泥沙樣，測定徑流量和侵蝕量;試驗結束后，利用鋼尺測量坡面侵蝕溝長度、寬度、深度和平臺溯源侵蝕距離，其中寬度和深度為5個點位的平均值。

2 結果與分析

2.1 排土場平臺-邊坡系統侵蝕演變過程

根據土壤侵蝕發生發展特點，結合排土場土壤侵蝕特征和國內外研究進展[31,44-46]，將排土場平臺-邊坡系統土壤侵蝕演變過程分為土壤濺蝕與面蝕、裂縫充水與坍塌、細溝侵蝕、裂縫貫穿、坡肩垮塌和穩定階段6個階段(圖2)，各個階段具有如下特征:

(1)土壤濺蝕與面蝕。降雨初期，排土場土壤含水率較小，未達到飽和狀態，降落的雨滴快速入滲，未形成地表徑流;由于雨滴具有一定的動能，平臺和坡面表層土壤顆粒在雨滴打擊作用下濺散，發生土壤濺蝕，以干土濺散為主;隨著降雨的不斷進行，表層土壤含水率增大，土壤中的孔隙被水分填充，土壤飽和度增大而降低顆粒之間的黏結力，加劇土壤濺蝕，表層土壤顆粒逐漸成為稀泥狀，雨滴進一步濺散泥漿，該階段以濕土濺散為主;隨后，由于土壤孔隙被水分和濺散細顆粒堵塞，降低土壤入滲能力，在平臺和坡面形成薄層水流，侵蝕進一步發育，出現面蝕(圖2(b))。

(2)裂縫充水與坍塌。在發生土壤濺蝕和面蝕的同時，土體裂縫不斷充水。土體裂縫作為水分運動的優先通道，一方面雨滴直接進入土體裂縫，另一方面平臺匯集的地表徑流沿裂縫側壁向下運動;匯集的水分，部分入滲到深層土壤，部分填充土體裂縫，使得土體裂縫內的水位升高;隨著降雨進行和裂縫內水位增高，裂縫壁土體穩定性降低，造成裂縫壁崩塌(圖2(c))，部分土體進入裂縫內部，裂縫后壁發生溯源侵蝕，但只是發育初期。

圖2 排土場平臺-邊坡系統侵蝕演變過程Fig.2 Evolution process of soil erosion with platform-slope system in the dump

(3)細溝侵蝕。面蝕的不斷發展逐漸轉為細溝侵蝕，坡面起伏較大，坡面小股水流匯集、分散，徑流侵蝕能力及其對泥沙的搬運能力增大，當土體抗侵蝕能力小于徑流的沖刷能力時，坡面土壤顆粒被搬運、侵蝕;坡腳土體首先發生細溝侵蝕，土體被搬運掏空;隨著降雨的不斷進行，徑流侵蝕能力增大，接近坡腳處的侵蝕程度最大，侵蝕最強烈，細溝侵蝕向坡面上方發展，細溝侵蝕的數量和程度增加，此時排土場含沙量上下波動，其數值為0.15～0.18 kg/L(裂縫深度5 cm)、0.06～0.12 kg/L(裂縫深度10 cm)、0.56～0.74 kg/L(裂縫深度15 cm)、0.34～0.55 kg/L(裂縫深度20 cm);由于坡面微地形和土壤抗侵蝕能力的差異，導致徑流在沖刷過程中產生不同的侵蝕強度，細溝在形成過程中也會出現分叉、合并現象，細溝之間相互連通、貫穿，細溝侵蝕發育嚴重，坡腳出現多條細溝(圖2(d))。

(4)裂縫貫穿。在坡面發生細溝侵蝕的同時，排土場平臺土體裂縫內匯集的水分越來越多，水位逐漸升高，裂縫后壁崩塌更加嚴重，當裂縫內水位達到排土場平臺表面時，水分會向外面溢出，以股流的形式從排土場坡肩某處(土體穩定性薄弱處)流向坡面(圖2(e))，連通土體裂縫與坡面并匯流到坡面徑流中，瞬間增大坡面徑流量和徑流侵蝕能力，細溝寬度加大，深度下切，加劇細溝侵蝕(圖2(f));同時，裂縫內水位降低，其水位高度取決于徑流連通處的位置，水位的降低會加劇裂縫后壁土體崩塌，溯源侵蝕進一步發育。

(5)坡肩垮塌。隨著細溝侵蝕的不斷發育，坡面徑流更加集中，侵蝕能力也增強，2個過程相互促進，加劇細溝侵蝕，使得細溝繼續下切，溝底加深;細溝內壁侵蝕加劇，造成溝壁坍塌、溝寬加大，增大徑流量和侵蝕量。隨著侵蝕溝深度的加深，坡肩處大部分土壤被侵蝕，坡面徑流的位置也降低，逐漸接近土體裂縫最深處。坡肩處土體的受力情況比較特殊，由于平臺土體處于長期浸泡狀態，這不僅降低土體抗剪強度，還增大裂縫內的孔隙水壓力，在水壓力和坡面徑流沖刷的共同作用下降低坡肩土體穩定性。土體裂縫內的水分從排土場土體內部由坡面涌出，與坡面徑流匯集，造成該區域土體垮塌而迅速侵蝕，這是水力侵蝕和重力侵蝕共同作用的結果(圖2(g));當坡肩垮塌時，大量徑流和泥沙向下運動，這在一定程度上增加了徑流攜沙能力和侵蝕能力，侵蝕溝繼續加寬、加深，該時段侵蝕量分別為0.22 kg(裂縫深度5 cm)、0.29 kg(裂縫深度10 cm)、1.66 kg(裂縫深度15 cm)、2.59 kg(裂縫深度20 cm)。

(6)穩定階段。當坡肩垮塌后，土體裂縫的匯水作用降低，水分直接以坡面徑流的形式沖刷土體，侵蝕溝繼續發育;隨著降雨的不斷進行，侵蝕溝發育趨于穩定，寬度不再擴張，深度不再下切，整個侵蝕過程結束(圖2(h))。

2.2 排土場平臺-邊坡系統產流產沙特征

由圖3(a)可知，坡面產流后，同一降雨強度、不同裂縫深度(降雨強度為90 mm/h、裂縫深度為5，15，20 cm)的徑流量可以劃分為減小—增大—穩定3個階段：當裂縫深度為5，15，20 cm時，3 min徑流量依次為0.81，1.46，2.48 L；3～9 min內存在不同程度的降低，隨后徑流量表現為增大和波動交替出現。當裂縫深度為10 cm時，徑流量在6 min時達到最大，為7.08 L，相比于3 min的增加幅度為413.04%；9，12，15，18 min徑流量依次為5.48，3.88，3.78，2.78 L，最終穩定在2.68 L。對比不同裂縫深度的徑流量可知，裂縫深度為5，10，15，20 cm的徑流總量依次為23.41，58.70，35.24，75.95 L。當裂縫深度為20 cm、降雨強度為120和150 mm/h時，任意時間點的徑流量均大于90 mm/h，徑流量波動程度更大，且150 mm/h降雨強度下的徑流量呈現波動上升趨勢，極端降雨事件下30 min內的徑流總量為47.35和69.80 L。

圖3 徑流量、含沙量、侵蝕量隨產流時間變化Fig.3 Variation of runoff,sediment concentration and soil erosion with duration of runoff

由圖3(b)可知，當裂縫深度為5和10 cm時，排土場含沙量表現為先增大后減小最終趨于穩定，6 min含沙量達到最大值，分別為0.43和1.03 kg/L，此時坡面發生滑塌，導致含沙量驟增;隨后含沙量減小，且18 min后波動幅度減小并趨于穩定;當裂縫深度為15和20 cm時，含沙量表現為先減小后波動的變化規律，含沙量在3 min時達到最大，分別為1.03和0.85 kg/L，隨后含沙量減小，最終穩定在0.57和0.39 kg/L。當裂縫深度為20 cm、降雨強度為120 mm/h時，含沙量表現為先減小后波動，30 min內含沙量平均值為0.46 kg/L;0～12 min內含沙量逐漸減小，15 min后含沙量增大且上下波動幅度較大，15～30 min內的含沙量為0.42～0.96 kg/L，平均為0.55 kg/L，造成該階段含沙量突變的主要原因是土體裂縫貫穿與裂縫周圍土體坍塌，不僅直接為侵蝕提供大量土壤，而且也增大坡面徑流量和徑流侵蝕動力;當裂縫深度為20 cm、降雨強度為150 mm/h時，含沙量總體上表現為減小的變化趨勢，3 min含沙量達到最大值，為1.92 kg/L，隨后含沙量減小，30 min內含沙量平均值為1.42 kg/L。

由圖3(c)可知，當降雨強度為90 mm/h、裂縫深度為5 cm時，排土場土壤侵蝕量較小且變化幅度較小，其侵蝕量為0.14～0.25 kg，平均為0.19 kg，最大值出現在3 min;當降雨強度為90 mm/h、裂縫深度為10 cm時，排土場土壤侵蝕量先增大后減小，最大值出現在6 min，數值為7.27kg;隨后侵蝕量驟減，9，12，15，18 min侵蝕量僅為6 min的64.30%，33.73%，25.07%，8.65%，60 min內侵蝕量平均值為0.98 kg;當降雨強度為90 mm/h、裂縫深度為15和20 cm時，侵蝕量最大值為1.66和2.59 kg，最小值為0.41和0.60 kg，平均值為1.15和1.73 kg;對比不同裂縫深度的侵蝕量可知，裂縫深度為5，10，15，20 cm的侵蝕總量依次為3.79，19.66，23.01，34.57 kg。當降雨強度為120 mm/h、裂縫深度為20 cm時，排土場土壤侵蝕量表現為先減小后波動，其變化規律與含沙量相一致;0～12 min內侵蝕量逐漸減小，12～30 min侵蝕量上下波動且波動幅度較大，平均為2.67 kg，這與細溝侵蝕的不斷發育關系密切。當降雨強度為150 mm/h、裂縫深度為20 cm時，排土場土壤侵蝕量呈現增大的變化規律，這與其徑流量的變化規律相一致;極端降雨事件下30 min內的土壤侵蝕總量為22.65和95.57 kg。

表2為徑流量、侵蝕量與裂縫深度、降雨強度及其交互作用的回歸關系(樣本數為6)，其中，F為F檢驗值，sig為顯著性水平。徑流量與裂縫深度未達到顯著相關(P=0.067，P為概率);侵蝕量與裂縫深度冪函數回歸方程的決定系數R2=0.906，F=68.912，P=0.014，擬合結果達到顯著水平，具有統計學意義，說明裂縫深度對排土場土壤侵蝕量影響顯著，且回歸方程的冪指數1.148>1，說明土壤侵蝕量隨裂縫深度的加深而顯著增大。徑流量與降雨強度呈極顯著關系(P<0.01)，具有統計學意義，說明降雨強度對排土場徑流量影響顯著;侵蝕量與降雨強度未達到顯著水平(P=0.091)，造成這種結果的原因可能是因為150 mm/h降雨強度的土壤侵蝕量為95.57 kg，顯著大于90和120 mm/h，降雨強度越大，土體裂縫對侵蝕量的影響越顯著，進而導致土壤侵蝕量驟增，回歸方程未達到顯著水平。2個回歸方程的冪指數分別為1.648和5.681，均大于1，徑流量和侵蝕量均隨著降雨強度的增大而顯著增大，且侵蝕量的增加程度更大，說明在極端降雨事件下，排土場會發生嚴重的土壤侵蝕。排土場平臺-邊坡系統徑流量和侵蝕量是土體裂縫和降雨強度共同作用的結果，其交互作用與徑流量和侵蝕量分別達到顯著和極顯著水平，計算模型均可用冪函數(Y=aHbIc，a，b，c為擬合參數)表示，因此控制土體裂縫發育和降低平臺匯水是防治排土場土壤侵蝕的關鍵。

表2 徑流量和侵蝕量與裂縫深度和降雨強度的關系Table 2 Relationship between runoff and erosion with ground fissures depth and rainfall intensity

2.3 降雨強度和土體裂縫對排土場平臺-邊坡系統土壤侵蝕的影響

由上述分析可知，降雨強度和裂縫深度對排土場平臺-邊坡系統土壤侵蝕過程影響顯著，為分析這2個因素對土壤侵蝕過程的影響及其土壤侵蝕量的差異，以降雨強度為90 mm/h、無裂縫試驗數據為基礎，分析產流產沙過程中各場次降雨土壤侵蝕量與對照組之間的差異，以揭示降雨強度和裂縫深度對排土場土壤侵蝕量的影響。結合圖3侵蝕量隨時間的變化可知，隨著降雨強度和裂縫深度的增大，排土場各場次降雨土壤侵蝕量顯著增大，120和150 mm/h降雨強度的土壤侵蝕量高達22.65和95.57 kg，是對照組的25.62和108.11倍。在相同降雨強度下，5，10，15，20 cm裂縫深度的各時段土壤侵蝕量依次為對照的1.94～4.56，2.07～63.19，4.98～34.54，5.84～53.98倍;5 cm裂縫深度的土壤侵蝕量略大于對照，說明小裂縫對排土場土壤侵蝕量影響較小;當裂縫深度為10 cm時，土壤侵蝕量在6～15 min內迅速增大，是對照的20.48～63.19倍，這是由于該時期排土場坡面發生泥流，大量的徑流泥沙向下運動，增大土壤侵蝕量;當裂縫深度為15和20 cm時，土壤侵蝕量總體上呈持續增加趨勢，且變化規律相似;在侵蝕后期(42～60 min)，各時段土壤侵蝕量仍是對照的14.70～34.54和25.78～53.98倍，說明該時期土體裂縫對排土場土壤侵蝕量影響較大。在相同裂縫深度時，120和150 mm/h降雨強度的各時段土壤侵蝕量是對照的6.31～74.64倍和38.78～176.25倍，遠遠大于對照組和其他場次降雨，且波動幅度較大，表現為多峰多谷的變化規律，說明在極端降雨事件下降雨強度和裂縫深度對排土場平臺-邊坡系統土壤侵蝕量影響顯著。

表3為各場次降雨下排土場平臺-邊坡系統土壤侵蝕量的統計特征值。由表3可知，6場降雨排土場土壤侵蝕量的平均值依次為0.19，0.98，1.15，1.73，2.27，9.56 kg，表現為隨降雨強度和裂縫深度的增大而增大，且各場次降雨之間均差異顯著(P<0.05)。排土場土壤侵蝕量的變異程度均達到中等變異性，且90 mm/h降雨強度、10 cm裂縫深度為強變異性，說明裂縫會影響排土場土壤侵蝕過程，表現為土壤侵蝕量的突變，而產生突變的主要原因是土體裂縫發育和周圍土體新平衡建立交替出現，具體演變過程為:最初的土體處于平衡狀態，隨著降雨的不斷進行，平臺裂縫持續充水，改變周圍土體的孔隙水壓力和土體自重，土體趨于破壞臨界狀態;當受力超過極限平衡狀態時，土體平衡狀態被破壞，裂縫內的水分會以股流的形式攜帶大量泥沙向下運動，造成侵蝕量的增大，此時裂縫周圍土體再次達到新的平衡狀態，隨后開始下一次循環，裂縫內再次充水，水位上升，坡肩土體侵蝕，但發生強度和侵蝕能量逐漸減小。排土場坡面發生泥流、滑塌最直觀的現象就是含沙量的突變，而造成坡面滑塌的主要原因可能是水分通過裂縫向深層土壤運動及其再分布作用改變土體孔隙水壓力、土壓力等應力場，也間接說明土體裂縫對排土場平臺-邊坡系統土壤侵蝕的影響極其嚴重。針對90 mm/h降雨強度、10 cm裂縫深度試驗，土壤侵蝕量的變異系數高達189.11%，這是由于3～6 min發生一次坡面滑塌，且在6～15 min內仍發生規模不等的滑塌，進而導致6～15 min內的侵蝕量增大，形成侵蝕量的一個突變點;若將6～15 min內的4個數據點剔除，土壤侵蝕量僅為3.44 kg(剔除前為19.66 kg)，其平均值僅為0.22 kg(剔除前為0.98 kg)，其侵蝕量的變異系數僅為59.35%，土壤侵蝕量及其變異系數均將顯著減小。

表3 排土場平臺-邊坡系統土壤侵蝕量的統計特征Table 3 Statistical characteristics of soil erosion with platform-slope system in the dump

2.4 排土場平臺-邊坡系統侵蝕溝形態特征

由圖4可知，6場降雨的侵蝕溝數量依次為5，4，3，3，2，2條，坡面侵蝕溝由一條主侵蝕溝和一條或多條支溝構成，其數量隨裂縫深度或降雨強度的增加而減少，各侵蝕溝發育程度不同;在6場降雨中，排土場坡面侵蝕溝長度依次為36.40～60.50，46.70～86.10，53.50～86.10，50.40～86.10，15.34～86.10，23.59～86.10 cm，除5 cm裂縫深度外，其他場次降雨的侵蝕溝長度均達到坡面最大值;侵蝕溝寬度依次為4.65～6.31，4.00～6.69，6.68～12.37，9.00～26.00，7.25～12.67，9.87～19.67 cm，深度依次為2.00～6.00，2.64～9.83，8.00～10.34，7.38～14.00，5.32～15.00，8.64～18.33 cm，溯源侵蝕距離依次為8.5，17.3，21.1，25.4，25.6，33.4 cm;侵蝕溝長度、寬度和深度之間具有顯著或極顯著正相關性關系，其中長度與寬度的相關系數為0.506(sig=0.027)，長度與深度的相關系數為0.731(sig=0)，寬度與深度的相關系數為0.840(sig=0)。對比不同裂縫深度的侵蝕溝形態特征可知，侵蝕溝寬度、深度和溯源侵蝕距離均隨裂縫深度的加深而增大，說明裂縫發育能夠顯著促進排土場坡面侵蝕溝和平臺溯源侵蝕發育;對比不同降雨強度條件下的侵蝕溝形態特征可知，侵蝕溝深度和溯源侵蝕距離隨降雨強度的增大而增大，說明降雨強度的增大會加快地表徑流匯集，侵蝕溝出現時間更早、發育更嚴重、溯源侵蝕距離更遠。

圖4 侵蝕溝形態特征和溯源侵蝕距離Fig.4 Morphological characteristics of erosion gullies and headcut erosion distance

3 討 論

3.1 排土場平臺-邊坡系統土壤侵蝕的特殊性

排土場緊實平臺的匯流作用是坡面徑流侵蝕的主要動力。邊坡是排土場土壤侵蝕量的主要來源，約占整個排土場侵蝕量的85%～95%[47]。然而，排土場是由多個平臺和邊坡交替出現組成，平臺能夠匯集大量地表徑流，為排土場邊坡侵蝕提供侵蝕動力，直接影響其侵蝕過程與侵蝕量。相關研究表明，排土場平臺在多次大型機械或重型機械碾壓后變得緊實，孔隙度降低，表層土壤密度達1.5～1.9 g/cm3，滲透系數僅為0.225 mm/min，容易形成大面積的匯流區域，匯流后沿坡面沖刷容易引發嚴重的土壤侵蝕[7,20,23]。以往關于排土場土壤侵蝕的研究對象多為單一邊坡，并未涉及排土場平臺，但平臺卻在排土場土壤侵蝕過程中起到關鍵作用。牛耀彬等[48]指出上方來水是坡面徑流侵蝕動力和水流能量的傳遞樞紐帶，加速侵蝕過程，更是影響侵蝕量的關鍵因素。胡興定等[30]研究結果也表明，排土場平臺匯水面積的增大會顯著影響土壤侵蝕，其土壤侵蝕量可由98.72 t增大到369.68 t，土壤侵蝕模數由16 443.08 t/(km2·a)增大到189 796.32 t/(km2·a)，其增幅分別達到274.47%和1 054.26%。上述研究成果表明，平臺外來匯水作用是影響排土場土壤侵蝕過程及其侵蝕量的關鍵環節。然而，目前研究鮮有關注到平臺在排土場侵蝕過程中的作用，平臺不僅降低入滲能力、匯集大量地表徑流，也為整個侵蝕過程提供強勁的侵蝕動力，缺少平臺的排土場土壤侵蝕過程不完整，土壤侵蝕量的研究結果會被嚴重低估。因此，有必要將排土場平臺和邊坡作為一個系統來研究。

在不均勻沉降作用下，排土場平臺前緣會形成土體裂縫[49]，盡管平臺土壤緊實、入滲能力低，但仍有大量地表徑流通過土體裂縫涌入排土場內部，水分運動與土體裂縫發育相互促進、不斷發展，使水分快速運動到排土場深層區域，加大土體下滑力、降低抗剪強度、加快土壤侵蝕過程。呂春娟等[50]認為非均勻性沉降導致的沉降裂縫使徑流集中下滲并從下伏邊坡間流出，誘發滑坡、崩塌和泥石流，或者鉆向排土場基底，降低基底層承載力，導致整體失陷。鄭開歡等[25-26]也指出持續暴雨作用下排土場會在透水性最強的邊坡淺層形成集中滲流通道，導致徑流從坡腳涌出，造成排土場邊坡失穩。因此，研究排土場土體裂縫對平臺地表徑流運動和入滲的影響，分析裂隙流、水分再分布特征與土體裂縫形態參數的定量關系，闡明土體裂縫區域滲流場和應力場的變化特征，可以為揭示排土場平臺-邊坡系統土壤侵蝕演變規律和淺層滑坡機理等方面的研究提供科學依據。

本文利用相似模擬原理建立排土場平臺-邊坡室內模型，研究了特定降雨強度下排土場平臺-邊坡系統土壤侵蝕過程，今后應增加野外現場試驗，以驗證室內模擬試驗結果;同時，現實中的排土場是平臺和邊坡相間的階梯寶塔狀巨型人工松散堆積體，平臺和邊坡交替出現，多級臺階可以提供更大的匯水面積和更強的侵蝕動力，上層平臺-邊坡系統侵蝕過程顯著影響下層，且不同平臺、邊坡之間均存在侵蝕、輸移、沉積多個階段，侵蝕來源和侵蝕去向動態變化，侵蝕過程和侵蝕作用更加復雜，今后應加強該方面的研究。

3.2 降雨和微地形對排土場平臺-邊坡系統土壤侵蝕的作用機制

降雨強度是影響排土場平臺-邊坡系統土壤侵蝕過程的關鍵因素。徐朝容等[51]數值模擬結果表明，排土場土壤侵蝕程度隨降雨強度的增大而增大，且在暴雨條件下，降雨強度越大，排土場邊坡侵蝕破壞的時間越短。吳麗萍等[52]也指出，降雨侵蝕力與排土場邊坡土壤侵蝕量呈正相關關系，坡面徑流深度對降雨侵蝕力的響應快于土壤侵蝕量。本文研究不同暴雨等級作用下，土體裂縫深度對排土場平臺-邊坡系統土壤侵蝕的影響，結果表明降雨強度和土體裂縫對土壤侵蝕影響顯著，其中90 mm/h降雨強度、10 cm裂縫深度(小雨強、淺裂縫)和150 mm/h降雨強度、20 cm裂縫深度(大雨強、深裂縫)的侵蝕過程和侵蝕特征不同于其他場次降雨，主要表現在侵蝕量的突變和平臺-邊坡系統的微地形變化。

(1)小雨強、淺裂縫。圖5為90 mm/h降雨強度、10 cm裂縫深度土壤侵蝕過程。在降雨初期，雨滴落在排土場平臺和坡面，加大排土場土壤含水率，由于裂縫深度較淺、體積(空間)較小，水分快速充滿土體裂縫，但水分并未貫穿土體裂縫，而是以坡面漫流的形式向下運動(圖5(a))，這加快了坡面侵蝕過程;隨著降雨時間的延長，坡面土壤含水率升高而達到飽和狀態，部分土體的抗剪強度和承載能力降低或喪失，導致這部分土體以滑塌形式向下運動，形成泥流(圖5(b))，徑流量和侵蝕量驟增，速歡等[31]也指出較小的徑流侵蝕作用也會誘發排土場泄溜、淺層滑坡和崩塌等自然災害。泥流是重力侵蝕的一種形式，表現為全部土體或部分土體液化而嚴重變形、順坡流下的現象，該階段侵蝕土壤具有高含水率、高含沙量、較強的流動性和一定的黏度，且在短時間內完成這一過程;坡面微地形的改變打破現有的受力平衡，并在泥流區上方出現橫向的土體裂縫(圖5(c));橫向裂縫的長度將延伸、寬度將擴張(圖5(d))，誘發下方土體繼續滑塌(圖5(e))，2個過程反復循環，直到接近排土場坡肩(圖5(f))，最終坡肩位置的土體在靜水壓力和坡面徑流的共同作用下發生侵蝕(圖5(g))。隨后，土壤侵蝕形式以細溝侵蝕為主，寬度擴張，深度下切，直到侵蝕趨于穩定(圖5(h))。結合圖3可知，含沙量隨時間變化表現為單峰型，其峰值出現在6 min，為1.03 kg/L，9，12，15 min含沙量依次為0.85，0.63，0.48 kg/L，且6～15 min含沙量(0.75 kg/L)顯著大于18～60 min含沙量(0.08 kg/L)(P<0.05)，這與排土場坡面發生泥流和滑塌等侵蝕形式相互印證。

圖5 裂縫深度10 cm排土場土壤侵蝕演變過程Fig.5 Soil erosion process of dump with 10 cm ground fissures

(2)大雨強、深裂縫。與90 mm/h降雨強度、10 cm裂縫深度土壤侵蝕發生條件相比，150 mm/h降雨強度、20 cm裂縫深度的降雨強度更大，土體裂縫更深(圖6)。由于降雨強度的增大，雨滴對排土場打擊動能增大，致使土壤濺蝕和面蝕發生更早，坡面產流時間縮短，土壤濺蝕和面蝕發育快且過程短，細溝侵蝕更早發生(圖6(a));排土場坡肩位置相對薄弱，在強降雨雨滴打擊作用下容易發生侵蝕，造成裂縫壁崩塌，土體裂縫后壁土體崩塌，加快溯源侵蝕;同時，降雨強度的增大使得裂縫充水更快，裂縫內水位迅速升高，增大靜水壓力，導致土體裂縫貫穿(圖6(b))，縮短土體裂縫內水分和坡面徑流的匯集時間;細溝侵蝕繼續發育，溝壁坍塌，溝道下切，細溝寬度和深度快速發展，加劇侵蝕溝發育(圖6(c))，增大徑流量和侵蝕量;隨著降雨的進行，侵蝕溝長度、寬度和深度發育，溯源侵蝕加劇，直到侵蝕溝發育穩定，溯源侵蝕結束，整個侵蝕過程也完成(圖6(d))。結合圖3可知，含沙量隨時間的增長而減小，其最大值出現在3 min，為1.92 kg/L，隨后含沙量減小且上下波動，最終穩定在1.28 kg/L。

圖6 極端降雨事件下排土場侵蝕演變過程Fig.6 Soil erosion process of dump under extreme rainfall events

(3)對比分析。對于小雨強、淺裂縫條件，排土場土壤侵蝕初期細溝侵蝕發育相對較弱，土壤侵蝕形式以泥流和滑塌為主，導致侵蝕量驟增;直到坡肩垮塌后，坡面土體滑塌現象不再明顯，土壤侵蝕形式以細溝侵蝕為主。而對于大雨強、深裂縫條件，降雨強度和裂縫深度均增大，坡面徑流來不及入滲而攜帶大量泥沙向下運動，加劇細溝侵蝕發育，未發生泥流和滑塌侵蝕形式，且該條件濕潤縫深度小于小雨強、淺裂縫。無論是小雨強、淺裂縫還是大雨強、深裂縫，排土場平臺-邊坡系統土壤侵蝕過程都是水力侵蝕和重力侵蝕共同作用的結果，降雨強度和裂縫深度會影響土壤侵蝕過程和侵蝕特征，排土場土壤侵蝕的發生機理也有所不同，小雨強、淺裂縫土壤侵蝕過程為先泥流、滑塌后細溝侵蝕，大雨強、深裂縫土壤侵蝕過程以細溝侵蝕為主，兩者的主要區別在于是否發生泥流和滑塌，表現為排土場土壤侵蝕形式上的差異。

本文研究了降雨強度和土體裂縫對排土場平臺-邊坡系統土壤侵蝕的影響，分析不同條件下的土壤侵蝕特征，揭示不同雨強和裂縫下土壤侵蝕發生機理的差異，構建排土場平臺-邊坡系統土壤侵蝕量計算模型，但未涉及水土流失防治方面的研究。排水溝、截水溝等水土保持工程措施可以有效地實施徑流調節，減緩暴雨徑流匯流而形成的沖蝕和灌縫，通過提高排土場平臺和邊坡植被覆蓋度不僅可以有效地降低濺蝕、改善土壤結構，還能提高邊坡穩定性，今后應加強這方面研究，完善排土場平臺-邊坡系統土壤侵蝕量計算模型，以期為露天煤礦排土場水土流失預測與防治和區域生態恢復與重建提供科學依據。

4 結 論

(1)排土場平臺-邊坡系統土壤侵蝕演變過程分為土壤濺蝕與面蝕、裂縫充水與坍塌、細溝侵蝕、裂縫貫穿、坡肩垮塌和穩定階段6個階段。裂縫充水及其再分布會降低裂縫穩定性，進而導致裂縫壁坍塌;細溝侵蝕由排土場坡腳沿坡面向上發展，隨著降雨的不斷進行，侵蝕溝長度增加、寬度擴張、深度下切;土體裂縫貫穿和坡肩垮塌會導致坡面徑流量和侵蝕量增大。

(2)排土場平臺-邊坡系統徑流量和侵蝕量隨降雨強度和裂縫深度的增大而增大，徑流量與降雨強度呈顯著正相關，侵蝕量與土體裂縫深度呈顯著正相關;各場次降雨排土場土壤侵蝕量是對照的2.54，13.19，15.44，23.20，25.62，108.11倍，土壤侵蝕量顯著增大;排土場平臺-邊坡系統土壤侵蝕是土體裂縫和降雨強度共同作用的結果，因此控制土體裂縫發育和降低平臺匯水是防治排土場土壤侵蝕的關鍵。

(3)排土場侵蝕溝數量為2～5條，由一條主侵蝕溝和一條或多條支溝構成;侵蝕溝和溯源侵蝕發育嚴重，且侵蝕溝長度、寬度和深度之間呈顯著正相關;排土場平臺-邊坡系統土壤侵蝕過程是水力侵蝕和重力侵蝕共同作用的結果，小雨強、淺裂縫土壤侵蝕過程表現為先泥流、滑塌后細溝侵蝕，大雨強、深裂縫土壤侵蝕過程表現為以細溝侵蝕為主;是否發生明顯的泥流和滑塌現象是兩者的主要區別，表現為排土場土壤侵蝕形式上的差異。