北方草原區(qū)露天煤礦外排土場(chǎng)平臺(tái)土體裂縫形態(tài)特征

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(guó)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(huì)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(lái)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(kāi)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(zhǎng)發(fā)育及其生態(tài)水文過(guò)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(huì)增加土壤水分蒸發(fā)和損失，降低植物對(duì)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(yùn)動(dòng)到深層土壤，造成地下水污染和灌溉水浪費(fèi)[9]。在邊坡工程方面，土體裂縫會(huì)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(duì)地表環(huán)境損傷最直觀的表現(xiàn)形式[11]，也是排土場(chǎng)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(guó)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(fèi)結(jié)構(gòu)中煤炭占60.4%，探明儲(chǔ)量16 666.73億t，年產(chǎn)量為34.5億t[13]。我國(guó)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(kāi)采活動(dòng)會(huì)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(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境[16]。煤炭資源開(kāi)采會(huì)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(chǎng)是煤炭資源開(kāi)采過(guò)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(chǎng)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(chǎng)平臺(tái)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(chǎng)各個(gè)臺(tái)階上，其寬度大小不一，最大可達(dá)10 cm，走向平行于等高線(xiàn)[25]。王永強(qiáng)等[12]采用探地雷達(dá)技術(shù)檢測(cè)排土場(chǎng)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(chǎng)平臺(tái)出現(xiàn)大量裂縫，裂縫面積比超過(guò)10%，最高可達(dá)79%，裂縫情況極其嚴(yán)重。排土場(chǎng)土體沉降及土體裂縫在時(shí)間和空間上均具有明顯的空間異質(zhì)性[27]，這為排土場(chǎng)平臺(tái)土體裂縫形態(tài)特征及其演變規(guī)律的研究帶來(lái)了極大的困難，直接影響排土場(chǎng)水分運(yùn)動(dòng)，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(chǎng)平臺(tái)土體裂縫形態(tài)特征能夠?yàn)橄乱徊矫逅至魇б?guī)律提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，對(duì)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?xún)?nèi)蒙古錫林郭勒盟錫林浩特市大唐國(guó)際勝利東二號(hào)露天煤礦南排土場(chǎng)為研究對(duì)象，摸清排土場(chǎng)平臺(tái)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(shí)排土場(chǎng)平臺(tái)土體裂縫特征及其對(duì)水分運(yùn)動(dòng)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(guó)際勝利東二號(hào)露天煤礦南排土場(chǎng)，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(chǎng)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(gè)月內(nèi)，7月中旬到8月中旬則更是暴雨集中頻發(fā)時(shí)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(chǎng)選擇在首采區(qū)南側(cè)境界外和采區(qū)內(nèi)，即在采掘場(chǎng)首采區(qū)南、北分別設(shè)南排土場(chǎng)和北排土場(chǎng)，其使用年限均為20 a。排土場(chǎng)設(shè)計(jì)主要參數(shù)見(jiàn)表1。為盡快恢復(fù)排土場(chǎng)的植被，平臺(tái)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(tái)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(chǎng)設(shè)計(jì)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(chǎng)沉降系數(shù)一般在1.1～1.2，沉降過(guò)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(pán)為研究對(duì)象，于2017年8月(排棄年限為4 a)對(duì)該平臺(tái)的土體裂縫進(jìn)行全面調(diào)查，測(cè)定每條裂縫的長(zhǎng)度、寬度和深度，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理從中選取3條典型土體裂縫(GFⅠ,GFⅡ,GF Ⅲ)作為研究對(duì)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(diǎn)正上方進(jìn)行拍照，通過(guò)數(shù)碼相機(jī)實(shí)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(duì)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(zhǎng)度、寬度、周長(zhǎng)、面積等指標(biāo)。采用現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖法測(cè)定土體裂縫深度[11]。將4個(gè)長(zhǎng)、寬均為110 cm的鐵板埋入之前布置的樣方內(nèi)，形成1個(gè)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(duì)裂縫深度進(jìn)行標(biāo)識(shí)，以避免在開(kāi)挖過(guò)程中周?chē)馏w坍塌進(jìn)入裂縫而導(dǎo)致裂縫形態(tài)和深度難以辨識(shí)[31-32];同時(shí)，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(diǎn))沿著土體裂縫走向(OO′)開(kāi)挖3個(gè)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(shí)地拍攝照片獲得每個(gè)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(chǎng)土體裂縫及剖面開(kāi)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(xiàn)并繪制土體裂縫中心線(xiàn)(裂縫長(zhǎng)度)，獲取裂縫長(zhǎng)度、周長(zhǎng)、面積，計(jì)算裂縫長(zhǎng)度密度和面積密度。沿裂縫中心線(xiàn)將圖像照片等分100份，每份為1 cm，測(cè)量每份中心線(xiàn)長(zhǎng)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(shì)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(gè)參數(shù)指標(biāo)的內(nèi)涵及計(jì)算方法如下:

(1)裂縫走勢(shì)θ。裂縫走勢(shì)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(gè)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(xiàn)型、弧線(xiàn)型等。以10°為一個(gè)區(qū)間，將0°～90°等分為9份，分析土體裂縫走勢(shì)在每個(gè)區(qū)間的分布特征及頻率。

(2)裂縫長(zhǎng)度L和裂縫寬度W。裂縫長(zhǎng)度L是指裂縫中心線(xiàn)長(zhǎng)度;裂縫寬度W是指裂縫地表寬度，反映了裂縫的張開(kāi)程度，裂縫寬度越大，對(duì)土體連續(xù)性的破壞程度和擾動(dòng)范圍越大，為多個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值;2者能反映土體裂縫的發(fā)育程度。

(3)裂縫周長(zhǎng)C和裂縫面積S。裂縫周長(zhǎng)是指裂縫輪廓線(xiàn)之和C，裂縫面積是指裂縫輪廓線(xiàn)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(duì)土壤力學(xué)性質(zhì)、水分入滲和蒸發(fā)影響越大。

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

PL=L/A0

(1)

式中，PL為裂縫長(zhǎng)度密度,cm/cm2;L為裂縫長(zhǎng)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(jì)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(jì)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(jì)算裂縫分形維數(shù)，用不同邊長(zhǎng)r的方格網(wǎng)覆蓋裂縫圖像，計(jì)數(shù)每一次覆蓋時(shí)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(zhǎng),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(duì)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(yàn)證擬合方程的有效性[34],即

(5)

其中，Yi為模型預(yù)測(cè)值;Oi為試驗(yàn)觀測(cè)值;O為試驗(yàn)觀測(cè)值的平均值;n為樣本個(gè)數(shù)。ENS為觀測(cè)值和預(yù)測(cè)值在1∶1線(xiàn)附近的分布情況。ENS越接近1，表明模型的預(yù)測(cè)效果越好;ENS趨向于0則表明模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際觀測(cè)值之間有較大誤差。通常情況下，當(dāng)ENS>0.8時(shí)可認(rèn)為模型預(yù)測(cè)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(jì)特征

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該排土場(chǎng)平臺(tái)共存在大小不等的土體裂縫61條，走向平行于等高線(xiàn)(排土場(chǎng)邊緣)，多為直線(xiàn)型，多集中在排土場(chǎng)平臺(tái)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(zhǎng)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(zhǎng)度最大值為3 998.5 cm，最小值為11.3 cm，平均為412.0 cm，最長(zhǎng)裂縫對(duì)應(yīng)的寬度為40.4 cm(最寬)，對(duì)應(yīng)的深度僅為15.1 cm，而最短裂縫對(duì)應(yīng)的寬度為17.3 cm，深度為9.0 cm，說(shuō)明裂縫長(zhǎng)度與裂縫寬度和深度之間沒(méi)有明顯的正相關(guān)關(guān)系，不能用裂縫長(zhǎng)度來(lái)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(zhǎng)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(cè)量其誤差較大，而裂縫寬度容易測(cè)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(gè)等級(jí)。

表2 土體裂縫統(tǒng)計(jì)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(shì)

各調(diào)查樣方內(nèi)僅有1條土體裂縫，其平面分布呈線(xiàn)型或弧型，表現(xiàn)為不同程度的彎曲。土體裂縫中心線(xiàn)的夾角各有不同(圖3)，GFⅠ角度為0°～80°，GFⅡ?yàn)?°～60°，GF Ⅲ為0°～50°。3個(gè)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(zhǎng)度和長(zhǎng)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(gè)土體裂縫的長(zhǎng)度在104.84～120.83 cm(表3)，均大于100 cm(樣方邊長(zhǎng))，說(shuō)明裂縫存在不同程度的彎曲。GFⅠ長(zhǎng)度顯著大于GFⅡ和GF Ⅲ，說(shuō)明該裂縫彎曲程度更大，這與土體裂縫走勢(shì)變化規(guī)律相一致。裂縫長(zhǎng)度密度反映了裂縫長(zhǎng)度占樣方的面積比例，GFⅠ,GFⅡ,GF Ⅲ長(zhǎng)度密度依次為0.012,0.011,0.01 cm/cm2，各裂縫之間無(wú)顯著差異且長(zhǎng)度密度普遍較小。

2.2.3寬度和周長(zhǎng)

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(diǎn)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(shuō)明土體裂縫的寬度具有明顯的變異性，波動(dòng)幅度較大。GFⅠ,GFⅡ,GF Ⅲ裂縫周長(zhǎng)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(shuō)明排土場(chǎng)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(wú)顯著差異。同一裂縫不同剖面的裂縫深度不同，GFⅠ3個(gè)剖面裂縫深度為36,26,25 cm，GFⅡ3個(gè)剖面裂縫深度為20,26,36 cm，GF Ⅲ3個(gè)剖面裂縫深度為25,15,46 cm，說(shuō)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(kāi)裂過(guò)程中回填裂縫，裂縫壁處土壤會(huì)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(cè)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(huì)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(shì)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(shuō)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(shuō)明兩者達(dá)到了極顯著水平。為了進(jìn)一步分析回歸曲線(xiàn)的準(zhǔn)確性，計(jì)算裂縫寬深比的納什有效性系數(shù)ENS，均大于0.97，說(shuō)明擬合函數(shù)符合模型有效性驗(yàn)證的基本要求和一定的參考價(jià)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(shuō)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(shuō)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(zhǎng)度、寬度、彎曲程度的變化趨勢(shì)具有一致性，其中GFⅠ裂縫角度、長(zhǎng)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(duì)土壤及植被的擾動(dòng)作用也越大。而對(duì)于土體裂縫分形維數(shù)最小的GFⅡ，其裂縫角度、長(zhǎng)度、彎曲程度和空間變異程度最小，裂縫開(kāi)裂程度最小，裂縫面積密度僅為2.86%，對(duì)土壤及植被的擾動(dòng)作用也相對(duì)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(chǎng)是露天開(kāi)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(chǎng)平臺(tái)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(cuò)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(zhǎng)[40]等因素影響，但排土場(chǎng)平臺(tái)土體裂縫的形成與發(fā)展更受到排土場(chǎng)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(chǎng)平臺(tái)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(xiàn)型、弧線(xiàn)型和折線(xiàn)型，分布在排土場(chǎng)平臺(tái)前緣，走向平行于等高線(xiàn)，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(xiàn)型。研究結(jié)果表明，土體裂縫多集中在平臺(tái)前緣5 m范圍內(nèi)，最遠(yuǎn)可達(dá)10 m，已接近平臺(tái)中間位置。張建華[44]通過(guò)對(duì)高臺(tái)階排土場(chǎng)平臺(tái)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(xiàn)型，部分裂縫存在彎曲，大部分土體裂縫距排土場(chǎng)平臺(tái)前緣的距離小于8 m，且越靠近排土場(chǎng)平臺(tái)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(shuō)明排土場(chǎng)平臺(tái)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(chǎng)邊坡是否穩(wěn)定。土體裂縫的出現(xiàn)會(huì)增加地表徑流流入排土場(chǎng)土體內(nèi)部的可能性，裂縫寬度和深度會(huì)促進(jìn)水分向深層土壤運(yùn)動(dòng)，水分運(yùn)動(dòng)也會(huì)進(jìn)一步加劇土體裂縫的發(fā)育與擴(kuò)張，2個(gè)過(guò)程相互促進(jìn)、不斷發(fā)展;同時(shí)，土壤水分會(huì)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(chǎng)平臺(tái)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(diǎn)(節(jié)點(diǎn))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(kāi)裂程度和影響范圍也越大，嚴(yán)重影響植物正常生長(zhǎng)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(shí)，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(yùn)動(dòng)，穿過(guò)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(chǎng)平臺(tái)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(chǎng)平臺(tái)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(chǎng)平臺(tái)土體裂縫。因此，有必要篩選新的形態(tài)指標(biāo)來(lái)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(shí)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(zhǎng)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(diǎn)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(shì)，提取并繪制土體裂縫寬度隨土層深度的變化趨勢(shì)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(shì)，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(shuō)明排土場(chǎng)平臺(tái)土體裂縫地下擴(kuò)展情況較為復(fù)雜。同時(shí)，同一裂縫不同剖面土體裂縫寬度之間差異顯著，這也說(shuō)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(shì)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(shí)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(gè)土壤剖面土體裂縫，獲取其裂縫邊界的坐標(biāo)點(diǎn)，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(xiàn)為裂縫3個(gè)剖面最低點(diǎn)在X-Y平面內(nèi)的投影。由圖9可知，該折線(xiàn)并不是呈現(xiàn)為直線(xiàn)型，而是存在角度的轉(zhuǎn)折，3條折線(xiàn)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(shuō)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(guò)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(shì)不能用來(lái)反映裂縫的實(shí)際走向。在今后的研究中，可以考慮采用樹(shù)脂、乳膠、石膏等對(duì)土體裂縫進(jìn)行填充，利用現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖后獲取土體裂縫的立體形態(tài)模型，通過(guò)立體攝影測(cè)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(chǎng)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(chǎng)平臺(tái)土體裂縫尺寸差異明顯，形態(tài)多為直線(xiàn)型，其走向平行于等高線(xiàn)且集中在平臺(tái)前緣5 m范圍內(nèi)，會(huì)影響排土場(chǎng)土壤侵蝕量及邊坡穩(wěn)定性。土體裂縫平均長(zhǎng)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(gè)等級(jí)，為今后排土場(chǎng)平臺(tái)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(chǎng)平臺(tái)土體裂縫平面分布呈線(xiàn)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(gè)土體裂縫的長(zhǎng)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(huì)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(cè)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(jià)值。排土場(chǎng)平臺(tái)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(duì)其結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定量化描述。