暴雨作用下排土場(chǎng)平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)土壤侵蝕過(guò)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(shù)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000; 2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870; 3.遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110032)

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[1]。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)模的開采活動(dòng)會(huì)加劇破壞當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)[2-3]，嚴(yán)重影響礦區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境[4-5]。煤炭開采過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的棄土棄渣，經(jīng)運(yùn)輸、排棄、堆置、碾壓等工藝形成平臺(tái)巖土緊實(shí)、邊坡高陡松散的排土場(chǎng)，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(yǎng)分等特征[6]。排土場(chǎng)是露天煤礦土壤侵蝕最為嚴(yán)重的區(qū)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(yán)重污染土壤資源和水資源[9-10]。以往關(guān)于排土場(chǎng)土壤侵蝕的研究多集中在侵蝕機(jī)理[11-12]、侵蝕特征及影響因素[13-15]、侵蝕量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)[16-17]、減流減沙效益[18-19]等方面。排土場(chǎng)土壤侵蝕過(guò)程具有一定的特殊性和復(fù)雜性，土壤侵蝕量極其嚴(yán)重，其侵蝕速率更是撂荒地的43.6～239.2倍[20]，也容易發(fā)生排土場(chǎng)邊坡滑坡等災(zāi)害[21]。白中科等[7,22]研究安太堡露天煤礦不同區(qū)段水土流失特征，指出排土場(chǎng)占地面積大、形成時(shí)間短，其土壤侵蝕模數(shù)高達(dá)15 060 t/(km2·a)，且排土場(chǎng)平臺(tái)植物根系穿透阻力高達(dá)30～60 kg/cm3，植被恢復(fù)困難;排土場(chǎng)邊坡坡度較陡，土壤抗沖性和抗蝕性較差[23]，在平臺(tái)匯集的地表徑流會(huì)嚴(yán)重沖刷邊坡，形成面蝕、細(xì)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(jié)果也表明排土場(chǎng)邊坡在持續(xù)降雨?duì)顩r下容易失穩(wěn)，水分沿邊坡內(nèi)部滲流通道匯集到排土場(chǎng)坡腳而涌出，甚至發(fā)生淺層滑坡。郭建英等[27]以典型草原區(qū)大型露天煤礦排土場(chǎng)邊坡不同治理措施為研究對(duì)象，利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段研究次降雨條件下排土場(chǎng)入滲、產(chǎn)流、產(chǎn)沙特征，結(jié)果表明裸露邊坡的徑流量、產(chǎn)沙量明顯大于天然草地，其年徑流量、年產(chǎn)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(rèn)為排土場(chǎng)邊坡是一種極強(qiáng)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(chǎng)土壤侵蝕特征，其侵蝕量?jī)H為裸坡的2.3%～6.7%，植被措施可以有效降低排土場(chǎng)土壤侵蝕量。王金滿等[29]也指出植被對(duì)于改善和恢復(fù)排土場(chǎng)生態(tài)環(huán)境具有重要作用。胡定興等[30]指出減少平臺(tái)匯水面積可以有效地防治溝蝕發(fā)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(chǎng)平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)徑流、產(chǎn)沙、侵蝕形態(tài)演變規(guī)律，并指出平臺(tái)徑流匯集是導(dǎo)致邊坡溝蝕的主要原因。排土場(chǎng)平臺(tái)除匯流作用外，其不均勻沉降導(dǎo)致的土體裂縫也會(huì)影響排土場(chǎng)土壤侵蝕過(guò)程。土體裂縫改變了地表徑流的運(yùn)動(dòng)路徑，使水流由水平流動(dòng)為主轉(zhuǎn)向縱向運(yùn)動(dòng)，大量地表徑流直接由裂縫向排土場(chǎng)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，改變滲流場(chǎng)的分布特征，形成巖土軟弱滑動(dòng)面，降低土體穩(wěn)定性，加大滑坡、泥石流等水土流失災(zāi)害發(fā)生的可能性[32-33]。然而，以往研究并未涉及排土場(chǎng)平臺(tái)土體裂縫發(fā)育對(duì)土壤侵蝕過(guò)程的影響。因此，研究排土場(chǎng)平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)土壤侵蝕過(guò)程能夠?yàn)榕磐翀?chǎng)水土流失量預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)礦區(qū)水土流失防治具有重要意義。筆者以排土場(chǎng)平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)研究不同裂縫深度和降雨強(qiáng)度下排土場(chǎng)平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)土壤侵蝕演變過(guò)程、產(chǎn)流產(chǎn)沙特征和侵蝕溝形態(tài)特征，構(gòu)建排土場(chǎng)土壤侵蝕量計(jì)算模型，闡明降雨和微地形對(duì)排土場(chǎng)土壤侵蝕的作用機(jī)制，以期為露天煤礦排土場(chǎng)水土流失量預(yù)測(cè)、水土保持措施科學(xué)布置提供科學(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)116.1°～116.23°，北緯44.03°～44.12°，位于礦區(qū)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(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。露天礦剝離采用單斗-卡車工藝，排土場(chǎng)采用履帶推土機(jī)排土。排土場(chǎng)位于采區(qū)南側(cè)，使用年限為20 a，設(shè)計(jì)主要參數(shù)見表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 m，邊坡覆土厚度約為0.5 m，復(fù)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(chǎng)占地面積較大，可達(dá)幾平方公里、幾十平方公里，高度通常可達(dá)幾十米甚至幾百米。在進(jìn)行室內(nèi)模擬研究時(shí)，通常采用相似原理確定排土場(chǎng)幾何尺寸，以野外實(shí)際排土場(chǎng)與室內(nèi)模擬排土場(chǎng)的相似比例常數(shù)作為試驗(yàn)設(shè)計(jì)依據(jù)。由表1可知，排土場(chǎng)單個(gè)臺(tái)階高度為25 m，平臺(tái)寬度為20 m，根據(jù)相似原理，本研究相似系數(shù)為50，即室內(nèi)模擬排土場(chǎng)高度為50 cm，平臺(tái)寬度為40 cm(圖1)。

圖1 試驗(yàn)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(yàn)設(shè)計(jì)

降雨強(qiáng)度依據(jù)當(dāng)?shù)囟嗄杲涤曩Y料暴雨發(fā)生頻率分析，結(jié)合現(xiàn)有研究成果[34-36]和極端降雨事件頻發(fā)，確定90，120，150 mm/h 3個(gè)等級(jí)。為研究排土場(chǎng)沉降過(guò)程中土體裂縫深度對(duì)平臺(tái)地表徑流、滲流及土壤侵蝕過(guò)程的影響，設(shè)計(jì)4個(gè)土體裂縫深度(5，10，15，20 cm)，共計(jì)4場(chǎng)降雨試驗(yàn)，降雨強(qiáng)度為90 mm/h，試驗(yàn)時(shí)間為60 min;同時(shí)，為研究極端降雨對(duì)排土場(chǎng)土壤侵蝕的影響，設(shè)計(jì)2個(gè)極端降雨事件(降雨強(qiáng)度為120和150 mm/h)，共計(jì)2場(chǎng)降雨試驗(yàn)，土體裂縫深度為20 cm，試驗(yàn)時(shí)間為30 min。以無(wú)裂縫排土場(chǎng)為對(duì)照，分析各場(chǎng)次降雨下土壤侵蝕量的差異，揭示降雨強(qiáng)度和土體裂縫對(duì)排土場(chǎng)平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)土壤侵蝕的影響。

1.2.3試驗(yàn)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(jìn)行試驗(yàn)，整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)包括供水設(shè)備、降雨設(shè)備、土槽、土體裂縫等效模型和樣品收集5部分構(gòu)成。

(1)供水設(shè)備由水源、蓄水池、潛水泵、壓力表構(gòu)成。

(2)降雨設(shè)備為便攜式人工模擬降雨器，由10個(gè)噴頭構(gòu)成，每個(gè)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(yàn)土槽全部區(qū)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(shí)達(dá)到終點(diǎn)速度，且可通過(guò)控制降雨強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)降雨動(dòng)能與天然降雨的相似性;每次試驗(yàn)前率定降雨均勻度(85%以上)，能夠滿足室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)[37-38]。

(3)試驗(yàn)土槽為有機(jī)玻璃土槽。通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)[39-40]，確定土槽尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為110 cm×50 cm×60 cm，設(shè)計(jì)最大填土高度為50 cm，有機(jī)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(nèi)部土樣的垂直剖面為直角梯形，排土場(chǎng)上平臺(tái)為40 cm，下平面為110 cm(圖1);土槽前緣底部設(shè)有徑流泥沙出流口，用徑流桶收集降雨過(guò)程中產(chǎn)生的徑流泥沙。

試驗(yàn)前，先將煤矸石(粒徑為10～30 mm)分2層填入試驗(yàn)土槽，每10 cm為1個(gè)土層;再將風(fēng)干土樣過(guò)10 mm孔徑篩，噴灑一定量的水(水量根據(jù)風(fēng)干土含水率和原狀土含水率計(jì)算得到)，配置好重塑土樣，以最大程度地模擬排土場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)水分狀況;將配置好的土樣分3層填入試驗(yàn)土槽內(nèi)，每10 cm為1個(gè)土層。每層之間均打毛處理，控制容重使其達(dá)到或接近設(shè)計(jì)容重(根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣和室內(nèi)試驗(yàn)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(duì)誤差均不超過(guò)5%)。在填土過(guò)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(jié)。

(4)土體裂縫等效模型。為了研究土體裂縫對(duì)土壤侵蝕的影響，構(gòu)建裂縫形態(tài)特征與侵蝕量之間的定量關(guān)系，需要對(duì)土體裂縫進(jìn)行概化?；诂F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果和相關(guān)文獻(xiàn)[41-43]，采用薄剛性金屬板作為模型材料，構(gòu)建土體裂縫等效模型，裂縫等效模型位于排土場(chǎng)平臺(tái)前緣5 cm處(距排土場(chǎng)坡肩5 cm)，參照實(shí)際土體裂縫長(zhǎng)度、寬度和深度之間的比例，設(shè)計(jì)裂縫模型長(zhǎng)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(zhǎng)為5 cm(圖1)。

(5)樣品收集。試驗(yàn)前，將裂縫模型取出，在土槽前方安裝高速攝影機(jī)記錄試驗(yàn)過(guò)程，同時(shí)采用數(shù)碼相機(jī)記錄關(guān)鍵點(diǎn)試驗(yàn)圖像。試驗(yàn)開始后，記錄土槽產(chǎn)流時(shí)間，產(chǎn)流后每3 min收集一次徑流泥沙樣，測(cè)定徑流量和侵蝕量;試驗(yàn)結(jié)束后，利用鋼尺測(cè)量坡面侵蝕溝長(zhǎng)度、寬度、深度和平臺(tái)溯源侵蝕距離，其中寬度和深度為5個(gè)點(diǎn)位的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 排土場(chǎng)平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)侵蝕演變過(guò)程

根據(jù)土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展特點(diǎn)，結(jié)合排土場(chǎng)土壤侵蝕特征和國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展[31,44-46]，將排土場(chǎng)平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)土壤侵蝕演變過(guò)程分為土壤濺蝕與面蝕、裂縫充水與坍塌、細(xì)溝侵蝕、裂縫貫穿、坡肩垮塌和穩(wěn)定階段6個(gè)階段(圖2)，各個(gè)階段具有如下特征:

(1)土壤濺蝕與面蝕。降雨初期，排土場(chǎng)土壤含水率較小，未達(dá)到飽和狀態(tài)，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(dòng)能，平臺(tái)和坡面表層土壤顆粒在雨滴打擊作用下濺散，發(fā)生土壤濺蝕，以干土濺散為主;隨著降雨的不斷進(jìn)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(jié)力，加劇土壤濺蝕，表層土壤顆粒逐漸成為稀泥狀，雨滴進(jìn)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(xì)顆粒堵塞，降低土壤入滲能力，在平臺(tái)和坡面形成薄層水流，侵蝕進(jìn)一步發(fā)育，出現(xiàn)面蝕(圖2(b))。

(2)裂縫充水與坍塌。在發(fā)生土壤濺蝕和面蝕的同時(shí)，土體裂縫不斷充水。土體裂縫作為水分運(yùn)動(dòng)的優(yōu)先通道，一方面雨滴直接進(jìn)入土體裂縫，另一方面平臺(tái)匯集的地表徑流沿裂縫側(cè)壁向下運(yùn)動(dòng);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(nèi)的水位升高;隨著降雨進(jìn)行和裂縫內(nèi)水位增高，裂縫壁土體穩(wěn)定性降低，造成裂縫壁崩塌(圖2(c))，部分土體進(jìn)入裂縫內(nèi)部，裂縫后壁發(fā)生溯源侵蝕，但只是發(fā)育初期。

圖2 排土場(chǎng)平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)侵蝕演變過(guò)程Fig.2 Evolution process of soil erosion with platform-slope system in the dump

(3)細(xì)溝侵蝕。面蝕的不斷發(fā)展逐漸轉(zhuǎn)為細(xì)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(duì)泥沙的搬運(yùn)能力增大，當(dāng)土體抗侵蝕能力小于徑流的沖刷能力時(shí)，坡面土壤顆粒被搬運(yùn)、侵蝕;坡腳土體首先發(fā)生細(xì)溝侵蝕，土體被搬運(yùn)掏空;隨著降雨的不斷進(jìn)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(qiáng)烈，細(xì)溝侵蝕向坡面上方發(fā)展，細(xì)溝侵蝕的數(shù)量和程度增加，此時(shí)排土場(chǎng)含沙量上下波動(dòng)，其數(shù)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(dǎo)致徑流在沖刷過(guò)程中產(chǎn)生不同的侵蝕強(qiáng)度，細(xì)溝在形成過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)分叉、合并現(xiàn)象，細(xì)溝之間相互連通、貫穿，細(xì)溝侵蝕發(fā)育嚴(yán)重，坡腳出現(xiàn)多條細(xì)溝(圖2(d))。

(4)裂縫貫穿。在坡面發(fā)生細(xì)溝侵蝕的同時(shí)，排土場(chǎng)平臺(tái)土體裂縫內(nèi)匯集的水分越來(lái)越多，水位逐漸升高，裂縫后壁崩塌更加嚴(yán)重，當(dāng)裂縫內(nèi)水位達(dá)到排土場(chǎng)平臺(tái)表面時(shí)，水分會(huì)向外面溢出，以股流的形式從排土場(chǎng)坡肩某處(土體穩(wěn)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(xì)溝寬度加大，深度下切，加劇細(xì)溝侵蝕(圖2(f));同時(shí)，裂縫內(nèi)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(huì)加劇裂縫后壁土體崩塌，溯源侵蝕進(jìn)一步發(fā)育。

(5)坡肩垮塌。隨著細(xì)溝侵蝕的不斷發(fā)育，坡面徑流更加集中，侵蝕能力也增強(qiáng)，2個(gè)過(guò)程相互促進(jìn)，加劇細(xì)溝侵蝕，使得細(xì)溝繼續(xù)下切，溝底加深;細(xì)溝內(nèi)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(tái)土體處于長(zhǎng)期浸泡狀態(tài)，這不僅降低土體抗剪強(qiáng)度，還增大裂縫內(nèi)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(wěn)定性。土體裂縫內(nèi)的水分從排土場(chǎng)土體內(nèi)部由坡面涌出，與坡面徑流匯集，造成該區(qū)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(jié)果(圖2(g));當(dāng)坡肩垮塌時(shí)，大量徑流和泥沙向下運(yùn)動(dòng)，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(xù)加寬、加深，該時(shí)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(wěn)定階段。當(dāng)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?jīng)_刷土體，侵蝕溝繼續(xù)發(fā)育;隨著降雨的不斷進(jìn)行，侵蝕溝發(fā)育趨于穩(wěn)定，寬度不再擴(kuò)張，深度不再下切，整個(gè)侵蝕過(guò)程結(jié)束(圖2(h))。

2.2 排土場(chǎng)平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

由圖3(a)可知，坡面產(chǎn)流后，同一降雨強(qiáng)度、不同裂縫深度(降雨強(qiáng)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(wěn)定3個(gè)階段：當(dāng)裂縫深度為5，15，20 cm時(shí)，3 min徑流量依次為0.81，1.46，2.48 L；3～9 min內(nèi)存在不同程度的降低，隨后徑流量表現(xiàn)為增大和波動(dòng)交替出現(xiàn)。當(dāng)裂縫深度為10 cm時(shí)，徑流量在6 min時(shí)達(dá)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(wěn)定在2.68 L。對(duì)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(dāng)裂縫深度為20 cm、降雨強(qiáng)度為120和150 mm/h時(shí)，任意時(shí)間點(diǎn)的徑流量均大于90 mm/h，徑流量波動(dòng)程度更大，且150 mm/h降雨強(qiáng)度下的徑流量呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，極端降雨事件下30 min內(nèi)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(chǎn)流時(shí)間變化Fig.3 Variation of runoff,sediment concentration and soil erosion with duration of runoff

由圖3(b)可知，當(dāng)裂縫深度為5和10 cm時(shí)，排土場(chǎng)含沙量表現(xiàn)為先增大后減小最終趨于穩(wěn)定，6 min含沙量達(dá)到最大值，分別為0.43和1.03 kg/L，此時(shí)坡面發(fā)生滑塌，導(dǎo)致含沙量驟增;隨后含沙量減小，且18 min后波動(dòng)幅度減小并趨于穩(wěn)定;當(dāng)裂縫深度為15和20 cm時(shí)，含沙量表現(xiàn)為先減小后波動(dòng)的變化規(guī)律，含沙量在3 min時(shí)達(dá)到最大，分別為1.03和0.85 kg/L，隨后含沙量減小，最終穩(wěn)定在0.57和0.39 kg/L。當(dāng)裂縫深度為20 cm、降雨強(qiáng)度為120 mm/h時(shí)，含沙量表現(xiàn)為先減小后波動(dòng)，30 min內(nèi)含沙量平均值為0.46 kg/L;0～12 min內(nèi)含沙量逐漸減小，15 min后含沙量增大且上下波動(dòng)幅度較大，15～30 min內(nèi)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(dòng)力;當(dāng)裂縫深度為20 cm、降雨強(qiáng)度為150 mm/h時(shí)，含沙量總體上表現(xiàn)為減小的變化趨勢(shì)，3 min含沙量達(dá)到最大值，為1.92 kg/L，隨后含沙量減小，30 min內(nèi)含沙量平均值為1.42 kg/L。

由圖3(c)可知，當(dāng)降雨強(qiáng)度為90 mm/h、裂縫深度為5 cm時(shí)，排土場(chǎng)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(xiàn)在3 min;當(dāng)降雨強(qiáng)度為90 mm/h、裂縫深度為10 cm時(shí)，排土場(chǎng)土壤侵蝕量先增大后減小，最大值出現(xiàn)在6 min，數(shù)值為7.27kg;隨后侵蝕量驟減，9，12，15，18 min侵蝕量?jī)H為6 min的64.30%，33.73%，25.07%，8.65%，60 min內(nèi)侵蝕量平均值為0.98 kg;當(dāng)降雨強(qiáng)度為90 mm/h、裂縫深度為15和20 cm時(shí)，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(duì)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(dāng)降雨強(qiáng)度為120 mm/h、裂縫深度為20 cm時(shí)，排土場(chǎng)土壤侵蝕量表現(xiàn)為先減小后波動(dòng)，其變化規(guī)律與含沙量相一致;0～12 min內(nèi)侵蝕量逐漸減小，12～30 min侵蝕量上下波動(dòng)且波動(dòng)幅度較大，平均為2.67 kg，這與細(xì)溝侵蝕的不斷發(fā)育關(guān)系密切。當(dāng)降雨強(qiáng)度為150 mm/h、裂縫深度為20 cm時(shí)，排土場(chǎng)土壤侵蝕量呈現(xiàn)增大的變化規(guī)律，這與其徑流量的變化規(guī)律相一致;極端降雨事件下30 min內(nèi)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(qiáng)度及其交互作用的回歸關(guān)系(樣本數(shù)為6)，其中，F(xiàn)為F檢驗(yàn)值，sig為顯著性水平。徑流量與裂縫深度未達(dá)到顯著相關(guān)(P=0.067，P為概率);侵蝕量與裂縫深度冪函數(shù)回歸方程的決定系數(shù)R2=0.906，F(xiàn)=68.912，P=0.014，擬合結(jié)果達(dá)到顯著水平，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，說(shuō)明裂縫深度對(duì)排土場(chǎng)土壤侵蝕量影響顯著，且回歸方程的冪指數(shù)1.148>1，說(shuō)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(qiáng)度呈極顯著關(guān)系(P<0.01)，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，說(shuō)明降雨強(qiáng)度對(duì)排土場(chǎng)徑流量影響顯著;侵蝕量與降雨強(qiáng)度未達(dá)到顯著水平(P=0.091)，造成這種結(jié)果的原因可能是因?yàn)?50 mm/h降雨強(qiáng)度的土壤侵蝕量為95.57 kg，顯著大于90和120 mm/h，降雨強(qiáng)度越大，土體裂縫對(duì)侵蝕量的影響越顯著，進(jìn)而導(dǎo)致土壤侵蝕量驟增，回歸方程未達(dá)到顯著水平。2個(gè)回歸方程的冪指數(shù)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(qiáng)度的增大而顯著增大，且侵蝕量的增加程度更大，說(shuō)明在極端降雨事件下，排土場(chǎng)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的土壤侵蝕。排土場(chǎng)平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)徑流量和侵蝕量是土體裂縫和降雨強(qiáng)度共同作用的結(jié)果，其交互作用與徑流量和侵蝕量分別達(dá)到顯著和極顯著水平，計(jì)算模型均可用冪函數(shù)(Y=aHbIc，a，b，c為擬合參數(shù))表示，因此控制土體裂縫發(fā)育和降低平臺(tái)匯水是防治排土場(chǎng)土壤侵蝕的關(guān)鍵。

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

2.3 降雨強(qiáng)度和土體裂縫對(duì)排土場(chǎng)平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)土壤侵蝕的影響

由上述分析可知，降雨強(qiáng)度和裂縫深度對(duì)排土場(chǎng)平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)土壤侵蝕過(guò)程影響顯著，為分析這2個(gè)因素對(duì)土壤侵蝕過(guò)程的影響及其土壤侵蝕量的差異，以降雨強(qiáng)度為90 mm/h、無(wú)裂縫試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程中各場(chǎng)次降雨土壤侵蝕量與對(duì)照組之間的差異，以揭示降雨強(qiáng)度和裂縫深度對(duì)排土場(chǎng)土壤侵蝕量的影響。結(jié)合圖3侵蝕量隨時(shí)間的變化可知，隨著降雨強(qiáng)度和裂縫深度的增大，排土場(chǎng)各場(chǎng)次降雨土壤侵蝕量顯著增大，120和150 mm/h降雨強(qiáng)度的土壤侵蝕量高達(dá)22.65和95.57 kg，是對(duì)照組的25.62和108.11倍。在相同降雨強(qiáng)度下，5，10，15，20 cm裂縫深度的各時(shí)段土壤侵蝕量依次為對(duì)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(duì)照，說(shuō)明小裂縫對(duì)排土場(chǎng)土壤侵蝕量影響較小;當(dāng)裂縫深度為10 cm時(shí)，土壤侵蝕量在6～15 min內(nèi)迅速增大，是對(duì)照的20.48～63.19倍，這是由于該時(shí)期排土場(chǎng)坡面發(fā)生泥流，大量的徑流泥沙向下運(yùn)動(dòng)，增大土壤侵蝕量;當(dāng)裂縫深度為15和20 cm時(shí)，土壤侵蝕量總體上呈持續(xù)增加趨勢(shì)，且變化規(guī)律相似;在侵蝕后期(42～60 min)，各時(shí)段土壤侵蝕量仍是對(duì)照的14.70～34.54和25.78～53.98倍，說(shuō)明該時(shí)期土體裂縫對(duì)排土場(chǎng)土壤侵蝕量影響較大。在相同裂縫深度時(shí)，120和150 mm/h降雨強(qiáng)度的各時(shí)段土壤侵蝕量是對(duì)照的6.31～74.64倍和38.78～176.25倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)照組和其他場(chǎng)次降雨，且波動(dòng)幅度較大，表現(xiàn)為多峰多谷的變化規(guī)律，說(shuō)明在極端降雨事件下降雨強(qiáng)度和裂縫深度對(duì)排土場(chǎng)平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)土壤侵蝕量影響顯著。

表3為各場(chǎng)次降雨下排土場(chǎng)平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)土壤侵蝕量的統(tǒng)計(jì)特征值。由表3可知，6場(chǎng)降雨排土場(chǎng)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(xiàn)為隨降雨強(qiáng)度和裂縫深度的增大而增大，且各場(chǎng)次降雨之間均差異顯著(P<0.05)。排土場(chǎng)土壤侵蝕量的變異程度均達(dá)到中等變異性，且90 mm/h降雨強(qiáng)度、10 cm裂縫深度為強(qiáng)變異性，說(shuō)明裂縫會(huì)影響排土場(chǎng)土壤侵蝕過(guò)程，表現(xiàn)為土壤侵蝕量的突變，而產(chǎn)生突變的主要原因是土體裂縫發(fā)育和周圍土體新平衡建立交替出現(xiàn)，具體演變過(guò)程為:最初的土體處于平衡狀態(tài)，隨著降雨的不斷進(jìn)行，平臺(tái)裂縫持續(xù)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(tài);當(dāng)受力超過(guò)極限平衡狀態(tài)時(shí)，土體平衡狀態(tài)被破壞，裂縫內(nèi)的水分會(huì)以股流的形式攜帶大量泥沙向下運(yùn)動(dòng)，造成侵蝕量的增大，此時(shí)裂縫周圍土體再次達(dá)到新的平衡狀態(tài)，隨后開始下一次循環(huán)，裂縫內(nèi)再次充水，水位上升，坡肩土體侵蝕，但發(fā)生強(qiáng)度和侵蝕能量逐漸減小。排土場(chǎng)坡面發(fā)生泥流、滑塌最直觀的現(xiàn)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(guò)裂縫向深層土壤運(yùn)動(dòng)及其再分布作用改變土體孔隙水壓力、土壓力等應(yīng)力場(chǎng)，也間接說(shuō)明土體裂縫對(duì)排土場(chǎng)平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)土壤侵蝕的影響極其嚴(yán)重。針對(duì)90 mm/h降雨強(qiáng)度、10 cm裂縫深度試驗(yàn)，土壤侵蝕量的變異系數(shù)高達(dá)189.11%，這是由于3～6 min發(fā)生一次坡面滑塌，且在6～15 min內(nèi)仍發(fā)生規(guī)模不等的滑塌，進(jìn)而導(dǎo)致6～15 min內(nèi)的侵蝕量增大，形成侵蝕量的一個(gè)突變點(diǎn);若將6～15 min內(nèi)的4個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)剔除，土壤侵蝕量?jī)H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(shù)僅為59.35%，土壤侵蝕量及其變異系數(shù)均將顯著減小。

表3 排土場(chǎng)平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)土壤侵蝕量的統(tǒng)計(jì)特征Table 3 Statistical characteristics of soil erosion with platform-slope system in the dump

2.4 排土場(chǎng)平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)侵蝕溝形態(tài)特征

由圖4可知，6場(chǎng)降雨的侵蝕溝數(shù)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(gòu)成，其數(shù)量隨裂縫深度或降雨強(qiáng)度的增加而減少，各侵蝕溝發(fā)育程度不同;在6場(chǎng)降雨中，排土場(chǎng)坡面侵蝕溝長(zhǎng)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(chǎng)次降雨的侵蝕溝長(zhǎng)度均達(dá)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(zhǎng)度、寬度和深度之間具有顯著或極顯著正相關(guān)性關(guān)系，其中長(zhǎng)度與寬度的相關(guān)系數(shù)為0.506(sig=0.027)，長(zhǎng)度與深度的相關(guān)系數(shù)為0.731(sig=0)，寬度與深度的相關(guān)系數(shù)為0.840(sig=0)。對(duì)比不同裂縫深度的侵蝕溝形態(tài)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(shuō)明裂縫發(fā)育能夠顯著促進(jìn)排土場(chǎng)坡面侵蝕溝和平臺(tái)溯源侵蝕發(fā)育;對(duì)比不同降雨強(qiáng)度條件下的侵蝕溝形態(tài)特征可知，侵蝕溝深度和溯源侵蝕距離隨降雨強(qiáng)度的增大而增大，說(shuō)明降雨強(qiáng)度的增大會(huì)加快地表徑流匯集，侵蝕溝出現(xiàn)時(shí)間更早、發(fā)育更嚴(yán)重、溯源侵蝕距離更遠(yuǎn)。

圖4 侵蝕溝形態(tài)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(chǎng)平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)土壤侵蝕的特殊性

排土場(chǎng)緊實(shí)平臺(tái)的匯流作用是坡面徑流侵蝕的主要?jiǎng)恿?。邊坡是排土?chǎng)土壤侵蝕量的主要來(lái)源，約占整個(gè)排土場(chǎng)侵蝕量的85%～95%[47]。然而，排土場(chǎng)是由多個(gè)平臺(tái)和邊坡交替出現(xiàn)組成，平臺(tái)能夠匯集大量地表徑流，為排土場(chǎng)邊坡侵蝕提供侵蝕動(dòng)力，直接影響其侵蝕過(guò)程與侵蝕量。相關(guān)研究表明，排土場(chǎng)平臺(tái)在多次大型機(jī)械或重型機(jī)械碾壓后變得緊實(shí)，孔隙度降低，表層土壤密度達(dá)1.5～1.9 g/cm3，滲透系數(shù)僅為0.225 mm/min，容易形成大面積的匯流區(qū)域，匯流后沿坡面沖刷容易引發(fā)嚴(yán)重的土壤侵蝕[7,20,23]。以往關(guān)于排土場(chǎng)土壤侵蝕的研究對(duì)象多為單一邊坡，并未涉及排土場(chǎng)平臺(tái)，但平臺(tái)卻在排土場(chǎng)土壤侵蝕過(guò)程中起到關(guān)鍵作用。牛耀彬等[48]指出上方來(lái)水是坡面徑流侵蝕動(dòng)力和水流能量的傳遞樞紐帶，加速侵蝕過(guò)程，更是影響侵蝕量的關(guān)鍵因素。胡興定等[30]研究結(jié)果也表明，排土場(chǎng)平臺(tái)匯水面積的增大會(huì)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(shù)由16 443.08 t/(km2·a)增大到189 796.32 t/(km2·a)，其增幅分別達(dá)到274.47%和1 054.26%。上述研究成果表明，平臺(tái)外來(lái)匯水作用是影響排土場(chǎng)土壤侵蝕過(guò)程及其侵蝕量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，目前研究鮮有關(guān)注到平臺(tái)在排土場(chǎng)侵蝕過(guò)程中的作用，平臺(tái)不僅降低入滲能力、匯集大量地表徑流，也為整個(gè)侵蝕過(guò)程提供強(qiáng)勁的侵蝕動(dòng)力，缺少平臺(tái)的排土場(chǎng)土壤侵蝕過(guò)程不完整，土壤侵蝕量的研究結(jié)果會(huì)被嚴(yán)重低估。因此，有必要將排土場(chǎng)平臺(tái)和邊坡作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)研究。

在不均勻沉降作用下，排土場(chǎng)平臺(tái)前緣會(huì)形成土體裂縫[49]，盡管平臺(tái)土壤緊實(shí)、入滲能力低，但仍有大量地表徑流通過(guò)土體裂縫涌入排土場(chǎng)內(nèi)部，水分運(yùn)動(dòng)與土體裂縫發(fā)育相互促進(jìn)、不斷發(fā)展，使水分快速運(yùn)動(dòng)到排土場(chǎng)深層區(qū)域，加大土體下滑力、降低抗剪強(qiáng)度、加快土壤侵蝕過(guò)程。呂春娟等[50]認(rèn)為非均勻性沉降導(dǎo)致的沉降裂縫使徑流集中下滲并從下伏邊坡間流出，誘發(fā)滑坡、崩塌和泥石流，或者鉆向排土場(chǎng)基底，降低基底層承載力，導(dǎo)致整體失陷。鄭開歡等[25-26]也指出持續(xù)暴雨作用下排土場(chǎng)會(huì)在透水性最強(qiáng)的邊坡淺層形成集中滲流通道，導(dǎo)致徑流從坡腳涌出，造成排土場(chǎng)邊坡失穩(wěn)。因此，研究排土場(chǎng)土體裂縫對(duì)平臺(tái)地表徑流運(yùn)動(dòng)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(tài)參數(shù)的定量關(guān)系，闡明土體裂縫區(qū)域滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的變化特征，可以為揭示排土場(chǎng)平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)土壤侵蝕演變規(guī)律和淺層滑坡機(jī)理等方面的研究提供科學(xué)依據(jù)。

本文利用相似模擬原理建立排土場(chǎng)平臺(tái)-邊坡室內(nèi)模型，研究了特定降雨強(qiáng)度下排土場(chǎng)平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)土壤侵蝕過(guò)程，今后應(yīng)增加野外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以驗(yàn)證室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)果;同時(shí)，現(xiàn)實(shí)中的排土場(chǎng)是平臺(tái)和邊坡相間的階梯寶塔狀巨型人工松散堆積體，平臺(tái)和邊坡交替出現(xiàn)，多級(jí)臺(tái)階可以提供更大的匯水面積和更強(qiáng)的侵蝕動(dòng)力，上層平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)侵蝕過(guò)程顯著影響下層，且不同平臺(tái)、邊坡之間均存在侵蝕、輸移、沉積多個(gè)階段，侵蝕來(lái)源和侵蝕去向動(dòng)態(tài)變化，侵蝕過(guò)程和侵蝕作用更加復(fù)雜，今后應(yīng)加強(qiáng)該方面的研究。

3.2 降雨和微地形對(duì)排土場(chǎng)平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)土壤侵蝕的作用機(jī)制

降雨強(qiáng)度是影響排土場(chǎng)平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)土壤侵蝕過(guò)程的關(guān)鍵因素。徐朝容等[51]數(shù)值模擬結(jié)果表明，排土場(chǎng)土壤侵蝕程度隨降雨強(qiáng)度的增大而增大，且在暴雨條件下，降雨強(qiáng)度越大，排土場(chǎng)邊坡侵蝕破壞的時(shí)間越短。吳麗萍等[52]也指出，降雨侵蝕力與排土場(chǎng)邊坡土壤侵蝕量呈正相關(guān)關(guān)系，坡面徑流深度對(duì)降雨侵蝕力的響應(yīng)快于土壤侵蝕量。本文研究不同暴雨等級(jí)作用下，土體裂縫深度對(duì)排土場(chǎng)平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)土壤侵蝕的影響，結(jié)果表明降雨強(qiáng)度和土體裂縫對(duì)土壤侵蝕影響顯著，其中90 mm/h降雨強(qiáng)度、10 cm裂縫深度(小雨強(qiáng)、淺裂縫)和150 mm/h降雨強(qiáng)度、20 cm裂縫深度(大雨強(qiáng)、深裂縫)的侵蝕過(guò)程和侵蝕特征不同于其他場(chǎng)次降雨，主要表現(xiàn)在侵蝕量的突變和平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)的微地形變化。

(1)小雨強(qiáng)、淺裂縫。圖5為90 mm/h降雨強(qiáng)度、10 cm裂縫深度土壤侵蝕過(guò)程。在降雨初期，雨滴落在排土場(chǎng)平臺(tái)和坡面，加大排土場(chǎng)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(yùn)動(dòng)(圖5(a))，這加快了坡面侵蝕過(guò)程;隨著降雨時(shí)間的延長(zhǎng)，坡面土壤含水率升高而達(dá)到飽和狀態(tài)，部分土體的抗剪強(qiáng)度和承載能力降低或喪失，導(dǎo)致這部分土體以滑塌形式向下運(yùn)動(dòng)，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(huì)誘發(fā)排土場(chǎng)泄溜、淺層滑坡和崩塌等自然災(zāi)害。泥流是重力侵蝕的一種形式，表現(xiàn)為全部土體或部分土體液化而嚴(yán)重變形、順坡流下的現(xiàn)象，該階段侵蝕土壤具有高含水率、高含沙量、較強(qiáng)的流動(dòng)性和一定的黏度，且在短時(shí)間內(nèi)完成這一過(guò)程;坡面微地形的改變打破現(xiàn)有的受力平衡，并在泥流區(qū)上方出現(xiàn)橫向的土體裂縫(圖5(c));橫向裂縫的長(zhǎng)度將延伸、寬度將擴(kuò)張(圖5(d))，誘發(fā)下方土體繼續(xù)滑塌(圖5(e))，2個(gè)過(guò)程反復(fù)循環(huán)，直到接近排土場(chǎng)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(fā)生侵蝕(圖5(g))。隨后，土壤侵蝕形式以細(xì)溝侵蝕為主，寬度擴(kuò)張，深度下切，直到侵蝕趨于穩(wěn)定(圖5(h))。結(jié)合圖3可知，含沙量隨時(shí)間變化表現(xiàn)為單峰型，其峰值出現(xiàn)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(chǎng)坡面發(fā)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(chǎng)土壤侵蝕演變過(guò)程Fig.5 Soil erosion process of dump with 10 cm ground fissures

(2)大雨強(qiáng)、深裂縫。與90 mm/h降雨強(qiáng)度、10 cm裂縫深度土壤侵蝕發(fā)生條件相比，150 mm/h降雨強(qiáng)度、20 cm裂縫深度的降雨強(qiáng)度更大，土體裂縫更深(圖6)。由于降雨強(qiáng)度的增大，雨滴對(duì)排土場(chǎng)打擊動(dòng)能增大，致使土壤濺蝕和面蝕發(fā)生更早，坡面產(chǎn)流時(shí)間縮短，土壤濺蝕和面蝕發(fā)育快且過(guò)程短，細(xì)溝侵蝕更早發(fā)生(圖6(a));排土場(chǎng)坡肩位置相對(duì)薄弱，在強(qiáng)降雨雨滴打擊作用下容易發(fā)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(shí)，降雨強(qiáng)度的增大使得裂縫充水更快，裂縫內(nèi)水位迅速升高，增大靜水壓力，導(dǎo)致土體裂縫貫穿(圖6(b))，縮短土體裂縫內(nèi)水分和坡面徑流的匯集時(shí)間;細(xì)溝侵蝕繼續(xù)發(fā)育，溝壁坍塌，溝道下切，細(xì)溝寬度和深度快速發(fā)展，加劇侵蝕溝發(fā)育(圖6(c))，增大徑流量和侵蝕量;隨著降雨的進(jìn)行，侵蝕溝長(zhǎng)度、寬度和深度發(fā)育，溯源侵蝕加劇，直到侵蝕溝發(fā)育穩(wěn)定，溯源侵蝕結(jié)束，整個(gè)侵蝕過(guò)程也完成(圖6(d))。結(jié)合圖3可知，含沙量隨時(shí)間的增長(zhǎng)而減小，其最大值出現(xiàn)在3 min，為1.92 kg/L，隨后含沙量減小且上下波動(dòng)，最終穩(wěn)定在1.28 kg/L。

圖6 極端降雨事件下排土場(chǎng)侵蝕演變過(guò)程Fig.6 Soil erosion process of dump under extreme rainfall events

(3)對(duì)比分析。對(duì)于小雨強(qiáng)、淺裂縫條件，排土場(chǎng)土壤侵蝕初期細(xì)溝侵蝕發(fā)育相對(duì)較弱，土壤侵蝕形式以泥流和滑塌為主，導(dǎo)致侵蝕量驟增;直到坡肩垮塌后，坡面土體滑塌現(xiàn)象不再明顯，土壤侵蝕形式以細(xì)溝侵蝕為主。而對(duì)于大雨強(qiáng)、深裂縫條件，降雨強(qiáng)度和裂縫深度均增大，坡面徑流來(lái)不及入滲而攜帶大量泥沙向下運(yùn)動(dòng)，加劇細(xì)溝侵蝕發(fā)育，未發(fā)生泥流和滑塌侵蝕形式，且該條件濕潤(rùn)縫深度小于小雨強(qiáng)、淺裂縫。無(wú)論是小雨強(qiáng)、淺裂縫還是大雨強(qiáng)、深裂縫，排土場(chǎng)平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)土壤侵蝕過(guò)程都是水力侵蝕和重力侵蝕共同作用的結(jié)果，降雨強(qiáng)度和裂縫深度會(huì)影響土壤侵蝕過(guò)程和侵蝕特征，排土場(chǎng)土壤侵蝕的發(fā)生機(jī)理也有所不同，小雨強(qiáng)、淺裂縫土壤侵蝕過(guò)程為先泥流、滑塌后細(xì)溝侵蝕，大雨強(qiáng)、深裂縫土壤侵蝕過(guò)程以細(xì)溝侵蝕為主，兩者的主要區(qū)別在于是否發(fā)生泥流和滑塌，表現(xiàn)為排土場(chǎng)土壤侵蝕形式上的差異。

本文研究了降雨強(qiáng)度和土體裂縫對(duì)排土場(chǎng)平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)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(qiáng)和裂縫下土壤侵蝕發(fā)生機(jī)理的差異，構(gòu)建排土場(chǎng)平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)土壤侵蝕量計(jì)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(shí)施徑流調(diào)節(jié)，減緩暴雨徑流匯流而形成的沖蝕和灌縫，通過(guò)提高排土場(chǎng)平臺(tái)和邊坡植被覆蓋度不僅可以有效地降低濺蝕、改善土壤結(jié)構(gòu)，還能提高邊坡穩(wěn)定性，今后應(yīng)加強(qiáng)這方面研究，完善排土場(chǎng)平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)土壤侵蝕量計(jì)算模型，以期為露天煤礦排土場(chǎng)水土流失預(yù)測(cè)與防治和區(qū)域生態(tài)恢復(fù)與重建提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié) 論

(1)排土場(chǎng)平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)土壤侵蝕演變過(guò)程分為土壤濺蝕與面蝕、裂縫充水與坍塌、細(xì)溝侵蝕、裂縫貫穿、坡肩垮塌和穩(wěn)定階段6個(gè)階段。裂縫充水及其再分布會(huì)降低裂縫穩(wěn)定性，進(jìn)而導(dǎo)致裂縫壁坍塌;細(xì)溝侵蝕由排土場(chǎng)坡腳沿坡面向上發(fā)展，隨著降雨的不斷進(jìn)行，侵蝕溝長(zhǎng)度增加、寬度擴(kuò)張、深度下切;土體裂縫貫穿和坡肩垮塌會(huì)導(dǎo)致坡面徑流量和侵蝕量增大。

(2)排土場(chǎng)平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)徑流量和侵蝕量隨降雨強(qiáng)度和裂縫深度的增大而增大，徑流量與降雨強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)，侵蝕量與土體裂縫深度呈顯著正相關(guān);各場(chǎng)次降雨排土場(chǎng)土壤侵蝕量是對(duì)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(chǎng)平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)土壤侵蝕是土體裂縫和降雨強(qiáng)度共同作用的結(jié)果，因此控制土體裂縫發(fā)育和降低平臺(tái)匯水是防治排土場(chǎng)土壤侵蝕的關(guān)鍵。

(3)排土場(chǎng)侵蝕溝數(shù)量為2～5條，由一條主侵蝕溝和一條或多條支溝構(gòu)成;侵蝕溝和溯源侵蝕發(fā)育嚴(yán)重，且侵蝕溝長(zhǎng)度、寬度和深度之間呈顯著正相關(guān);排土場(chǎng)平臺(tái)-邊坡系統(tǒng)土壤侵蝕過(guò)程是水力侵蝕和重力侵蝕共同作用的結(jié)果，小雨強(qiáng)、淺裂縫土壤侵蝕過(guò)程表現(xiàn)為先泥流、滑塌后細(xì)溝侵蝕，大雨強(qiáng)、深裂縫土壤侵蝕過(guò)程表現(xiàn)為以細(xì)溝侵蝕為主;是否發(fā)生明顯的泥流和滑塌現(xiàn)象是兩者的主要區(qū)別，表現(xiàn)為排土場(chǎng)土壤侵蝕形式上的差異。