半干旱矿区地裂缝对土壤水分和地表剪切强度的影响

杜国强，陈秀琴，郄晨龙，杨德军

(中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州　221116)



半干旱矿区地裂缝对土壤水分和地表剪切强度的影响

杜国强，陈秀琴，郄晨龙，杨德军①

(中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州221116)

摘要：为研究矿区地裂缝对土壤水分及地表剪切强度的影响规律，针对井工煤矿采煤产生的沉陷裂缝，通过野外现场试验，对垂直裂缝方向上的土壤含水率和地表剪切强度进行测定并进行相关性分析。结果表明，在沿垂直裂缝的方向上土壤含水率与测点距裂缝的距离之间呈一定的正相关关系，相关性未达显著水平(P>0.05)，初步得到土壤平均含水率随距地裂缝距离的增加而增大，地裂缝的出现一定程度上降低了裂缝及其周边土体含水率；地表剪切强度与距地裂缝距离之间呈一定的正相关关系，相关性未达显著水平(P>0.05)，初步得到地裂缝对周围土体结构产生一定影响，即距地裂缝越近，剪切强度越低，地裂缝的出现降低了地裂缝及其周边土体的剪切强度。

关键词：地裂缝；土壤含水率；地表剪切强度；半干旱矿区

近年来,矿区范围内环境地质灾害事件频繁发生,环境状况急剧恶化,水土流失面积占研究区面积的81.4%[1]。在我国西部地区,煤炭资源蕴藏丰富,但该区域位于干旱半干旱区,生态系统非常脆弱,煤炭开采后形成的采空区会逐渐出现不同程度的地面变形,形成地面裂缝和沉陷等,诱发滑坡等斜坡地质灾害,加速矿区的水土流失[2]。

近年来,国内外专家从各个方面对地裂缝进行研究。STIRK[3]通过对裂缝体积进行研究,得出裂缝体积能有效提高降雨时土壤持水能力,并且能够抑制形成地表径流,裂缝的内表面也对增加土壤入渗有重要意义,存在裂缝的土壤比没有裂缝的土壤持水能力强;王晋丽等[4]通过研究采煤裂缝影响下土壤含水量的变化对农作物的影响,并对采煤地裂缝深度和覆岩导水裂缝带高度进行计算,得出地裂缝能影响土壤水分的运移,造成植被破坏和水土流失;张延旭等[5]通过研究采煤裂缝区土壤水分的分布特征,并对采煤裂缝宽度、裂缝密度和土壤含水量的关系进行探讨,得出采煤沉陷裂缝造成土壤含水量下降,沉陷区内地裂缝处和无裂缝区土壤含水量均小于未开采区,整体上不同区域土壤含水量由低到高依次为裂缝区、沉陷无裂缝区和未开采区。此外,FLOWERS等[6]利用裂缝平均深度、平均体积和平均宽度,研究不同耕作方式和不同压实负载对土壤裂缝发生特征的影响;王鹏等[7]以韩家湾煤矿为例,研究沙漠区大采高条件下地裂缝破断机理;王双明等[8]从规划角度提出了旨在减轻地裂缝等环境损害的规划建议;范立民[9]研究认为在鄂尔多斯盆地北部的榆神府矿区,高强度采煤造成地裂缝广泛发育,不仅破坏含水系统结构,还对生态环境产生严重影响。笔者对矿区典型裂缝进行布点,测定样点土壤含水率和剪切强度,对沿垂直裂缝方向的距离与土壤含水率和土壤剪切强度之间进行相关分析,为今后研究裂缝对水土流失的影响提供一定的理论依据。

1试验设计与方法

1.1研究区概况

研究区位于陕西省神木县最北端大柳塔矿区,神府东胜煤田中部,属陕北黄土高原北缘与毛乌素沙漠过渡地带,地理坐标为北纬39°13′53″～39°21′32″,东经110°12′23″～110°22′54″。该区属典型温带大陆性气候区,年降水量为251.3～646.5 mm,多集中在夏秋两季(6—9月),春冬两季降水量很小;地表上覆为松散层及基岩地层,松散层主要为黄土层,土体结构松散,土壤养分含量呈缺磷、少氮、钾有余的特点,有机质含量低,肥力极低,地表土壤pH值平均为8.5;研究区内基岩岩性以砂岩、砂质泥岩和泥岩为主。综采采空区顶板全部垮落,工作面埋深浅的区域地表有裂缝。

1.2试验设计与测定方法

选取2条典型裂缝,记为裂缝A和B,在裂缝A上沿着裂缝选取4个试验区域,裂缝宽度分别为25、15、10和10 cm(10 cm区域较长,选取2处进行研究,分别记作Ⅰ-10 cm和Ⅱ-10 cm);在裂缝B上沿裂缝选取3个试验区域,试验区域裂缝宽度分别为7、5和2 cm。在各个试验区域垂直于地裂缝方向上划定一条直线,在每条直线上距离地裂缝边界3 m范围内,每隔0.2 m取1个样点作为测点。

所选用的测定仪器有便携式土壤含水率仪器(便携式POGO土壤多参数测定系统和Hydra便携式土壤含水率测定仪)和三头抗剪仪(1410型Pocket Vane Tester型),主要对每个样点土壤体积含水率和土壤剪切强度直接进行测定,测定前清除地表的杂草和石砾,测定深度约为4～5 cm,多次测定取平均值。

试验时间为2014年3月17日,此时正值春季,降水量小,土壤含水率较低。

2结果与分析

2.1垂直裂缝方向上的土壤含水率变化

裂缝A不同宽度区域土壤含水率在垂直裂缝方向上的变化见图1。由图1可知,在垂直于裂缝3 m范围内,裂缝宽度为25和Ⅱ-10 cm区域测点距裂缝的距离与土壤含水率之间呈负相关关系,但决定系数仅为0.000 3和0.053 5,P均大于0.05,表明线性相关性均不显著;而宽度为15和Ⅰ-10 cm区域以及平均状态下测点距裂缝的距离与土壤含水率之间呈正相关关系,15 cm区域决定系数为0.056 8(P>0.05),说明线性相关性也不显著,Ⅰ-10 cm区域决定系数为0.349 1,相关性达显著水平(P<0.05);测点距裂缝的距离与土壤平均含水率呈正相关关系,决定系数为0.148 3,相关性未达显著水平(P>0.05)。

裂缝B不同宽度区域土壤含水率在垂直裂缝方向上的变化见图2。如图2所示,在垂直于裂缝3 m范围内,裂缝B的3个不同宽度区域测点距裂缝的距离与土壤含水率之间均呈正相关关系,决定系数分别为0.199 6、0.000 5和0.123 4,其中,7 cm宽度区域测点距裂缝的距离与土壤含水率之间线性相关性达显著水平(P<0.05),5和2 cm区域相关性未达显著水平(P>0.05)。测点距裂缝的距离与土壤平均含水率也呈正相关关系,决定系数为0.207 7,相关性达显著水平(P<0.05)。

总体来看,在2条裂缝上7个不同宽度区域测点距裂缝的距离与土壤含水率的相关性,除在25和Ⅱ-10 cm宽度区域呈现一定的负相关以外,其他宽度区域及平均状态下均呈现一定的正相关关系,可以得到土壤平均含水率随距裂缝距离的增加而增加的结论,周边地裂缝的出现使得土壤含水率有一定程度降低,降低了土壤对水的保持作用。

通过分析得到地裂缝对土壤水动力学的影响如下:(1)地裂缝的出现使得地裂缝周围土体的蒸发面积增加;(2)地裂缝的出现加速了土壤水分原本可能不占主导的横向流动;(3)裂缝促进了土壤孔隙发育,一定程度上能提高土壤持水能力,地裂缝可破坏土体结构,改变土壤质地,使得土壤颗粒变粗,水力传导率增加。

综上所述,土壤含水率与距裂缝的距离呈一定的正相关关系,但由于土壤空间变异性的增加,除个别情况外,相关性均未达显著水平。

图1　裂缝A不同宽度区域土壤含水率在垂直裂缝方向上的变化

图2　裂缝B不同宽度区域土壤含水率在垂直裂缝方向上的变化

2.2垂直裂缝方向上的土壤剪切强度变化

裂缝A不同宽度区域土壤剪切强度在垂直裂缝方向上的变化见图3。如图3所示,在垂直于裂缝3 m范围内,仅在裂缝宽度为15 cm区域测点距裂缝的距离与土壤剪切强度之间呈负相关关系,在0～1.2 m范围内土壤剪切强度随测点距裂缝距离的增加而增大,1.4～2.4 m范围内土壤剪切强度变异性较大,2.6～3 m范围内土壤剪切强度随测点距裂缝距离的增加而减小,可能是由于人为原因致使土壤参数空间变异性增大所致;而宽度为25、Ⅰ-10和Ⅱ-10 cm区域测点距裂缝的距离与土壤剪切强度之间呈正相关关系,25和Ⅱ-10 cm区域决定系数分别为0.153 0和0.196 6,说明存在线性相关性,其中,25 cm区域相关不显著(P>0.05),Ⅱ-10 cm区域相关显著(P<0.05);Ⅰ-10 cm区域决定系数为0.054 6,相关不显著(P>0.05);测点距裂缝的距离与土壤平均剪切强度呈正相关关系,决定系数为0.154 9,相关性未达显著水平(P>0.05)。

图3　裂缝A不同宽度区域土壤剪切强度在垂直裂缝方向上的变化

裂缝B不同宽度区域土壤剪切强度在垂直裂缝方向上的变化见图4。如图4所示,在垂直于裂缝3 m范围内,3个宽度区域测点距裂缝的距离与土壤剪切强度之间呈正相关关系,决定系数分别为0.020 8、0.046 1和0.040 7,P均大于0.05,表明测点距裂缝距离与土壤剪切强度之间不存在线性相关关系。测点距裂缝的距离与土壤平均剪切强度之间虽然也呈正相关关系,决定系数仅为0.072 5,相关性未达显著水平(P>0.05)。

总体来看,在2条裂缝中7个不同宽度区域测点距裂缝的距离与土壤剪切强度的相关性,除在宽度为15 cm区域呈现负相关关系以外,其他宽度区域及平均状态下均呈现一定的正相关关系,其中,裂缝A测点距裂缝距离与土壤平均剪切强度之间的线性相关性要比裂缝B显著。从以上分析综合来看,地表土壤剪切强度与距地裂缝距离之间呈正相关关系,即距地裂缝越近,剪切强度越低。从相关关系方面推断,地裂缝对其周围有一定影响,即地裂缝的出现会降低地裂缝及其周边土体的剪切强度,并且加速地表的水土流失。

3结论

(1)土壤含水率与距地裂缝的距离呈一定的正相关关系,但由于土壤空间变异性的增加,相关性未达显著水平,只能初步得到土壤平均含水率随测点距地裂缝距离增加而逐渐增大的结论,从而推测周边地裂缝的出现使得土壤含水率有一定程度降低,土壤对水分的保持作用降低。

(2)土壤剪切强度与距地裂缝的距离呈一定的正相关关系,从相关关系方面推断地裂缝对周围土体结构有一定影响,会降低地裂缝及其周边土体的剪切强度,加速地表水土流失。

图4　裂缝B不同宽度区域土壤剪切强度在垂直裂缝方向上的变化

参考文献：

[1]张勇,王亚峰,赵晓光.陕西省彬长矿区水土流失与地质灾害的关系初探[J].水土保持通报,2013,33(5):305-308.

[2]宋世杰.煤炭开采对煤矿区生态环境损害分析与防治对策[J].煤炭加工与综合利用,2007,25(4):44-48.

[3]STIRK G B.Some Aspects of Soil Shrinkage and the Effect of Cracking Upon Water Entry Into the Soil[J].Crop & Pasture Science,1954,5(2):279-296.

[4]王晋丽,康建荣,胡晋山.采煤地裂缝对水土资源的影响研究[J].山西煤炭,2011,31(3):27-30.

[5]张延旭,毕银丽,陈书琳,等.半干旱风沙区采煤后裂缝发育对土壤水分的影响[J].环境科学与技术,2015,38(3):11-14.

[6]FLOWERS M,LAL R.Axle Load and Tillage Effects on the Shrink-age Characteristics of a Mollic Ochraqualf in Northwest Ohio[J].Soil & Tillage Research,1999,50(3/4):251-258.

[7]王鹏,余学义,刘俊.浅埋煤层大采高开采地表裂缝破坏机理研究[J].煤炭工程,2014,46(5):84-86.

[8]王双明,黄庆享,范立民,等.生态脆弱区煤炭开发与生态水位保护[M].北京:科学出版社,2010:31-32.

[9]范立民.榆神府区煤炭开采强度与地质灾害研究[J].中国煤炭,2014,40(5):52-55.

(责任编辑： 李祥敏)

Impacts of Cracks on Soil Moisture and Surface Shear Strength in Semi-Arid Mining Area.

DUGuo-qiang,CHENXiu-qin,QIEChen-long,YANGDe-jun

(School of Environment Science and Spatial Informatics, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

Abstract:To study impacts of cracks on soil moisture and surface shear strength in mining areas, especially cracks caused by mining-triggered subsidence, a field experiment was carried out determining changes in soil moisture content and surface shear strength along the direction perpendicular to a crack for correlation analysis. Results show that along the direction perpendicular to a crack, soil moisture was somewhat positively related to distance from the measurement point to the crack, though the correlation was not significant(P>0.05). It was found that the average soil moisture content increased with the distance from the measurement point to the crack. The appearance of cracks reduced soil moisture content in the cracks and their surroundings, to some extent. Surface shear strength was also positively related to the distance from the measurement point to the crack, though the correlation was not significant either (P>0.05). It was also found that land cracks had some impacts on soil structure of their surroundings, that is, the closer to the cracks, the lower the shear strength, which demonstrates that land cracks reduce the shear strength of the soil around them.

Key words:crack;soil moisture content;surface shear strength;semi-arid mining area

作者简介：杜国强(1989—),男,山西朔州人,硕士生,主要从事环境工程方面的研究。E-mail: dgq0722@163.com

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.02.009

中图分类号：S157.1；X833

文献标志码：A

文章编号：1673-4831(2016)02-0224-05

通信作者①E-mail: yangdj81@163.com

基金项目：国家科技基础性工作专项(2014FY110800);国家自然科学基金重点项目(U1361214);国家重点基础研究发展计划(2013CB227904)

收稿日期：2015-11-11