暴雨作用下排土场平台-边坡系统土壤侵蚀过程模拟研究

吕 刚，李叶鑫,，宁宝宽，魏忠平，王道涵

(1.辽宁工程技术大学 环境科学与工程学院，辽宁 阜新 123000; 2.沈阳工业大学 建筑与土木工程学院，辽宁 沈阳 110870; 3.辽宁省林业科学研究院，辽宁 沈阳 110032)

煤炭是中国的主要能源，其产量连续多年居世界第1。2017年能源消费结构中煤炭占60.4%，探明储量16 666.73亿t，年产量为34.5亿t[1]。我国的煤炭资源主要分布在干旱和半干旱地区，生态环境极其脆弱，大规模的开采活动会加剧破坏当地的生态系统[2-3]，严重影响矿区社会经济和生态环境[4-5]。煤炭开采过程中会产生大量的弃土弃渣，经运输、排弃、堆置、碾压等工艺形成平台岩土紧实、边坡高陡松散的排土场，是一种典型的人工堆垫地貌，具有砾石含量高、持水能力差、高容重、低养分等特征[6]。排土场是露天煤矿土壤侵蚀最为严重的区域，其土壤侵蚀形式丰富多样，主要有溅蚀、砂砾化面蚀、沟蚀、土砂流泻、坡面泥石流等[7-8]，严重污染土壤资源和水资源[9-10]。以往关于排土场土壤侵蚀的研究多集中在侵蚀机理[11-12]、侵蚀特征及影响因素[13-15]、侵蚀量预测预报[16-17]、减流减沙效益[18-19]等方面。排土场土壤侵蚀过程具有一定的特殊性和复杂性，土壤侵蚀量极其严重，其侵蚀速率更是撂荒地的43.6～239.2倍[20]，也容易发生排土场边坡滑坡等灾害[21]。白中科等[7,22]研究安太堡露天煤矿不同区段水土流失特征，指出排土场占地面积大、形成时间短，其土壤侵蚀模数高达15 060 t/(km2·a)，且排土场平台植物根系穿透阻力高达30～60 kg/cm3，植被恢复困难;排土场边坡坡度较陡，土壤抗冲性和抗蚀性较差[23]，在平台汇集的地表径流会严重冲刷边坡，形成面蚀、细沟侵蚀等水力侵蚀和滑塌、泥石流等重力侵蚀[24]。郑开欢等[25-26]研究结果也表明排土场边坡在持续降雨状况下容易失稳，水分沿边坡内部渗流通道汇集到排土场坡脚而涌出，甚至发生浅层滑坡。郭建英等[27]以典型草原区大型露天煤矿排土场边坡不同治理措施为研究对象，利用现场监测手段研究次降雨条件下排土场入渗、产流、产沙特征，结果表明裸露边坡的径流量、产沙量明显大于天然草地，其年径流量、年产沙量分别为天然草地的5.1倍和228.8倍，年均入渗量是天然草地62.1%，认为排土场边坡是一种极强烈侵蚀的人工再塑地貌。杨汉宏等[28]研究乔、灌、草不同配置条件下排土场土壤侵蚀特征，其侵蚀量仅为裸坡的2.3%～6.7%，植被措施可以有效降低排土场土壤侵蚀量。王金满等[29]也指出植被对于改善和恢复排土场生态环境具有重要作用。胡定兴等[30]指出减少平台汇水面积可以有效地防治沟蚀发育程度与状况，降低土壤侵蚀量。速欢等[31]采用放水冲刷法研究了排土场平台-边坡系统径流、产沙、侵蚀形态演变规律，并指出平台径流汇集是导致边坡沟蚀的主要原因。排土场平台除汇流作用外，其不均匀沉降导致的土体裂缝也会影响排土场土壤侵蚀过程。土体裂缝改变了地表径流的运动路径，使水流由水平流动为主转向纵向运动，大量地表径流直接由裂缝向排土场内部运动，改变渗流场的分布特征，形成岩土软弱滑动面，降低土体稳定性，加大滑坡、泥石流等水土流失灾害发生的可能性[32-33]。然而，以往研究并未涉及排土场平台土体裂缝发育对土壤侵蚀过程的影响。因此，研究排土场平台-边坡系统土壤侵蚀过程能够为排土场水土流失量预测提供科学依据，对矿区水土流失防治具有重要意义。笔者以排土场平台-边坡系统为研究对象，采用室内人工模拟降雨试验研究不同裂缝深度和降雨强度下排土场平台-边坡系统土壤侵蚀演变过程、产流产沙特征和侵蚀沟形态特征，构建排土场土壤侵蚀量计算模型，阐明降雨和微地形对排土场土壤侵蚀的作用机制，以期为露天煤矿排土场水土流失量预测、水土保持措施科学布置提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古锡林郭勒盟锡林浩特市大唐国际胜利东二号露天煤矿南排土场，地处东经116.1°～116.23°，北纬44.03°～44.12°，位于矿区东南部，总面积13.66 km2，属中温带干旱半干旱气候，年均气温 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，暴雨多发生在此3个月内，7月中旬到8月中旬则更是暴雨集中频发时段，多年平均24 h最大降水量为46.8 mm。年平均蒸发量 1 794.6 mm，年均风速3.4 m/s，冻结期为10月初至12月上旬，解冻期为3月末至4月中旬，最大冻土深度2.89 m，土壤为典型栗钙土。露天矿剥离采用单斗-卡车工艺，排土场采用履带推土机排土。排土场位于采区南侧，使用年限为20 a，设计主要参数见表1。为尽快恢复排土场的植被，平台和边坡复垦采取覆土措施(土壤质地为砂质壤土)，平台覆土厚度约为1 m，边坡覆土厚度约为0.5 m，复垦植被有柠条(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相似模拟原理

露天煤矿排土场占地面积较大，可达几平方公里、几十平方公里，高度通常可达几十米甚至几百米。在进行室内模拟研究时，通常采用相似原理确定排土场几何尺寸，以野外实际排土场与室内模拟排土场的相似比例常数作为试验设计依据。由表1可知，排土场单个台阶高度为25 m，平台宽度为20 m，根据相似原理，本研究相似系数为50，即室内模拟排土场高度为50 cm，平台宽度为40 cm(图1)。

图1 试验土槽和土体裂缝等效模型Fig.1 Test soil tank and equivalent model of ground fissures

1.2.2试验设计

降雨强度依据当地多年降雨资料暴雨发生频率分析，结合现有研究成果[34-36]和极端降雨事件频发，确定90，120，150 mm/h 3个等级。为研究排土场沉降过程中土体裂缝深度对平台地表径流、渗流及土壤侵蚀过程的影响，设计4个土体裂缝深度(5，10，15，20 cm)，共计4场降雨试验，降雨强度为90 mm/h，试验时间为60 min;同时，为研究极端降雨对排土场土壤侵蚀的影响，设计2个极端降雨事件(降雨强度为120和150 mm/h)，共计2场降雨试验，土体裂缝深度为20 cm，试验时间为30 min。以无裂缝排土场为对照，分析各场次降雨下土壤侵蚀量的差异，揭示降雨强度和土体裂缝对排土场平台-边坡系统土壤侵蚀的影响。

1.2.3试验材料与装置

利用人工模拟降雨装置、自制玻璃土槽和土体裂缝等效模型进行试验，整个试验系统包括供水设备、降雨设备、土槽、土体裂缝等效模型和样品收集5部分构成。

(1)供水设备由水源、蓄水池、潜水泵、压力表构成。

(2)降雨设备为便携式人工模拟降雨器，由10个喷头构成，每个喷头固定位置距离地面垂直高度为4.0 m，有效降雨半径为1.8 m，可以完美覆盖试验土槽全部区域且雨滴均匀;本降雨器由于喷头压力使得雨滴在降落初期已具备初速度，保证雨滴下落时达到终点速度，且可通过控制降雨强度实现降雨动能与天然降雨的相似性;每次试验前率定降雨均匀度(85%以上)，能够满足室内人工模拟降雨试验[37-38]。

(3)试验土槽为有机玻璃土槽。通过查阅国内外相关文献[39-40]，确定土槽尺寸(长×宽×高)为110 cm×50 cm×60 cm，设计最大填土高度为50 cm，有机玻璃板为10 mm厚，土槽底部均匀分布4行4列直径为2 cm的圆孔，以排除多余入渗水分;土槽内部土样的垂直剖面为直角梯形，排土场上平台为40 cm，下平面为110 cm(图1);土槽前缘底部设有径流泥沙出流口，用径流桶收集降雨过程中产生的径流泥沙。

试验前，先将煤矸石(粒径为10～30 mm)分2层填入试验土槽，每10 cm为1个土层;再将风干土样过10 mm孔径筛，喷洒一定量的水(水量根据风干土含水率和原状土含水率计算得到)，配置好重塑土样，以最大程度地模拟排土场现场水分状况;将配置好的土样分3层填入试验土槽内，每10 cm为1个土层。每层之间均打毛处理，控制容重使其达到或接近设计容重(根据现场取样和室内试验确定，煤矸石层密度为1.70 g/cm3，覆土层土壤密度为1.35 g/cm3，相对误差均不超过5%)。在填土过程中将土体裂缝等效模型埋入土体。装土后，在土槽表面覆盖一层塑料薄膜，静置48 h，使其在重力作用下固结。

(4)土体裂缝等效模型。为了研究土体裂缝对土壤侵蚀的影响，构建裂缝形态特征与侵蚀量之间的定量关系，需要对土体裂缝进行概化。基于现场调查结果和相关文献[41-43]，采用薄刚性金属板作为模型材料，构建土体裂缝等效模型，裂缝等效模型位于排土场平台前缘5 cm处(距排土场坡肩5 cm)，参照实际土体裂缝长度、宽度和深度之间的比例，设计裂缝模型长度为30 cm，深度依次为5，10，15，20 cm，模型纵剖面为等腰锐角三角形，底边边长为5 cm(图1)。

(5)样品收集。试验前，将裂缝模型取出，在土槽前方安装高速摄影机记录试验过程，同时采用数码相机记录关键点试验图像。试验开始后，记录土槽产流时间，产流后每3 min收集一次径流泥沙样，测定径流量和侵蚀量;试验结束后，利用钢尺测量坡面侵蚀沟长度、宽度、深度和平台溯源侵蚀距离，其中宽度和深度为5个点位的平均值。

2 结果与分析

2.1 排土场平台-边坡系统侵蚀演变过程

根据土壤侵蚀发生发展特点，结合排土场土壤侵蚀特征和国内外研究进展[31,44-46]，将排土场平台-边坡系统土壤侵蚀演变过程分为土壤溅蚀与面蚀、裂缝充水与坍塌、细沟侵蚀、裂缝贯穿、坡肩垮塌和稳定阶段6个阶段(图2)，各个阶段具有如下特征:

(1)土壤溅蚀与面蚀。降雨初期，排土场土壤含水率较小，未达到饱和状态，降落的雨滴快速入渗，未形成地表径流;由于雨滴具有一定的动能，平台和坡面表层土壤颗粒在雨滴打击作用下溅散，发生土壤溅蚀，以干土溅散为主;随着降雨的不断进行，表层土壤含水率增大，土壤中的孔隙被水分填充，土壤饱和度增大而降低颗粒之间的黏结力，加剧土壤溅蚀，表层土壤颗粒逐渐成为稀泥状，雨滴进一步溅散泥浆，该阶段以湿土溅散为主;随后，由于土壤孔隙被水分和溅散细颗粒堵塞，降低土壤入渗能力，在平台和坡面形成薄层水流，侵蚀进一步发育，出现面蚀(图2(b))。

(2)裂缝充水与坍塌。在发生土壤溅蚀和面蚀的同时，土体裂缝不断充水。土体裂缝作为水分运动的优先通道，一方面雨滴直接进入土体裂缝，另一方面平台汇集的地表径流沿裂缝侧壁向下运动;汇集的水分，部分入渗到深层土壤，部分填充土体裂缝，使得土体裂缝内的水位升高;随着降雨进行和裂缝内水位增高，裂缝壁土体稳定性降低，造成裂缝壁崩塌(图2(c))，部分土体进入裂缝内部，裂缝后壁发生溯源侵蚀，但只是发育初期。

图2 排土场平台-边坡系统侵蚀演变过程Fig.2 Evolution process of soil erosion with platform-slope system in the dump

(3)细沟侵蚀。面蚀的不断发展逐渐转为细沟侵蚀，坡面起伏较大，坡面小股水流汇集、分散，径流侵蚀能力及其对泥沙的搬运能力增大，当土体抗侵蚀能力小于径流的冲刷能力时，坡面土壤颗粒被搬运、侵蚀;坡脚土体首先发生细沟侵蚀，土体被搬运掏空;随着降雨的不断进行，径流侵蚀能力增大，接近坡脚处的侵蚀程度最大，侵蚀最强烈，细沟侵蚀向坡面上方发展，细沟侵蚀的数量和程度增加，此时排土场含沙量上下波动，其数值为0.15～0.18 kg/L(裂缝深度5 cm)、0.06～0.12 kg/L(裂缝深度10 cm)、0.56～0.74 kg/L(裂缝深度15 cm)、0.34～0.55 kg/L(裂缝深度20 cm);由于坡面微地形和土壤抗侵蚀能力的差异，导致径流在冲刷过程中产生不同的侵蚀强度，细沟在形成过程中也会出现分叉、合并现象，细沟之间相互连通、贯穿，细沟侵蚀发育严重，坡脚出现多条细沟(图2(d))。

(4)裂缝贯穿。在坡面发生细沟侵蚀的同时，排土场平台土体裂缝内汇集的水分越来越多，水位逐渐升高，裂缝后壁崩塌更加严重，当裂缝内水位达到排土场平台表面时，水分会向外面溢出，以股流的形式从排土场坡肩某处(土体稳定性薄弱处)流向坡面(图2(e))，连通土体裂缝与坡面并汇流到坡面径流中，瞬间增大坡面径流量和径流侵蚀能力，细沟宽度加大，深度下切，加剧细沟侵蚀(图2(f));同时，裂缝内水位降低，其水位高度取决于径流连通处的位置，水位的降低会加剧裂缝后壁土体崩塌，溯源侵蚀进一步发育。

(5)坡肩垮塌。随着细沟侵蚀的不断发育，坡面径流更加集中，侵蚀能力也增强，2个过程相互促进，加剧细沟侵蚀，使得细沟继续下切，沟底加深;细沟内壁侵蚀加剧，造成沟壁坍塌、沟宽加大，增大径流量和侵蚀量。随着侵蚀沟深度的加深，坡肩处大部分土壤被侵蚀，坡面径流的位置也降低，逐渐接近土体裂缝最深处。坡肩处土体的受力情况比较特殊，由于平台土体处于长期浸泡状态，这不仅降低土体抗剪强度，还增大裂缝内的孔隙水压力，在水压力和坡面径流冲刷的共同作用下降低坡肩土体稳定性。土体裂缝内的水分从排土场土体内部由坡面涌出，与坡面径流汇集，造成该区域土体垮塌而迅速侵蚀，这是水力侵蚀和重力侵蚀共同作用的结果(图2(g));当坡肩垮塌时，大量径流和泥沙向下运动，这在一定程度上增加了径流携沙能力和侵蚀能力，侵蚀沟继续加宽、加深，该时段侵蚀量分别为0.22 kg(裂缝深度5 cm)、0.29 kg(裂缝深度10 cm)、1.66 kg(裂缝深度15 cm)、2.59 kg(裂缝深度20 cm)。

(6)稳定阶段。当坡肩垮塌后，土体裂缝的汇水作用降低，水分直接以坡面径流的形式冲刷土体，侵蚀沟继续发育;随着降雨的不断进行，侵蚀沟发育趋于稳定，宽度不再扩张，深度不再下切，整个侵蚀过程结束(图2(h))。

2.2 排土场平台-边坡系统产流产沙特征

由图3(a)可知，坡面产流后，同一降雨强度、不同裂缝深度(降雨强度为90 mm/h、裂缝深度为5，15，20 cm)的径流量可以划分为减小—增大—稳定3个阶段：当裂缝深度为5，15，20 cm时，3 min径流量依次为0.81，1.46，2.48 L；3～9 min内存在不同程度的降低，随后径流量表现为增大和波动交替出现。当裂缝深度为10 cm时，径流量在6 min时达到最大，为7.08 L，相比于3 min的增加幅度为413.04%；9，12，15，18 min径流量依次为5.48，3.88，3.78，2.78 L，最终稳定在2.68 L。对比不同裂缝深度的径流量可知，裂缝深度为5，10，15，20 cm的径流总量依次为23.41，58.70，35.24，75.95 L。当裂缝深度为20 cm、降雨强度为120和150 mm/h时，任意时间点的径流量均大于90 mm/h，径流量波动程度更大，且150 mm/h降雨强度下的径流量呈现波动上升趋势，极端降雨事件下30 min内的径流总量为47.35和69.80 L。

图3 径流量、含沙量、侵蚀量随产流时间变化Fig.3 Variation of runoff,sediment concentration and soil erosion with duration of runoff

由图3(b)可知，当裂缝深度为5和10 cm时，排土场含沙量表现为先增大后减小最终趋于稳定，6 min含沙量达到最大值，分别为0.43和1.03 kg/L，此时坡面发生滑塌，导致含沙量骤增;随后含沙量减小，且18 min后波动幅度减小并趋于稳定;当裂缝深度为15和20 cm时，含沙量表现为先减小后波动的变化规律，含沙量在3 min时达到最大，分别为1.03和0.85 kg/L，随后含沙量减小，最终稳定在0.57和0.39 kg/L。当裂缝深度为20 cm、降雨强度为120 mm/h时，含沙量表现为先减小后波动，30 min内含沙量平均值为0.46 kg/L;0～12 min内含沙量逐渐减小，15 min后含沙量增大且上下波动幅度较大，15～30 min内的含沙量为0.42～0.96 kg/L，平均为0.55 kg/L，造成该阶段含沙量突变的主要原因是土体裂缝贯穿与裂缝周围土体坍塌，不仅直接为侵蚀提供大量土壤，而且也增大坡面径流量和径流侵蚀动力;当裂缝深度为20 cm、降雨强度为150 mm/h时，含沙量总体上表现为减小的变化趋势，3 min含沙量达到最大值，为1.92 kg/L，随后含沙量减小，30 min内含沙量平均值为1.42 kg/L。

由图3(c)可知，当降雨强度为90 mm/h、裂缝深度为5 cm时，排土场土壤侵蚀量较小且变化幅度较小，其侵蚀量为0.14～0.25 kg，平均为0.19 kg，最大值出现在3 min;当降雨强度为90 mm/h、裂缝深度为10 cm时，排土场土壤侵蚀量先增大后减小，最大值出现在6 min，数值为7.27kg;随后侵蚀量骤减，9，12，15，18 min侵蚀量仅为6 min的64.30%，33.73%，25.07%，8.65%，60 min内侵蚀量平均值为0.98 kg;当降雨强度为90 mm/h、裂缝深度为15和20 cm时，侵蚀量最大值为1.66和2.59 kg，最小值为0.41和0.60 kg，平均值为1.15和1.73 kg;对比不同裂缝深度的侵蚀量可知，裂缝深度为5，10，15，20 cm的侵蚀总量依次为3.79，19.66，23.01，34.57 kg。当降雨强度为120 mm/h、裂缝深度为20 cm时，排土场土壤侵蚀量表现为先减小后波动，其变化规律与含沙量相一致;0～12 min内侵蚀量逐渐减小，12～30 min侵蚀量上下波动且波动幅度较大，平均为2.67 kg，这与细沟侵蚀的不断发育关系密切。当降雨强度为150 mm/h、裂缝深度为20 cm时，排土场土壤侵蚀量呈现增大的变化规律，这与其径流量的变化规律相一致;极端降雨事件下30 min内的土壤侵蚀总量为22.65和95.57 kg。

表2为径流量、侵蚀量与裂缝深度、降雨强度及其交互作用的回归关系(样本数为6)，其中，F为F检验值，sig为显著性水平。径流量与裂缝深度未达到显著相关(P=0.067，P为概率);侵蚀量与裂缝深度幂函数回归方程的决定系数R2=0.906，F=68.912，P=0.014，拟合结果达到显著水平，具有统计学意义，说明裂缝深度对排土场土壤侵蚀量影响显著，且回归方程的幂指数1.148>1，说明土壤侵蚀量随裂缝深度的加深而显著增大。径流量与降雨强度呈极显著关系(P<0.01)，具有统计学意义，说明降雨强度对排土场径流量影响显著;侵蚀量与降雨强度未达到显著水平(P=0.091)，造成这种结果的原因可能是因为150 mm/h降雨强度的土壤侵蚀量为95.57 kg，显著大于90和120 mm/h，降雨强度越大，土体裂缝对侵蚀量的影响越显著，进而导致土壤侵蚀量骤增，回归方程未达到显著水平。2个回归方程的幂指数分别为1.648和5.681，均大于1，径流量和侵蚀量均随着降雨强度的增大而显著增大，且侵蚀量的增加程度更大，说明在极端降雨事件下，排土场会发生严重的土壤侵蚀。排土场平台-边坡系统径流量和侵蚀量是土体裂缝和降雨强度共同作用的结果，其交互作用与径流量和侵蚀量分别达到显著和极显著水平，计算模型均可用幂函数(Y=aHbIc，a，b，c为拟合参数)表示，因此控制土体裂缝发育和降低平台汇水是防治排土场土壤侵蚀的关键。

表2 径流量和侵蚀量与裂缝深度和降雨强度的关系Table 2 Relationship between runoff and erosion with ground fissures depth and rainfall intensity

2.3 降雨强度和土体裂缝对排土场平台-边坡系统土壤侵蚀的影响

由上述分析可知，降雨强度和裂缝深度对排土场平台-边坡系统土壤侵蚀过程影响显著，为分析这2个因素对土壤侵蚀过程的影响及其土壤侵蚀量的差异，以降雨强度为90 mm/h、无裂缝试验数据为基础，分析产流产沙过程中各场次降雨土壤侵蚀量与对照组之间的差异，以揭示降雨强度和裂缝深度对排土场土壤侵蚀量的影响。结合图3侵蚀量随时间的变化可知，随着降雨强度和裂缝深度的增大，排土场各场次降雨土壤侵蚀量显著增大，120和150 mm/h降雨强度的土壤侵蚀量高达22.65和95.57 kg，是对照组的25.62和108.11倍。在相同降雨强度下，5，10，15，20 cm裂缝深度的各时段土壤侵蚀量依次为对照的1.94～4.56，2.07～63.19，4.98～34.54，5.84～53.98倍;5 cm裂缝深度的土壤侵蚀量略大于对照，说明小裂缝对排土场土壤侵蚀量影响较小;当裂缝深度为10 cm时，土壤侵蚀量在6～15 min内迅速增大，是对照的20.48～63.19倍，这是由于该时期排土场坡面发生泥流，大量的径流泥沙向下运动，增大土壤侵蚀量;当裂缝深度为15和20 cm时，土壤侵蚀量总体上呈持续增加趋势，且变化规律相似;在侵蚀后期(42～60 min)，各时段土壤侵蚀量仍是对照的14.70～34.54和25.78～53.98倍，说明该时期土体裂缝对排土场土壤侵蚀量影响较大。在相同裂缝深度时，120和150 mm/h降雨强度的各时段土壤侵蚀量是对照的6.31～74.64倍和38.78～176.25倍，远远大于对照组和其他场次降雨，且波动幅度较大，表现为多峰多谷的变化规律，说明在极端降雨事件下降雨强度和裂缝深度对排土场平台-边坡系统土壤侵蚀量影响显著。

表3为各场次降雨下排土场平台-边坡系统土壤侵蚀量的统计特征值。由表3可知，6场降雨排土场土壤侵蚀量的平均值依次为0.19，0.98，1.15，1.73，2.27，9.56 kg，表现为随降雨强度和裂缝深度的增大而增大，且各场次降雨之间均差异显著(P<0.05)。排土场土壤侵蚀量的变异程度均达到中等变异性，且90 mm/h降雨强度、10 cm裂缝深度为强变异性，说明裂缝会影响排土场土壤侵蚀过程，表现为土壤侵蚀量的突变，而产生突变的主要原因是土体裂缝发育和周围土体新平衡建立交替出现，具体演变过程为:最初的土体处于平衡状态，随着降雨的不断进行，平台裂缝持续充水，改变周围土体的孔隙水压力和土体自重，土体趋于破坏临界状态;当受力超过极限平衡状态时，土体平衡状态被破坏，裂缝内的水分会以股流的形式携带大量泥沙向下运动，造成侵蚀量的增大，此时裂缝周围土体再次达到新的平衡状态，随后开始下一次循环，裂缝内再次充水，水位上升，坡肩土体侵蚀，但发生强度和侵蚀能量逐渐减小。排土场坡面发生泥流、滑塌最直观的现象就是含沙量的突变，而造成坡面滑塌的主要原因可能是水分通过裂缝向深层土壤运动及其再分布作用改变土体孔隙水压力、土压力等应力场，也间接说明土体裂缝对排土场平台-边坡系统土壤侵蚀的影响极其严重。针对90 mm/h降雨强度、10 cm裂缝深度试验，土壤侵蚀量的变异系数高达189.11%，这是由于3～6 min发生一次坡面滑塌，且在6～15 min内仍发生规模不等的滑塌，进而导致6～15 min内的侵蚀量增大，形成侵蚀量的一个突变点;若将6～15 min内的4个数据点剔除，土壤侵蚀量仅为3.44 kg(剔除前为19.66 kg)，其平均值仅为0.22 kg(剔除前为0.98 kg)，其侵蚀量的变异系数仅为59.35%，土壤侵蚀量及其变异系数均将显著减小。

表3 排土场平台-边坡系统土壤侵蚀量的统计特征Table 3 Statistical characteristics of soil erosion with platform-slope system in the dump

2.4 排土场平台-边坡系统侵蚀沟形态特征

由图4可知，6场降雨的侵蚀沟数量依次为5，4，3，3，2，2条，坡面侵蚀沟由一条主侵蚀沟和一条或多条支沟构成，其数量随裂缝深度或降雨强度的增加而减少，各侵蚀沟发育程度不同;在6场降雨中，排土场坡面侵蚀沟长度依次为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裂缝深度外，其他场次降雨的侵蚀沟长度均达到坡面最大值;侵蚀沟宽度依次为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，深度依次为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，溯源侵蚀距离依次为8.5，17.3，21.1，25.4，25.6，33.4 cm;侵蚀沟长度、宽度和深度之间具有显著或极显著正相关性关系，其中长度与宽度的相关系数为0.506(sig=0.027)，长度与深度的相关系数为0.731(sig=0)，宽度与深度的相关系数为0.840(sig=0)。对比不同裂缝深度的侵蚀沟形态特征可知，侵蚀沟宽度、深度和溯源侵蚀距离均随裂缝深度的加深而增大，说明裂缝发育能够显著促进排土场坡面侵蚀沟和平台溯源侵蚀发育;对比不同降雨强度条件下的侵蚀沟形态特征可知，侵蚀沟深度和溯源侵蚀距离随降雨强度的增大而增大，说明降雨强度的增大会加快地表径流汇集，侵蚀沟出现时间更早、发育更严重、溯源侵蚀距离更远。

图4 侵蚀沟形态特征和溯源侵蚀距离Fig.4 Morphological characteristics of erosion gullies and headcut erosion distance

3 讨 论

3.1 排土场平台-边坡系统土壤侵蚀的特殊性

排土场紧实平台的汇流作用是坡面径流侵蚀的主要动力。边坡是排土场土壤侵蚀量的主要来源，约占整个排土场侵蚀量的85%～95%[47]。然而，排土场是由多个平台和边坡交替出现组成，平台能够汇集大量地表径流，为排土场边坡侵蚀提供侵蚀动力，直接影响其侵蚀过程与侵蚀量。相关研究表明，排土场平台在多次大型机械或重型机械碾压后变得紧实，孔隙度降低，表层土壤密度达1.5～1.9 g/cm3，渗透系数仅为0.225 mm/min，容易形成大面积的汇流区域，汇流后沿坡面冲刷容易引发严重的土壤侵蚀[7,20,23]。以往关于排土场土壤侵蚀的研究对象多为单一边坡，并未涉及排土场平台，但平台却在排土场土壤侵蚀过程中起到关键作用。牛耀彬等[48]指出上方来水是坡面径流侵蚀动力和水流能量的传递枢纽带，加速侵蚀过程，更是影响侵蚀量的关键因素。胡兴定等[30]研究结果也表明，排土场平台汇水面积的增大会显著影响土壤侵蚀，其土壤侵蚀量可由98.72 t增大到369.68 t，土壤侵蚀模数由16 443.08 t/(km2·a)增大到189 796.32 t/(km2·a)，其增幅分别达到274.47%和1 054.26%。上述研究成果表明，平台外来汇水作用是影响排土场土壤侵蚀过程及其侵蚀量的关键环节。然而，目前研究鲜有关注到平台在排土场侵蚀过程中的作用，平台不仅降低入渗能力、汇集大量地表径流，也为整个侵蚀过程提供强劲的侵蚀动力，缺少平台的排土场土壤侵蚀过程不完整，土壤侵蚀量的研究结果会被严重低估。因此，有必要将排土场平台和边坡作为一个系统来研究。

在不均匀沉降作用下，排土场平台前缘会形成土体裂缝[49]，尽管平台土壤紧实、入渗能力低，但仍有大量地表径流通过土体裂缝涌入排土场内部，水分运动与土体裂缝发育相互促进、不断发展，使水分快速运动到排土场深层区域，加大土体下滑力、降低抗剪强度、加快土壤侵蚀过程。吕春娟等[50]认为非均匀性沉降导致的沉降裂缝使径流集中下渗并从下伏边坡间流出，诱发滑坡、崩塌和泥石流，或者钻向排土场基底，降低基底层承载力，导致整体失陷。郑开欢等[25-26]也指出持续暴雨作用下排土场会在透水性最强的边坡浅层形成集中渗流通道，导致径流从坡脚涌出，造成排土场边坡失稳。因此，研究排土场土体裂缝对平台地表径流运动和入渗的影响，分析裂隙流、水分再分布特征与土体裂缝形态参数的定量关系，阐明土体裂缝区域渗流场和应力场的变化特征，可以为揭示排土场平台-边坡系统土壤侵蚀演变规律和浅层滑坡机理等方面的研究提供科学依据。

本文利用相似模拟原理建立排土场平台-边坡室内模型，研究了特定降雨强度下排土场平台-边坡系统土壤侵蚀过程，今后应增加野外现场试验，以验证室内模拟试验结果;同时，现实中的排土场是平台和边坡相间的阶梯宝塔状巨型人工松散堆积体，平台和边坡交替出现，多级台阶可以提供更大的汇水面积和更强的侵蚀动力，上层平台-边坡系统侵蚀过程显著影响下层，且不同平台、边坡之间均存在侵蚀、输移、沉积多个阶段，侵蚀来源和侵蚀去向动态变化，侵蚀过程和侵蚀作用更加复杂，今后应加强该方面的研究。

3.2 降雨和微地形对排土场平台-边坡系统土壤侵蚀的作用机制

降雨强度是影响排土场平台-边坡系统土壤侵蚀过程的关键因素。徐朝容等[51]数值模拟结果表明，排土场土壤侵蚀程度随降雨强度的增大而增大，且在暴雨条件下，降雨强度越大，排土场边坡侵蚀破坏的时间越短。吴丽萍等[52]也指出，降雨侵蚀力与排土场边坡土壤侵蚀量呈正相关关系，坡面径流深度对降雨侵蚀力的响应快于土壤侵蚀量。本文研究不同暴雨等级作用下，土体裂缝深度对排土场平台-边坡系统土壤侵蚀的影响，结果表明降雨强度和土体裂缝对土壤侵蚀影响显著，其中90 mm/h降雨强度、10 cm裂缝深度(小雨强、浅裂缝)和150 mm/h降雨强度、20 cm裂缝深度(大雨强、深裂缝)的侵蚀过程和侵蚀特征不同于其他场次降雨，主要表现在侵蚀量的突变和平台-边坡系统的微地形变化。

(1)小雨强、浅裂缝。图5为90 mm/h降雨强度、10 cm裂缝深度土壤侵蚀过程。在降雨初期，雨滴落在排土场平台和坡面，加大排土场土壤含水率，由于裂缝深度较浅、体积(空间)较小，水分快速充满土体裂缝，但水分并未贯穿土体裂缝，而是以坡面漫流的形式向下运动(图5(a))，这加快了坡面侵蚀过程;随着降雨时间的延长，坡面土壤含水率升高而达到饱和状态，部分土体的抗剪强度和承载能力降低或丧失，导致这部分土体以滑塌形式向下运动，形成泥流(图5(b))，径流量和侵蚀量骤增，速欢等[31]也指出较小的径流侵蚀作用也会诱发排土场泄溜、浅层滑坡和崩塌等自然灾害。泥流是重力侵蚀的一种形式，表现为全部土体或部分土体液化而严重变形、顺坡流下的现象，该阶段侵蚀土壤具有高含水率、高含沙量、较强的流动性和一定的黏度，且在短时间内完成这一过程;坡面微地形的改变打破现有的受力平衡，并在泥流区上方出现横向的土体裂缝(图5(c));横向裂缝的长度将延伸、宽度将扩张(图5(d))，诱发下方土体继续滑塌(图5(e))，2个过程反复循环，直到接近排土场坡肩(图5(f))，最终坡肩位置的土体在静水压力和坡面径流的共同作用下发生侵蚀(图5(g))。随后，土壤侵蚀形式以细沟侵蚀为主，宽度扩张，深度下切，直到侵蚀趋于稳定(图5(h))。结合图3可知，含沙量随时间变化表现为单峰型，其峰值出现在6 min，为1.03 kg/L，9，12，15 min含沙量依次为0.85，0.63，0.48 kg/L，且6～15 min含沙量(0.75 kg/L)显著大于18～60 min含沙量(0.08 kg/L)(P<0.05)，这与排土场坡面发生泥流和滑塌等侵蚀形式相互印证。

图5 裂缝深度10 cm排土场土壤侵蚀演变过程Fig.5 Soil erosion process of dump with 10 cm ground fissures

(2)大雨强、深裂缝。与90 mm/h降雨强度、10 cm裂缝深度土壤侵蚀发生条件相比，150 mm/h降雨强度、20 cm裂缝深度的降雨强度更大，土体裂缝更深(图6)。由于降雨强度的增大，雨滴对排土场打击动能增大，致使土壤溅蚀和面蚀发生更早，坡面产流时间缩短，土壤溅蚀和面蚀发育快且过程短，细沟侵蚀更早发生(图6(a));排土场坡肩位置相对薄弱，在强降雨雨滴打击作用下容易发生侵蚀，造成裂缝壁崩塌，土体裂缝后壁土体崩塌，加快溯源侵蚀;同时，降雨强度的增大使得裂缝充水更快，裂缝内水位迅速升高，增大静水压力，导致土体裂缝贯穿(图6(b))，缩短土体裂缝内水分和坡面径流的汇集时间;细沟侵蚀继续发育，沟壁坍塌，沟道下切，细沟宽度和深度快速发展，加剧侵蚀沟发育(图6(c))，增大径流量和侵蚀量;随着降雨的进行，侵蚀沟长度、宽度和深度发育，溯源侵蚀加剧，直到侵蚀沟发育稳定，溯源侵蚀结束，整个侵蚀过程也完成(图6(d))。结合图3可知，含沙量随时间的增长而减小，其最大值出现在3 min，为1.92 kg/L，随后含沙量减小且上下波动，最终稳定在1.28 kg/L。

图6 极端降雨事件下排土场侵蚀演变过程Fig.6 Soil erosion process of dump under extreme rainfall events

(3)对比分析。对于小雨强、浅裂缝条件，排土场土壤侵蚀初期细沟侵蚀发育相对较弱，土壤侵蚀形式以泥流和滑塌为主，导致侵蚀量骤增;直到坡肩垮塌后，坡面土体滑塌现象不再明显，土壤侵蚀形式以细沟侵蚀为主。而对于大雨强、深裂缝条件，降雨强度和裂缝深度均增大，坡面径流来不及入渗而携带大量泥沙向下运动，加剧细沟侵蚀发育，未发生泥流和滑塌侵蚀形式，且该条件湿润缝深度小于小雨强、浅裂缝。无论是小雨强、浅裂缝还是大雨强、深裂缝，排土场平台-边坡系统土壤侵蚀过程都是水力侵蚀和重力侵蚀共同作用的结果，降雨强度和裂缝深度会影响土壤侵蚀过程和侵蚀特征，排土场土壤侵蚀的发生机理也有所不同，小雨强、浅裂缝土壤侵蚀过程为先泥流、滑塌后细沟侵蚀，大雨强、深裂缝土壤侵蚀过程以细沟侵蚀为主，两者的主要区别在于是否发生泥流和滑塌，表现为排土场土壤侵蚀形式上的差异。

本文研究了降雨强度和土体裂缝对排土场平台-边坡系统土壤侵蚀的影响，分析不同条件下的土壤侵蚀特征，揭示不同雨强和裂缝下土壤侵蚀发生机理的差异，构建排土场平台-边坡系统土壤侵蚀量计算模型，但未涉及水土流失防治方面的研究。排水沟、截水沟等水土保持工程措施可以有效地实施径流调节，减缓暴雨径流汇流而形成的冲蚀和灌缝，通过提高排土场平台和边坡植被覆盖度不仅可以有效地降低溅蚀、改善土壤结构，还能提高边坡稳定性，今后应加强这方面研究，完善排土场平台-边坡系统土壤侵蚀量计算模型，以期为露天煤矿排土场水土流失预测与防治和区域生态恢复与重建提供科学依据。

4 结 论

(1)排土场平台-边坡系统土壤侵蚀演变过程分为土壤溅蚀与面蚀、裂缝充水与坍塌、细沟侵蚀、裂缝贯穿、坡肩垮塌和稳定阶段6个阶段。裂缝充水及其再分布会降低裂缝稳定性，进而导致裂缝壁坍塌;细沟侵蚀由排土场坡脚沿坡面向上发展，随着降雨的不断进行，侵蚀沟长度增加、宽度扩张、深度下切;土体裂缝贯穿和坡肩垮塌会导致坡面径流量和侵蚀量增大。

(2)排土场平台-边坡系统径流量和侵蚀量随降雨强度和裂缝深度的增大而增大，径流量与降雨强度呈显著正相关，侵蚀量与土体裂缝深度呈显著正相关;各场次降雨排土场土壤侵蚀量是对照的2.54，13.19，15.44，23.20，25.62，108.11倍，土壤侵蚀量显著增大;排土场平台-边坡系统土壤侵蚀是土体裂缝和降雨强度共同作用的结果，因此控制土体裂缝发育和降低平台汇水是防治排土场土壤侵蚀的关键。

(3)排土场侵蚀沟数量为2～5条，由一条主侵蚀沟和一条或多条支沟构成;侵蚀沟和溯源侵蚀发育严重，且侵蚀沟长度、宽度和深度之间呈显著正相关;排土场平台-边坡系统土壤侵蚀过程是水力侵蚀和重力侵蚀共同作用的结果，小雨强、浅裂缝土壤侵蚀过程表现为先泥流、滑塌后细沟侵蚀，大雨强、深裂缝土壤侵蚀过程表现为以细沟侵蚀为主;是否发生明显的泥流和滑塌现象是两者的主要区别，表现为排土场土壤侵蚀形式上的差异。