全球气候的变化会导致区域性的干旱和洪涝灾害频发，降水和水资源分布不均匀，极端天气的发生频率和程度也逐渐加剧，给农业生产带来严重危害。随着干旱的发生，土壤水分在蒸发和干燥状态下不断减少，土壤呈现不同程度地开裂状态，形成土体裂缝[1]。土体裂缝的形成不仅改变了土壤结构[2]、入渗能力[3]、蒸发能力[4]，而且也影响植物生长发育及其生态水文过程[5]。土体裂缝多出现在水稻土、膨胀土和黏土等农业用地，多是由土壤水分变化导致，一方面会增加土壤水分蒸发和损失，降低植物对水分的吸收及利用效率[6];另一方面，在降雨或农业灌溉条件下大量地表径流快速流入土体裂缝[7]，造成水分和养分的严重流失，降低水资源利用效率和作物产量[8]。此外，农药在优先流作用下运动到深层土壤，造成地下水污染和灌溉水浪费[9]。在边坡工程方面，土体裂缝会增加土壤渗透性、降低土体抗剪强度，是土体边坡崩塌和直接产生重力侵蚀的成因[10]。在矿业工程方面，土体裂缝是采煤沉陷对地表环境损伤最直观的表现形式[11]，也是排土场滑坡或泥石流危害发生的前兆[12]，严重威胁矿区土地资源和生态环境。
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[13]。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[14-15]，严重影响矿区社会经济和生态环境[16]。煤炭资源开采会形成不同程度的地表破坏和变形，出现塌陷盆地、塌陷坑、冒落、沉陷、土体裂缝等地质灾害[17-18]。土体裂缝是衍生地质灾害中最直观的一种，也是危害最大的一种，其数量多、分布广、危害重，是一种典型的重力地裂缝[19]，严重威胁土地生态安全[20-21]。排土场是煤炭资源开采过程中形成的人工松散堆积体，具有砾石含量高、持水能力差、高容重、低养分等特征[22]，严重污染土壤资源和水资源[23-24]。排土场是一种典型的重构土体，其结构松散、孔隙发达，在自身重力下容易发生不均匀沉降，产生土体裂缝。然而，关于煤矿区排土场平台土体裂缝形态特征及空间分布研究较少。相关研究表明，土体裂缝分布在排土场各个台阶上，其宽度大小不一，最大可达10 cm，走向平行于等高线[25]。王永强等[12]采用探地雷达技术检测排土场土体裂缝宽度在4～205 mm，部分裂缝的地表出露部分已经贯通。韩静等[26]调查发现排土场平台出现大量裂缝，裂缝面积比超过10%，最高可达79%，裂缝情况极其严重。排土场土体沉降及土体裂缝在时间和空间上均具有明显的空间异质性[27]，这为排土场平台土体裂缝形态特征及其演变规律的研究带来了极大的困难，直接影响排土场水分运动，加速土壤水分和养分流失，严重影响矿区植被恢复。因此，研究排土场平台土体裂缝形态特征能够为下一步摸清水分流失规律提供基础数据支撑，对矿区水资源利用效率及植被恢复与重建具有重要意义。笔者以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为研究对象，摸清排土场平台土体裂缝分布特征，揭示土体裂缝水平方向和垂直方向形态特征，阐明土体裂缝分形特征，以期为认识排土场平台土体裂缝特征及其对水分运动与植被恢复提供科学依据。
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116.11°～116.24°，北纬44.04°～44.12°，根据《土地复垦质量控制标准》(TD/T 1036—2013)[28]，研究区属于北方草原区。该外排土场位于矿区的东南部，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至8月份，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。排土场选择在首采区南侧境界外和采区内，即在采掘场首采区南、北分别设南排土场和北排土场，其使用年限均为20 a。排土场设计主要参数见表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1.0 m，边坡覆土厚度约为0.5 m，复垦植被有大白柠条、沙榆、沙柳、沙棘、沙打旺、草木樨、苜蓿等灌木或草本。
表1 排土场设计主要参数
Table 1 Main design parameters of dump
占地面积/km2最终排弃标高/m总排弃高度/m台阶高度/m平台宽度/m排土场容量/Mm3台阶坡面角/(°)最终松散系数7.601 1561002520592331.15
1.2 研究方法
1.2.1 样地布设
相关研究表明，排土场沉降系数一般在1.1～1.2，沉降过程延续数年，但在前3 a，沉降量可达到总沉降量的80%[26,29]。因此，本研究选取2013年排土到界并进行覆土的1105平盘为研究对象，于2017年8月(排弃年限为4 a)对该平台的土体裂缝进行全面调查，测定每条裂缝的长度、宽度和深度，利用数理统计原理从中选取3条典型土体裂缝(GFⅠ,GFⅡ,GF Ⅲ)作为研究对象，采用“样框照相法”调查方法土体裂缝水平形态特征[26,30]。在典型土体裂缝处布置110 cm×110 cm的样方，清除框内杂草后，将数码相机置于样框中心点正上方进行拍照，通过数码相机实地拍摄照片获得土体裂缝水平形态特征(土体裂缝水平分布图)，利用ArcGIS对采集的裂缝照片进行数字化，获取土体裂缝水平形态特征，包括土体裂缝的长度、宽度、周长、面积等指标。采用现场开挖法测定土体裂缝深度[11]。将4个长、宽均为110 cm的铁板埋入之前布置的样方内，形成1个封闭的空间，采用标准建筑石膏粉为充填料，用水为蒸馏水，两者按照1∶1质量比进行混合，将搅拌均匀的石膏浆体注入土体裂缝，对裂缝深度进行标识，以避免在开挖过程中周围土体坍塌进入裂缝而导致裂缝形态和深度难以辨识[31-32];同时，为了避免边界效应，分别在样方两边去掉5 cm，形成100 cm×100 cm的样方。待石膏浆体凝固后，在裂缝一端(O点)沿着土体裂缝走向(OO′)开挖3个土壤剖面(A,B,C剖面)，分别位于距离裂缝一端的30,50,70 cm处(图1)，记录土体裂缝深度，利用数码相机实地拍摄照片获得每个剖面土体裂缝垂直形态特征(土体裂缝垂直分布图)，后期处理方法与裂缝水平分布图相同。
1.2.2 图像处理与分析
图1 排土场土体裂缝及剖面开挖示意
Fig.1 Ground fissures and soil profiles in the dump
图像处理能够提取和获取土体裂缝参数指标。将土体裂缝水平分布图导入ArcGIS，确定图像尺寸，描绘土体裂缝轮廓线并绘制土体裂缝中心线(裂缝长度)，获取裂缝长度、周长、面积，计算裂缝长度密度和面积密度。沿裂缝中心线将图像照片等分100份，每份为1 cm，测量每份中心线长度、上下宽度以及相邻两份之间的夹角(均按照锐角划分)，分析土体裂缝宽度、走势等形态指标。再将土体裂缝垂直分布图导入ArcGIS，分析土体裂缝宽度随裂缝深度的变化特征，揭示两者之间的定量关系。各个参数指标的内涵及计算方法如下:
(1)裂缝走势θ。裂缝走势θ是指裂缝在水平面上的延展方向，是表征裂缝结构形态的一个重要指标[4]，也是最直观反映土体裂缝形态参数的指标之一，多为直线型、弧线型等。以10°为一个区间，将0°～90°等分为9份，分析土体裂缝走势在每个区间的分布特征及频率。
(2)裂缝长度L和裂缝宽度W。裂缝长度L是指裂缝中心线长度;裂缝宽度W是指裂缝地表宽度，反映了裂缝的张开程度，裂缝宽度越大，对土体连续性的破坏程度和扰动范围越大，为多个测点的平均值;2者能反映土体裂缝的发育程度。
(3)裂缝周长C和裂缝面积S。裂缝周长是指裂缝轮廓线之和C，裂缝面积是指裂缝轮廓线内的面积S。
(4)裂缝深度H。裂缝深度H是指裂缝垂直深度，反映了裂缝发育的深度，裂缝深度越大，对土壤力学性质、水分入渗和蒸发影响越大。
(5)裂缝长度密度PL。裂缝长度密度PL是指裂缝长度L与样方面积A0(100 cm×100 cm)的比值，其计算公式为
PL=L/A0
(1)
式中，PL为裂缝长度密度,cm/cm2;L为裂缝长度,cm;A0为样方面积,cm2。
(6)裂缝面积密度PS。裂缝面积密度PS是指裂缝区面积S与样方面积A0的比值，其计算公式为
(2)
式中，PS为裂缝面积密度,%;S为裂缝面积,cm2。
(7)裂缝宽深比k。裂缝宽深比k是指裂缝宽度W与裂缝深度H的比值，其计算公式为
k=W/H
(3)
式中，k为裂缝宽深比;W为裂缝宽度,cm;H为裂缝深度,cm。
(8)裂缝的分形维数。分形维数是定量表征事物分形性质的重要参数，可以综合描述土体裂缝的发育与裂缝化程度。采用盒维法[33]分析土体裂缝的自相似性，计算裂缝分形维数，用不同边长r的方格网覆盖裂缝图像，计数每一次覆盖时裂缝所占有的方格数Nr，2者之间的关系为
Nr～r-D
(4)
式中，Nr为含裂缝的方格数;r为小网格边长,cm;D为分形维数。
1.2.3 数据处理
采用ArcGIS 10.2软件对采集的裂缝照片进行数字化，提取土体裂缝形态参数指标。采用SPSS 17.0 数据分析，采用Origin 8.0软件绘图。选取纳什系数ENS验证拟合方程的有效性[34],即
(5)
其中，Yi为模型预测值;Oi为试验观测值;O为试验观测值的平均值;n为样本个数。ENS为观测值和预测值在1∶1线附近的分布情况。ENS越接近1，表明模型的预测效果越好;ENS趋向于0则表明模型预测值与实际观测值之间有较大误差。通常情况下，当ENS>0.8时可认为模型预测达到可接受的精度[35]。
2 结果与分析
2.1 土体裂缝统计特征
调查发现，该排土场平台共存在大小不等的土体裂缝61条，走向平行于等高线(排土场边缘)，多为直线型，多集中在排土场平台前缘5 m范围内;部分裂缝的地表出露部分已经贯通，相互交织在一起形成裂缝带，裂缝带或发育严重的土体裂缝处多存在裂缝壁坍塌或脱落现象。土体裂缝的长度、宽度和深度可以直观地反映土体裂缝形态特征(表2)。土体裂缝长度最大值为3 998.5 cm，最小值为11.3 cm，平均为412.0 cm，最长裂缝对应的宽度为40.4 cm(最宽)，对应的深度仅为15.1 cm，而最短裂缝对应的宽度为17.3 cm，深度为9.0 cm，说明裂缝长度与裂缝宽度和深度之间没有明显的正相关关系，不能用裂缝长度来估算宽度和深度。土体裂缝宽度为4.3～40.4 cm，平均为18.1 cm，深度为5.7～55.3 cm，平均为25.5 cm。
裂缝长度主要集中在0～500 cm，占80%以上，之后的频率较低(图2);裂缝宽度频率最大值出现在15～20 cm，裂缝深度为20～30 cm。结合表2可知，裂缝宽度和深度符合正态分布，但是由于裂缝深度较难测量其误差较大，而裂缝宽度容易测量且能够较为直观地反映出土体裂缝形态特征。因此，用裂缝宽度W将土体裂缝划分为小裂缝(W<15 cm)、中裂缝(15 cm<W<30 cm)和大裂缝(W>30 cm)3个等级。
表2 土体裂缝统计特征
Table 2 Statistical characteristics of ground fissures
土体裂缝形态参数最大值/cm最小值/cm中位数/cm平均值/cm极差/cm标准差变异系数/%偏度峰度K-S检验P值样本数长度3 998.511.3290.4412.93 987.2586.70142.074.9526.85061宽度40.44.317.718.136.17.2640.190.410.410.96461深度55.35.725.525.749.615.1358.970.58-0.080.90861
图2 土体裂缝形态参数频率分布直方图
Fig.2 Frequency distribution histogram of ground fissures morphological parameters
2.2 土体裂缝形态特征
2.2.1 走 势
各调查样方内仅有1条土体裂缝，其平面分布呈线型或弧型，表现为不同程度的弯曲。土体裂缝中心线的夹角各有不同(图3)，GFⅠ角度为0°～80°，GFⅡ为0°～60°，GF Ⅲ为0°～50°。3个裂缝频率最高的角度均为0°～10°，分别为26%,44%,49%。土体裂缝角度较小，GFⅠ,GFⅡ,GF Ⅲ小于30°分别占总数的65%,88%,94%，土体裂缝平均角度依次为24.8°,15.0°,13.1°，GFⅠ显著大于GFⅡ和GFⅢ。GFⅠ角度频次分布呈现双峰分布式，峰值分别在0°～10°和20°～30°，GFⅡ和GF Ⅲ角度频率随着角度的增大呈幂函数减小。
2.2.2 长度和长度密度
图3 土体裂缝角度频率分布直方图
Fig.3 Frequency distribution histogram of ground fissures angle
3个土体裂缝的长度在104.84～120.83 cm(表3)，均大于100 cm(样方边长)，说明裂缝存在不同程度的弯曲。GFⅠ长度显著大于GFⅡ和GF Ⅲ，说明该裂缝弯曲程度更大，这与土体裂缝走势变化规律相一致。裂缝长度密度反映了裂缝长度占样方的面积比例，GFⅠ,GFⅡ,GF Ⅲ长度密度依次为0.012,0.011,0.01 cm/cm2，各裂缝之间无显著差异且长度密度普遍较小。
2.2.3 宽度和周长
GFⅠ,GFⅡ,GF Ⅲ裂缝宽度依次为9.85,2.86,5.77 cm(表3)，各裂缝之间差异显著。GFⅠ宽度最大值为17.59 cm，最小值为2.61 cm，GFⅡ宽度最大值为5.41 cm，最小值为0.84 cm，GF Ⅲ宽度最大值为10.89 cm，最小值为1.15 cm。同一裂缝不同点位的裂缝宽度变化明显，3条裂缝宽度的变异系数依次为35.28%,29.29%,47.83%，均为中等变异，说明土体裂缝的宽度具有明显的变异性，波动幅度较大。GFⅠ,GFⅡ,GF Ⅲ裂缝周长依次为287.65,230.65,228.58 cm，GFⅠ大于GFⅡ和GF Ⅲ。
表3 土体裂缝形态特征
Table 3 Morphological characteristics of ground fissures
样地编号长度/cm宽度/cm深度/cm周长/cm面积/cm2长度密度/(cm·cm-2)面积密度/%GFⅠ120.839.85±3.48a29±6.08a287.65983.92a0.0129.84aGFⅡ109.902.86±0.84c30.67±5.03a230.65286.47c0.0112.86cGF Ⅲ104.845.77±2.76b28.67±15.82a228.58576.70b0.0105.76b
注:裂缝宽度和深度为多个测点的平均值a，b，c为不同土体裂缝之间差异显著(P<0.05)。
2.2.4 面积和面积密度
GFⅠ,GFⅡ,GF Ⅲ裂缝面积依次为983.92,286.47,576.70 cm2(表3)，各裂缝之间差异显著。GFⅠ,GFⅡ,GF Ⅲ面积密度依次为9.84%,2.86%,5.76%(表3)，均小于10%，说明排土场土体裂缝地表面积较小。GFⅠ裂缝面积和面积密度最大，这是由于该裂缝的弯曲程度和宽度较大，地表形变剧烈。
2.2.5 深度和宽深比
图4中白色石膏体反映土体裂缝的深度及分布特征，GFⅠ,GFⅡ,GF Ⅲ裂缝深度依次为29.00,30.67,28.67 cm(表3)，各裂缝之间无显著差异。同一裂缝不同剖面的裂缝深度不同，GFⅠ3个剖面裂缝深度为36,26,25 cm，GFⅡ3个剖面裂缝深度为20,26,36 cm，GF Ⅲ3个剖面裂缝深度为25,15,46 cm，说明裂缝深度在空间分布上存在明显的差异，裂缝深度的变异系数为16%～55%。随着土体裂缝的发育，土体非连续性越加明显，裂缝宽度不断扩张，松散的砂质壤土会在裂缝开裂过程中回填裂缝，裂缝壁处土壤会出现坍塌现象，造成裂缝被掩埋(图4(b),(f),(i))，进而弱化土体裂缝的显示特征及裂缝深度，影响裂缝深度的测量结果。此外，土体裂缝在空间上出现贯穿的现象，尽管在土壤表层土体裂缝仅有一条，但在深层土壤会出现多条裂缝，如图4(c)所示。
图5为土体裂缝宽深比随土层深度的变化特征。由图5可知，0～10 cm土层内裂缝宽深比迅速减小，之后趋于稳定;同一裂缝不同剖面的裂缝宽深比变化趋势相同，但裂缝宽深比的最大值有所差异，相差1.21～2.91倍;随后裂缝宽深比迅速减小，其数值为最大值的34.02%～50.42%，其稳定值仅为最大值的0.43%～1.71%，说明裂缝宽深比随裂缝深度的增大而显著减小。裂缝宽深比与裂缝深度之间具有较好的幂函数关系，其决定系数均在0.95以上，P<0.001，说明两者达到了极显著水平。为了进一步分析回归曲线的准确性，计算裂缝宽深比的纳什有效性系数ENS，均大于0.97，说明拟合函数符合模型有效性验证的基本要求和一定的参考价值。
图4 土体裂缝垂直分布
Fig.4 Vertical distribution of ground fissures
图5 土体裂缝宽深比变化特征
Fig.5 Change of ground fissure width-to-depth ratio
2.3 土体裂缝分形特征
随着方格尺寸的减小，总方格数不断增多，最大为4 096，含裂缝的方格数(Nr)也逐渐增大，GFⅠ,GFⅡ,GF Ⅲ含裂缝的方格数占总格子数(4 096)的12.16%,5.05%,7.84%，说明裂缝占样方面积的比例较小，这与前文关于裂缝面积和面积密度的研究结相一致。GFⅠ,GFⅡ,GF Ⅲ分形维数为1.437,1.240,1.309，回归方程的决定系数为0.986～0.994，P<0.001，说明土体裂缝分布具有自相似性，且相关性达到极显著水平(图6)。土体裂缝分形维数与裂缝角度、长度、宽度、弯曲程度的变化趋势具有一致性，其中GFⅠ裂缝角度、长度、弯曲程度均最大，裂缝空间变异程度最大，分形维数也最大，直观表现为土体裂缝形态特征的复杂程度最大，对土壤及植被的扰动作用也越大。而对于土体裂缝分形维数最小的GFⅡ，其裂缝角度、长度、弯曲程度和空间变异程度最小，裂缝开裂程度最小，裂缝面积密度仅为2.86%，对土壤及植被的扰动作用也相对较小。
图6 土体裂缝ln Nr～ln r关系
Fig.6 Relation between ln Nr and ln r of ground fissures
3 讨 论
3.1 土体裂缝形成机理的特殊性
排土场是露天开采形成的主要地貌单元之一，其结构松散、大孔隙发达，由于排土场平台前缘土体自重及沉降速度不一，导致土体沉降程度也有所差异，造成土体错落，形成土体裂缝。自然土壤(水稻土、膨胀土和黏土等)形成的土体裂缝受到土壤质地[36]、土壤有机碳[37]、土壤干湿交替[38]、冻融作用[39]、耕作方式[5]、植物生长[40]等因素影响，但排土场平台土体裂缝的形成与发展更受到排土场自身重力因素(不均匀沉降)、基底地质条件、地下水条件恶化、演化弱层的形成、排弃岩土的物理力学性质、排土工艺、降雨特征等因素影响[41-42]，致使排土场平台土体裂缝的形成机理不同于自然土体裂缝，其形态特征具有特殊性，如平面形态多为直线型、弧线型和折线型，分布在排土场平台前缘，走向平行于等高线，ZHOU等[43]也得到了相似结论。GAUR等[1]指出土体裂缝的大小和形状各不相同，形态特征主要呈曲线型。研究结果表明，土体裂缝多集中在平台前缘5 m范围内，最远可达10 m，已接近平台中间位置。张建华[44]通过对高台阶排土场平台土体裂缝分布规律调查发现，土体裂缝形态并非均是直线型，部分裂缝存在弯曲，大部分土体裂缝距排土场平台前缘的距离小于8 m，且越靠近排土场平台前缘，土体裂缝发育越严重，这与本文研究结果相似，说明排土场平台土体裂缝发育与所在位置关系密切，其位置和裂缝深度决定排土场边坡是否稳定。土体裂缝的出现会增加地表径流流入排土场土体内部的可能性，裂缝宽度和深度会促进水分向深层土壤运动，水分运动也会进一步加剧土体裂缝的发育与扩张，2个过程相互促进、不断发展;同时，土壤水分会增加孔隙水压力和土体自重，加大土体下滑力而降低抗剪强度，进而降低土体稳定性，增大土体滑坡、泥石流等水土流失灾害发生的可能性。排土场平台土体裂缝不具有明显的裂缝骨架结构，裂缝条数、块区和交叉点(节点)较少，深浅不同，具有较强的空间变异性和明显的自相似性特征[45]。由本研究可知，土体裂缝分形维数在1.240～1.437，尽管土体裂缝的分布结构和复杂程度不同，但自相似性特征明显。土体裂缝分形维数越大，土体裂缝的分布结构越复杂，土体开裂程度和影响范围也越大，严重影响植物正常生长发育，拉断植物根系，造成植物受损死亡，导致植被退化(图7);同时，土体裂缝为地表径流及溶质迁移提供优先路径，大量的水分和溶质向深层土壤运动，穿过植物根系吸收层而造成流失，进而导致植物缺水甚至死亡。
图7 排土场平台土体裂缝形态
Fig.7 Morphology of ground fissures in the dump
3.2 土体裂缝地下扩展的复杂性
由于排土场平台土体裂缝形成机理的特殊性，使得以往关于土体裂缝的形态参数指标可能不适用于排土场平台土体裂缝。因此，有必要筛选新的形态指标来反映土体裂缝。这些指标不仅表达直观、能够反映土体裂缝的形态特征与发育形态，而且还要能够与土壤紧实程度、导水能力、持水能力等土壤特性建立相关关系。目前，反映土体裂缝形态指标有长度[46]、宽度[46]、深度[46]、裂隙面积密度[47]、等效宽度[40]、裂缝节点数量[48]、收缩块区分散度[49]、裂缝交叉角度[49]。为研究土体裂缝的变化趋势，提取并绘制土体裂缝宽度随土层深度的变化趋势图(图8)，并分析不同剖面土体裂缝宽度特征(表4)。土体裂缝宽度随土层深度的增加而呈减小的变化趋势，GFⅠ裂缝宽度为1.80～13.77 cm，GF Ⅲ裂缝宽度为1.12～14.98 cm，GFⅡ裂缝宽度主要集中为2.75～5.70 cm，部分土层深度的裂缝宽度为0，这是由于该段裂缝被土壤颗粒掩埋。
由表4可知，GFⅠ-30 cm裂缝宽度的最大值和最小值分别为6.54,2.27 cm，GFⅠ-50 cm裂缝宽度的最大值和最小值分别为8.97,2.24 cm，GFⅠ-70 cm裂缝宽度的最大值和最小值分别为13.77和1.80 cm，最大值分别是最小值的2.88,4.00,7.65倍，变异系数依次为26.63%,29.12%,40.92%，均达到了中等变异，说明排土场平台土体裂缝地下扩展情况较为复杂。同时，同一裂缝不同剖面土体裂缝宽度之间差异显著，这也说明了土体裂缝宽度在空间的变异性。GFⅡ和GF Ⅲ具有相同的变化规律。
上述分析表明，深层土体裂缝的走势和扩展情况与地表之间具有不一致性，单纯的研究表层土体裂缝的形态特征具有一定的局限性，不能准确地反映裂缝发育的实际状况。本研究选用石膏浆体填充土体裂缝，利用图像处理技术和ArcGIS软件矢量化3个土壤剖面土体裂缝，获取其裂缝边界的坐标点，初步构建其三维结构特征，得到土体裂缝地下的扩展方向图(图9)。图中折线为裂缝3个剖面最低点在X-Y平面内的投影。由图9可知，该折线并不是呈现为直线型，而是存在角度的转折，3条折线的夹角依次为138°(42°),160°(20°),111°(69°)，显著大于地表反映的弯曲程度，说明土体裂缝并不是完全垂直向下延伸，而是在纵向延伸的过程中出现不同程度的横向扩展，深层土体裂缝具有更加明显的空间变异性，表层裂缝走势不能用来反映裂缝的实际走向。在今后的研究中，可以考虑采用树脂、乳胶、石膏等对土体裂缝进行填充，利用现场开挖后获取土体裂缝的立体形态模型，通过立体摄影测量技术或三维激光扫描技术获取裂缝表面积、投影面积等二维形态指标参数和体积、轴距等三维形态指标参数，摸清土体裂缝发育特征。
图8 土体裂缝宽度随土层深度的变化
Fig.8 Change of ground fissure width with soil layer depth
表4 排土场不同剖面土体裂缝宽度特征
Table 4 Ground fissure width in different profile of the dump
剖面GFⅠ30 cm50 cm70 cmGFⅡ30 cm50 cm70 cmGFⅢ30 cm50 cm70 cm最大值/cm6.548.9713.778.7210.1410.5810.3314.988.85最小值/cm2.272.241.803.503.7301.122.692.37平均值/cm4.58b6.48a6.81a4.48a4.83a2.05b5.13b10.38a4.88b标准差1.221.892.781.261.242.581.693.201.87最大值/最小值2.884.007.652.492.72—9.225.573.73变异系数/%26.6329.1240.9228.0825.70125.5232.8630.7838.27
注：a，b，c同一裂缝不同剖面之间差异显著(P<0.05)。
图9 土体裂缝地下扩展
Fig.9 Underground expansion pattern of ground fissures
4 结 论
(1)北方草原区露天煤矿排土场平台土体裂缝尺寸差异明显，形态多为直线型，其走向平行于等高线且集中在平台前缘5 m范围内，会影响排土场土壤侵蚀量及边坡稳定性。土体裂缝平均长度为412.0 cm，平均宽度为18.1 cm，平均深度为25.5 cm。依据裂缝宽度，可以将土体裂缝划分为小裂缝(W<15 cm)、中裂缝(15 cm<W<30 cm)和大裂缝(W>30 cm)3个等级，为今后排土场平台土体裂缝形态特征的研究提供数据支持。
(2)该排土场平台土体裂缝平面分布呈线型或弧型，呈现不同程度的弯曲，但弯曲程度较小，角度主要集中在0°～10°。GFⅠ角度频次分布呈现双峰分布式，GFⅡ和GF Ⅲ角度频率随着角度的增大呈幂函数减小。3个土体裂缝的长度为104.84～120.83 cm;裂缝宽度最大值为17.59 cm，最小值为0.84 cm，各裂缝之间差异显著;土体裂缝宽度具有明显的空间变异性，其变异系数可达48%。
(3)土体裂缝壁坍塌会导致裂缝被掩埋，进而弱化土体裂缝的显示特征及裂缝深度，影响裂缝深度的测量结果。裂缝宽深比随着裂缝深度的增加而显著减小，最终趋于稳定，两者具有极显著的幂函数关系，拟合函数具有一定的参考价值。排土场平台土体裂缝分布具有明显的自相似性，可以采用分形维数对其结构实现定量化描述。
[1] GAUR V P,KAR S K,SRIVASTAVA M.Development of ground fissures:A case study from southern parts of uttar pradesh,India[J].Journal of the Geological Society of India,2015,86(6):671-678.
[2] BRUAND A,COCHRANE H,FISHER P.Increase in the bulk density of a grey clay subsoil by infilling of cracks by topsoil[J].European Journal of Soil Science,2001,52(1):37-47.
[3] LIU C W,CHENG S W,YU W S,et al.Water infiltration rate in cracked paddy soil[J].Geoderma,2003,117(1):169-181.
[4] VOGEL H J,HOFFMANN H,ROTH K.Studies of crack dynamics in clay soil[J].Geoderma,2004,125(3):203-211.
[5] BANDYOPADHYAY K K,MOHANTY M,PAINULI D K,et al.Influence of tillage practices and nutrient management on crack parameters in a vertisol of central India[J].Soil & Tillage Research,2003,71(2):133-142.
[6] KONG J L,XIAN T,YANG J,et al.Monitoring soil moisture in a coal mining area with multi-phase landsat images[J].ISPRS-International Archives of the Photogrammetry,Remote Sensing and Spatial Information Sciences,2016,XLI-B7:537-542.
[7] MITCHELL A R,VAN GENUCHTEN M T.Flood irrigation of a cra-cked soil[J].Soil Science Society of America Journal,1993,57(2):490-497.
[8] DARMODY R G,HETZLER R T,SIMMONS F W.Coal mine subsidence:Effects of mitigation on crop yields[J].International Journal of Surface Mining,Reclamation and Environment,1992,6(4):187-190.
[9] SMALING E M A,BOUMA J.Bypass flow and leaching of nitrogen in a kenyan vertisol at the onset of the growing season[J].Soil Use and Management,2010,8(1):44-47.
[10] 何毓蓉,沈南,王艳强,等.金沙江干热河谷元谋强侵蚀区土壤裂隙形成与侵蚀机制[J].水土保持学报,2008,22(1):33-36.
HE Yurong,SHEN Nan,WANG Yanqiang,et al.Mechanism of formation of soil crevice and soil erosion in intensively-eroded area in Yuanmou dry and hot valley of Jinshajiang River[J].Journal of Soil and Water Conservation,2008,22(1):33-36.
[11] 胡振琪,王新静,贺安民.风积沙区采煤沉陷地裂缝分布特征与发生发育规律[J].煤炭学报,2014,39(1):11-18.
HU Zhenqi,WANG Xinjing,HE Anmin.Distribution characteristic and development rules of ground fissures due to coal mining in windy and sandy region[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):11-18.
[12] 王永强,谭钦文,马光兴,等.矿山排土场内部裂缝的雷达探测技术[J].中国安全生产科学技术,2012,8(11):95-100.
WANG Yongqiang,TAN Qinwen,MA Guangxing,et al.Radar detection technology about internal cracks of mine dump[J].Journal of Safety Science and Technology,2012,8(11):95-100.
[13] 中华人民共和国自然资源部.中国矿产资源报告2018[R].北京:地质出版社,2018:2,14.
Ministry of Natural Resources,People’s Republic of China.China Mineral Resources 2018[R].Beijing:Geological Publishing House,2018:2,14.
[14] BI Yinli,ZHANG Yanxu,ZOU Hui.Plant growth and their root development after inoculation of arbuscular mycorrhizal fungi in coal mine subsided areas[J].International Journal of Coal Science & Technology,2018,5(1):47-53.
[15] AHIRWAL J,MAITI S K.Assessment of soil properties of different land uses generated due to surface coal mining activities in tropical Sal (Shorea robusta) forest,India[J].Catena,2016,140:155-163.
[16] 胡振琪,多玲花,王晓彤.采煤沉陷地夹层式充填复垦原理与方法[J].煤炭学报,2018,43(1):198-206.
HU Zhenqi,DUO Linghua,WANG Xiaotong.Principle and method of reclaiming subsidence land with inter-layers of filling materals[J].Journal of China Coal Society,2018,43(1):198-206.
[17] 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.
ZHANG Yanxu,BI Yinli,CHEN Shulin,et al.Effects of subsidence fracture caused by coal-mining on soil moisture content in semi-arid windy desert area[J].Environmental Science and Technology,2015,38(3):11-14.
[18] YANG J H,YU X,YANG Y,et al.Physical simulation and theoretical evolution for ground fissures triggered by underground coal mining[J].Plos One,2018,13(3):e0192886.
[19] 马施民,王洋,杨雯,等.山西煤矿潞安矿区地裂缝发育特征及形成机理分析[J].中国地质灾害与防治学报,2014,25(1):28-32.
MA Shimin,WANG Yang,YANG Wen,et al.Characteristics of ground fissures development and formation mechanism in Lu’an mining area,Shanxi Province[J].the Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2014,25(1):28-32.
[20] 卞正富,雷少刚,金丹,等.矿区土地修复的几个基本问题[J].煤炭学报,2018,43(1):190-197.
BIAN Zhengfu,LEI Shaogang,JIN Dan,et al.Several basic scientific issues related to mined land remediation[J].Journal of China Coal Society,2018,43(1):190-197.
[21] 陈超,胡振琪.我国采动地裂缝形成机理研究进展[J].煤炭学报,2018,43(3):810-823.
CHEN Chao,HU Zhenqi.Research advances in formation mechanism of ground crack due to coal mining subsidence in China[J].Journal of China Coal Society,2018,43(3):810-823.
[22] MAITI S K.Bioreclamation of coalmine overburden dumps with special empasis on micronutrients and heavy metals accumulation in tree species[J].Environmental Monitoring and Assessment,2007,125(1-3):111-122.
[23] FANG T,LIU G,ZHOU C,et al.Distribution and assessment of Pb in the supergene environment of the Huainan Coal Mining Area,Anhui,China[J].Environmental Monitoring and Assessment,2014,186(8):4753-4765.
[24] GHOSE M K,MAJEE S R.Characteristics of hazardous airborne dust around an Indian surface coal mining area[J].Environmental Monitoring and Assessment,2007,130(1-3):17-25.
[25] 胡俊锋,穆克亮.某矿山排土场物探方法的应用初探[J].成都理工大学学报(自然科学版),2008,35(3):268-273.
HU Junfeng,MU Keliang.A preliminary discussion on the application of geophysical methods to dump in a mine[J].Journal of Chengdu University of Technology (Science and Technology Edition),2008,35(3):268-273.
[26] 韩静,白中科,李晋川.露井联采区西排土场平台沉陷状况分析[J].山西农业大学学报(自然科学版),2011,31(5):460-463.
HAN Jing,BAI Zhongke,LI Jinchuan.Analysis on the platform subsidence about western dump in open-underground combine mining[J].Journal of Shanxi Agricultural University (Natural Science Edition),2011,31(5):460-463.
[27] DIAZ-FERNANDEZ M E,
LVAREZ-FERNANDEZ M I,LVAREZ-VIGIL A E.Computation of influence functions for automatic mining subsidence prediction[J].Computational Geosciences,2010,14(1):83-103.
[28] 中华人民共和国国土资源部.土地复垦质量控制标准(TD/T1036—2013)[S].北京:中国标准出版社,2013:11-12.
Ministry of Land and Resources of the People’s Republic of China.Completion Standards on Land Reclamation Quality (TD/T1036—2013)[S].Beijing:China Standards Press,2013:11-12.
[29] 苏文贤.高台阶排土场的稳定性[J].矿山技术,1986(3):11-16.
SU Wenxian.Stability of high-step dumps[J].Mine Technology,1986(3):11-16.
[30] KISHNE A S,MORGAN C L S,GE Y F,et al.Antecedent soil moisture affecting surface cracking of a Vertisol in field conditions.[J].Geoderma,2010,157(3):109-117.
[31] PENG X,HORN R,PETH S,et al.Quantification of soil shrinkage in 2D by digital image processing of soil surface[J].Soil and Tillage Research,2006,91(1):173-180.
[32] NAJM M R A,JABRO J D,IVERSEN W M,et al.New method for the characterization of three-dimensional preferential flow paths in the field[J].Water Resources Research,2010,46(2):2503-2520.
[33] BAER J U,KENT T F,ANDERSON S H.Image analysis and fractal geometry to characterize soil desiccation cracks[J].Geoderma,2009,154(1):153-163.
[34] NASH E,SUTCLIFFE J V.River flow forecasting through conceptual models part I-A discussion of principles[J].Journal of Hydrology,1970,10(3):282-290.
[35] SANTHI C,ARNOLD J G,WILLIAMS J R,et al.Application of a watershed model to evaluate management effects on point and nonpoint source pollution[J].Transactions of ASAE,2001,44(6):1559-1570.
[36] GRAY C W,ALLBROOK R.Relationships between shrinkage indices and soil properties in some New Zealand soils[J].Geoderma,2002,108(3):287-299.
[37] KECHAVARZI C,DAWSON Q,LEEDSHARRISON P B,et al.Physical properties of low-lying agricultural peat soils in England[J].Geoderma,2010,154(3):196-202.
[38] ZHANG Z,PENG X,WANG L,et al.Temporal changes in shrinkage behavior of two paddy soils under alternative flooding and drying cycles and its consequence on percolation[J].Geoderma,2013,192(1):12-20.
[39] MALOOF A C,KELLOGG J B,ANDERS A M.Neoproterozoic sand wedges:Crack formation in frozen soils under diurnal forcing during a snowball Earth[J].Earth and Planetary Science Letters,2002,204(1):1-15.
[40] YOSHIDA S,ADACHI K.Effects of cropping and puddling practices on the cracking patterns in paddy fields[J].Soil Science and Plant Nutrition,2001,47(3):519-532.
[41] 张雷涛,郭靖.乌兰图嘎露天矿外排土场裂缝分析及治理[J].露天采矿技术,2014,30(10):1-3.
ZHANG Leitao,GUO Jing.Analysis and management on external dump crack in Wumei open-pit mine[J].Opencast Mining Technology,2014,30(10):1-3.
[42] ZHANG G,WANG R,QIAN J,et al.Effect study of cracks on behavior of soil slope under rainfall conditions[J].Soils and Foundations,2012,52:634-643.
[43] ZHOU C S,ZHENG X Q,ZHENG L Y,et al.A study on the formation mechanism and preventive measures of coal-mining ground fissures in the south-west of pingyao[J].Applied Mechanics and Materials,2011,90-93:1341-1344.
[44] 张建华.高台阶排土场稳定性及破坏模式研究[D].赣州:江西理工大学,2012:11.
ZHANG Jianhua.Study on the stability and deformation failure mode of high terrace dump[D].Ganzhou:Jiangxi University of Science and Technology,2012:11.
[45] 李叶鑫,王道涵,吕刚,等.煤矿区土体裂缝特征及其生态环境效应研究进展[J].生态学杂志,2018,37(12):3769-3779.
LI Yexin,WANG Daohan,LÜ Gang,et al.A review of soil mass cracks characteristics and their eco-environmental effects in coal mining area[J].Chinese Journal of Ecology,2018,37(12):3769-3779.
[46] 张中彬,彭新华.土壤裂隙及其优先流研究进展[J].土壤学报,2015,52(3):477-488.
ZHANG Zhongbin,PENG Xinhua.A review of researches on soil cracks and their impacts on preferential flow[J].Acta Pedologica Sinica,2015,52(3):477-488.
[47] NOVAK V.Soil-crack characteristics estimation methods applied to heavy soils in the NOPEX area[J].Agricultural and Forest Meteorology,1999,S98-99(1):501-507.
[48] TANG C,SHI B,LIU C,et al.Influencing factors of geometrical structure of surface shrinkage cracks in clayey soils[J].Engineering Geology,2008,101(3):204-217.
[49] 张展羽,王策,朱成立,等.土壤干缩裂缝网络几何特征[J].地球科学-中国地质大学学报,2014,39(10):1465-1472.
ZHANG Zhanyu,WANG Ce,ZHU Chengli,et al.Geometric characteristics of shrinkage crack network in soil[J].Earth Science-Journal of China University of Geosciences,2014,39(10):1465-1472.
