半干旱礦區地裂縫對土壤水分和地表剪切強度的影響

杜國強，陳秀琴，郄晨龍，楊德軍

(中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州　221116)

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半干旱礦區地裂縫對土壤水分和地表剪切強度的影響

杜國強，陳秀琴，郄晨龍，楊德軍①

(中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州221116)

摘要：為研究礦區地裂縫對土壤水分及地表剪切強度的影響規律，針對井工煤礦采煤產生的沉陷裂縫，通過野外現場試驗，對垂直裂縫方向上的土壤含水率和地表剪切強度進行測定并進行相關性分析。結果表明，在沿垂直裂縫的方向上土壤含水率與測點距裂縫的距離之間呈一定的正相關關系，相關性未達顯著水平(P>0.05)，初步得到土壤平均含水率隨距地裂縫距離的增加而增大，地裂縫的出現一定程度上降低了裂縫及其周邊土體含水率；地表剪切強度與距地裂縫距離之間呈一定的正相關關系，相關性未達顯著水平(P>0.05)，初步得到地裂縫對周圍土體結構產生一定影響，即距地裂縫越近，剪切強度越低，地裂縫的出現降低了地裂縫及其周邊土體的剪切強度。

關鍵詞：地裂縫；土壤含水率；地表剪切強度；半干旱礦區

近年來,礦區范圍內環境地質災害事件頻繁發生,環境狀況急劇惡化,水土流失面積占研究區面積的81.4%[1]。在我國西部地區,煤炭資源蘊藏豐富,但該區域位于干旱半干旱區,生態系統非常脆弱,煤炭開采后形成的采空區會逐漸出現不同程度的地面變形,形成地面裂縫和沉陷等,誘發滑坡等斜坡地質災害,加速礦區的水土流失[2]。

近年來,國內外專家從各個方面對地裂縫進行研究。STIRK[3]通過對裂縫體積進行研究,得出裂縫體積能有效提高降雨時土壤持水能力,并且能夠抑制形成地表徑流,裂縫的內表面也對增加土壤入滲有重要意義,存在裂縫的土壤比沒有裂縫的土壤持水能力強;王晉麗等[4]通過研究采煤裂縫影響下土壤含水量的變化對農作物的影響,并對采煤地裂縫深度和覆巖導水裂縫帶高度進行計算,得出地裂縫能影響土壤水分的運移,造成植被破壞和水土流失;張延旭等[5]通過研究采煤裂縫區土壤水分的分布特征,并對采煤裂縫寬度、裂縫密度和土壤含水量的關系進行探討,得出采煤沉陷裂縫造成土壤含水量下降,沉陷區內地裂縫處和無裂縫區土壤含水量均小于未開采區,整體上不同區域土壤含水量由低到高依次為裂縫區、沉陷無裂縫區和未開采區。此外,FLOWERS等[6]利用裂縫平均深度、平均體積和平均寬度,研究不同耕作方式和不同壓實負載對土壤裂縫發生特征的影響;王鵬等[7]以韓家灣煤礦為例,研究沙漠區大采高條件下地裂縫破斷機理;王雙明等[8]從規劃角度提出了旨在減輕地裂縫等環境損害的規劃建議;范立民[9]研究認為在鄂爾多斯盆地北部的榆神府礦區,高強度采煤造成地裂縫廣泛發育,不僅破壞含水系統結構,還對生態環境產生嚴重影響。筆者對礦區典型裂縫進行布點,測定樣點土壤含水率和剪切強度,對沿垂直裂縫方向的距離與土壤含水率和土壤剪切強度之間進行相關分析,為今后研究裂縫對水土流失的影響提供一定的理論依據。

1試驗設計與方法

1.1研究區概況

研究區位于陜西省神木縣最北端大柳塔礦區,神府東勝煤田中部,屬陜北黃土高原北緣與毛烏素沙漠過渡地帶,地理坐標為北緯39°13′53″～39°21′32″,東經110°12′23″～110°22′54″。該區屬典型溫帶大陸性氣候區,年降水量為251.3～646.5 mm,多集中在夏秋兩季(6—9月),春冬兩季降水量很小;地表上覆為松散層及基巖地層,松散層主要為黃土層,土體結構松散,土壤養分含量呈缺磷、少氮、鉀有余的特點,有機質含量低,肥力極低,地表土壤pH值平均為8.5;研究區內基巖巖性以砂巖、砂質泥巖和泥巖為主。綜采采空區頂板全部垮落,工作面埋深淺的區域地表有裂縫。

1.2試驗設計與測定方法

選取2條典型裂縫,記為裂縫A和B,在裂縫A上沿著裂縫選取4個試驗區域,裂縫寬度分別為25、15、10和10 cm(10 cm區域較長,選取2處進行研究,分別記作Ⅰ-10 cm和Ⅱ-10 cm);在裂縫B上沿裂縫選取3個試驗區域,試驗區域裂縫寬度分別為7、5和2 cm。在各個試驗區域垂直于地裂縫方向上劃定一條直線,在每條直線上距離地裂縫邊界3 m范圍內,每隔0.2 m取1個樣點作為測點。

所選用的測定儀器有便攜式土壤含水率儀器(便攜式POGO土壤多參數測定系統和Hydra便攜式土壤含水率測定儀)和三頭抗剪儀(1410型Pocket Vane Tester型),主要對每個樣點土壤體積含水率和土壤剪切強度直接進行測定,測定前清除地表的雜草和石礫,測定深度約為4～5 cm,多次測定取平均值。

試驗時間為2014年3月17日,此時正值春季,降水量小,土壤含水率較低。

2結果與分析

2.1垂直裂縫方向上的土壤含水率變化

裂縫A不同寬度區域土壤含水率在垂直裂縫方向上的變化見圖1。由圖1可知,在垂直于裂縫3 m范圍內,裂縫寬度為25和Ⅱ-10 cm區域測點距裂縫的距離與土壤含水率之間呈負相關關系,但決定系數僅為0.000 3和0.053 5,P均大于0.05,表明線性相關性均不顯著;而寬度為15和Ⅰ-10 cm區域以及平均狀態下測點距裂縫的距離與土壤含水率之間呈正相關關系,15 cm區域決定系數為0.056 8(P>0.05),說明線性相關性也不顯著,Ⅰ-10 cm區域決定系數為0.349 1,相關性達顯著水平(P<0.05);測點距裂縫的距離與土壤平均含水率呈正相關關系,決定系數為0.148 3,相關性未達顯著水平(P>0.05)。

裂縫B不同寬度區域土壤含水率在垂直裂縫方向上的變化見圖2。如圖2所示,在垂直于裂縫3 m范圍內,裂縫B的3個不同寬度區域測點距裂縫的距離與土壤含水率之間均呈正相關關系,決定系數分別為0.199 6、0.000 5和0.123 4,其中,7 cm寬度區域測點距裂縫的距離與土壤含水率之間線性相關性達顯著水平(P<0.05),5和2 cm區域相關性未達顯著水平(P>0.05)。測點距裂縫的距離與土壤平均含水率也呈正相關關系,決定系數為0.207 7,相關性達顯著水平(P<0.05)。

總體來看,在2條裂縫上7個不同寬度區域測點距裂縫的距離與土壤含水率的相關性,除在25和Ⅱ-10 cm寬度區域呈現一定的負相關以外,其他寬度區域及平均狀態下均呈現一定的正相關關系,可以得到土壤平均含水率隨距裂縫距離的增加而增加的結論,周邊地裂縫的出現使得土壤含水率有一定程度降低,降低了土壤對水的保持作用。

通過分析得到地裂縫對土壤水動力學的影響如下:(1)地裂縫的出現使得地裂縫周圍土體的蒸發面積增加;(2)地裂縫的出現加速了土壤水分原本可能不占主導的橫向流動;(3)裂縫促進了土壤孔隙發育,一定程度上能提高土壤持水能力,地裂縫可破壞土體結構,改變土壤質地,使得土壤顆粒變粗,水力傳導率增加。

綜上所述,土壤含水率與距裂縫的距離呈一定的正相關關系,但由于土壤空間變異性的增加,除個別情況外,相關性均未達顯著水平。

圖1　裂縫A不同寬度區域土壤含水率在垂直裂縫方向上的變化

圖2　裂縫B不同寬度區域土壤含水率在垂直裂縫方向上的變化

2.2垂直裂縫方向上的土壤剪切強度變化

裂縫A不同寬度區域土壤剪切強度在垂直裂縫方向上的變化見圖3。如圖3所示,在垂直于裂縫3 m范圍內,僅在裂縫寬度為15 cm區域測點距裂縫的距離與土壤剪切強度之間呈負相關關系,在0～1.2 m范圍內土壤剪切強度隨測點距裂縫距離的增加而增大,1.4～2.4 m范圍內土壤剪切強度變異性較大,2.6～3 m范圍內土壤剪切強度隨測點距裂縫距離的增加而減小,可能是由于人為原因致使土壤參數空間變異性增大所致;而寬度為25、Ⅰ-10和Ⅱ-10 cm區域測點距裂縫的距離與土壤剪切強度之間呈正相關關系,25和Ⅱ-10 cm區域決定系數分別為0.153 0和0.196 6,說明存在線性相關性,其中,25 cm區域相關不顯著(P>0.05),Ⅱ-10 cm區域相關顯著(P<0.05);Ⅰ-10 cm區域決定系數為0.054 6,相關不顯著(P>0.05);測點距裂縫的距離與土壤平均剪切強度呈正相關關系,決定系數為0.154 9,相關性未達顯著水平(P>0.05)。

圖3　裂縫A不同寬度區域土壤剪切強度在垂直裂縫方向上的變化

裂縫B不同寬度區域土壤剪切強度在垂直裂縫方向上的變化見圖4。如圖4所示,在垂直于裂縫3 m范圍內,3個寬度區域測點距裂縫的距離與土壤剪切強度之間呈正相關關系,決定系數分別為0.020 8、0.046 1和0.040 7,P均大于0.05,表明測點距裂縫距離與土壤剪切強度之間不存在線性相關關系。測點距裂縫的距離與土壤平均剪切強度之間雖然也呈正相關關系,決定系數僅為0.072 5,相關性未達顯著水平(P>0.05)。

總體來看,在2條裂縫中7個不同寬度區域測點距裂縫的距離與土壤剪切強度的相關性,除在寬度為15 cm區域呈現負相關關系以外,其他寬度區域及平均狀態下均呈現一定的正相關關系,其中,裂縫A測點距裂縫距離與土壤平均剪切強度之間的線性相關性要比裂縫B顯著。從以上分析綜合來看,地表土壤剪切強度與距地裂縫距離之間呈正相關關系,即距地裂縫越近,剪切強度越低。從相關關系方面推斷,地裂縫對其周圍有一定影響,即地裂縫的出現會降低地裂縫及其周邊土體的剪切強度,并且加速地表的水土流失。

3結論

(1)土壤含水率與距地裂縫的距離呈一定的正相關關系,但由于土壤空間變異性的增加,相關性未達顯著水平,只能初步得到土壤平均含水率隨測點距地裂縫距離增加而逐漸增大的結論,從而推測周邊地裂縫的出現使得土壤含水率有一定程度降低,土壤對水分的保持作用降低。

(2)土壤剪切強度與距地裂縫的距離呈一定的正相關關系,從相關關系方面推斷地裂縫對周圍土體結構有一定影響,會降低地裂縫及其周邊土體的剪切強度,加速地表水土流失。

圖4　裂縫B不同寬度區域土壤剪切強度在垂直裂縫方向上的變化

參考文獻：

[1]張勇,王亞峰,趙曉光.陜西省彬長礦區水土流失與地質災害的關系初探[J].水土保持通報,2013,33(5):305-308.

[2]宋世杰.煤炭開采對煤礦區生態環境損害分析與防治對策[J].煤炭加工與綜合利用,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.

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[5]張延旭,畢銀麗,陳書琳,等.半干旱風沙區采煤后裂縫發育對土壤水分的影響[J].環境科學與技術,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]王鵬,余學義,劉俊.淺埋煤層大采高開采地表裂縫破壞機理研究[J].煤炭工程,2014,46(5):84-86.

[8]王雙明,黃慶享,范立民,等.生態脆弱區煤炭開發與生態水位保護[M].北京:科學出版社,2010:31-32.

[9]范立民.榆神府區煤炭開采強度與地質災害研究[J].中國煤炭,2014,40(5):52-55.

(責任編輯： 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

作者簡介：杜國強(1989—),男,山西朔州人,碩士生,主要從事環境工程方面的研究。E-mail: dgq0722@163.com

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.02.009

中圖分類號：S157.1；X833

文獻標志碼：A

文章編號：1673-4831(2016)02-0224-05

通信作者①E-mail: yangdj81@163.com

基金項目：國家科技基礎性工作專項(2014FY110800);國家自然科學基金重點項目(U1361214);國家重點基礎研究發展計劃(2013CB227904)

收稿日期：2015-11-11