切沟是小流域泥沙的重要策源地，可贡献流域总产沙量的 10%—94%。在浅埋煤层开采区，地下采动引发的非均匀沉降和地表裂缝发育会显著改变坡面水文连通性与土体结构稳定性，从而可能加剧切沟侵蚀及沟头溯源。然而，目前对于采动地裂缝如何影响切沟溯源侵蚀过程仍缺乏清晰认识，特别是地裂缝诱发的优势流是否会改变沟头股流的汇流、入渗与冲刷过程，以及这种水文过程重组如何进一步触发沟头失稳和坍塌，其内在动力机制尚未得到充分揭示。

针对上述科学问题，中国地质大学（北京）自然文化研究院硕士研究生李鹏飞在王滋贯副教授指导下，选择鄂尔多斯万利煤田为研究区，以区内广泛发育于上新统保德组红黏土中的地裂缝及切沟系统为研究对象，综合开展室内人工降雨模拟实验、无人机序列摄影测量、孔隙水压力与土压力动态监测和基于CFD的多相流数值模拟，系统揭示了地裂缝重塑切沟溯源侵蚀动力机制的过程与机理，取得以下主要认识：

（1）降雨强度与地裂缝数量共同加剧了切沟侵蚀。在90 mm/h极端降雨与两条裂缝工况下，沟头溯源侵蚀速率达3.89 cm/min，总产沙量达624.7 kg，崩塌频率达11次，显著高于无裂缝及单裂缝的工况。切沟侵蚀贡献了各实验组总产沙量的75%–89%，是泥沙的主要来源。产沙量随裂缝数量增加而显著增大，而径流量则呈现相反趋势，双裂缝条件下径流量降至445.67 L，表明更多降雨以优势流形式入渗并转化为地下渗流。

（2）地裂缝通过优势流重构水文路径，改变沟头崩塌的孔隙水压力与土压力响应。优先入渗过程引发孔隙水压力急剧上升，峰值可达1.84 kPa，单裂缝90 mm/h工况下土压力最低值为9.3 kPa。孔隙水压力的上升是切沟沟头崩塌的重要触发因素。

（3）VOF多相流模拟了地裂缝对沟头侵蚀动力过程的改变。无裂缝条件下，模拟复现了坡面流在沟头底部形成高速涡流、掏蚀凹洞、进而引发悬空土体渐进崩塌的溯源侵蚀过程。而在地裂缝存在条件下，地裂缝优先截获径流，使沟头股流显著减弱，凹洞发育被抑制；侵蚀转由沿裂缝壁的集中渗流主导，表现为裂缝周围土体的突发性块体崩塌。模拟产沙量和径流量与实测值显著线性相关（R2分别为0.98和0.99），验证了该数值框架在刻画裂缝对沟蚀机制改变中的可靠性。

（4）地裂缝重塑溯源侵蚀动力机制的力学本质。模拟显示裂缝后壁承受显著高于前壁的静态水压力，同时，切沟沟头临空面受到的水压力显著减少，形成朝向临空面的定向水动力推力，与实测孔隙水压力监测捕捉到的裂缝后壁压力激增及崩塌时序高度吻合。这一水力负荷的非对称分布集中作用于裂缝后壁与临空面之间的土体，直接驱动了大规模块体崩塌，取代了传统溯源侵蚀中凹洞掏蚀驱动沟头渐进后退的经典模式。

综合人工降雨实验、多源动态监测与CFD多相流模拟，研究系统阐明了地裂缝改变切沟溯源侵蚀动力机制的过程与机理，使切沟侵蚀由内凹洞发育引起的缓慢溯源侵蚀到由优势流入渗引起的崩塌。这一认识为矿区沟蚀灾害的识别、监测优先区划定及基于过程的工程治理提供了科学依据。

图1 不同地裂缝与降雨工况下产沙量与径流量的动态响应

图2 不同地裂缝与降雨工况下孔隙水压力和土压力的动态响应

图3 单/双裂缝工况下沟头-裂缝系统静态压力分布与演化数值模拟

图4 不同地裂缝工况下沟头侵蚀演化模式与破坏机制模型

本研究受到国家自然科学基金（42407455）资助，成果发表在工程地质领域权威期刊《Engineering Geology》：Pengfei Li, Ziguan Wang*, Guangcai Wang, Jie Cheng, Rongchang Zeng, Jiamin Xu, 2026. Failure mechanisms of gully headsets under ground fissures: Insights from flume experiments and CFD-based multiphase flow modelling. Engineering Geology, 108789.

原文链接： https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2026.108789