微生物礦化對(duì)塔基棄土的固結(jié)作用及抗降雨侵蝕效果

陳垚, 王重卿, 江世雄, 羅立津, 李熙, 陳鴻, 鄭軍榮, 賈緯

(1.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院, 福州 350007; 2.福建省微生物研究所, 福州 350007)

輸變電線路工程作為一種典型的點(diǎn)、線性相結(jié)合的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目,具有跨度廣及擾動(dòng)點(diǎn)分散等特點(diǎn)[1],建設(shè)過程會(huì)產(chǎn)生大量棄土,如不及時(shí)采取加固措施,土體松散、空隙較大,受降雨作用極易飽和形成滲流,從而誘發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害,造成水土流失[2]。傳統(tǒng)加固棄土通常采用強(qiáng)夯或摻入水泥、石灰以改善土體的力學(xué)特性,但對(duì)土體擾動(dòng)大、能耗高,對(duì)周圍環(huán)境有較大影響[3],且水泥生產(chǎn)過程產(chǎn)生大量CO2,不利于我國(guó)碳減排目標(biāo)的達(dá)成。微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉積技術(shù)(microbially induced carbonate precipitation, MICP)可改善土體的強(qiáng)度、變形特性、抗液化性能[4]等,與傳統(tǒng)的水泥灌漿等化學(xué)處理技術(shù)相比,MICP 技術(shù)由于其具有污染小、擾動(dòng)小、施工較為簡(jiǎn)便、快速高效等優(yōu)勢(shì)[5]。其在巖土工程和地質(zhì)工程領(lǐng)域已有相關(guān)研究[6]。如岳建偉等[7]利用糯米漿對(duì)MICP技術(shù)進(jìn)行改良,用于加固粉性土;王緒民等[8]利用MICP技術(shù)加固重塑泥巖;王瑞等[9]利用MICP技術(shù)聯(lián)合纖維加筋技術(shù)提高鈣質(zhì)砂抗變形與抗液化性能;Wang等[10]利用MICP技術(shù)增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性,提高土體抗風(fēng)蝕能力、Liu等[11]將MICP技術(shù)應(yīng)用于濱海海岸侵蝕防護(hù)。盡管目前MICP 在土體固化方面的研究較多,但這些研究基本上是小規(guī)模實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn),在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用還鮮見報(bào)道,也未見有經(jīng)MICP固化土體的抗降雨侵蝕以及植被修復(fù)的研究報(bào)道。微生物礦化技術(shù)加固土體需要將微生物菌液、尿素和鈣源植入土體中,常用的有注漿法[12]、浸泡法[13]、拌和法和噴灑法[14]等。但福建省境內(nèi)輸變電線路塔基大多在山丘區(qū),注漿法、浸泡法或預(yù)攪拌法用于塔基棄土處理并不方便施工,現(xiàn)場(chǎng)迫切需要簡(jiǎn)易的處理方法,而噴灑法將反應(yīng)液噴灑在土體表面,借助重力作用滲流到孔隙中,不需要大型機(jī)械,僅依靠液體自然流動(dòng)便可實(shí)現(xiàn),適用于塔基棄土的淺層加固,從而減少輸變電線路工程建設(shè)的水土流失。

為此,現(xiàn)利用輸變電工程水土保持仿真模擬試驗(yàn)平臺(tái),通過在塔基棄土上噴灑微生物礦化菌液和膠結(jié)液,研究微生物礦化技術(shù)對(duì)塔基棄土的固結(jié)作用和抗降雨侵蝕效果,利用人工模擬降雨系統(tǒng),分析其對(duì)塔基水土流失的防治效果,進(jìn)一步將其在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行示范應(yīng)用,并在固結(jié)棄土上進(jìn)行植被修復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證。以期為微生物礦化技術(shù)在輸變電線路工程建設(shè)水土保持中的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 供試菌株及菌液制備

本次試驗(yàn)供試菌種為巴氏生孢八疊球菌(Sporosarcinapasteurii,編號(hào):CGMCC 1.368 7,即ATCC 11859),購自中國(guó)普通微生物菌種保藏管理中心,采用NH4-YE 培養(yǎng)基(酵母浸粉20 g/L,硫酸銨10 g/L,0.13 mol/L Tris-buffer,pH 9.0)活化菌種,30 ℃,150 r/min,培養(yǎng)24 h后,再擴(kuò)培至2 000 mL,接種至裝有發(fā)酵培養(yǎng)基(酵母浸粉20 g/L,硫酸銨 10 g/L,pH=9.0)的200 L發(fā)酵罐中,30 ℃發(fā)酵48 h,將出罐菌液分裝于25 L方桶中,置于4 ℃冷庫中保藏備用。

1.1.2 供試土樣

供試土樣取自福建省長(zhǎng)樂市一處500 kV輸電線路工程施工中塔基堆土,用篩分法和密度計(jì)法得出級(jí)配曲線(圖1)。經(jīng)顆粒級(jí)配分析,得出土樣的有效粒徑d10=0.1、中值粒徑d30=0.32、限制粒徑d60=0.64,通過公式計(jì)算可以得出土樣的不均勻系數(shù)Cu=6.4,曲率系數(shù)Cc=1.6, 滿足Cu≥5.00、Cc=1.00～3.00的要求,所以該土樣為級(jí)配良好土。且實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)土樣中直徑大于2 mm含量較多(未超過10%),0.25～2 mm占比為72.9%。

圖1 供試土壤取樣及顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Graded distribution curves of tested soil

1.2 堆土固結(jié)試驗(yàn)方案

如圖2所示,在裝有模擬降雨系統(tǒng)的輸變電工程水土保持仿真模擬試驗(yàn)平臺(tái),將供試土樣裝入2個(gè)侵蝕試驗(yàn)槽(4.0 m×1.5 m×0.5 m)中,分別為對(duì)照侵蝕試驗(yàn)槽(簡(jiǎn)稱對(duì)照槽)和礦化侵蝕試驗(yàn)槽(簡(jiǎn)稱礦化槽)。在礦化槽用便攜式無線高壓水槍霧化噴灑菌液50 L,間隔2 h后,霧化噴灑等體積的膠結(jié)液(0.25 mol/L尿素和0.25 mol/L氯化鈣混合液),3 d內(nèi)噴灑3輪,對(duì)照槽噴灑等量的水。

圖2 往礦化試驗(yàn)槽土樣噴灑菌液和膠結(jié)液Fig.2 Spray the bacterial liquid and the cement liquid to the soil sample in the test tank

1.3 降雨侵蝕試驗(yàn)方案

1.3.1 變動(dòng)坡度抗侵蝕試驗(yàn)

堆土固結(jié)處理21 d后,進(jìn)行人工模擬降雨試驗(yàn)。試驗(yàn)前,使人工模擬降雨系統(tǒng)產(chǎn)生微降雨(10 mm/h)約2 h,以使土壤侵蝕槽內(nèi)的土壤樣品水分含量逐漸升高,達(dá)到上下一致。調(diào)節(jié)試驗(yàn)槽坡度,分別設(shè)置地面坡度5°、10°、15°和20°共4個(gè)坡度級(jí);每個(gè)坡度先后進(jìn)行小雨(30 mm/h)、中雨(60 mm/h)、大雨(90 mm/h)、暴雨(120 mm/h)共4個(gè)降雨級(jí)別的降雨侵蝕試驗(yàn)。每個(gè)降雨強(qiáng)度保持約10 min,以使土壤侵蝕槽內(nèi)土壤表面產(chǎn)生的地表徑流量均勻一致,用1 000 mL量筒從土壤侵蝕槽的集水口取含有泥沙的水樣1 000 mL并記錄,將放好濾紙的漏斗置于塑料瓶,將含有泥沙的水樣過濾備用,每種坡度和雨強(qiáng)各取3個(gè)樣。按不同地面坡度將水樣編號(hào)用鉛筆分別寫在過濾紙上,放入干燥箱內(nèi)烘箱溫度應(yīng)小于或等于80 ℃烘5～7 h后,取出包有泥沙的過濾紙稱重,扣除過濾紙重量后,即得泥沙重量。

1.3.2 固定坡度抗侵蝕試驗(yàn)

為研究斜坡不同位置礦化效果的差異,將供試槽固定傾斜10°坡度,用便攜式無線高壓水槍霧化自上而下均勻噴灑菌液50 L,間隔2 h后,霧化噴灑等體積膠結(jié)液(0.25 mol/L尿素和0.25 mol/L氯化鈣混合液)。21 d后同上進(jìn)行降雨侵蝕試驗(yàn)。

1.4 土力學(xué)指標(biāo)測(cè)定

人工模擬降雨試驗(yàn)7 d后,取樣,根據(jù)《土力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教程》方法,測(cè)定土樣的密度、孔隙度、滲透性、液限、塑限、壓縮性、抗剪切強(qiáng)度等相關(guān)指標(biāo)的差異[15]。

1.5 微觀表征

取對(duì)照槽和礦化槽的土樣,用X 射線衍射(XRD)分析礦物成分,用掃描電鏡(SEM)觀察礦化形成的微觀形貌。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 降雨侵蝕試驗(yàn)結(jié)果

礦化21 d后進(jìn)行降雨侵蝕試驗(yàn)。如圖3所示,礦化后的土壤抗降雨侵蝕能力明顯增強(qiáng),在5°坡度,小雨10 min,對(duì)照槽中的土壤已出現(xiàn)明顯的塌陷和裂縫,而礦化槽中土壤表面幾乎沒什么影響。

經(jīng)過5°、10°、15°坡度的小雨、中雨、大雨、暴雨各10 min的連續(xù)降雨侵蝕之后,對(duì)照槽中的土壤已出現(xiàn)明顯滑坡;而礦化槽中的土壤只出現(xiàn)幾道侵蝕溝,未出現(xiàn)滑坡,甚至調(diào)高至20°坡度,再進(jìn)行一次小雨、中雨、大雨、暴雨各10 min的連續(xù)侵蝕,也未出現(xiàn)滑坡。

圖 3 降雨侵蝕實(shí)驗(yàn)過程堆土表面侵蝕情況Fig.3 Surface erosion of the stacking soil during the rainfall erosion experiment

通過測(cè)定降雨侵蝕后的產(chǎn)沙量,如表1所示,在5°、10°、15°坡度,礦化槽的產(chǎn)沙量明顯低于對(duì)照槽,并且隨著坡度增大,差異更加顯著。在剛開始進(jìn)行降雨侵蝕時(shí),對(duì)照槽由于土樣未固結(jié),產(chǎn)沙量達(dá)2.730 g/(m2·h),而礦化槽的產(chǎn)沙量才0.820 g/(m2·h),接著進(jìn)行中雨強(qiáng)度侵蝕時(shí),由于表面易沖刷的土壤在前一次小雨強(qiáng)度侵蝕的試驗(yàn)中已被沖刷,以致產(chǎn)沙量低于小雨侵蝕的量,為1.716 g/(m2·h)。此后,隨著同一坡度下,隨著雨強(qiáng)增大,產(chǎn)沙量也逐漸增大,5°、10°、15°坡度對(duì)照槽受暴雨侵蝕的產(chǎn)沙量分別達(dá)到了5.216、17.324、127.136 g/(m2·h),而礦化槽的產(chǎn)沙量分別僅為1.990、3.003、14.057 g/(m2·h),遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對(duì)照槽。

表1 不同坡度不同雨強(qiáng)降雨侵蝕后的產(chǎn)沙量Table 1 Sand production after heavy rainfall erosion with different slopes and different rain conditions

由于在15°坡度時(shí),對(duì)照槽的底部已經(jīng)開始出現(xiàn)滑坡,出于安全考慮,無法進(jìn)行20°坡度的侵蝕試驗(yàn)。而礦化槽即使提升到20°坡度,也未出現(xiàn)滑坡。經(jīng)降雨侵蝕試驗(yàn),小雨、中雨、大雨、暴雨4個(gè)強(qiáng)度級(jí)別的產(chǎn)沙量分別為14.190、20.593、40.660、56.360 g/(m2·h),在20°坡度受暴雨侵蝕的產(chǎn)沙量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對(duì)照槽15°坡度時(shí)暴雨侵蝕的產(chǎn)沙量。可見,棄土通過表面噴灑菌液和膠結(jié)液進(jìn)行微生物礦化也能顯著降雨侵蝕的產(chǎn)沙量。因此,有望用于輸電線路塔基棄土的固結(jié),從而減少水土流失。

2.2 干密度、孔隙度與滲透性

降雨侵蝕后7 d,取兩個(gè)槽的土樣,通過測(cè)定土壤的干密度、孔隙度與滲透性,如表2所示,礦化后的土壤由于形成碳酸鈣結(jié)晶,將土壤的孔隙填充,使得干密度從1.60 g/cm3提高到1.65 g/cm3;孔隙度由51.81%降低到48.09%;滲透系數(shù)由5.21×10-4cm/s降低到2.82×10-4cm/s。

表2 微生物礦化對(duì)土壤干密度、孔隙度和滲透系數(shù)的影響Table 2 Effects of microbial mineralization on soil dry density, porosity, and permeability coefficient

2.3 液限塑限與抗剪強(qiáng)度

當(dāng)細(xì)粒土的含水率不同時(shí),會(huì)處于流動(dòng)狀態(tài)、可塑狀態(tài)、半固體狀態(tài)和固體狀態(tài)。液限是細(xì)粒土呈可塑狀態(tài)的上限含水率,即土從可塑狀態(tài)過渡到流動(dòng)狀態(tài)的界限含水率。塑限是細(xì)粒土呈可塑狀態(tài)的下限含水率,即土從可塑狀態(tài)過渡到半固體狀態(tài)的界限含水率。如表3所示,礦化土壤試樣的液限增高5%,即從可塑狀態(tài)過渡到流動(dòng)狀態(tài)的含水率界限提高5%,這也解釋了其可以減少滑坡的原理。而塑限卻降低接近5%,說明礦化后,土壤有更好的可塑性,更不易出現(xiàn)裂縫。此外,經(jīng)測(cè)定抗剪強(qiáng)度結(jié)果表明,對(duì)照槽(未礦化)土壤的內(nèi)摩擦角為29.97°,而礦化提高到了32.62°,可見礦化提高了土壤的抗剪強(qiáng)度。

表3 微生物礦化對(duì)土壤液塑限與抗剪強(qiáng)度的影響Table 3 Effects of microbial mineralization on liquid limit,plastic limit and shear strength of soil fluid

2.4 微觀表征

2.4.1 XRD圖譜分析

通過 X 射線衍射分析得出礦化土樣的內(nèi)部沉積物的晶型。如圖4所示,礦化土樣得到的晶體在2θ= 29.5°位置附近出現(xiàn)了特征衍射峰,對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)卡片可知,其產(chǎn)生的碳酸鈣沉淀晶型為方解石。由此可見,微生物礦化主要增加土壤中的方解石型碳酸鈣晶體,這與王緒民等[8]的研究結(jié)果是一致的。

圖4 土壤試樣的XRD圖Fig.4 The XRD plot of the soil samples

2.4.2 微觀形貌分析

通過掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)觀察礦化形成的微觀形貌,如圖5所示,微生物礦化技術(shù)處理后的棄土顆粒表面及顆粒間縫隙之間有 CaCO3晶體形成,導(dǎo)致相鄰砂土顆粒表面的碳酸鈣晶體顆粒簇發(fā)生膠結(jié),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)將原本相鄰但并未接觸的顆粒膠結(jié)成一整體,碳酸鈣晶體在過程中先起到填充作用后發(fā)生膠結(jié)作用,從而提升土樣的緊實(shí)度和強(qiáng)度。

圖5 礦化土壤樣品的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM photographs of the mineralized soil samples

2.5 固定10°坡度礦化試驗(yàn)

2.5.1 固定10°坡度降雨侵蝕試驗(yàn)

考慮到侵蝕試驗(yàn)槽坡度升降過程對(duì)土體穩(wěn)定性的影響,以及多次循環(huán)小雨到暴雨的降雨侵蝕,可能會(huì)使后續(xù)產(chǎn)沙量的結(jié)果偏差,為此,如圖6所示,進(jìn)一步開展固定10°坡度的礦化試驗(yàn)。考慮到菌液和膠結(jié)液易順著坡往低處流,為此,在噴灑時(shí),坡度上部的菌液和膠結(jié)液的量稍多噴一些,使土壤表層的效果更趨于一致。固定10°坡度礦化沙土開展抗降雨侵蝕試驗(yàn),如表4所示,在各個(gè)雨強(qiáng)等級(jí)的降雨侵蝕時(shí),礦化槽的產(chǎn)沙量極顯著低于對(duì)照槽,在小雨侵蝕10 min后,對(duì)照槽的產(chǎn)沙量達(dá)28.850 g/(m2·h),而礦化槽的產(chǎn)沙量才1.800 g/(m2·h),由于小雨侵蝕試驗(yàn),沖刷了大部分松散的土壤,進(jìn)行中雨侵蝕試驗(yàn)時(shí),對(duì)照槽的產(chǎn)沙量還低于小雨的量,而此后,隨著降雨強(qiáng)度增大,無論是對(duì)照槽還是礦化槽,產(chǎn)沙量都逐漸增加,且礦化槽和對(duì)照槽的產(chǎn)沙量差異也隨之增大,中雨侵蝕時(shí)產(chǎn)沙量相差7.527 g/(m2·h),大雨侵蝕時(shí)相差18.457 g/(m2·h),而暴雨時(shí)相差達(dá)26.072 g/(m2·h)。

表4 固定10°坡度不同雨強(qiáng)降雨侵蝕后的產(chǎn)沙量Table 4 Sand production after heavy rainfall erosion with different slopes with fixed 10°slope

2.5.2 干密度、孔隙度與滲透性

通過分析固定10°坡度底部土壤的物理指標(biāo)如表5所示,經(jīng)微生物礦化后,土壤干密度從1.70 g/cm3提高到1.73 g/cm3;孔隙度由49.26%降低到47.55%;滲透系數(shù)由5.80×10-4cm/s降低到3.02×10-4cm/s。相比此前侵蝕試驗(yàn)槽平放的固結(jié)試驗(yàn),干密度更大,孔隙度更低,可能由于坡底受到上部土壤壓力作用使其更加緊實(shí)的緣故。

表5 微生物礦化對(duì)坡底土壤緊實(shí)度的影響Table 5 Effects of microbial mineralization on soil compaction at slope bottom

2.5.3 壓縮性試驗(yàn)

通過側(cè)向壓縮試驗(yàn)測(cè)定土樣的壓縮性,如圖7所示,累計(jì)變形量呈現(xiàn)上部>底部的現(xiàn)象,最終在300 kPa時(shí)壓縮變形基本穩(wěn)定。其原因?yàn)?試驗(yàn)槽有10°傾角,由于模擬降雨沖刷以及重力作用,越往底部小顆粒土越多,其孔隙率越小,壓縮變形就越小。對(duì)比分析礦化槽與對(duì)照槽之間土樣的壓縮變形曲線可以看出,礦化槽上部壓縮曲線位于對(duì)照槽上部的下方,礦化槽底部土樣壓縮曲線也位于對(duì)照槽下部的下方,可見,經(jīng)微生物礦化后,土壤更加密實(shí),使得固結(jié)壓縮試驗(yàn)中累計(jì)變形較小。

2.6 塔基棄土固結(jié)工藝的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

利用在人工模擬降雨系統(tǒng)的輸變電工程水土保持仿真模擬試驗(yàn)平臺(tái)的試驗(yàn)所確定的微生物礦化技術(shù)工藝,如圖8(a)所示,在位于云霄縣的國(guó)家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)閩粵聯(lián)網(wǎng)換流站的輸電線路塔基,進(jìn)行輸電線路塔基棄土固結(jié)的示范應(yīng)用。微生物礦化3個(gè)月后,如圖8(b)和圖8(c)所示,對(duì)照地塊有非常明顯的降雨侵蝕造成的水土流失斑痕,而利用微生物礦化技術(shù)固化的塔基棄土,無明顯流失斑。進(jìn)一步在礦化地塊施撒黑麥草草籽和適量的水溶性肥料,在3個(gè)月后,植被覆蓋率達(dá)90%以上,如圖8(d)所示。這也證明了微生物礦化技術(shù)用于塔基棄土固結(jié)后,可進(jìn)行植被修復(fù),是一種環(huán)境友好型的棄土固結(jié)工藝措施。

圖8 塔基棄土固結(jié)工藝的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果Fig.8 Field application and effect of tower abandoned soil consolidation process

3 結(jié)論

通過噴灑方式向塔基棄土添加微生物礦化菌液和膠結(jié)液進(jìn)行堆土微生物礦化試驗(yàn),得出以下結(jié)論。

(1)通過噴灑方式添加微生物礦化的菌液和膠結(jié)液,對(duì)塔基棄土的淺層有很好的固結(jié)作用,可顯著減少受不同等級(jí)強(qiáng)度降雨侵蝕的產(chǎn)沙量。

(2)經(jīng)微生物礦化后土樣的干密度增大,孔隙度和滲透系數(shù)降低,微觀表征表明,主要是增加了土壤中的方解石型碳酸鈣晶體。

(3)微生物礦化提高了土壤試樣的液限,降低塑限,賦予土壤更好的可塑性,更不易出現(xiàn)裂縫。且提高了內(nèi)摩擦角,增強(qiáng)土壤的抗剪強(qiáng)度。

(4)固定10°坡度進(jìn)行微生物礦化,經(jīng)側(cè)向壓縮試驗(yàn)表明,由于模擬降雨導(dǎo)致沖刷作用,試驗(yàn)槽底部小顆粒土越多,其孔隙率越小,壓縮過程中壓縮變形越小,使得上部土樣的累計(jì)變形量大于底部;經(jīng)微生物礦化的土壤試樣比對(duì)照土壤試樣更加密實(shí),使得礦化后的試樣固結(jié)壓縮試驗(yàn)中累計(jì)變形量較小。

(5)經(jīng)輸電線路工程現(xiàn)場(chǎng)示范應(yīng)用證明,經(jīng)微生物礦化后可非常明顯減少塔基因降雨侵蝕造成的水土流失,且不影響植物生長(zhǎng),可進(jìn)行植被修復(fù),因此,可作為輸電線路工程建設(shè)的一項(xiàng)綠色、環(huán)保、簡(jiǎn)便、高效的水土保持措施。