微生物矿化对塔基弃土的固结作用及抗降雨侵蚀效果

2024-01-12陈垚王重卿江世雄罗立津李熙陈鸿郑军荣贾纬

科学技术与工程 2023年34期

陈垚, 王重卿, 江世雄, 罗立津, 李熙, 陈鸿, 郑军荣, 贾纬

(1.国网福建省电力有限公司电力科学研究院, 福州 350007; 2.福建省微生物研究所, 福州 350007)

输变电线路工程作为一种典型的点、线性相结合的生产建设项目,具有跨度广及扰动点分散等特点[1],建设过程会产生大量弃土,如不及时采取加固措施,土体松散、空隙较大,受降雨作用极易饱和形成渗流,从而诱发滑坡等地质灾害,造成水土流失[2]。传统加固弃土通常采用强夯或掺入水泥、石灰以改善土体的力学特性,但对土体扰动大、能耗高,对周围环境有较大影响[3],且水泥生产过程产生大量CO2,不利于我国碳减排目标的达成。微生物诱导碳酸盐沉积技术(microbially induced carbonate precipitation, MICP)可改善土体的强度、变形特性、抗液化性能[4]等,与传统的水泥灌浆等化学处理技术相比,MICP 技术由于其具有污染小、扰动小、施工较为简便、快速高效等优势[5]。其在岩土工程和地质工程领域已有相关研究[6]。如岳建伟等[7]利用糯米浆对MICP技术进行改良,用于加固粉性土;王绪民等[8]利用MICP技术加固重塑泥岩;王瑞等[9]利用MICP技术联合纤维加筋技术提高钙质砂抗变形与抗液化性能;Wang等[10]利用MICP技术增强边坡稳定性,提高土体抗风蚀能力、Liu等[11]将MICP技术应用于滨海海岸侵蚀防护。尽管目前MICP 在土体固化方面的研究较多,但这些研究基本上是小规模实验室实验,在现场应用还鲜见报道,也未见有经MICP固化土体的抗降雨侵蚀以及植被修复的研究报道。微生物矿化技术加固土体需要将微生物菌液、尿素和钙源植入土体中,常用的有注浆法[12]、浸泡法[13]、拌和法和喷洒法[14]等。但福建省境内输变电线路塔基大多在山丘区,注浆法、浸泡法或预搅拌法用于塔基弃土处理并不方便施工,现场迫切需要简易的处理方法,而喷洒法将反应液喷洒在土体表面,借助重力作用渗流到孔隙中,不需要大型机械,仅依靠液体自然流动便可实现,适用于塔基弃土的浅层加固,从而减少输变电线路工程建设的水土流失。

为此,现利用输变电工程水土保持仿真模拟试验平台,通过在塔基弃土上喷洒微生物矿化菌液和胶结液,研究微生物矿化技术对塔基弃土的固结作用和抗降雨侵蚀效果,利用人工模拟降雨系统,分析其对塔基水土流失的防治效果,进一步将其在工程现场进行示范应用,并在固结弃土上进行植被修复试验验证。以期为微生物矿化技术在输变电线路工程建设水土保持中的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 供试菌株及菌液制备

本次试验供试菌种为巴氏生孢八叠球菌(Sporosarcinapasteurii,编号:CGMCC 1.368 7,即ATCC 11859),购自中国普通微生物菌种保藏管理中心,采用NH4-YE 培养基(酵母浸粉20 g/L,硫酸铵10 g/L,0.13 mol/L Tris-buffer,pH 9.0)活化菌种,30 ℃,150 r/min,培养24 h后,再扩培至2 000 mL,接种至装有发酵培养基(酵母浸粉20 g/L,硫酸铵 10 g/L,pH=9.0)的200 L发酵罐中,30 ℃发酵48 h,将出罐菌液分装于25 L方桶中,置于4 ℃冷库中保藏备用。

1.1.2 供试土样

供试土样取自福建省长乐市一处500 kV输电线路工程施工中塔基堆土,用筛分法和密度计法得出级配曲线(图1)。经颗粒级配分析,得出土样的有效粒径d10=0.1、中值粒径d30=0.32、限制粒径d60=0.64,通过公式计算可以得出土样的不均匀系数Cu=6.4,曲率系数Cc=1.6, 满足Cu≥5.00、Cc=1.00～3.00的要求,所以该土样为级配良好土。且实验中发现土样中直径大于2 mm含量较多(未超过10%),0.25～2 mm占比为72.9%。

图1 供试土壤取样及颗粒级配曲线Fig.1 Graded distribution curves of tested soil

1.2 堆土固结试验方案

如图2所示,在装有模拟降雨系统的输变电工程水土保持仿真模拟试验平台,将供试土样装入2个侵蚀试验槽(4.0 m×1.5 m×0.5 m)中,分别为对照侵蚀试验槽(简称对照槽)和矿化侵蚀试验槽(简称矿化槽)。在矿化槽用便携式无线高压水枪雾化喷洒菌液50 L,间隔2 h后,雾化喷洒等体积的胶结液(0.25 mol/L尿素和0.25 mol/L氯化钙混合液),3 d内喷洒3轮,对照槽喷洒等量的水。

图2 往矿化试验槽土样喷洒菌液和胶结液Fig.2 Spray the bacterial liquid and the cement liquid to the soil sample in the test tank

1.3 降雨侵蚀试验方案

1.3.1 变动坡度抗侵蚀试验

堆土固结处理21 d后,进行人工模拟降雨试验。试验前,使人工模拟降雨系统产生微降雨(10 mm/h)约2 h,以使土壤侵蚀槽内的土壤样品水分含量逐渐升高,达到上下一致。调节试验槽坡度,分别设置地面坡度5°、10°、15°和20°共4个坡度级;每个坡度先后进行小雨(30 mm/h)、中雨(60 mm/h)、大雨(90 mm/h)、暴雨(120 mm/h)共4个降雨级别的降雨侵蚀试验。每个降雨强度保持约10 min,以使土壤侵蚀槽内土壤表面产生的地表径流量均匀一致,用1 000 mL量筒从土壤侵蚀槽的集水口取含有泥沙的水样1 000 mL并记录,将放好滤纸的漏斗置于塑料瓶,将含有泥沙的水样过滤备用,每种坡度和雨强各取3个样。按不同地面坡度将水样编号用铅笔分别写在过滤纸上,放入干燥箱内烘箱温度应小于或等于80 ℃烘5～7 h后,取出包有泥沙的过滤纸称重,扣除过滤纸重量后,即得泥沙重量。

1.3.2 固定坡度抗侵蚀试验

为研究斜坡不同位置矿化效果的差异,将供试槽固定倾斜10°坡度,用便携式无线高压水枪雾化自上而下均匀喷洒菌液50 L,间隔2 h后,雾化喷洒等体积胶结液(0.25 mol/L尿素和0.25 mol/L氯化钙混合液)。21 d后同上进行降雨侵蚀试验。

1.4 土力学指标测定

人工模拟降雨试验7 d后,取样,根据《土力学实验指导教程》方法,测定土样的密度、孔隙度、渗透性、液限、塑限、压缩性、抗剪切强度等相关指标的差异[15]。

1.5 微观表征

取对照槽和矿化槽的土样,用X 射线衍射(XRD)分析矿物成分,用扫描电镜(SEM)观察矿化形成的微观形貌。

2 实验结果

2.1 降雨侵蚀试验结果

矿化21 d后进行降雨侵蚀试验。如图3所示,矿化后的土壤抗降雨侵蚀能力明显增强,在5°坡度,小雨10 min,对照槽中的土壤已出现明显的塌陷和裂缝,而矿化槽中土壤表面几乎没什么影响。

经过5°、10°、15°坡度的小雨、中雨、大雨、暴雨各10 min的连续降雨侵蚀之后,对照槽中的土壤已出现明显滑坡;而矿化槽中的土壤只出现几道侵蚀沟,未出现滑坡,甚至调高至20°坡度,再进行一次小雨、中雨、大雨、暴雨各10 min的连续侵蚀,也未出现滑坡。

图 3 降雨侵蚀实验过程堆土表面侵蚀情况Fig.3 Surface erosion of the stacking soil during the rainfall erosion experiment

通过测定降雨侵蚀后的产沙量,如表1所示,在5°、10°、15°坡度,矿化槽的产沙量明显低于对照槽,并且随着坡度增大,差异更加显著。在刚开始进行降雨侵蚀时,对照槽由于土样未固结,产沙量达2.730 g/(m2·h),而矿化槽的产沙量才0.820 g/(m2·h),接着进行中雨强度侵蚀时,由于表面易冲刷的土壤在前一次小雨强度侵蚀的试验中已被冲刷,以致产沙量低于小雨侵蚀的量,为1.716 g/(m2·h)。此后,随着同一坡度下,随着雨强增大,产沙量也逐渐增大,5°、10°、15°坡度对照槽受暴雨侵蚀的产沙量分别达到了5.216、17.324、127.136 g/(m2·h),而矿化槽的产沙量分别仅为1.990、3.003、14.057 g/(m2·h),远远低于对照槽。

表1 不同坡度不同雨强降雨侵蚀后的产沙量Table 1 Sand production after heavy rainfall erosion with different slopes and different rain conditions

由于在15°坡度时,对照槽的底部已经开始出现滑坡,出于安全考虑,无法进行20°坡度的侵蚀试验。而矿化槽即使提升到20°坡度,也未出现滑坡。经降雨侵蚀试验,小雨、中雨、大雨、暴雨4个强度级别的产沙量分别为14.190、20.593、40.660、56.360 g/(m2·h),在20°坡度受暴雨侵蚀的产沙量也远远低于对照槽15°坡度时暴雨侵蚀的产沙量。可见,弃土通过表面喷洒菌液和胶结液进行微生物矿化也能显著降雨侵蚀的产沙量。因此,有望用于输电线路塔基弃土的固结,从而减少水土流失。

2.2 干密度、孔隙度与渗透性

降雨侵蚀后7 d,取两个槽的土样,通过测定土壤的干密度、孔隙度与渗透性,如表2所示,矿化后的土壤由于形成碳酸钙结晶,将土壤的孔隙填充,使得干密度从1.60 g/cm3提高到1.65 g/cm3;孔隙度由51.81%降低到48.09%;渗透系数由5.21×10-4cm/s降低到2.82×10-4cm/s。

表2 微生物矿化对土壤干密度、孔隙度和渗透系数的影响Table 2 Effects of microbial mineralization on soil dry density, porosity, and permeability coefficient

2.3 液限塑限与抗剪强度

当细粒土的含水率不同时,会处于流动状态、可塑状态、半固体状态和固体状态。液限是细粒土呈可塑状态的上限含水率,即土从可塑状态过渡到流动状态的界限含水率。塑限是细粒土呈可塑状态的下限含水率,即土从可塑状态过渡到半固体状态的界限含水率。如表3所示,矿化土壤试样的液限增高5%,即从可塑状态过渡到流动状态的含水率界限提高5%,这也解释了其可以减少滑坡的原理。而塑限却降低接近5%,说明矿化后,土壤有更好的可塑性,更不易出现裂缝。此外,经测定抗剪强度结果表明,对照槽(未矿化)土壤的内摩擦角为29.97°,而矿化提高到了32.62°,可见矿化提高了土壤的抗剪强度。

表3 微生物矿化对土壤液塑限与抗剪强度的影响Table 3 Effects of microbial mineralization on liquid limit,plastic limit and shear strength of soil fluid

2.4 微观表征

2.4.1 XRD图谱分析

通过 X 射线衍射分析得出矿化土样的内部沉积物的晶型。如图4所示,矿化土样得到的晶体在2θ= 29.5°位置附近出现了特征衍射峰,对照标准卡片可知,其产生的碳酸钙沉淀晶型为方解石。由此可见,微生物矿化主要增加土壤中的方解石型碳酸钙晶体,这与王绪民等[8]的研究结果是一致的。

图4 土壤试样的XRD图Fig.4 The XRD plot of the soil samples

2.4.2 微观形貌分析

通过扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)观察矿化形成的微观形貌,如图5所示,微生物矿化技术处理后的弃土颗粒表面及颗粒间缝隙之间有 CaCO3晶体形成,导致相邻砂土颗粒表面的碳酸钙晶体颗粒簇发生胶结,进而实现将原本相邻但并未接触的颗粒胶结成一整体,碳酸钙晶体在过程中先起到填充作用后发生胶结作用,从而提升土样的紧实度和强度。

图5 矿化土壤样品的SEM照片Fig.5 SEM photographs of the mineralized soil samples

2.5 固定10°坡度矿化试验

2.5.1 固定10°坡度降雨侵蚀试验

考虑到侵蚀试验槽坡度升降过程对土体稳定性的影响,以及多次循环小雨到暴雨的降雨侵蚀,可能会使后续产沙量的结果偏差,为此,如图6所示,进一步开展固定10°坡度的矿化试验。考虑到菌液和胶结液易顺着坡往低处流,为此,在喷洒时,坡度上部的菌液和胶结液的量稍多喷一些,使土壤表层的效果更趋于一致。固定10°坡度矿化沙土开展抗降雨侵蚀试验,如表4所示,在各个雨强等级的降雨侵蚀时,矿化槽的产沙量极显著低于对照槽,在小雨侵蚀10 min后,对照槽的产沙量达28.850 g/(m2·h),而矿化槽的产沙量才1.800 g/(m2·h),由于小雨侵蚀试验,冲刷了大部分松散的土壤,进行中雨侵蚀试验时,对照槽的产沙量还低于小雨的量,而此后,随着降雨强度增大,无论是对照槽还是矿化槽,产沙量都逐渐增加,且矿化槽和对照槽的产沙量差异也随之增大,中雨侵蚀时产沙量相差7.527 g/(m2·h),大雨侵蚀时相差18.457 g/(m2·h),而暴雨时相差达26.072 g/(m2·h)。

表4 固定10°坡度不同雨强降雨侵蚀后的产沙量Table 4 Sand production after heavy rainfall erosion with different slopes with fixed 10°slope

2.5.2 干密度、孔隙度与渗透性

通过分析固定10°坡度底部土壤的物理指标如表5所示,经微生物矿化后,土壤干密度从1.70 g/cm3提高到1.73 g/cm3;孔隙度由49.26%降低到47.55%;渗透系数由5.80×10-4cm/s降低到3.02×10-4cm/s。相比此前侵蚀试验槽平放的固结试验,干密度更大,孔隙度更低,可能由于坡底受到上部土壤压力作用使其更加紧实的缘故。

表5 微生物矿化对坡底土壤紧实度的影响Table 5 Effects of microbial mineralization on soil compaction at slope bottom

2.5.3 压缩性试验

通过侧向压缩试验测定土样的压缩性,如图7所示,累计变形量呈现上部>底部的现象,最终在300 kPa时压缩变形基本稳定。其原因为,试验槽有10°倾角,由于模拟降雨冲刷以及重力作用,越往底部小颗粒土越多,其孔隙率越小,压缩变形就越小。对比分析矿化槽与对照槽之间土样的压缩变形曲线可以看出,矿化槽上部压缩曲线位于对照槽上部的下方,矿化槽底部土样压缩曲线也位于对照槽下部的下方,可见,经微生物矿化后,土壤更加密实,使得固结压缩试验中累计变形较小。

2.6 塔基弃土固结工艺的现场应用

利用在人工模拟降雨系统的输变电工程水土保持仿真模拟试验平台的试验所确定的微生物矿化技术工艺,如图8(a)所示,在位于云霄县的国家电网和南方电网闽粤联网换流站的输电线路塔基,进行输电线路塔基弃土固结的示范应用。微生物矿化3个月后,如图8(b)和图8(c)所示,对照地块有非常明显的降雨侵蚀造成的水土流失斑痕,而利用微生物矿化技术固化的塔基弃土,无明显流失斑。进一步在矿化地块施撒黑麦草草籽和适量的水溶性肥料,在3个月后,植被覆盖率达90%以上,如图8(d)所示。这也证明了微生物矿化技术用于塔基弃土固结后,可进行植被修复,是一种环境友好型的弃土固结工艺措施。