陳垚, 王重卿, 江世雄, 羅立津, 李熙, 陳鴻, 鄭軍榮, 賈緯

(1.國網(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、線性相結(jié)合的生產(chǎn)建設(shè)項目,具有跨度廣及擾動點分散等特點[1],建設(shè)過程會產(chǎn)生大量棄土,如不及時采取加固措施,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夯或摻入水泥、石灰以改善土體的力學(xué)特性,但對土體擾動大、能耗高,對周圍環(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、擾動小、施工較為簡便、快速高效等優(yōu)勢[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)模實驗室實驗,在現(xiàn)場應(yīng)用還鮮見報道,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)場迫切需要簡易的處理方法,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便可實現(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平臺,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),分析其對塔基水土流失的防治效果,進(jìn)一步將其在工程現(xiàn)場進(jìn)行示范應(yīng)用,并在固結(jié)棄土上進(jìn)行植被修復(fù)試驗驗證。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 實驗材料

1.1.1 供試菌株及菌液制備

本次試驗供試菌種為巴氏生孢八疊球菌(Sporosarcinapasteurii,編號:CGMCC 1.368 7,即ATCC 11859),購自中國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,用篩分法和密度計法得出級配曲線(圖1)。經(jīng)顆粒級配分析,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,所以該土樣為級配良好土。且實驗中發(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配曲線Fig.1 Graded distribution curves of tested soil

1.2 堆土固結(jié)試驗方案

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平臺,將供試土樣裝入2個侵蝕試驗槽(4.0 m×1.5 m×0.5 m)中,分別為對照侵蝕試驗槽(簡稱對照槽)和礦化侵蝕試驗槽(簡稱礦化槽)。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,對照槽噴灑等量的水。

圖2 往礦化試驗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 降雨侵蝕試驗方案

1.3.1 變動坡度抗侵蝕試驗

堆土固結(jié)處理21 d后,進(jìn)行人工模擬降雨試驗。試驗前,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)試驗槽坡度,分別設(shè)置地面坡度5°、10°、15°和20°共4個坡度級;每個坡度先后進(jìn)行小雨(30 mm/h)、中雨(60 mm/h)、大雨(90 mm/h)、暴雨(120 mm/h)共4個降雨級別的降雨侵蝕試驗。每個降雨強度保持約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,每種坡度和雨強各取3個樣。按不同地面坡度將水樣編號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

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。

1.4 土力學(xué)指標(biāo)測定

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

1.5 微觀表征

取對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 實驗結(jié)果

2.1 降雨侵蝕試驗結(jié)果

礦化21 d后進(jìn)行降雨侵蝕試驗。如圖3所示,礦化后的土壤抗降雨侵蝕能力明顯增強,在5°坡度,小雨10 min,對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 降雨侵蝕實驗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,對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)行中雨強度侵蝕時,由于表面易沖刷的土壤在前一次小雨強度侵蝕的試驗中已被沖刷,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,隨著雨強增大,產(chǎn)沙量也逐漸增大,5°、10°、15°坡度對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)低于對照槽。

表1 不同坡度不同雨強降雨侵蝕后的產(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,對照槽的底部已經(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。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,小雨、中雨、大雨、暴雨4個強度級別的產(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)低于對照槽15°坡度時暴雨侵蝕的產(chǎn)沙量?？梢?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,取兩個槽的土樣,通過測定土壤的干密度、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 液限塑限與抗剪強度

當(dāng)細(xì)粒土的含水率不同時,會處于流動狀態(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)測定抗剪強度結(jié)果表明,對照槽(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度。

表3 微生物礦化對土壤液塑限與抗剪強度的影響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度和強度。

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

2.5.1 固定10°坡度降雨侵蝕試驗

考慮到侵蝕試驗槽坡度升降過程對土體穩(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?？紤]到菌液和膠結(jié)液易順著坡往低處流,為此,在噴灑時,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,如表4所示,在各個雨強等級的降雨侵蝕時,礦化槽的產(chǎn)沙量極顯著低于對照槽,在小雨侵蝕10 min后,對照槽的產(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,沖刷了大部分松散的土壤,進(jìn)行中雨侵蝕試驗時,對照槽的產(chǎn)沙量還低于小雨的量,而此后,隨著降雨強度增大,無論是對照槽還是礦化槽,產(chǎn)沙量都逐漸增加,且礦化槽和對照槽的產(chǎn)沙量差異也隨之增大,中雨侵蝕時產(chǎn)沙量相差7.527 g/(m2·h),大雨侵蝕時相差18.457 g/(m2·h),而暴雨時相差達(dá)26.072 g/(m2·h)。

表4 固定10°坡度不同雨強降雨侵蝕后的產(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。相比此前侵蝕試驗槽平放的固結(jié)試驗,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的緣故。

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

2.5.3 壓縮性試驗

通過側(cè)向壓縮試驗測定土樣的壓縮性,如圖7所示,累計變形量呈現(xiàn)上部>底部的現(xiàn)象,最終在300 kPa時壓縮變形基本穩(wěn)定。其原因為,試驗槽有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。對比分析礦化槽與對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照槽上部的下方,礦化槽底部土樣壓縮曲線也位于對照槽下部的下方,可見,經(jīng)微生物礦化后,土壤更加密實,使得固結(jié)壓縮試驗中累計變形較小。

2.6 塔基棄土固結(jié)工藝的現(xiàn)場應(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平臺的試驗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個月后,如圖8(b)和圖8(c)所示,對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,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強度降雨侵蝕的產(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,增強土壤的抗剪強度。

(4)固定10°坡度進(jìn)行微生物礦化,經(jīng)側(cè)向壓縮試驗表明,由于模擬降雨導(dǎo)致沖刷作用,試驗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變形量大于底部;經(jīng)微生物礦化的土壤試樣比對照土壤試樣更加密實,使得礦化后的試樣固結(jié)壓縮試驗中累計變形量較小。

(5)經(jīng)輸電線路工程現(xiàn)場示范應(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,可進(jìn)行植被修復(fù),因此,可作為輸電線路工程建設(shè)的一項綠色、環(huán)保、簡便、高效的水土保持措施。