CN113463665B - 基于微生物加固技术的崩岗生态防治方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于微生物加固技术的崩岗生态防治方法，该方案包括以下施工步骤：在崩岗侵蚀体上清理出至少一个操作平台；对所述崩岗侵蚀体表面进行钻孔，形成多个侵蚀体锚固孔；在每个所述侵蚀体锚固孔内插入锚固桩，并以此对每个所述侵蚀体锚固孔进行多次微生物注浆形成碳酸钙锚固体；将三维网铺设于崩岗侵蚀体表面上并与每个锚固桩末端连接；将抗侵蚀材料喷射于三维网上直至三维网完全被抗侵蚀材料覆盖；再次在抗侵蚀材料表面喷射一层微生物注浆的浆液，使其形成一层碳酸钙薄层，该方法具有生态环保、无污染、工期短、施工方便、强度高及抗侵蚀能力强的优点。

Description

基于微生物加固技术的崩岗生态防治方法

技术领域

本发明涉及生态防治技术领域，具体涉及基于微生物加固技术的崩岗生态防治方法。

背景技术

崩岗的定义为“在水力和重力作用下山坡土体受到破坏而崩塌和冲刷的侵蚀现象”。节理发育的花岗岩在风化过程中，在重力、风化和地貌演变作用下会产生各种节理面，各种结构面切割风化壳，在重力和风化营力(主要包括阳光、气候、雨水)的作用下，结构面将不断张开，由闭合向微张开—宽张开发展，增加了潜在崩塌体的不稳定性，产生了崩岗地质土壤基础；而表层岩土体由于径流的冲刷，沟谷不断下切，使原来平衡的地应力受到破坏，引起地应力释放，导致沟壁顶部产生平行于临空面的卸荷现象，产生卸荷裂隙；随着沟谷的下切，裂隙越来越深，不稳定的崩塌体在遇到暴雨时，土体吸水增重，同时土体大量裂隙渗水，抗剪力下降，剪应力大于其抗剪应力时，土体就会沿着某一断裂面崩塌；崩塌后新裸露的土体在地压力和其他外应力作用下，产生新的裂隙系统的递级发展，而径流作用带走了崩塌下来的崩积物，使沟壁又重新变高，裂隙又不断加大加深，为下次崩塌创造条件；径流冲刷和崩塌过程交替进行，相互促进，促使崩沟不断扩大。崩岗侵蚀带来的危害极大，每年都会造成重大经济损失。

现有的崩岗生态防治思路及工程治理措施的制定大多是建立在经验或半经验半理论的基础上，缺乏严谨的理论依据，尤其是土壤特性与侵蚀过程的研究没有形成系统性，究其原因是对崩岗侵蚀过程及侵蚀机理认识不清。并且，相对于早年间崩岗的治理主要采取“上拦、下堵、中间削”的工程手段，后尝试过封山育林、人工造林等方法。近年来治理措施逐渐过渡到生态与工程相结合的方法，如创建生态农业模式、化学修复等。然而，从以往工程治理经验来看，目前还没有一种完全行之有效的方法能够彻底根治崩岗灾害。

近年来在岩土工程界逐渐兴起了一种微生物固土技术，其基本原理是利用自然界广泛存在的微生物的代谢功能，与环境中其他物质发生一系列生物化学反应，改变土体的物理力学及工程性质，从而实现环境净化、土壤修复与加固等目的，与当前化学固化剂固土或水泥技术相比，该技术形成的胶结产物主要成分为碳酸钙，具有环境污染少、低能耗、低排放的优势。这一微生物成矿作用常被称为微生物沉积碳酸钙(microbial inducedcalcite precipitation，简称MICP)技术。以往有学者试图通过化学反应的方法生成碳酸钙来对岩土体进行加固，但发现该法并不能生成块状的胶结体，从而使得加固效果不够显著，也即，非胶结态的钙盐并不能改善岩土体的力学性能。

因此，这也是本发明所关注的重点，也即通过最为前沿的研究成果和科技手段，为崩岗生态防治提供一条全新的可行之路。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供了基于微生物加固技术的崩岗生态防治方法。

为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：基于微生物加固技术的崩岗生态防治方法包括以下施工步骤：

S100、在崩岗侵蚀体上清理出至少一个操作平台；

S200、对所述崩岗侵蚀体表面进行钻孔，形成多个侵蚀体锚固孔；

S300、在每个所述侵蚀体锚固孔内插入锚固桩，并以此对每个所述侵蚀体锚固孔进行多次微生物注浆形成碳酸钙锚固体；

S400、将三维网铺设于崩岗侵蚀体表面上并与每个锚固桩末端连接；

S500、将抗侵蚀材料喷射于三维网上直至三维网完全被抗侵蚀材料覆盖；

S600、再次在抗侵蚀材料表面喷射一层微生物注浆的浆液，使其形成一层碳酸钙薄层。

工作原理及有益效果：1、与现有技术相比，本方案利用自然界广泛存在的微生物的代谢产物来改善土体的物理力学性质，具有环保、原生态、无污染的优点，从技术手段革新上真正留住绿水青山；

2、微生物沉积碳酸钙具有速度快、效率高的优点，而且同时还加入了培养液，可在几个小时左右完成碳酸钙的沉积，极大地缩短了工期，十分适合灾情险急的治理；

3、形成的微生物沉积碳酸钙锚固体强度可达十余MPa，具有强大的锚固力，能够使得抗侵蚀材料牢牢地附着在崩岗侵蚀体表面，配合三维网可进一步增强抗侵蚀材料的整体性；

4、微生物沉积碳酸钙薄层具有隔水性，可阻隔雨水、地表水及崩岗侵蚀体外的地下水渗入崩岗侵蚀体中，防止侵蚀进一步恶化；

5、纯粹的注浆材料形成的固化物强度较高，直接喷洒在坡面上则不便生长植被，但注浆材料与崩岗泥沙、秸秆等混合，形成的喷浆材料则既有一定强度，又能够生长植被，并且，还可预先尝试调配各种材料的比例，使得喷浆材料在强度和生长植被之间达到最优的平衡。

进一步地，当所述操作平台数量至少为两个时，相邻两个所述操作平台之间的高度间距为6～8m，每个所述操作平台的宽度为2～4m。操作平台的目的在于作为后续的施工场地，采用上述尺寸的操作平台，可方便施工人员进行施工，对于崩岗的防治工作进行具有重大意义。

进一步地，S700、抗侵蚀材料硬化后，在崩岗侵蚀体上钻取多个栽培孔，在栽培孔内填充灌木种子和混合营养土；

S800、对操作平台进行覆土操作，并种植乔灌草组合的植被；可于平台按一定配比种植乔灌木和“上爬下挂”的爬藤类植物，构建多样性的植被群落，促进人工建植生态环境稳定，保障复绿工程顺利实施，提高花岗岩崩岗治理成功的可能性和生态性。

S900、在崩岗侵蚀体上打设多个仰斜排水孔。可防止雨季地下水位线过高，软化崩岗侵蚀体形成饱和，降低坡体稳定性。

进一步地，每个所述锚固桩直径为6～12mm。选用此尺寸范围的锚固桩，具有足够的强度，可很好地在侵蚀体锚固孔内扎根，有利于后续的三维网挂网和抗侵蚀材料的凝结。

进一步地，其中所述抗侵蚀材料至少包括注浆材料、崩岗泥沙、秸秆以及草籽。注浆材料就是之前注浆用的的浓度为10⁷-10⁹CFU/mL的巴氏生孢八叠球菌菌液及尿素和氯化钙混合溶液，而崩岗泥沙为崩岗侵蚀产生的泥沙冲刷物，可废物利用，起到抗侵蚀材料的骨架作用，秸秆在抗侵蚀材料固化初期起到加筋作用，增强抗侵蚀材料的强度；而在后期，抗侵蚀材料固化后，秸秆逐渐腐化，还可增强土壤肥力，作为草籽生产的肥料，草籽用于在崩岗侵蚀体表面生长，起到生态绿化的作用，因此这四种结合的抗侵蚀材料喷在三维网上，可显著增强崩岗侵蚀体的抗侵蚀能力，为内部的碳酸钙锚固体提供保护作用，使得崩岗侵蚀体更加稳定。纯粹的注浆材料形成的固化物强度较高，直接喷洒在坡面上则不便生长植被，但注浆材料与崩岗泥沙、秸秆等混合，形成的喷浆材料则既有一定强度，又能够生长植被，并且，还可预先尝试调配各种材料的比例，使得喷浆材料在强度和生长植被之间达到最优的平衡。

进一步地，采用电钻机对所述崩岗侵蚀体表面进行钻孔。采用常见的电钻机即可成孔，孔径小、深度浅，十分简便，单人即可操作，适合大面积作业，不会影响坡体稳定。

进一步地，每个所述侵蚀体锚固孔深度为1～3m，孔径为16～32mm。采用此尺寸的侵蚀体锚固孔，可方便锚固桩的插入，也给与碳酸钙锚固体足够的生成空间，保证崩岗侵蚀体的强度。

进一步地，每三个所述侵蚀体锚固孔呈等边三角形布置，等边三角形边长为3～5m。此方案，使得崩岗侵蚀体表面上形成多个等边三角形排列组成的结构，利用三角形稳定性好的优点，显著提高崩岗侵蚀体表面的整体强度，使其更加不容易被侵蚀塌陷。

进一步地，所述微生物注浆的浆液为浓度10⁷-10⁹CFU/mL的巴氏生孢八叠球菌液、尿素以及氯化钙混合溶液。

进一步地，所述锚固桩为纤维增强塑料筋锚杆。由于普通螺纹钢在微生物注浆的浆液中氯离子和铵根离子的作用下极易锈蚀，因而本方案中的锚固桩采用纤维增强塑料筋锚杆，如建筑工程领域常用的玻璃纤维，不会锈蚀，无需额外定制，成本较低，采购方便，且强度能够得到保证。

进一步地，所述三维网的网孔与锚固桩末端过盈配合。此设置，可极大地方便三维网的铺设操作，也使得三维网不易脱落，使得三维网与锚固桩能够连接成为一个整体，提高崩岗侵蚀体表面的整体强度。

进一步地，微生物注浆方法包括：

将巴氏生孢八叠球菌液、尿素以及氯化钙混合溶液注入每个所述侵蚀体锚固孔或先注入巴氏生孢八叠球菌溶液后注入尿素和氯化钙混合溶液或先注入尿素和氯化钙混合溶液后注入巴氏生孢八叠球菌液。可以按照不同顺序分别进行注浆操作。

附图说明

图1是本发明的完成施工后的边坡结构示意图；

图2是图1的另一视角示意图；

图3是本发明防治方法中一种实施例的流程示意图；

图4是本发明另一种实施例的完成施工后的边坡结构示意图；

图5是图4的另一视角示意图。

图中，1、崩岗侵蚀体；2、操作平台；3、侵蚀体锚固孔；4、碳酸钙锚固体；；6、三维网；7、碳酸钙薄层；8、抗侵蚀材料；10、纤维增强塑料筋锚杆；11、仰斜排水孔；12、栽培孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的披露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

如图1和3所示，本基于微生物加固技术的崩岗生态防治方法包括以下施工步骤：

步骤一、对崩岗侵蚀体1进行坡面清理、开挖，高度每6～8m开挖一个操作平台2，平台宽度2～4m，作为后续施工场地；

操作平台2的目的在于作为后续的施工场地，采用上述尺寸的操作平台2，可方便施工人员进行施工，对于崩岗的防治工作进行具有重大意义。

步骤二、采用电钻机对崩岗侵蚀体1的表面进行钻孔，形成多个侵蚀体锚固孔3，请参阅图2，其中侵蚀体锚固孔3深度为1～3m，呈等边三角形布置，边长宜为3～5m，孔径宜取16～32mm，能够插入后续的纤维增强塑料筋锚杆10即可；

采用常见的电钻机即可成孔，孔径小、深度浅，十分简便，单人即可操作，适合大面积作业，不会影响坡体稳定，作为崩岗侵蚀体1的体内锚固段，用于后续挂网和喷洒抗侵蚀材料8，起到抗侵蚀材料8的人工扎根作用，直径宜取6～12mm，采用此尺寸的侵蚀体锚固孔3，可方便纤维增强塑料筋锚杆10的插入，也给与碳酸钙锚固体4足够的生成空间，保证崩岗侵蚀体1的强度。

每三个所述侵蚀体锚固孔3呈等边三角形布置，等边三角形边长为3～5m。此方案，使得崩岗侵蚀体1表面上形成多个等边三角形排列组成的结构，利用三角形稳定性好的优点，显著提高崩岗侵蚀体1表面的整体强度，使其更加不容易被侵蚀塌陷。

步骤三、将合适尺寸的纤维增强塑料筋锚杆10以及注浆机的注浆管插入侵蚀体锚固孔3中，而后采用注浆机对每个侵蚀体锚固孔3依次微生物注浆，其中微生物注浆的浆液为微生物菌液及其营养液，详细成分见后文，该浆液可反应沉积出碳酸钙，需要对单个侵蚀体锚固孔3进行多次微生物注浆，能形成足够多的微生物沉积碳酸钙锚固体4，因此，对于崩岗侵蚀体1上的多个侵蚀体锚固孔3，可挨个循环注浆；

普通螺纹钢在微生物注浆的浆液中氯离子和铵根离子的作用下极易锈蚀，因而本方案中的锚固桩采用纤维增强塑料筋锚杆10，如建筑工程领域常用的玻璃纤维，不会锈蚀，无需额外定制，成本较低，采购方便，且强度能够得到保证。

步骤四、在碳酸钙锚固体4达到一定强度后，将三维网6挂在纤维增强塑料筋锚杆10末端，用于增强抗侵蚀材料8的整体性，用厚度5～10cm的垫片避免三维网紧贴崩岗侵蚀体表面，而是使其与崩岗侵蚀体表面保持一定距离，方便后续抗侵蚀层能够有效覆盖崩岗侵蚀体表面；

三维网6的网孔与锚固桩末端过盈配合。此设置，可极大地方便三维网6的铺设操作，也使得三维网6不易脱落，使得三维网6与纤维增强塑料筋锚杆10能够连接成为一个整体，提高崩岗侵蚀体1表面的整体强度。

步骤五、将微生物注浆的浆液、崩岗泥沙、秸秆、草籽混合在一起，使用喷浆机喷射至三维网6上形成抗侵蚀材料8，直至三维网6完全被抗侵蚀材料8覆盖；三维网6护坡技术综合土工网和植被护坡的优点，可有效地解决岩质边坡、高陡边坡防护问题。三维网6边坡绿化护坡技术不仅显著提高了边坡的整体和局部稳定性，而且还有利于边坡植被的生长，同时工程造价也较低，符合边坡工程的发展方向。通过植物的生长活动达到根系加筋、茎叶防冲蚀的目的，经过生态护坡技术处理，可在坡面形成茂密的植被覆盖，在表土层形成盘根错节的根系，有效抑制暴雨径流对边坡的侵蚀，增加土体的抗剪强度，减小孔隙水压力和土体自重力，从而大幅度提高边坡的稳定性和抗冲刷能力。其中秸秆也可以用其他材料如稻草代替。

注浆材料就是之前注浆用的微生物菌液及其营养液，而崩岗泥沙为崩岗侵蚀产生的泥沙冲刷物，可废物利用，起到抗侵蚀材料8的骨架作用，秸秆在抗侵蚀材料8固化初期起到加筋作用，增强抗侵蚀材料8的强度；而在后期，抗侵蚀材料8固化后，秸秆逐渐腐化，还可增强土壤肥力，作为草籽生产的肥料，草籽用于在崩岗侵蚀体1表面生长，起到生态绿化的作用，因此这四种结合的抗侵蚀材料8喷在三维网6上，可显著增强崩岗侵蚀体1的抗侵蚀能力，为内部的碳酸钙锚固体4提供保护作用，使得崩岗侵蚀体1更加稳定。

步骤六、在抗侵蚀材料8表面再次喷射一层微生物注浆的浆液，沉积出厚度约1cm的微生物沉积碳酸钙薄层7，作为抵抗崩岗侵蚀的第一道防线。一般需要进行多次微生物微生物注浆的浆液喷射，才能形成足够厚度的微生物沉积碳酸钙薄层。

请参阅图4和图5，步骤七、微生物注浆的浆液形成抗侵蚀层化后，采用背包钻机钻进形成栽培孔12，孔径10cm左右，根据一般灌木根系深度约30～50cm的经验，设置孔深30～60cm，足够满足一般灌木生根成长。按长方形布孔，孔间距1～5m。抗侵蚀层具有一定厚度和强度，发挥了栽培孔的护面作用，使得栽培孔12类似一个人工的绿化容器，较为适合植被生长。其中、微生物注浆的浆液就是微生物菌液及其培养液。

步骤八、将灌木种子混合营养土填充进栽培孔12，供灌木生长；

步骤九、在操作平台2上视具体情况适当覆土，而后种植乔灌草组合的植被，可于操作平台2按一定配比种植乔灌木和“上爬下挂”的爬藤类植物，构建多样性的植被群落，促进人工建植生态环境稳定，保障复绿工程顺利实施，提高花岗岩崩岗治理成功的可能性和生态性；

步骤十、鉴于抗侵蚀层的弱透水性，为了防止雨季地下水位线过高，软化崩岗侵蚀体形成饱和，降低坡体稳定性，还需从抗侵蚀层打设一些仰斜排水孔11，纵横向的孔间距为3～6m，呈梅花形或长方形布置皆可，方便雨季过多的地下水排出。

最终，通过微生物沉积碳酸钙防护坡面，以及坡面植草、栽培孔种植灌木、平台种乔木，形成人工干预配合乔灌草组合的良好生态治理效果。

在本实施例中，微生物菌液为浓度为10⁷-10⁹CFU/mL的巴氏生孢八叠球菌液、尿素以及氯化钙混合溶液，菌种购于中国普通微生物菌种保藏管理中心(CGMCC)，编号CGMCCNO.1.3687，还包括大豆蛋白胨20g/L，氯化铵10g/L，MnSO₄·H₂O12 mg/L，NiCl₂·6H₂O24mg/L，并用1mol/L NaOH将培养液的pH值调至9.0，将配置完成的培养液放入高压蒸汽锅内灭菌30min，灭菌温度为121℃。待冷却后接种并置于恒温培养箱中振荡培养24h，培养箱温度为30℃，转速为200rpm。培养好的细菌在4℃下保存待用。选用巴氏生孢八叠球菌作为主要菌液，配合上述成分的培养液培养巴氏生孢八叠球菌，可快速培养巴氏生孢八叠球菌，并提高其活性，使其能够在崩岗边坡加固中更快地沉淀碳酸钙。

而在另一种实施例中，微生物注浆时，将巴氏生孢八叠球菌液、尿素以及氯化钙混合溶液注入每个所述侵蚀体锚固孔或先注入巴氏生孢八叠球菌溶液后注入尿素和氯化钙混合溶液或先注入尿素和氯化钙混合溶液后注入巴氏生孢八叠球菌液。可以按照不同顺序分别进行注浆操作，注浆速率控制在待处理表面不形成表面径流时的速率以下。

当然还可以是其他菌液，如球形芽孢杆菌，巴氏芽孢杆菌，此类菌种均为是氮循环诱导沉积碳酸钙的代表菌属，此类细菌通过代谢作用能产生具有诱导矿化能力的关键蛋白酶——脲酶。当环境尿素含量高时，在细菌内部脲酶的作用下尿素分子会被水解为氨分子和氨基甲酸分子；作为过程中间产物，一分子氨基甲酸会在很短时间内自发水解为一分子碳酸和一分子氨。上述反应中氨分子会与水发生反应，提高水环境中的碱度，碱度的提高促进了溶于水中的无机碳向碳酸根离子的转化，最终使环境中的碳酸根离子浓度上升，在有钙源的情况下生成了碳酸钙。人类首次纯化的微生物脲酶即巴氏芽孢杆菌产生的脲酶，其催化功能单一，仅可催化尿素或尿素类似物；同时，通过脲酶水解尿素来诱导碳酸盐沉积的模型是MICP中最直接且最容易控制的，其效率高，能够在短时间内诱导生成大量的碳酸盐。

本发明未详述部分为现有技术，故本发明未对其进行详述。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

尽管本文较多地使用了崩岗侵蚀体1、操作平台2、侵蚀体锚固孔3、碳酸钙锚固体4、三维网6、碳酸钙薄层7、抗侵蚀材料8、纤维增强塑料筋锚杆10、仰斜排水孔11、栽培孔12等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于微生物加固技术的崩岗生态防治方法，其特征在于，包括以下施工步骤：

在崩岗侵蚀体上清理出至少一个操作平台；

对所述崩岗侵蚀体表面进行钻孔，形成多个侵蚀体锚固孔；

在每个所述侵蚀体锚固孔内插入锚固桩，并以此对每个所述侵蚀体锚固孔进行多次微生物注浆形成碳酸钙锚固体；

将三维网铺设于崩岗侵蚀体表面上并与每个锚固桩末端连接；

将抗侵蚀材料喷射于三维网上直至三维网完全被抗侵蚀材料覆盖；

再次在抗侵蚀材料表面喷射一层微生物注浆的浆液，使其形成一层碳酸钙薄层；

其中所述抗侵蚀材料至少包括注浆材料、崩岗泥沙、秸秆以及草籽；

所述微生物注浆的浆液为浓度10⁷-10⁹ CFU/mL的巴氏生孢八叠球菌液、尿素以及氯化钙混合溶液。

2.根据权利要求1所述的基于微生物加固技术的崩岗生态防治方法，其特征在于，当所述操作平台数量至少为两个时，相邻两个所述操作平台之间的高度间距为6~8m，每个所述操作平台的宽度为2~4m。

3.根据权利要求1所述的基于微生物加固技术的崩岗生态防治方法，其特征在于，抗侵蚀材料硬化后，在崩岗侵蚀体上钻取多个栽培孔，在栽培孔内填充灌木种子和混合营养土；

对操作平台进行覆土操作，并种植乔灌草组合的植被；

在崩岗侵蚀体上打设多个仰斜排水孔。

4.根据权利要求1所述的基于微生物加固技术的崩岗生态防治方法，其特征在于，采用电钻机对所述崩岗侵蚀体表面进行钻孔。

5.根据权利要求3所述的基于微生物加固技术的崩岗生态防治方法，其特征在于，每个所述侵蚀体锚固孔深度为1~3m，孔径为16~32mm。

6.根据权利要求5所述的基于微生物加固技术的崩岗生态防治方法，其特征在于，每三个所述侵蚀体锚固孔呈等边三角形布置，该等边三角形边长为3~5m。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的基于微生物加固技术的崩岗生态防治方法，其特征在于，所述锚固桩为纤维增强塑料筋锚杆。

8.根据权利要求7所述的基于微生物加固技术的崩岗生态防治方法，其特征在于，微生物注浆方法包括：

将巴氏生孢八叠球菌液、尿素以及氯化钙混合溶液注入每个所述侵蚀体锚固孔或先注入巴氏生孢八叠球菌溶液后注入尿素和氯化钙混合溶液或先注入尿素和氯化钙混合溶液后注入巴氏生孢八叠球菌液。

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