CN113585301B - 一种利用微生物膜和micp技术治理岩质边坡崩塌的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用微生物膜和MICP技术治理岩质边坡崩塌的方法，属于崩塌防治的技术领域。在本发明中，先沿岩体裂隙延伸方向插入若干注浆管和出浆管，然后利用包含絮状生物膜的菌液进行注浆，注浆完成后移除注浆管和出浆管，并用水泥砂浆对注浆口和出浆口进行封堵。本发明通过引入微生物膜和循环注浆，极大降低了施工成本，并且通过引入疏通液，提高了裂隙面处理的均匀性。

Description

一种利用微生物膜和MICP技术治理岩质边坡崩塌的方法

技术领域

本发明属于崩塌防治的技术领域，更具体地说，涉及一种利用微生物膜和MICP技术治理岩质边坡崩塌的方法。

背景技术

岩质边坡崩塌是我国频发的一种地质灾害，在我国分布范围广、突发性强、破坏力大。随着我国基础建设快速发展，岩质边坡崩塌已经成为重大山地地质灾害，严重影响工程建设和安全，每年造成重大人员伤亡和财产损失。

在崩塌发展过程中，岩质边坡往往会在坡顶出现贯通性破坏裂隙面。因此，对裂隙的加固是崩塌防治中的一项重要工作。目前，常采用锚固法和注浆法对裂隙进行加固。锚固法施工复杂、成本较高、加固效果有限。注浆法采用的水泥浆液流动性差，难以渗入微小裂隙，而水玻璃、环氧树脂等化学浆液又会对环境造成非常大的危害。因此需要一种绿色可持续发展且效果显著的方法来加固裂隙，防治岩质边坡崩塌。

微生物诱导碳酸钙沉淀(Microbially Induced Carbonate Precipitation，MICP)技术通过产脲酶细菌水解尿素，将周围环境中的钙离子以碳酸钙的方式沉淀出来，且生成的碳酸钙具有良好的胶结性能。整个过程人为可控、绿色无污染，采用的浆液流动性强、注浆压力小，可渗入微小裂隙。目前，该技术已广泛应用于土体加固、混凝土修复、古建筑保护等领域。MICP技术为治理岩质边坡崩塌提供了一个新思路。岩质边坡裂隙往往规模较大，与富含孔隙的土体不同，岩石裂隙面为细菌提供的附着点有限，对细菌的束缚能力较弱。现有技术需要对裂隙进行多次的菌液注浆处理，保证裂隙面上附着的细菌数量，成本极高。另一方面，MICP产生的碳酸钙易在注浆口和裂隙分叉处堆积而发生堵塞，不能均匀的沉淀在各处裂隙面上，影响整体处理效果。

发明内容

1.要解决的问题

针对现有技术中的岩质边坡崩塌防治中的裂隙加固的处理效率低下的问题，本发明提供一种利用微生物注浆治理岩质边坡崩塌的方法，沿岩体裂隙延伸方向插入若干注浆管和出浆管，并利用包含絮状生物膜的菌液进行注浆，絮状生物膜不仅可以对裂隙起到初步充填的效果，同时具有较好的附着性，可以快速增加裂隙面上附着的细菌数量，减少菌液用量和菌液注浆次数，提高注浆效率，解决了现有技术中的岩质边坡崩塌防治中的裂隙加固的处理效率低下的问题。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

本发明提供一种利用微生物膜和MICP技术治理岩质边坡崩塌的方法，包括插管和注浆，先对岩体进行插管后，再进行注浆操作。

插管包括沿岩体裂隙延伸方向插入若干注浆管和出浆管，并对岩体裂隙进行封堵，提高了浆液的利用效率。注浆管和出浆管应根据裂隙开度选择合适的尺寸。进一步优选地，插管的方式为：在岩体上方的裂隙中，沿裂隙延伸方向以0.2-0.5m的间距插入注浆管后，通过注浆管注水，依靠重力渗流以及裂隙之间的连通性，确认侧面渗水的裂隙位置，然后沿岩体侧面裂隙延伸方向以0.2-0.5m的间距插入出浆管；在出浆管和注浆管安装完成后，采用水泥砂浆对裂隙表面进行快速封堵，并保留注浆管和出浆管位置。值得说明的是，本发明的插管间距通常可以根据现场的情况进行适应性调整。

注浆包括向注浆管中注入菌液，菌液用于诱导碳酸钙沉淀，且菌液可通过出浆管回收；其中，菌液中的菌群至少部分地呈絮状。本发明将普通菌液替换为包含絮状生物膜的菌液，絮状生物膜不仅可以对裂隙起到初步充填的效果，同时具有较好的附着性，可以快速增加裂隙面上附着的细菌数量，减少菌液用量和菌液注浆次数，提高注浆效率。进一步地，絮状生物膜主要成分是细菌和胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances，EPS)，使得菌液中大部分的悬浮微生物菌群形成链式结构。同时，制备得到絮状物的粒径(长度)通常为10-1000μm，进一步说明，絮状物的粒径(长度)的过大过小不会对最终使用结果有大的影响，小粒径可以继续絮凝发展为大粒径，大粒径也可以随水流运动方向延展变形，以达到通过狭小的裂隙的目的。

优选地，菌液为生物膜液和营养液的混合溶液，其中，生物膜液中至少包括部分絮状菌群，营养液用于为菌群提供营养物质。

优选地，生物膜液和营养液的体积比为1:0.5-1:1。进一步说明，本发明的生物膜液特指使用本发明的培养方法培养后得到的菌液；本发明的营养液指，相对生物膜液独立配置的、可额外为生物膜液中的菌群补充提供营养物质的溶液。也就是说，生物膜液中也可以包含可为微生物提供营养的成分，且该成分可以是与营养液中的营养物质部分相同、全部相同或全部不同的成分。作为成分部分相同的一个具体实施例，生物膜液优选为由生物膜、酵母萃取物、硫酸铵、Tris Base以及水组成；营养液由尿素、酵母萃取物以及水组成。

优选地，注浆包括依次进行一次注浆、二次注浆和三次注浆，在注浆完成后，移除注浆管和出浆管，并用水泥砂浆对缺口进行封堵。其中，依次进行二次注浆与三次注浆为菌液巩固阶段，菌液巩固阶段至少进行1次。二次注浆让细菌在裂隙面上形成固定的群落，后期通过三次注浆输送营养液维持细菌数量的稳定。当菌液巩固阶段只需进行1次时，则注浆步骤为依次进行一次注浆、二次注浆和三次注浆；当菌液巩固阶段需要进行至少2次时，则注浆步骤为依次进行一次注浆、二次注浆、三次注浆、二次注浆、三次注浆……。

在一次注浆中，向注浆管注入菌液，停留一段时间后菌液由出浆管排出，菌液的停留时间为至少24h，使生物膜快速附着在裂隙面上，对裂隙面进行初步充填，并形成固定的细菌群落，在短时间内增加裂隙面上的细菌数量。打开出浆管，排出浆液。

在二次注浆中，向注浆管注入胶结液，胶结液用于辅助细菌发生反应，同时诱导细菌在裂隙面上产生碳酸钙沉淀，对裂隙面进行加固。

在三次注浆中，向注浆管注入营养液，营养液优选为与菌液配置时使用的营养液的成分相同，可保持裂隙面上生物膜的活性，促进细菌增殖，补充正常新陈代谢死亡的细菌和二次注浆中因生成碳酸钙而减少的细菌，保证后续碳酸钙生成效率。

优选地，岩体裂隙中具有通道，通道的液体容纳量为Q。现有技术一般通过估计裂隙面的大小来估算用量，往往不准确，一般是用水泥一直注浆，直到无法注浆。在本发明中，液体容纳量Q的检测方法为：将出浆管暂时关闭，通过注浆管以一定压力进行注水，并保留一根注浆管作为排气孔，当作为排气孔的注浆管内液面上升至岩体表面以上时，记录此时的注水量Q，即为将裂隙面完全充满所需的注水量，进而得到液体容纳量Q，用以估算后续注浆所需的浆液用量。

优选地，一次注浆中则注入的菌液体积至多为Q，使得菌群与岩体裂隙充分接触，形成生物膜。

优选地，二次注浆为循环注浆，循环注浆所使用的胶结液的体积为0.5-0.75Q，循环注浆时间为12-15h。可任意选择地，三次注浆为循环注浆，循环注浆所使用的营养液的体积为0.5-0.75Q，循环注浆时间为至少24h。进一步说明，循环注浆是指当胶结液或营养液由注浆管流入岩体裂隙，在岩体裂隙中未作停留或停留时间较短，即从出浆管排出，并通过管道由出浆管导入注浆管，进行循环。值得说明的是，胶结液的用量会逐渐减少，因此需要视现场情况逐步减少每次注入的浆液体积。

优选地，当二次注浆和/或三次注浆的注浆速率降低至70％、50％、30％、10％时，停止二次注浆和/或三次注浆，向注浆管中注入疏通液，并进行循环注浆，疏通液的注浆体积为0.01-0.05Q，过多或过少均会影响疏通效果。循环注浆的注浆时间为2-4h。值得说明的是，当注浆速率降低为10％，且最后一次注入疏通液后，继续循环菌液巩固阶段直至无法继续注浆，移除出浆管和注浆管，并利用水泥砂浆对缺口进行封堵。

进一步说明本发明的最优操作步骤，首先加入菌液，让菌液吸附在裂隙面上；然后加入胶结液，生成较多的碳酸钙沉淀；接着加入营养液，促进细菌增殖；最后加入疏通液，溶解部分位置过多堆积的碳酸钙。

优选地，二次注浆的胶结液为氯化钙溶液、尿素溶液、营养肉汤组成的混合溶液，其中，氯化钙溶液的浓度为0.5-2mol/L，尿素溶液的浓度为0.5-2mol/L，营养肉汤的浓度为1.5-4g/L。当二次注浆中的混合溶液的各组成成分在上述浓度范围内，其使用效果基本相同。例如，混合液中，氯化钙溶液的浓度为0.5mol/L，尿素溶液的浓度为0.5mol/L，营养肉汤的浓度为3g/L。

优选地，三次注浆的营养液为尿素溶液和含有酵母萃取物的溶液组成的混合溶液，其中，尿素溶液的浓度为0.5-2mol/L，含有酵母萃取物的溶液的浓度为15-25g/L。当三次注浆中的混合溶液的各组成成分在上述浓度范围内，其使用效果基本相同。

优选地，疏通液为浓度0.1-0.5mol/L的盐酸溶液，稀盐酸用于溶解注浆口处及裂隙分叉处堆积的碳酸钙，扩大MICP的有效处理范围，同时为深部裂隙提供新的钙源，促进碳酸钙在深部裂隙的生成。进一步说明，当疏通液的盐酸浓度在上述浓度范围内，其使用效果基本相同。

优选地，生物膜液的制备方法为：采用含有15.73g/L Tris Base、10g/L硫酸铵、20g/L酵母萃取物的培养基，在一般微生物培养条件下，例如30℃、200转/分钟的培养环境中，以巴氏芽孢杆菌作为菌种，培养20-30h，例如培养24小时左右，然后在25-35℃的环境下静置，例如在30℃左右的环境下，静置24-36小时，使其生成稳定的絮状生物膜。进一步优选地，生物膜液的OD600在1.8-2.5之间，脲酶活性不低于0.8mS·cm^-1/5min。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明通过首次采用生物膜对裂隙进行初步封堵，在裂隙面上形成细菌群落，后期采用营养液维护，整个过程只需使用菌液注浆处理一次，极大的降低了菌液用量，从而降低了成本；同时沿裂隙延伸方向设置多处出浆管，提高了裂隙面的处理均匀性。进一步地，本发明通过引入疏通液(稀盐酸溶液)，减少了注浆口和裂隙分叉处的局部堵塞，提升了处理效果。

附图说明

图1为本发明在实施例中的微生物循环注浆加固裂隙示意图；

图中：

ab为上部裂隙，ac和bd为侧面裂隙；

1、2、3为注浆管；

4、5、6、7、8、9为出浆管；

O为注浆装置和浆液存储装置。

具体实施方式

下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例，其中本发明的特征由附图标记标识。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本发明或本申请和本发明的应用领域。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明；本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。如本文所使用，术语“约”用于提供与给定术语、度量或值相关联的灵活性和不精确性。本领域技术人员可以容易地确定具体变量的灵活性程度。

如本文所使用，术语“......中的至少一个”旨在与“......中的一个或多个”同义。例如，“A、B和C中的至少一个”明确包括仅A、仅B、仅C以及它们各自的组合。

浓度、量和其他数值数据可以在本文中以范围格式呈现。应当理解，这样的范围格式仅是为了方便和简洁而使用，并且应当灵活地解释为不仅包括明确叙述为范围极限的数值，而且还包括涵盖在所述范围内的所有单独的数值或子范围，就如同每个数值和子范围都被明确叙述一样。例如，约1至约4.5的数值范围应当被解释为不仅包括明确叙述的1至约4.5的极限值，而且还包括单独的数字(诸如2、3、4)和子范围(诸如1至3、2至4等)。相同的原理适用于仅叙述一个数值的范围，诸如“小于约4.5”，应当将其解释为包括所有上述的值和范围。此外，无论所描述的范围或特征的广度如何，都应当适用这种解释。

任何方法或过程权利要求中所述的任何步骤可以以任何顺序执行，并且不限于权利要求中提出的顺序。仅在特定权利要求限制中存在以下所有条件的情况下，才采用方法+功能或步骤+功能的限制：a)明确叙述“用于......的方法”或“用于......的步骤”；b)明确叙述相应的功能。在本文的描述中明确叙述了支持方法+功能的结构、材料或动作。因此，本发明的范围应当仅由所附权利要求及其合法等同物来确定，而不是由本文给出的描述和实例来确定。

实施例

如图1所示，本实施例提供了一种微生物循环注浆加固裂隙的方法，注浆管和出浆管分别位于上部裂隙和侧面裂隙上，并通过注浆装置相连接。注浆装置以一定压力将浆液从注浆管中注入裂隙面，然后浆液从两侧的出浆管回到注浆装置，如此往复，在裂隙面内形成流动循环。其具体步骤为：

S100、将若干注浆管以0.2-0.5m的间距插入岩体上部裂隙ab中，插入深度10-30cm；通过1,2,3注浆管直接向裂隙内注水，依靠重力渗流以及裂隙之间的连通性，确认侧面渗水的裂隙ac和bd，注水时长视现场情况而定；然后同样在侧面裂隙中以0.2-0.5m的间距插入出浆管；

S200、采用水泥砂浆对裂隙ab、ac、bd进行快速封堵，保留注浆管和出浆管；将出浆管暂时关闭，通过注浆管1和注浆管3以一定压力进行注水，注浆管2作为排气孔，记录将裂隙面完全充满所需的注水量Q，即注浆管1和注浆管3内液面不再下降时的注水量，用以估算后续注浆所需的浆液用量；

S300、通过注浆管1、注浆管2和注浆管3以一定压力注入体积为Q的生物膜液和营养液的混合液，其中生物膜液与营养液的体积比为1:0.5-1:1；静置24小时后，打开出浆管，排出浆液；

S400、通过注浆管1、注浆管2和注浆管3以一定压力循环注入体积为0.5-0.75Q的胶结液，诱导细菌在裂隙面上产生碳酸钙沉淀，对裂隙面进行加固；循环注浆时间为12-15小时；作为一种具体的实施方式，二次注浆的胶结液为氯化钙溶液、尿素溶液、营养肉汤组成的混合溶液，其中，氯化钙溶液的浓度为0.5mol/L，尿素溶液的浓度为0.5mol/L，营养肉汤的浓度为3g/L；

S500、通过注浆管1、注浆管2和注浆管3以一定压力循环注入体积为0.5-0.75Q的营养液，循环注浆时间为24h；作为一种具体的实施方式，三次注浆的营养液为尿素溶液和含有酵母萃取物的溶液组成的混合溶液，其中，尿素溶液的浓度为1mol/L，含有酵母萃取物的溶液的浓度为20g/L；

S600、依次重复步骤S400和步骤S500，视现场情况逐步减少每次注入的浆液体积；当发现注浆速率分别降低为70％、50％、30％、10％时，通过注浆管以一定压力注入体积为0.01-0.05Q的疏通液，循环注浆2-4小时；作为一种具体的实施方式，疏通液为盐酸溶液，其浓度为0.1-0.5mol/L；

S700、当注浆速率降低为10％，且最后一次注入疏通液后，继续依次重复步骤S400和步骤S500直至无法继续注浆；注浆完成后移除注浆管和出浆管，并用水泥砂浆对注浆口和出浆口进行封堵。

在本实施例中，作为具体的其中一种实施方式，生物膜液的制备方法为：采用含有15.73g/L Tris Base、10g/L硫酸铵、20g/L酵母萃取物的培养基，在30℃、200转/分钟的培养环境中，以巴氏芽孢杆菌作为菌种，培养24小时，然后在30℃的环境下静置24-36小时，使其生成稳定的絮状生物膜。经检测，生物膜液的OD600在1.8-2.5之间，脲酶活性不低于0.8mS·cm^-1/5min。

对比例1

本对比例的基本内容同实施例，其不同之处在于：在本对比例中，所使用的菌液的制备方法为采用含有15.73g/L Tris Base、10g/L硫酸铵、20g/L酵母萃取物的培养基，在30℃、200转/分钟的培养环境中，以巴氏芽孢杆菌作为菌种，培养24小时。由于未进行静置，因此菌液中不包含絮状生物膜。同时，本对比例中不采用疏通液。

具体步骤为：

S100、同实施例1；

S200、同实施例2；

S300、通过注浆管1、注浆管2和注浆管3以一定压力注入体积为Q的菌液；静置24小时后，打开出浆管，排出浆液；

S400、通过注浆管1、注浆管2和注浆管3以一定压力循环注入体积为0.5-0.75Q的胶结液，诱导细菌在裂隙面上产生碳酸钙沉淀，对裂隙面进行加固；循环注浆时间为12-15小时；

S500、依次重复步骤S300和步骤S400，视现场情况逐步减少每次注入的浆液体积；

S600、直至无法继续注浆后，移除注浆管和出浆管，并用水泥砂浆对注浆口和出浆口进行封堵。

在本对比例中，由于普通菌液在岩石裂隙表面的附着性较差，因此需要多次补充菌液，即在每一轮胶结液注浆后，再进行一轮菌液补充。现有技术至少需要5轮的菌液补充才能达到一定的加固效果，而菌液的培养需要专门的配套设施，增加菌液用量无疑提高了施工成本。由于本对比例中未采用疏通液，碳酸钙在部分位置堆积形成堵塞，浆液在裂隙中流通受阻，碳酸钙沉淀不均匀，整体加固效果较差。

更具体地，尽管在此已经描述了本发明的示例性实施例，但是本发明并不局限于这些实施例，而是包括本领域技术人员根据前面的详细描述可认识到的经过修改、省略、例如各个实施例之间的组合、适应性改变和/或替换的任何和全部实施例。权利要求中的限定可根据权利要求中使用的语言而进行广泛的解释，且不限于在前述详细描述中或在实施该申请期间描述的示例，这些示例应被认为是非排他性的。在任何方法或过程权利要求中列举的任何步骤可以以任何顺序执行并且不限于权利要求中提出的顺序。因此，本发明的范围应当仅由所附权利要求及其合法等同物来确定，而不是由上文给出的说明和示例来确定。

Claims (7)

1.一种利用微生物膜和MICP技术治理岩质边坡崩塌的方法，其特征在于：包括

插管，所述插管包括沿岩体裂隙延伸方向插入若干注浆管和出浆管，并对岩体裂隙进行封堵；以及

注浆，所述注浆包括向所述注浆管中注入菌液，所述菌液用于诱导碳酸钙沉淀，且所述菌液可通过出浆管回收；其中，所述菌液中的菌群至少部分地呈絮状；

所述菌液包括

生物膜液，所述生物膜液中至少包括部分絮状菌群；以及

营养液，所述营养液用于为菌群提供营养物质；

所述注浆包括

一次注浆，所述一次注浆中，向注浆管注入菌液，停留一段时间后菌液由出浆管排出，所述菌液的停留时间为至少24h；

二次注浆，所述二次注浆中，向注浆管注入胶结液，所述胶结液用于辅助细菌发生反应；以及

三次注浆，所述三次注浆中，向注浆管注入所述营养液；

其中，依次进行所述二次注浆与三次注浆为菌液巩固阶段，所述菌液巩固阶段至少进行1次；

所述岩体裂隙中具有通道，所述通道的液体容纳量为Q；

所述一次注浆中则注入的菌液体积至多为Q，和/或

所述二次注浆为循环注浆，循环注浆所使用的胶结液的体积为0.5-0.75Q，循环注浆时间为12-15h；和/或

所述三次注浆为循环注浆，循环注浆所使用的营养液的体积为0.5-0.75Q，循环注浆时间为至少24h。

2.根据权利要求1所述的一种利用微生物膜和MICP技术治理岩质边坡崩塌的方法，其特征在于：所述生物膜液和营养液的体积比为1:0.5-1:1。

3.根据权利要求1所述的一种利用微生物膜和MICP技术治理岩质边坡崩塌的方法，其特征在于：当所述二次注浆和/或三次注浆的注浆速率降低至70%、50%、30%、10%时，停止二次注浆和/或三次注浆，向注浆管中注入疏通液，并进行循环注浆，所述疏通液的注浆体积为0.01-0.05Q，循环注浆的注浆时间为2-4h。

4.根据权利要求1所述的一种利用微生物膜和MICP技术治理岩质边坡崩塌的方法，其特征在于：所述二次注浆的胶结液为氯化钙溶液、尿素溶液、营养肉汤组成的混合溶液，其中，氯化钙溶液的浓度为0.5-2mol/L，尿素溶液的浓度为0.5-2mol/L，营养肉汤的浓度为1.5-4g/L。

5.根据权利要求1所述的一种利用微生物膜和MICP技术治理岩质边坡崩塌的方法，其特征在于：所述三次注浆的营养液为尿素溶液和含有酵母萃取物的溶液组成的混合溶液，其中，尿素溶液的浓度为0.5-2mol/L，含有酵母萃取物的溶液的浓度为15-25g/L。

6.根据权利要求3所述的一种利用微生物膜和MICP技术治理岩质边坡崩塌的方法，其特征在于：所述疏通液为浓度0.1-0.5mol/L的盐酸溶液。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种利用微生物膜和MICP技术治理岩质边坡崩塌的方法，其特征在于，所述生物膜液的制备方法为：采用含有15.73g/L Tris Base、10g/L硫酸铵、20g/L酵母萃取物的培养基，以巴氏芽孢杆菌作为菌种培养20-30h，然后在25-35℃的环境下静置24-36h，使其生成稳定的絮状生物膜。

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