降雨條件下微生物技術(shù)治理崩崗侵蝕

路樺銘，張智超，肖 楊,3,4，馬國梁*，葉龍珍

1．重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045； 2. 福建省地質(zhì)工程勘察院，自然資源部丘陵山地地質(zhì)災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350002； 3. 重慶大學(xué) 山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045；4. 庫區(qū)環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害防治國家地方聯(lián)合工程研究中心（重慶），重慶 400045

崩崗的定義為“在水力和重力作用下山坡土體的破壞崩塌和沖刷侵蝕現(xiàn)象”（崔宗培，1991）。由于中國南方花崗巖地區(qū)風(fēng)化母質(zhì)殘積物深厚，土體抗侵蝕能力弱，地勢陡峭以及植被、環(huán)境的破壞，華南一帶的崩崗防治形勢長期以來都十分嚴(yán)峻（曾嬌霞，2018）。微生物加固巖土技術(shù)作為一種新型巖土技術(shù)自21世紀(jì)初被提出以來受到了廣泛關(guān)注，取得了長足的發(fā)展（劉漢龍等，2019）。其原理是向土壤中引入能夠產(chǎn)生脲酶的微生物、尿素和氯化鈣溶液，微生物分泌的脲酶可以促進(jìn)尿素水解，產(chǎn)生CO32-離子和NH+4離子，NH+4離子可以提高溶液pH值，CO32-離子與Ca2+離子在堿性環(huán)境下發(fā)生反應(yīng)，生成碳酸鈣（Xiao et al.，2019）。其中沉淀在土顆粒接觸點(diǎn)處的碳酸鈣可以起到膠結(jié)土顆粒的作用，從而達(dá)到加固土體的目的（何稼等，2016）。近年來，一些學(xué)者利用微生物表面覆膜技術(shù)在風(fēng)蝕防治和雨水沖刷防治方面做了許多嘗試和研究，高玉峰等（2019）研究了不同菌液濃度和反應(yīng)液濃度對標(biāo)準(zhǔn)砂抗風(fēng)蝕能力的改善情況?？讋莸龋?019）利用MICP技術(shù)在砂土表面生成一個結(jié)皮層，經(jīng)過處理的砂土抗風(fēng)蝕能力可提高約39.83%。Bao等（2017）進(jìn)行了4個室內(nèi)水槽試驗(yàn)，驗(yàn)證了MICP加固砂土抗水力沖刷的可行性，并且發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)條件下，加固后的砂土幾乎不可侵蝕。Jiang等（2017）通過一系列內(nèi)部侵蝕試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)MICP處理對土壤內(nèi)部的侵蝕具有緩解作用，處理后土壤的臨界水力梯度顯著增加，侵蝕量顯著減少。Shanahan等（2014）利用MICP處理了級配不良的砂土，并模擬海浪對海岸沙丘的沖刷，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過處理后沙丘侵蝕量由560.42 g減少到40.62 g。劉璐等（2016）采用噴灑加固的方法加固堤壩表面并進(jìn)行水槽試驗(yàn)，在10 cm/s的流速連續(xù)多天沖刷下，堤壩整體性依然完好。邵光輝等（2017）利用微生物砂漿對粉土坡面進(jìn)行防護(hù)處理，并進(jìn)行微型貫入試驗(yàn)、水穩(wěn)定性試驗(yàn)以及模擬降雨沖刷實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)表明微生物砂漿層大幅提高粉土表面的抗沖刷性。Gomez等（2013）進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，利用微生物菌液和反應(yīng)液加固松散砂土，形成了2.5 cm厚的堅硬保護(hù)層，使砂土的抗侵蝕能力大幅提高。

微生物表面覆膜加固技術(shù)能夠有效改善土體表面的抗沖刷侵蝕能力，但是上述研究主要針對滲透性較大的砂土。由于花崗巖地區(qū)崩崗?fù)馏w中含有一定的粉粒和粘粒，可能會阻礙細(xì)菌和反應(yīng)液向土體內(nèi)部的遷移，導(dǎo)致MICP加固效果不均勻，在實(shí)際工程中難以應(yīng)用（Xiao et al.，2019）。

為研究MICP表面覆膜技術(shù)是否適用于崩崗邊坡表面侵蝕防護(hù)，本文利用MICP微生物表面覆膜加固技術(shù)，在崩崗邊坡模型表面交替噴灑微生物溶液及反應(yīng)液，待加固結(jié)束后對邊坡進(jìn)行人工降雨沖刷，微型貫入試驗(yàn)，并測試坡面碳酸鈣含量及表面硬殼層厚度，對微生物表面覆膜加固技術(shù)提高崩崗邊坡抗沖刷侵蝕能力的可行性進(jìn)行研究。

1 方法與材料

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)所用土樣取自福建省安溪縣官橋鎮(zhèn)吾宗村境內(nèi)（圖1），根據(jù)土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50123-2019）（國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2019）測試了土體的基本物理參數(shù)。其級配曲線如圖2所示，塑限Wp=21.68 %，液限WL=44.46 %，比重Gs=2.628，最小干密度為1.13 g/cm3，最大干密度為1.70 g/cm3。

圖1 福建官橋鎮(zhèn)崩崗形貌圖Fig. 1 Collapsed hill soil in Guanqiao Town, Fujian

圖2 崩崗顆粒級配曲線Fig. 2 Distribution of particle size of residual soil

1.2 邊坡模型

本文設(shè)計了一套邊坡模具及支架（圖3），模型盒由亞克力板制作，厚度為1.5 cm，邊界大小為65 cm×45 cm×15 cm，并設(shè)置有兩個流出物收集槽，高槽用于收集表面沖刷流出的泥漿，低槽用于收集內(nèi)部滲流出的泥漿。與模型盒配套的支架可以自由調(diào)整模型盒的角度。

圖3 降雨模擬系統(tǒng)及邊坡模型Fig. 3 The rainfall simulation system and slope model

制樣時，先填充一層粒徑10 cm的礫石并用崩崗?fù)撂钇?，墊層高約3 cm，然后將25.5 kg干燥的崩崗?fù)练?批均勻覆蓋在墊層表面，每層高2.33 cm，土樣表面與高槽齊平，邊坡模型的平均干密度為1.24 g/cm3。制樣完成后，將模型盒固定于支架上，形成坡角為30°的崩崗邊坡模型。

1.3 微生物菌種及培養(yǎng)

本文所使用的微生物菌種為巴氏生孢八疊球菌（Sporosarcina pasteurii，CGMCC 1.3687），菌種購于中國普通微生物菌種保藏管理中心。每升（L）培養(yǎng)液含有：大豆蛋白胨20 g，氯化銨10 g，MnSO4·H2O 12 mg，NiCl2·6H2O 24 mg，并用1 mol/L NaOH將培養(yǎng)基的pH值調(diào)至9.0。將培養(yǎng)基放入高壓滅菌鍋內(nèi)滅菌30 min，滅菌溫度為121℃。待冷卻后接種并置于恒溫培養(yǎng)箱中振蕩培養(yǎng)24 h，培養(yǎng)箱溫度為30℃，轉(zhuǎn)速為200 rpm。為了保持細(xì)菌活性，培養(yǎng)好的細(xì)菌在4℃下保存，并且在3天內(nèi)使用（Xiao et al., 2020）。細(xì)菌活性由電導(dǎo)率法測試（Ma et al., 2020； Whiffin，2004），本文使用的細(xì)菌活性為1.5 mM urea·min-1。

1.4 加固方法

傳統(tǒng)的澆灌加固法極易造成崩崗坡面產(chǎn)生破壞，反而加速了水土流失，為減小對模型試樣的擾動，本文采用噴灑加固法對崩崗邊坡進(jìn)行加固。使用電動噴壺先噴灑微生物菌液3.5 L，靜置2 h待細(xì)菌滲入土壤后，再噴灑兩次1 mol/L的CaCl2和尿素混合溶液（反應(yīng)液）3.5 L，每次噴灑反應(yīng)液后養(yǎng)護(hù)24 h，加固后的試樣在室外條件下風(fēng)干待用。

1.5 降雨系統(tǒng)

本文設(shè)計了一套人工降雨模擬系統(tǒng)（圖3），由支架、壓力表、防風(fēng)薄膜、不同孔徑的噴頭組成，支架四周設(shè)置有防風(fēng)薄膜，以減小風(fēng)力對雨點(diǎn)下落的影響。降雨高度為3 m，降雨均勻系數(shù)（徐向舟等，2006）最小為84.24%，最大為96.94%，平均90.57%，可以滿足測試需求。此次試驗(yàn)選擇雨強(qiáng)300 mm/h的強(qiáng)降雨條件，以反映崩崗邊坡加固后在極端天氣下的極限抗侵蝕能力。

2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)前人的降雨沖刷研究（朱建東等，2019；周海清等，2019；邵勇等，2019），試驗(yàn)時長過短不宜反映出邊坡在實(shí)際降雨下的真實(shí)變化，多數(shù)人工降雨試驗(yàn)研究選取的沖刷時長為60~360 min之間，因此本試驗(yàn)全程沖刷180 min，并且用水桶收集模型槽內(nèi)的沖刷流出物，每15分鐘為一組，共計收集12組。收集完成后，抽出雨水并烘干流出物。

2.1 沖刷泥沙產(chǎn)量

沖刷流出物分為兩部分，一部分是從模型高槽流出的水土混合物，泥沙含量高，呈渾濁狀；另一部分是雨水從坡面向坡內(nèi)滲流，透過礫石墊層后從低槽中流出的水分，不含泥沙，呈清澈狀。因此沖刷泥沙產(chǎn)量僅統(tǒng)計烘干后的高槽流出物。

2.1.1 未加固試樣

未加固試樣在降雨開始后，表面土體立刻開始流失，先是細(xì)顆粒（多為粉粒和粘粒）被沖走，試樣表面的砂顆粒逐漸凸顯出來。隨后砂顆粒受到坡面徑流沖刷和雨點(diǎn)打擊的聯(lián)合作用開始隨細(xì)顆粒一起朝坡下滑落，沖刷結(jié)束后，試樣表面留下了一層以砂顆粒為主的土體。如圖4所示，未加固試樣泥沙產(chǎn)量在第一個15 min達(dá)到峰值1274.89 g，隨后泥沙產(chǎn)量逐步減少，但未見明顯的平穩(wěn)趨勢。沖刷180 min后泥沙產(chǎn)量達(dá)7648.43 g，占總土樣的25.5%，平均每15分鐘流出637.37 g崩崗?fù)痢?/p>

圖4 加固前后沖刷泥沙產(chǎn)量對比圖Fig. 4 Comparison of effluent matter before and after the treatment

2.1.2 加固試樣

在降雨沖刷開始后，由于試樣加固后形成了一層碳酸鈣防護(hù)層，表面土壤未見明顯侵蝕，僅有少量松散顆粒被沖走。如圖4所示，加固試樣沖刷泥沙產(chǎn)量在第一個15 min達(dá)到峰值67.47 g；在降雨60 min后，由于試樣表面僅剩下被碳酸鈣膠結(jié)在一起的保護(hù)層，沖刷泥沙產(chǎn)量呈現(xiàn)出穩(wěn)定波動的勢態(tài)，平均每15 min流出約12.67 g；在75 min左右，坡面產(chǎn)生了兩處侵蝕坑，而后發(fā)生擴(kuò)展，保護(hù)層被沖走，侵蝕向坡面內(nèi)部發(fā)展，導(dǎo)致沖刷流出物些許增多。180 min后流出物總質(zhì)量為266.61 g，占總土樣的0.887%，平均每15 min流出崩崗?fù)?2.22 g。泥沙產(chǎn)量相較于未加固試樣減少了96.51%，加固防治效果顯著。

2.2 侵蝕深度

2.2.1 加固前試樣

降雨開始時，雨滴直接打擊土壤表面，土顆粒發(fā)生分散、分離、躍遷，產(chǎn)生雨滴濺蝕（鄭粉莉等，2003），隨著降雨的進(jìn)行，邊坡土壤逐漸吸水飽和，坡面土壤的分散和遷移受到薄層水流的作用，侵蝕量及影響范圍相比雨滴濺蝕明顯增大，坡面大面積出現(xiàn)內(nèi)凹的小坑，產(chǎn)生片蝕；而后，坡面在嚴(yán)重侵蝕區(qū)以及中度侵蝕區(qū)部分位置，出現(xiàn)條狀細(xì)溝，并且隨坡降方向呈階梯狀分布，侵蝕由表面土壤的遷移轉(zhuǎn)而向坡面內(nèi)發(fā)展，嚴(yán)重侵蝕區(qū)的細(xì)溝不斷向下侵蝕，形成較深的V形溝壑，侵蝕深度最高達(dá)到60 mm。坡腳堆積區(qū)隨著沖刷時間增加堆積了大量粗砂顆粒，這主要是因?yàn)榈撞坑袡C(jī)玻璃模板（與實(shí)際邊坡坡腳相似）阻擋了顆粒物質(zhì)的進(jìn)一步遷移。邊坡后緣由于主要受到雨滴濺蝕作用，侵蝕量較??；而試樣中下部除了受到雨滴濺蝕作用以外還受到坡面水流的片蝕作用，生成了細(xì)溝，侵蝕量較大。沖刷后用鋼尺對全試樣范圍內(nèi)進(jìn)行侵蝕深度測試，為了消除邊壁對沖刷結(jié)果的影響，本文僅測試了試樣中間部位的侵蝕深度、碳酸鈣保護(hù)層厚度、碳酸鈣含量及貫入度。如圖5所示，將試樣分為橫向3個，縱向4個，共12個測區(qū)。每個測區(qū)取6個點(diǎn)測量侵蝕深度。經(jīng)測量，試樣整體平均侵蝕深度為17.62 mm，最大為60 mm。如圖6所示，試樣內(nèi)崩崗?fù)亮魇黠@。

圖5 采樣點(diǎn)示意圖Fig. 5 Distribution of sample points

2.2.2 加固后試樣

沖刷試驗(yàn)前60 min，由于碳酸鈣護(hù)層的防護(hù)作用，雨滴濺蝕難以對坡面產(chǎn)生侵蝕破壞，僅有少量未被膠結(jié)的表面浮土和砂顆粒被沖走，侵蝕難以進(jìn)一步擴(kuò)展和發(fā)育。沖刷75 min時，試樣左下角的防護(hù)層出現(xiàn)2處小型侵蝕坑，其中一處侵蝕坑逐漸向右側(cè)擴(kuò)展，最終形成一條長度約10 cm的長條狀侵蝕坑，侵蝕坑內(nèi)侵蝕深度約1.5 cm。全程180 min的沖刷試驗(yàn)中，除坡面2處侵蝕坑之外，試樣沒有明顯的表面侵蝕（圖6）。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，面流對坡面造成的破壞大于雨滴沖擊作用；加固邊坡的破壞主要是從加固薄弱點(diǎn)首先開始發(fā)生破壞，然后沿加固薄弱區(qū)向外擴(kuò)展。

圖6 加固前后沖刷侵蝕深度對比圖Fig. 6 Comparison of the erosion depth before and after the treatment

2.3 加固厚度及碳酸鈣含量

沖刷后對試樣進(jìn)行取樣測試，取樣點(diǎn)布置見圖5。將土塊下部附著的未加固崩崗?fù)凉纬?，留下被碳酸鈣膠結(jié)在一起的加固層，用游標(biāo)卡尺測量其厚度。然后用酸洗法（Ma et al.，2020）測試其中的碳酸鈣含量。

由于原狀崩崗?fù)林形礄z測到質(zhì)量損失，因此上述方法測得的碳酸鈣含量即為MICP誘導(dǎo)生成的碳酸鈣含量。

如圖7所示，加固厚度最厚7.55 mm，最薄3.45 mm，平均5.51 mm。由于噴灑加固溶液時人工控制噴壺以及噴灑后溶液在土壤中的不規(guī)則滲流，導(dǎo)致整體上各個測區(qū)之間加固厚度分布不均勻。

圖7 碳酸鈣護(hù)層厚度分布圖Fig. 7 Contours of carbonate protective cover thickness

碳酸鈣含量測試結(jié)果如圖8所示，碳酸鈣含量最高5.46%，最低3.51%。整體上，加固后表層土壤中碳酸鈣分布均勻，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.46%。造成碳酸鈣含量差異的主要原因可能是土體局部的級配差異及人工噴灑菌液和反應(yīng)液不均勻。

2.4 貫入阻力

本文使用蘇州贏安楊儀器有限公司生產(chǎn)的WXGR型微型貫入儀對試樣表面進(jìn)行貫入阻力測量。測力計以及測頭型號如表1所示，根據(jù)《袖珍貫入儀試驗(yàn)規(guī)程》（CECS 54：93）（侯石濤等，1994），貫入阻力Pt計算式為：

表1 微型貫入儀參數(shù)Table 1 Parameters of the micro penetrometer

式中，Kt為三種測頭的貫入儀率定系數(shù)，R為貫入儀讀數(shù)。

2.4.1 加固前試樣

在沖刷之前用噴壺對試樣表面噴水直至收集槽下方滲出液體，崩崗?fù)撂幱跐駶欙柡蜖顟B(tài)。由于土體表面非常松軟，選擇20 N測力計以及1.5 cm3圓柱測頭進(jìn)行測試。12個測區(qū)共72個測點(diǎn)結(jié)果中最小貫入阻力為2 kPa，最大10 kPa，平均4.4 kPa。

2.4.2 加固后試樣

加固后試樣在降雨沖刷結(jié)束后立即進(jìn)行貫入度測試，試樣表面在濕潤飽和狀態(tài)下較為堅硬。72個測點(diǎn)阻力值分布如圖9所示。其中最小貫入阻力為8 kPa，最大68 kPa，平均32.30 kPa。貫入阻力均值較加固前提高了7.3倍。

對比貫入阻力（圖9）和碳酸鈣含量結(jié)果（圖8）發(fā)現(xiàn)，貫入阻力值與碳酸鈣含量之間并不是正相關(guān)關(guān)系。造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于邊坡模型尺寸較大，制樣時不可避免的存在局部干密度和局部級配的差異，導(dǎo)致加固后局部土體強(qiáng)度不同；此外，碳酸鈣含量及貫入阻力測點(diǎn)不重合，測點(diǎn)之間通過線性內(nèi)插法計算得到，可能與測點(diǎn)處實(shí)際值存在差異。

圖8 碳酸鈣含量分布圖Fig. 8 Distribution of calcium carbonate content

圖9 加固后貫入阻力分布圖Fig. 9 Penetration resistance distribution after the MICP treatment

2.5 掃描電鏡（SEM）及能譜（EDS）分析

原狀崩崗?fù)练糯?000倍后如圖10a所示。崩崗?fù)林屑扔斜∑瑺钜灿嗅槧铑w粒，同時夾雜著許多大小在10 μm以下的不規(guī)則形狀顆粒。不同于砂土顆粒，崩崗?fù)令w粒尺寸更小，顆粒間的空隙也明顯更小。加固后的崩崗?fù)练糯?000倍后如圖10b和c所示，EDS圖中紅色點(diǎn)代表鈣元素分布，與SEM圖中方解石晶體分布位置重合。從SEM圖中可以看到方解石在成團(tuán)的土顆粒與土顆粒之間生成了大小10~15 μm左右的有效碳酸鈣簇，這些碳酸鈣簇將土顆粒膠結(jié)形成統(tǒng)一的整體，從而起到抑制沖刷的作用（Xiao et al.，2019）。

圖10 掃描電鏡圖Fig. 10 Scanning electron microscopy images of collapsing hill soil

3 結(jié)論

本文采用微生物表面覆膜技術(shù)加固崩崗邊坡模型，在坡面形成了一層堅硬的防護(hù)層，并對邊坡進(jìn)行降雨沖刷試驗(yàn)，驗(yàn)證了MICP技術(shù)在崩崗邊坡抗沖刷防治中應(yīng)用的可行性。并得出以下結(jié)論：

（1）采用表面噴灑法在崩崗坡面噴灑菌液和反應(yīng)液，對坡面土體擾動小，形成的一層碳酸鈣保護(hù)層對坡面的完整性有很好的保護(hù)效果，可以減緩坡面侵蝕的產(chǎn)生和擴(kuò)展。經(jīng)過時長180 min，雨強(qiáng)為300 mm/h的降雨沖刷，加固后邊坡抗雨水沖刷效果顯著。

（2）未加固試樣在降雨沖刷下產(chǎn)生大量流出物，且隨著沖刷時間增加，泥沙產(chǎn)量沒有趨于穩(wěn)定，前15 min泥沙產(chǎn)量達(dá)峰值1274.89 g，全程流出物總質(zhì)量共7648.43 g，占試樣的25.5%；加固后試樣前15 min沖刷泥沙產(chǎn)量僅67.47 g，并且在60 min后泥沙產(chǎn)量趨于穩(wěn)定，每15 min流出約12.22 g，全程泥沙產(chǎn)量266.61 g，相比未加固試樣減少了96.51%。

（3）經(jīng)微生物加固后，邊坡侵蝕現(xiàn)象得到顯著改善。加固前邊坡表面侵蝕深度最高可達(dá)60 mm，試樣整體平均侵蝕深度為17.62 mm；加固后坡面形成一層硬殼，經(jīng)沖刷試驗(yàn)后，除坡面產(chǎn)生兩處侵蝕坑外，侵蝕深度幾乎為0 mm。

（4）坡面加固后，形成的硬殼層平均厚度為5.51 mm，且碳酸鈣含量分布均勻，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.46%，貫入阻力平均值為32.30 kPa，較加固前的4.4 kPa提高了7.3倍。

本文研究結(jié)果表明MICP技術(shù)可用于含有一定細(xì)粒的崩崗邊坡表面防侵蝕加固。