微生物加固技術(shù)在壩基裂隙巖防滲加固中的應(yīng)用

王威

（遼寧興碩水利工程有限公司，遼寧新民 110300）

0 引言

由于長期的地質(zhì)作用和風化作用的影響，自然巖體中往往存在節(jié)理裂隙等缺陷，這不僅會影響到巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，也會主導(dǎo)地下水的運移方向，從而對大壩建設(shè)造成一定的不利影響。在大壩壩基處理工程中，為了控制滲漏作用，需要對裂隙巖體進行固結(jié)灌漿，其原理是在巖體的裂隙或孔隙中注入某些能固化的漿液，從而形成具有良好化學穩(wěn)定性、防腐蝕性和高強度的結(jié)石體[1]。在當前的壩基注漿加固中，主要采用無機和有機化學注漿材料。其中，無機注漿材料主要是水泥漿，偏堿性，因此會對地下水造成一定的不良影響；有機注漿材料的主要缺陷是存在毒性，不符合環(huán)保要求[2]。

在自然界中存在一些微生物，能夠通過自身的代謝活動產(chǎn)生多種礦物結(jié)晶，因此一些微生物學家利用巴氏芽孢桿菌、反硝化細菌等一些特定的微生物，通過提供富含鈣離子的營養(yǎng)鹽，快速析出具有良好膠結(jié)作用的碳酸鹽結(jié)晶，從而達到防滲加固的目標[3]。在當前的研究中，以巴氏芽孢桿菌為生物載體的尿素水解微生物加固技術(shù)具有較強的環(huán)境適應(yīng)性，在巖土工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值[4]。基于此，此次研究通過工程現(xiàn)場試驗的方式，探討該技術(shù)在壩基裂隙巖防滲加固中的應(yīng)用價值和效果。

1 現(xiàn)場試驗設(shè)計

1.1 工程背景

三道嶺水庫是遼寧省營口市周家鎮(zhèn)境內(nèi)的一座小（1）型水利工程[5]，由于工程設(shè)計建設(shè)標準低且長期運行，亟待進行除險加固。鑒于原大壩失去加固價值，因此在原壩址下游100 m處新建大壩。新建壩址部位的上層巖體為白堊紀砂巖和礫巖，表面風化比較嚴重，下部的弱風化巖體裂隙發(fā)育，滲漏作用比較明顯，需要進行加固處理。

1.2 選擇試驗渠段

微生物加固技術(shù)屬于一項新型防滲加固技術(shù)，目前尚沒有成熟的理論和實踐經(jīng)驗借鑒和支持，而影響防滲加固質(zhì)量的因素較多且不易掌握，因此，需要在室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上，通過工程現(xiàn)場試驗的方式，驗證其工程有效性，以便為其在壩基防滲加固中推廣應(yīng)用提供必要的支持[6]?；诖?，此次研究中選擇三道嶺水庫新建大壩樁號壩1+010～1+030 m部位進行現(xiàn)場試驗，試驗段總長為20 m。在現(xiàn)場試驗過程中，與壩軸線等距設(shè)置2排灌漿試驗孔，并按照3個次序進行注漿試驗[7]。

1.3 注漿工藝與材料

在此次現(xiàn)場試驗中，采用的是自上而下、灌漿孔口封閉的注漿試驗方式[8]。由于此次選擇的注漿防滲加固試驗段的長度有限，因此，施工區(qū)域十分集中，需要將試驗中的各種設(shè)備和材料均配置在距離施工段10 m的平臺上。注漿施工的具體工藝流程按照SL 620-2014《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》中的相關(guān)要求，并結(jié)合試驗現(xiàn)場的具體特點。設(shè)計流程：定位放線→鉆機就位→基巖清水→取芯鉆進→下設(shè)阻尼器→裂隙沖洗→壓水試驗→注漿→第n段灌漿→水泥漿封孔。

此次注漿試驗采用的是液體培養(yǎng)基培養(yǎng)的巴氏芽孢桿菌，培養(yǎng)環(huán)境為40 g/L的尿素溶液，轉(zhuǎn)速為180 r/min，培養(yǎng)時間為72 h。在培養(yǎng)過程中，該菌可以為水解尿素提供脲酶，還可以為碳酸鈣沉積提供必要的核點。注漿試驗中的固定液為0.5 mol/L的氯化鈣溶液。在注漿過程中，首先向注漿孔內(nèi)注入固定液，然后再注入細菌液，之后靜置12 h，再進入下一循環(huán)的注漿作業(yè)。

2 注漿防滲加固效果及評價

2.1 效果檢測方法

目前，對壩基防滲注漿效果評價的方法主要有壓水試驗、鉆孔取芯及鉆孔彈性模量測試等。為了對試驗段微生物加固技術(shù)注漿防滲加固效果進行綜合性評價，此次試驗中采用多種有效手段，對各個階段灌漿后的加固效果進行檢測。

此次注漿防滲加固的主要目的是加固補強，提高壩基的防滲效果，因此，滲透性透水率是重要的評價指標，同時簡便、易行，具有廣泛的應(yīng)用價值。此次試驗研究中，在試驗段布置4個壓水試驗孔。在壓水試驗中的壓水壓力設(shè)置為灌漿壓力的80%，壓水時間為20 min，試驗中每5 min測讀一次壓入流量，并計算出透水率；現(xiàn)場鉆孔彈模測試是檢查巖體變形參數(shù)的重要原位測量方式，此次研究中選用BJ-90A鉆孔彈模計進行試驗；除了上述兩種方法之外，此次監(jiān)測還使用檢查孔取芯的方式進行芯樣的室內(nèi)力學試驗，對注漿體的堅固性和完整性進行評價。

2.2 檢查結(jié)果與分析

1）壓水試驗

壓水試驗包括注漿防滲加固前和注漿防滲加固后的透水率，經(jīng)過對壓水試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計計算，獲得如表1所示的透水率試驗結(jié)果。由表1的數(shù)據(jù)可以看出，試驗段巖體在微生物注漿材料注漿防滲加固前的透水率均值為9.01 Lu，在注漿加固完成之后的透水率為1.46 Lu。由此可見，在注漿加固完成之后，試驗段巖體的透水率大幅下降，較注漿加固前下降了約83.8%。由此可見，在防滲注漿加固之后，試驗區(qū)巖體內(nèi)的貫通性裂隙已經(jīng)基本為結(jié)石體填充和膠結(jié)，巖體的完整性得到顯著提升，取得了良好的防滲加固效果。

表1 透水率試驗結(jié)果

2）鉆孔彈模

在注漿前后分別對W1孔進行鉆孔彈模測試，結(jié)果如表2所示。由表2的試驗結(jié)果可以看出，在大多數(shù)情況下，巖體在荷載作用下初始變形呈現(xiàn)出線性增加的變化特點，之后，隨著荷載的逐漸升高，變形呈現(xiàn)出減速特征，變形模量相對較大。從深度與彈性模量的關(guān)系來看，彈性模量隨著深度的變化相對較大，而數(shù)據(jù)相對比較離散，這不僅和局部巖性有關(guān)，還和巖體的各向異性有關(guān)，從不同的壓力段試驗結(jié)果來看，彈性模型隨著壓力的增大總體呈現(xiàn)出增大的趨勢。從注漿前后的試驗結(jié)果對比來看，注漿完成后沿鉆孔方向的變形模量分布的波動性明顯減小，整體水平也明顯偏低，這說明注漿試驗區(qū)的巖體連續(xù)性得到了顯著提升。

表2 鉆孔彈模測試結(jié)果

2.3 芯樣試驗

試驗區(qū)注漿之后成為一個整體，其堅固性也將明顯提高，也就是強度通過注漿之后獲得增加。試驗中通過對注漿前后巖體進行3組芯樣的強度試驗對比，根據(jù)試驗結(jié)果對注漿效果進行評價。其中，芯樣試件的抗壓強度值試驗結(jié)果如表3所示。由表3中的結(jié)果可以看出，經(jīng)過注漿加固之后，巖體芯樣的抗壓強度得到大幅提升，說明灌漿后的巖體已經(jīng)連成一個整體，其堅固性明顯提高。另一方面，對壩基加固而言，在注漿加固之后芯樣的整體抗壓強度已經(jīng)達到4.00 MPa以上，完全可以滿足大壩建設(shè)和施工的實際需求。

表3 抗壓強度試驗結(jié)果MPa

3 結(jié)語

隨著生物科技的迅速發(fā)展，原位微生物加固技術(shù)可以獲得良好的加固效果，具有十分廣泛的工程應(yīng)用價值。此次研究以具體的工程為例，利用現(xiàn)場試驗的方式，探討和驗證了微生物加固技術(shù)在壩基裂隙巖防滲加固中的應(yīng)用。現(xiàn)場試驗結(jié)果顯示，經(jīng)過微生物防滲加固處理之后，壩基巖體的整體性、連續(xù)性和堅固性得到了顯著提高，具有良好的工程應(yīng)用價值。當然，受技術(shù)成熟度等因素的影響，目前采用微生物加固裂隙巖壩基的成本仍舊偏高，需要通過今后的研究，獲取更為經(jīng)濟的技術(shù)手段。