降雨条件下微生物技术治理崩岗侵蚀

路桦铭，张智超，肖 杨,3,4，马国梁*，叶龙珍

1．重庆大学 土木工程学院，重庆 400045； 2. 福建省地质工程勘察院，自然资源部丘陵山地地质灾害防治重点实验室，福州 350002； 3. 重庆大学 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045；4. 库区环境地质灾害防治国家地方联合工程研究中心（重庆），重庆 400045

崩岗的定义为“在水力和重力作用下山坡土体的破坏崩塌和冲刷侵蚀现象”（崔宗培，1991）。由于中国南方花岗岩地区风化母质残积物深厚，土体抗侵蚀能力弱，地势陡峭以及植被、环境的破坏，华南一带的崩岗防治形势长期以来都十分严峻（曾娇霞，2018）。微生物加固岩土技术作为一种新型岩土技术自21世纪初被提出以来受到了广泛关注，取得了长足的发展（刘汉龙等，2019）。其原理是向土壤中引入能够产生脲酶的微生物、尿素和氯化钙溶液，微生物分泌的脲酶可以促进尿素水解，产生CO32-离子和NH+4离子，NH+4离子可以提高溶液pH值，CO32-离子与Ca2+离子在碱性环境下发生反应，生成碳酸钙（Xiao et al.，2019）。其中沉淀在土颗粒接触点处的碳酸钙可以起到胶结土颗粒的作用，从而达到加固土体的目的（何稼等，2016）。近年来，一些学者利用微生物表面覆膜技术在风蚀防治和雨水冲刷防治方面做了许多尝试和研究，高玉峰等（2019）研究了不同菌液浓度和反应液浓度对标准砂抗风蚀能力的改善情况。孔剑捷等（2019）利用MICP技术在砂土表面生成一个结皮层，经过处理的砂土抗风蚀能力可提高约39.83%。Bao等（2017）进行了4个室内水槽试验，验证了MICP加固砂土抗水力冲刷的可行性，并且发现在试验条件下，加固后的砂土几乎不可侵蚀。Jiang等（2017）通过一系列内部侵蚀试验，发现MICP处理对土壤内部的侵蚀具有缓解作用，处理后土壤的临界水力梯度显著增加，侵蚀量显著减少。Shanahan等（2014）利用MICP处理了级配不良的砂土，并模拟海浪对海岸沙丘的冲刷，发现经过处理后沙丘侵蚀量由560.42 g减少到40.62 g。刘璐等（2016）采用喷洒加固的方法加固堤坝表面并进行水槽试验，在10 cm/s的流速连续多天冲刷下，堤坝整体性依然完好。邵光辉等（2017）利用微生物砂浆对粉土坡面进行防护处理，并进行微型贯入试验、水稳定性试验以及模拟降雨冲刷实验，试验表明微生物砂浆层大幅提高粉土表面的抗冲刷性。Gomez等（2013）进行现场试验，利用微生物菌液和反应液加固松散砂土，形成了2.5 cm厚的坚硬保护层，使砂土的抗侵蚀能力大幅提高。

微生物表面覆膜加固技术能够有效改善土体表面的抗冲刷侵蚀能力，但是上述研究主要针对渗透性较大的砂土。由于花岗岩地区崩岗土体中含有一定的粉粒和粘粒，可能会阻碍细菌和反应液向土体内部的迁移，导致MICP加固效果不均匀，在实际工程中难以应用（Xiao et al.，2019）。

为研究MICP表面覆膜技术是否适用于崩岗边坡表面侵蚀防护，本文利用MICP微生物表面覆膜加固技术，在崩岗边坡模型表面交替喷洒微生物溶液及反应液，待加固结束后对边坡进行人工降雨冲刷，微型贯入试验，并测试坡面碳酸钙含量及表面硬壳层厚度，对微生物表面覆膜加固技术提高崩岗边坡抗冲刷侵蚀能力的可行性进行研究。

1 方法与材料

1.1 试验土样

试验所用土样取自福建省安溪县官桥镇吾宗村境内（图1），根据土工试验方法标准（GB/T 50123-2019）（国家质量技术监督局，2019）测试了土体的基本物理参数。其级配曲线如图2所示，塑限Wp=21.68 %，液限WL=44.46 %，比重Gs=2.628，最小干密度为1.13 g/cm3，最大干密度为1.70 g/cm3。

图1 福建官桥镇崩岗形貌图Fig. 1 Collapsed hill soil in Guanqiao Town, Fujian

图2 崩岗颗粒级配曲线Fig. 2 Distribution of particle size of residual soil

1.2 边坡模型

本文设计了一套边坡模具及支架（图3），模型盒由亚克力板制作，厚度为1.5 cm，边界大小为65 cm×45 cm×15 cm，并设置有两个流出物收集槽，高槽用于收集表面冲刷流出的泥浆，低槽用于收集内部渗流出的泥浆。与模型盒配套的支架可以自由调整模型盒的角度。

图3 降雨模拟系统及边坡模型Fig. 3 The rainfall simulation system and slope model

制样时，先填充一层粒径10 cm的砾石并用崩岗土填平，垫层高约3 cm，然后将25.5 kg干燥的崩岗土分3批均匀覆盖在垫层表面，每层高2.33 cm，土样表面与高槽齐平，边坡模型的平均干密度为1.24 g/cm3。制样完成后，将模型盒固定于支架上，形成坡角为30°的崩岗边坡模型。

1.3 微生物菌种及培养

本文所使用的微生物菌种为巴氏生孢八叠球菌（Sporosarcina pasteurii，CGMCC 1.3687），菌种购于中国普通微生物菌种保藏管理中心。每升（L）培养液含有：大豆蛋白胨20 g，氯化铵10 g，MnSO4·H2O 12 mg，NiCl2·6H2O 24 mg，并用1 mol/L NaOH将培养基的pH值调至9.0。将培养基放入高压灭菌锅内灭菌30 min，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24 h，培养箱温度为30℃，转速为200 rpm。为了保持细菌活性，培养好的细菌在4℃下保存，并且在3天内使用（Xiao et al., 2020）。细菌活性由电导率法测试（Ma et al., 2020； Whiffin，2004），本文使用的细菌活性为1.5 mM urea·min-1。

1.4 加固方法

传统的浇灌加固法极易造成崩岗坡面产生破坏，反而加速了水土流失，为减小对模型试样的扰动，本文采用喷洒加固法对崩岗边坡进行加固。使用电动喷壶先喷洒微生物菌液3.5 L，静置2 h待细菌渗入土壤后，再喷洒两次1 mol/L的CaCl2和尿素混合溶液（反应液）3.5 L，每次喷洒反应液后养护24 h，加固后的试样在室外条件下风干待用。

1.5 降雨系统

本文设计了一套人工降雨模拟系统（图3），由支架、压力表、防风薄膜、不同孔径的喷头组成，支架四周设置有防风薄膜，以减小风力对雨点下落的影响。降雨高度为3 m，降雨均匀系数（徐向舟等，2006）最小为84.24%，最大为96.94%，平均90.57%，可以满足测试需求。此次试验选择雨强300 mm/h的强降雨条件，以反映崩岗边坡加固后在极端天气下的极限抗侵蚀能力。

2 试验结果

根据前人的降雨冲刷研究（朱建东等，2019；周海清等，2019；邵勇等，2019），试验时长过短不宜反映出边坡在实际降雨下的真实变化，多数人工降雨试验研究选取的冲刷时长为60~360 min之间，因此本试验全程冲刷180 min，并且用水桶收集模型槽内的冲刷流出物，每15分钟为一组，共计收集12组。收集完成后，抽出雨水并烘干流出物。

2.1 冲刷泥沙产量

冲刷流出物分为两部分，一部分是从模型高槽流出的水土混合物，泥沙含量高，呈浑浊状；另一部分是雨水从坡面向坡内渗流，透过砾石垫层后从低槽中流出的水分，不含泥沙，呈清澈状。因此冲刷泥沙产量仅统计烘干后的高槽流出物。

2.1.1 未加固试样

未加固试样在降雨开始后，表面土体立刻开始流失，先是细颗粒（多为粉粒和粘粒）被冲走，试样表面的砂颗粒逐渐凸显出来。随后砂颗粒受到坡面径流冲刷和雨点打击的联合作用开始随细颗粒一起朝坡下滑落，冲刷结束后，试样表面留下了一层以砂颗粒为主的土体。如图4所示，未加固试样泥沙产量在第一个15 min达到峰值1274.89 g，随后泥沙产量逐步减少，但未见明显的平稳趋势。冲刷180 min后泥沙产量达7648.43 g，占总土样的25.5%，平均每15分钟流出637.37 g崩岗土。

图4 加固前后冲刷泥沙产量对比图Fig. 4 Comparison of effluent matter before and after the treatment

2.1.2 加固试样

在降雨冲刷开始后，由于试样加固后形成了一层碳酸钙防护层，表面土壤未见明显侵蚀，仅有少量松散颗粒被冲走。如图4所示，加固试样冲刷泥沙产量在第一个15 min达到峰值67.47 g；在降雨60 min后，由于试样表面仅剩下被碳酸钙胶结在一起的保护层，冲刷泥沙产量呈现出稳定波动的势态，平均每15 min流出约12.67 g；在75 min左右，坡面产生了两处侵蚀坑，而后发生扩展，保护层被冲走，侵蚀向坡面内部发展，导致冲刷流出物些许增多。180 min后流出物总质量为266.61 g，占总土样的0.887%，平均每15 min流出崩岗土22.22 g。泥沙产量相较于未加固试样减少了96.51%，加固防治效果显著。

2.2 侵蚀深度

2.2.1 加固前试样

降雨开始时，雨滴直接打击土壤表面，土颗粒发生分散、分离、跃迁，产生雨滴溅蚀（郑粉莉等，2003），随着降雨的进行，边坡土壤逐渐吸水饱和，坡面土壤的分散和迁移受到薄层水流的作用，侵蚀量及影响范围相比雨滴溅蚀明显增大，坡面大面积出现内凹的小坑，产生片蚀；而后，坡面在严重侵蚀区以及中度侵蚀区部分位置，出现条状细沟，并且随坡降方向呈阶梯状分布，侵蚀由表面土壤的迁移转而向坡面内发展，严重侵蚀区的细沟不断向下侵蚀，形成较深的V形沟壑，侵蚀深度最高达到60 mm。坡脚堆积区随着冲刷时间增加堆积了大量粗砂颗粒，这主要是因为底部有机玻璃模板（与实际边坡坡脚相似）阻挡了颗粒物质的进一步迁移。边坡后缘由于主要受到雨滴溅蚀作用，侵蚀量较小；而试样中下部除了受到雨滴溅蚀作用以外还受到坡面水流的片蚀作用，生成了细沟，侵蚀量较大。冲刷后用钢尺对全试样范围内进行侵蚀深度测试，为了消除边壁对冲刷结果的影响，本文仅测试了试样中间部位的侵蚀深度、碳酸钙保护层厚度、碳酸钙含量及贯入度。如图5所示，将试样分为横向3个，纵向4个，共12个测区。每个测区取6个点测量侵蚀深度。经测量，试样整体平均侵蚀深度为17.62 mm，最大为60 mm。如图6所示，试样内崩岗土流失明显。

图5 采样点示意图Fig. 5 Distribution of sample points

2.2.2 加固后试样

冲刷试验前60 min，由于碳酸钙护层的防护作用，雨滴溅蚀难以对坡面产生侵蚀破坏，仅有少量未被胶结的表面浮土和砂颗粒被冲走，侵蚀难以进一步扩展和发育。冲刷75 min时，试样左下角的防护层出现2处小型侵蚀坑，其中一处侵蚀坑逐渐向右侧扩展，最终形成一条长度约10 cm的长条状侵蚀坑，侵蚀坑内侵蚀深度约1.5 cm。全程180 min的冲刷试验中，除坡面2处侵蚀坑之外，试样没有明显的表面侵蚀（图6）。根据试验结果可以看出，面流对坡面造成的破坏大于雨滴冲击作用；加固边坡的破坏主要是从加固薄弱点首先开始发生破坏，然后沿加固薄弱区向外扩展。

图6 加固前后冲刷侵蚀深度对比图Fig. 6 Comparison of the erosion depth before and after the treatment

2.3 加固厚度及碳酸钙含量

冲刷后对试样进行取样测试，取样点布置见图5。将土块下部附着的未加固崩岗土刮除，留下被碳酸钙胶结在一起的加固层，用游标卡尺测量其厚度。然后用酸洗法（Ma et al.，2020）测试其中的碳酸钙含量。

由于原状崩岗土中未检测到质量损失，因此上述方法测得的碳酸钙含量即为MICP诱导生成的碳酸钙含量。

如图7所示，加固厚度最厚7.55 mm，最薄3.45 mm，平均5.51 mm。由于喷洒加固溶液时人工控制喷壶以及喷洒后溶液在土壤中的不规则渗流，导致整体上各个测区之间加固厚度分布不均匀。

图7 碳酸钙护层厚度分布图Fig. 7 Contours of carbonate protective cover thickness

碳酸钙含量测试结果如图8所示，碳酸钙含量最高5.46%，最低3.51%。整体上，加固后表层土壤中碳酸钙分布均匀，平均质量分数为4.46%。造成碳酸钙含量差异的主要原因可能是土体局部的级配差异及人工喷洒菌液和反应液不均匀。

2.4 贯入阻力

本文使用苏州赢安杨仪器有限公司生产的WXGR型微型贯入仪对试样表面进行贯入阻力测量。测力计以及测头型号如表1所示，根据《袖珍贯入仪试验规程》（CECS 54：93）（侯石涛等，1994），贯入阻力Pt计算式为：

表1 微型贯入仪参数Table 1 Parameters of the micro penetrometer

式中，Kt为三种测头的贯入仪率定系数，R为贯入仪读数。

2.4.1 加固前试样

在冲刷之前用喷壶对试样表面喷水直至收集槽下方渗出液体，崩岗土处于湿润饱和状态。由于土体表面非常松软，选择20 N测力计以及1.5 cm3圆柱测头进行测试。12个测区共72个测点结果中最小贯入阻力为2 kPa，最大10 kPa，平均4.4 kPa。

2.4.2 加固后试样

加固后试样在降雨冲刷结束后立即进行贯入度测试，试样表面在湿润饱和状态下较为坚硬。72个测点阻力值分布如图9所示。其中最小贯入阻力为8 kPa，最大68 kPa，平均32.30 kPa。贯入阻力均值较加固前提高了7.3倍。

对比贯入阻力（图9）和碳酸钙含量结果（图8）发现，贯入阻力值与碳酸钙含量之间并不是正相关关系。造成这种现象的原因可能是由于边坡模型尺寸较大，制样时不可避免的存在局部干密度和局部级配的差异，导致加固后局部土体强度不同；此外，碳酸钙含量及贯入阻力测点不重合，测点之间通过线性内插法计算得到，可能与测点处实际值存在差异。

图8 碳酸钙含量分布图Fig. 8 Distribution of calcium carbonate content

图9 加固后贯入阻力分布图Fig. 9 Penetration resistance distribution after the MICP treatment

2.5 扫描电镜（SEM）及能谱（EDS）分析

原状崩岗土放大5000倍后如图10a所示。崩岗土中既有薄片状也有针状颗粒，同时夹杂着许多大小在10 μm以下的不规则形状颗粒。不同于砂土颗粒，崩岗土颗粒尺寸更小，颗粒间的空隙也明显更小。加固后的崩岗土放大5000倍后如图10b和c所示，EDS图中红色点代表钙元素分布，与SEM图中方解石晶体分布位置重合。从SEM图中可以看到方解石在成团的土颗粒与土颗粒之间生成了大小10~15 μm左右的有效碳酸钙簇，这些碳酸钙簇将土颗粒胶结形成统一的整体，从而起到抑制冲刷的作用（Xiao et al.，2019）。

图10 扫描电镜图Fig. 10 Scanning electron microscopy images of collapsing hill soil

3 结论

本文采用微生物表面覆膜技术加固崩岗边坡模型，在坡面形成了一层坚硬的防护层，并对边坡进行降雨冲刷试验，验证了MICP技术在崩岗边坡抗冲刷防治中应用的可行性。并得出以下结论：

（1）采用表面喷洒法在崩岗坡面喷洒菌液和反应液，对坡面土体扰动小，形成的一层碳酸钙保护层对坡面的完整性有很好的保护效果，可以减缓坡面侵蚀的产生和扩展。经过时长180 min，雨强为300 mm/h的降雨冲刷，加固后边坡抗雨水冲刷效果显著。

（2）未加固试样在降雨冲刷下产生大量流出物，且随着冲刷时间增加，泥沙产量没有趋于稳定，前15 min泥沙产量达峰值1274.89 g，全程流出物总质量共7648.43 g，占试样的25.5%；加固后试样前15 min冲刷泥沙产量仅67.47 g，并且在60 min后泥沙产量趋于稳定，每15 min流出约12.22 g，全程泥沙产量266.61 g，相比未加固试样减少了96.51%。

（3）经微生物加固后，边坡侵蚀现象得到显著改善。加固前边坡表面侵蚀深度最高可达60 mm，试样整体平均侵蚀深度为17.62 mm；加固后坡面形成一层硬壳，经冲刷试验后，除坡面产生两处侵蚀坑外，侵蚀深度几乎为0 mm。

（4）坡面加固后，形成的硬壳层平均厚度为5.51 mm，且碳酸钙含量分布均匀，平均质量分数为4.46%，贯入阻力平均值为32.30 kPa，较加固前的4.4 kPa提高了7.3倍。

本文研究结果表明MICP技术可用于含有一定细粒的崩岗边坡表面防侵蚀加固。