微生物加固技术在坝基裂隙岩防渗加固中的应用

王威

（辽宁兴硕水利工程有限公司，辽宁新民 110300）

0 引言

由于长期的地质作用和风化作用的影响，自然岩体中往往存在节理裂隙等缺陷，这不仅会影响到岩体结构的稳定性，也会主导地下水的运移方向，从而对大坝建设造成一定的不利影响。在大坝坝基处理工程中，为了控制渗漏作用，需要对裂隙岩体进行固结灌浆，其原理是在岩体的裂隙或孔隙中注入某些能固化的浆液，从而形成具有良好化学稳定性、防腐蚀性和高强度的结石体[1]。在当前的坝基注浆加固中，主要采用无机和有机化学注浆材料。其中，无机注浆材料主要是水泥浆，偏碱性，因此会对地下水造成一定的不良影响；有机注浆材料的主要缺陷是存在毒性，不符合环保要求[2]。

在自然界中存在一些微生物，能够通过自身的代谢活动产生多种矿物结晶，因此一些微生物学家利用巴氏芽孢杆菌、反硝化细菌等一些特定的微生物，通过提供富含钙离子的营养盐，快速析出具有良好胶结作用的碳酸盐结晶，从而达到防渗加固的目标[3]。在当前的研究中，以巴氏芽孢杆菌为生物载体的尿素水解微生物加固技术具有较强的环境适应性，在岩土工程领域具有广泛的应用价值[4]。基于此，此次研究通过工程现场试验的方式，探讨该技术在坝基裂隙岩防渗加固中的应用价值和效果。

1 现场试验设计

1.1 工程背景

三道岭水库是辽宁省营口市周家镇境内的一座小（1）型水利工程[5]，由于工程设计建设标准低且长期运行，亟待进行除险加固。鉴于原大坝失去加固价值，因此在原坝址下游100 m处新建大坝。新建坝址部位的上层岩体为白垩纪砂岩和砾岩，表面风化比较严重，下部的弱风化岩体裂隙发育，渗漏作用比较明显，需要进行加固处理。

1.2 选择试验渠段

微生物加固技术属于一项新型防渗加固技术，目前尚没有成熟的理论和实践经验借鉴和支持，而影响防渗加固质量的因素较多且不易掌握，因此，需要在室内试验的基础上，通过工程现场试验的方式，验证其工程有效性，以便为其在坝基防渗加固中推广应用提供必要的支持[6]。基于此，此次研究中选择三道岭水库新建大坝桩号坝1+010～1+030 m部位进行现场试验，试验段总长为20 m。在现场试验过程中，与坝轴线等距设置2排灌浆试验孔，并按照3个次序进行注浆试验[7]。

1.3 注浆工艺与材料

在此次现场试验中，采用的是自上而下、灌浆孔口封闭的注浆试验方式[8]。由于此次选择的注浆防渗加固试验段的长度有限，因此，施工区域十分集中，需要将试验中的各种设备和材料均配置在距离施工段10 m的平台上。注浆施工的具体工艺流程按照SL 620-2014《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》中的相关要求，并结合试验现场的具体特点。设计流程：定位放线→钻机就位→基岩清水→取芯钻进→下设阻尼器→裂隙冲洗→压水试验→注浆→第n段灌浆→水泥浆封孔。

此次注浆试验采用的是液体培养基培养的巴氏芽孢杆菌，培养环境为40 g/L的尿素溶液，转速为180 r/min，培养时间为72 h。在培养过程中，该菌可以为水解尿素提供脲酶，还可以为碳酸钙沉积提供必要的核点。注浆试验中的固定液为0.5 mol/L的氯化钙溶液。在注浆过程中，首先向注浆孔内注入固定液，然后再注入细菌液，之后静置12 h，再进入下一循环的注浆作业。

2 注浆防渗加固效果及评价

2.1 效果检测方法

目前，对坝基防渗注浆效果评价的方法主要有压水试验、钻孔取芯及钻孔弹性模量测试等。为了对试验段微生物加固技术注浆防渗加固效果进行综合性评价，此次试验中采用多种有效手段，对各个阶段灌浆后的加固效果进行检测。

此次注浆防渗加固的主要目的是加固补强，提高坝基的防渗效果，因此，渗透性透水率是重要的评价指标，同时简便、易行，具有广泛的应用价值。此次试验研究中，在试验段布置4个压水试验孔。在压水试验中的压水压力设置为灌浆压力的80%，压水时间为20 min，试验中每5 min测读一次压入流量，并计算出透水率；现场钻孔弹模测试是检查岩体变形参数的重要原位测量方式，此次研究中选用BJ-90A钻孔弹模计进行试验；除了上述两种方法之外，此次监测还使用检查孔取芯的方式进行芯样的室内力学试验，对注浆体的坚固性和完整性进行评价。

2.2 检查结果与分析

1）压水试验

压水试验包括注浆防渗加固前和注浆防渗加固后的透水率，经过对压水试验数据的统计计算，获得如表1所示的透水率试验结果。由表1的数据可以看出，试验段岩体在微生物注浆材料注浆防渗加固前的透水率均值为9.01 Lu，在注浆加固完成之后的透水率为1.46 Lu。由此可见，在注浆加固完成之后，试验段岩体的透水率大幅下降，较注浆加固前下降了约83.8%。由此可见，在防渗注浆加固之后，试验区岩体内的贯通性裂隙已经基本为结石体填充和胶结，岩体的完整性得到显著提升，取得了良好的防渗加固效果。

表1 透水率试验结果

2）钻孔弹模

在注浆前后分别对W1孔进行钻孔弹模测试，结果如表2所示。由表2的试验结果可以看出，在大多数情况下，岩体在荷载作用下初始变形呈现出线性增加的变化特点，之后，随着荷载的逐渐升高，变形呈现出减速特征，变形模量相对较大。从深度与弹性模量的关系来看，弹性模量随着深度的变化相对较大，而数据相对比较离散，这不仅和局部岩性有关，还和岩体的各向异性有关，从不同的压力段试验结果来看，弹性模型随着压力的增大总体呈现出增大的趋势。从注浆前后的试验结果对比来看，注浆完成后沿钻孔方向的变形模量分布的波动性明显减小，整体水平也明显偏低，这说明注浆试验区的岩体连续性得到了显著提升。

表2 钻孔弹模测试结果

2.3 芯样试验

试验区注浆之后成为一个整体，其坚固性也将明显提高，也就是强度通过注浆之后获得增加。试验中通过对注浆前后岩体进行3组芯样的强度试验对比，根据试验结果对注浆效果进行评价。其中，芯样试件的抗压强度值试验结果如表3所示。由表3中的结果可以看出，经过注浆加固之后，岩体芯样的抗压强度得到大幅提升，说明灌浆后的岩体已经连成一个整体，其坚固性明显提高。另一方面，对坝基加固而言，在注浆加固之后芯样的整体抗压强度已经达到4.00 MPa以上，完全可以满足大坝建设和施工的实际需求。

表3 抗压强度试验结果MPa

3 结语

随着生物科技的迅速发展，原位微生物加固技术可以获得良好的加固效果，具有十分广泛的工程应用价值。此次研究以具体的工程为例，利用现场试验的方式，探讨和验证了微生物加固技术在坝基裂隙岩防渗加固中的应用。现场试验结果显示，经过微生物防渗加固处理之后，坝基岩体的整体性、连续性和坚固性得到了显著提高，具有良好的工程应用价值。当然，受技术成熟度等因素的影响，目前采用微生物加固裂隙岩坝基的成本仍旧偏高，需要通过今后的研究，获取更为经济的技术手段。