非饱和土体中微生物封堵机理研究

More recently, research in understanding the involvement of microorganisms in near surface soils and rocks and their participation in mediating and facilitating most geochemical reactions has been studied by many researchers. This research is to study the biological clogging of unsaturated soil and the water flow in unsaturated soil with bioclogging by experimental and numerical methods. First, experimental studies have been carried out to analyse the factors that influence the effect of bioclogging, which including the soil types, biomass, the amount of nutrition etc. The micro structure of soil will be observed using scanning electron microscopes after bioclogging. Then the conceptual modes to simulate the bioclogging in unsaturated soil will be developed using the obtained from the experiments. Finally, a two-dimensional unsaturated flow and transport model including microbial growth and decay is to be developed to simulate water flow in unsaturated soil with bioclogging. This project will facilitate the understanding of dealing with the seepage for underground structures using more environmental friendly methods and will provide a promising future.

目前国内外很多学者开展了利用岩土体表层的微生物来修复或改良岩土体性质的研究，并取得了较好的研究成果。本课题致力于通过试验和数值模拟相结合的手段来研究非饱和土体中的微生物封堵机理。首先通过土柱的渗透试验来分析不同因素（包括土体类型，微生物数量，营养液浓度及注入速率等）对微生物封堵效果的影响，并结合电子显微镜观察微生物封堵前后土体的微观结构的改变。接着，基于渗透试验和微观结构结果，提出一套微生物封堵过程的理论模型，建立封堵效果与微生物量等变量之间的关系式。最后，提出一套考虑生物场-渗透场耦合的二维有限元模型，来模拟微生物封堵对非饱和土体渗流的影响。本课题的研究成果对利用微生物封堵来处理地下结构的防渗问题起到了很好的指导作用，可望绿色环保的解决地下结构物的防渗防漏问题，具有良好的应用前景。

地下结构的渗漏问题一直是岩土工程领域亟待解决的问题，微生物封堵技术是一种较为新型的高效环保的防渗堵漏方法。本项目通过室内试验和数值模拟研究了非饱和土体中微生物封堵机理。首先，通过对温度、pH值等影响因素分析，确定了最适于巴氏芽孢杆菌的生长条件以及培养基选择。结果表明巴氏芽孢杆菌适用于碱性条件和高温，在低温条件下活性低。其次，通过开展室内砂柱试验，分别研究了基于微生物膜的封堵和基于微生物诱导碳酸钙沉淀的封堵。基于微生物膜的封堵采用灌注马铃薯液的方式，结果发现土体渗透系数迅速下降，但马铃薯液极易在入口处形成封堵，且其封堵效果随时间增加逐渐降低。对基于微生物诱导碳酸钙沉淀的封堵试验开展了详细研究，分析了不同营养液浓度以及土颗粒粒径和级配对土体渗透性能的影响。营养液浓度在1mol/L时渗透系数下降最多，同时颗粒过细或过粗对渗透系数影响均较小。最后，利用有限元软件对微生物封堵进行了数值模拟分析，通过数值模型计算了不同初始菌液分布、营养液浓度、营养液传输速率和分布灌浆次数等因素的影响。结果表明，结果表明微生物初始分布、初始孔隙比、灌浆速度和次数对均对最终碳酸钙含量影响很大，胶结液浓度对最终碳酸钙量影响最小。最有效的灌浆方式为菌液和胶结液反向分步灌浆，胶结液浓度为1~1.5 mol/L，采用较高的灌浆速度。