技术领域：
[0001] 本
发明涉及一种基于微生物矿化修建生态灌渠的现场试验方法，属于
水利工程技术领域。背景技术：
[0002] 灌渠即
灌溉渠道，是指用于引水进行农田灌溉的灌渠。目前灌渠的修建一般采用薄的
混凝土进行衬砌，主要起防渗透、防冲刷等作用。混凝土衬砌的主要原材料之一为
水泥，其生产过程中会消耗较多的
能源，并释放
温室气体，且造成粉尘污染。同时，对于一些田间灌渠而言，在后续的农田改造中常常会涉及灌渠改线，而混凝土材料为硬质衬砌，在改线时会形成建筑垃圾，甚至有可能污染
土壤。因此有必要发展一种绿色可行的生态灌渠修建技术来避免上述问题。
[0003] 微生物矿化(Microbial-Induced Calcite Precipitation，即MICP)是自然界发生的一个生物过程。在土壤基质中引入大量产生尿素酶的微生物和胶结剂后，能发生矿化产生
碳酸
钙。碳酸钙填充在颗粒之中，能降低土的渗透性，增强土的强度和抗冲性，进而达到改善灌渠表面土体工程性质的目的。该类微生物为自然界土壤中天然存在的无害细菌，对土壤、人体健康和环境几乎没有任何影响，因此微生物矿化技术是一种环境友好型的创新技术。
[0004] 目前，微生物矿化技术还处于发展阶段，试验研究多局限在实验室中进行。如前所述，微生物矿化技术能有效改善灌渠表面土体工程性质，但目前该技术并未在实际灌渠工程中得到应用。发明内容：
[0005] 本发明的目的为针对上述问题，通过设计一种用于模拟基于微生物矿化修建生态灌渠的现场试验方法，研究基于微生物矿化修建现场生态灌渠的材料和施工工艺。
[0006] 为了实现上述目的，本发明提出了一种基于微生物矿化修建生态灌渠的现场试验方法，该方法是通过以下技术方案实现的。
[0007] 一种用于模拟基于微生物矿化修建生态灌渠的现场试验方法，所述方法包括：
[0008] 步骤一，用挖掘机在田间现场开挖形成灌渠基面，并用全站仪对灌渠初始断面进行测量。
[0009] 步骤二，用
钢板打入地下，将灌渠分割为相互之间不透水的多个子区域。
[0010] 步骤三，对每个子区域进行不同材料和施工工艺的处理。材料包括不同浓度的巴氏芽孢杆菌菌液、
氯化钙溶液和尿素溶液，及混合溶液。施工工艺包括按特定的时间间隔喷洒上述材料，并喷洒一定次数，最后养护一段时间。
[0011] 步骤四，将每个子区域注满水，然后每隔一定时间读取各子区域的水位变化，计算处理后土体透水性。
[0012] 步骤五，用便携式十字板剪切仪，测试处理后灌渠表面土体的抗剪强度。
[0013] 步骤六，将之前的钢板拔出，采用水
泵对整个灌渠区域进行一定流速的供水，待冲刷一定时间后，用水泵排干灌渠中的积水，然后用全站仪对灌渠断面进行测量，通过断面的变化计算土壤侵蚀量。
[0014] 步骤七，通过对比不同参数和工艺处理后土体的透水性、抗剪强度和抗冲性，确定基于微生物矿化修建生态灌渠的材料及施工工艺。
[0015] 与
现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0016] 1、试验直接在现场进行，没有室内试验存在的尺寸效应问题，所获得的材料和施工工艺参数可直接用于实际生态灌渠的修建；
[0017] 2、应用该方法修建的生态灌渠不需要进行常规的混凝土衬砌，即可达到防渗透，防冲刷的目的，同时对环境友好，无污染；
[0018] 3、应用该方法修建的生态灌渠没有硬质衬砌，在后续的农田改造中不会产生建筑垃圾。
附图说明：
[0019] 图1为本发明提供的基于微生物矿化修建生态灌渠的现场试验方法的
流程图；
[0020] 图2为本发明提供的基于微生物矿化修建生态灌渠的现场试验区域的示意图；
[0021] 图3为试验中灌渠开挖后形成的原状土断面图；
[0022] 图4为试验中经微生物加固后的灌渠断面图。
[0023] 图中：1为钢板，2为灌渠子区域，3为原状土，4为微生物加固后的土体。具体实施方式：
[0024] 为了使本方法的目的、技术方案及优点更加清楚明白，结合附图与
实施例对本发明做进一步说明。应当理解，由于不同的现场环境会造成施工工艺上存在一定差异，因此此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0025] 图1示出了本发明实施例提供的模拟基于微生物矿化修建生态灌渠的现场试验方法得流程，详述如下：
[0026] 在步骤S1中，根据现场开挖形成的灌渠基面实际长度，分割若干段作为子区域，每个子区域约1m长，作为试验工作区域；
[0027] 在步骤S2中，用钢板打入地下，将灌渠分割为相互之间不透水的子区域。
[0028] 图2示出了本发明实施例提供的在现场灌渠中打入钢板后的示意图；图3示出了本发明实施例试验中灌渠开挖后形成的原状土断面图。
[0029] 在步骤S3中，对每个子区域进行不同的材料和施工工艺处理，材料包括不同浓度的巴氏芽孢杆菌菌液、氯化钙溶液和尿素溶液，及相互之间的混合溶液。施工工艺包括按特定的时间间隔喷洒某一上述材料，并喷洒一定次数。各材料具体详述如下：
[0030] 在本发明实施例中，菌液是由菌种在培养液中培养而成。以其中之一优选例作为本发明实施例，菌落的处理方法具体详述如下：
[0031] 将13.0g营养培养基溶解于1升蒸馏水中，营养基包括5.0g蛋白胨、5.0g
氯化钠(NaCl)、2.0g
酵母提取物和1.0g肉类萃取物；随后进行高压灭菌，再使其pH达到7.0；
[0032] 取巴氏芽孢杆菌进行培养，以130转/分钟和37℃的培养
温度在营养培养基中培养巴氏芽孢杆菌；
[0033] 随后，得到浓度为5×107cfu/mL(每mL含5×107活菌数量，即光
密度为1.3)的活菌菌落培养物，即得浓度为5×107cfu/mL的菌液。巴氏芽胞杆菌浓度的测定采用
扩散板法。
[0034] 在本发明实施例中，喷洒氯化钙(CaCl2)溶液是为了提供生成碳酸钙所需的钙离子。此外，特定浓度的氯化钙(CaCl2)溶液可以防止菌落聚集成团，保持菌落在溶液中的均匀性，以其中之一优选例作为本发明实施例，氯化钙溶液的浓度为0.05M，即0.05mol/L。
[0035] 在本发明实施例中，喷洒尿素(CO(NH2)2)溶液是为了在反应中提供必要的化学原料作为反应物，即参与细菌
水解反应，随后得到反应产物碳酸钙(CaCO3)，碳酸钙聚集后便可起到对土体进行加固的作用。反应的化学方程式如下：
[0036]
[0037]
[0038] 菌液、氯化钙溶液和尿素溶液除可以单独喷洒外，还可以相互之间混合形成混合溶液，得到不同的施工材料。在本发明实施例中，其中一个优选的方案为菌液中混合0.05M的氯化钙形成混合溶液A，0.5M的氯化钙和0.5M的尿素形成混合溶液B。随后，对灌渠表面土体进行不同施工工艺的喷洒处理。
[0039] 取其中一种优选的施工工艺进行详述：先用上述混合溶液A进行喷洒，6小时后再喷洒上述混合溶液B，12小时后再喷洒上述混合溶液A，18小时后再喷洒上述混合溶液B，如此往复间隔喷洒共计12次，再养护7天。为避免堵塞表面，使溶液能往深部渗透，使沉淀慢慢发生，要保证每m3土中能产生60kg的CaCO3，因此采用间隔喷洒的方式进行处理，每次喷洒至地表湿润为止。
[0040] 以上所述施工工艺仅为本发明实施例中的其中一种，并不限制本发明的其他施工工艺。由于不同场地的土体工程性质不同，原状土体处理后反应的速率不同，因此对应的喷洒施工工艺也不尽相同。
[0041] 在步骤S4中，待土样经过加固处理完后，将每个子区域注满水，然后每隔一定时间读取各子区域的水位变化，计算处理后土体透水性。
[0042] 图4示出了本发明实施例提供的现场灌渠土样经过微生物加固处理后的剖面图。
[0043] 在步骤S5中，用便携式十字板剪切仪，在每个子区域中随机取5个点，测试处理后土的抗剪强度。
[0044] 在步骤S6中，将之前的钢板拔出，采用水泵对整个灌渠区域进行一定流速的供水，待冲刷一定时间后，再用水泵排干灌渠中的积水，然后用全站仪对灌渠断面进行测量，通过断面的变化计算土壤侵蚀量。土壤侵蚀量的大小决定土体抗冲性的优劣，土壤侵蚀量越大，抗冲性越差。
[0045] 在步骤S7中，通过得到的三类测试结果的对比分析，即对土样透水性、抗冲性及抗剪强度的对比分析，选择对应现场灌渠最优的
微生物处理工艺。
[0046] 本发明实施例与现有技术相比，具有如下有益效果：
[0047] 1、试验直接在现场进行，没有室内试验存在的尺寸效应问题，所获得的材料和施工工艺参数可直接用于生态灌渠的修建；
[0048] 2、应用该方法修建的生态灌渠不需要进行常规的混凝土衬砌，即可达到防渗透，防冲刷的目的，同时对环境友好，无污染；
[0049] 3、应用该方法修建的生态灌渠没有硬质衬砌，在后续的农田改造中不会产生建筑垃圾。
[0050] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
