一种泥沙基生态护坡结构和精准调控滴渗灌系统及施工方法

本发明涉及生态护坡治理工程，主要涉及一种泥沙基生态护坡结构和精准调控滴渗灌系统及施工方法。

背景技术：

1、砂土是指土壤颗粒组成中砂粒含量较高的土壤，具有保水保肥能力较差、抗剪强度低和抗侵蚀能力差等典型特点。目前对于砂土边坡我国常用的防护技术主要有：铁丝网防护、喷射混凝土防护和土工格栅防护等，其中喷射混凝土防护因效果好、施工便利、成本低廉成为最优的选择，但混凝土会导致边坡土壤贫瘠化、生物多样性降低等生态问题，对环境的污染是难以恢复的，不符合绿色发展的理念。

2、随着人们环保意识的增强，研究经济环保、减污降碳、低能耗高效率的新工艺、新技术、新材料等新型生态护坡技术则备受关注。近年来，微生物诱导碳酸钙沉淀（microbially induced carbonate precipitation，简称 micp）是一种新兴的土体加固技术，具有技术机理简单、效率高、易掌控且环境耐受性好等优点，但利用micp技术进行生态护坡还存在着一些缺点：在注入菌液时，溶液会被土壤过滤，导致细菌浓度沿着注入路径呈线性下降，同时菌液向四周扩散的浓度也逐渐减弱，另外在胶结液注入后，细菌与胶结液发生矿化并形成堆积，导致流向深层土体和向四周扩散的胶结液逐渐减少。因此，随着深度的增加，生成碳酸钙的分布呈线性减少，在平面上，靠近注浆口的土体生成的碳酸钙更多，导致碳酸钙在土层中的空间分布出现不均匀现象。现有研究中，micp技术主要使用压力注浆法和表面入渗法向土体提供菌液和胶结液。然而，这些方法难以解决土体中碳酸钙不均匀分布的问题，且需要耗费大量人力成本。此外，在材料注入过程中，人为因素可能导致液体的不必要损耗。因此，为了更广泛地推广micp生态护坡技术应用到工程实践，急需开发一种新型的边坡生态修复和加固方法，并配备合理的操作系统。

技术实现思路

1、为解决上述技术上的问题，本发明提供一种泥沙基生态护坡结构和精准调控滴渗灌系统及施工方法，能有效加固边坡使其保持长期稳定性，同时兼顾边坡的生态修复，提高边坡植被覆盖率，并提供适用于该方法实施的滴渗灌系统，使其水分-肥力-强度一体化达到精准调控。

2、为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种泥沙基生态护坡结构，包括泥沙基生态护坡基材层，所述泥沙基生态护坡基材层包括位于边坡里层的micp改良底层，所述micp改良底层的表层设置有micp改良中层，所述micp改良中层的表层设置有micp改良表层。

3、所述micp改良底层由组分85%-90%的砂土、8%-10%的生物炭和2%-5%的有机肥组成，厚度为4-7cm；所述micp改良中层由组分80%-85%的砂土、5%-7%的生物炭和10%-15%有机肥组成，厚度为4-7cm；所述micp改良表层由组分75%-80%的砂土、2%-4%的生物炭和16%-23%的有机肥组成，并拌合植物种子，厚度为2-3cm。所述“%”为质量百分数，所述各组分的百分数之和为100%。

4、所述生物炭选用100-400目木质活性炭，选用农业废弃物作为原材料，按照国家标准以氯化锌法加工生产而成。

5、所述有机肥是利用当地生活污水、人畜粪便、农作物秸秆的有机物作为原料，在沼气池内厌氧发酵产生固液混合残留物，将残留物固液分离后，取其固体残留物进行槽式好氧发酵形成有机肥，其各种养分含量分别为：有机质30%-50%，腐殖酸10%-20%，全氮0.8%-2.0%，全磷0.4%-1.2%，全钾0.6%-2.0%，所述“%”为质量百分数。

6、一种泥沙基生态护坡结构的精准调控滴渗灌系统，所述滴渗灌系统用于对所述的泥沙基生态护坡结构进行滴渗灌，包括菌液蓄水箱、胶结液蓄水箱、肥水蓄水箱、水泵、输出液体控制阀、主控制阀门、若干次控制阀门、吸水管、滴渗灌管、主水管和若干可伸缩支水管构成；所述吸水管进水口分别连通菌液蓄水箱、胶结液蓄水箱和肥水蓄水箱，出水口通过输出液体控制阀交汇成单条管道连接水泵，所述输出液体控制阀能够控制水泵抽取不同水箱中的液体；

7、所述主水管一端连接水泵的出水口，另一端通过主控制阀门和若干次控制阀门分别与各个可伸缩支水管相连。

8、菌液蓄水箱的内部盛放微生物菌液，微生物菌液由菌液培养基和细菌组成，菌液培养基和细菌按照8:1比例接种组成；所述菌液培养基由tris盐酸盐缓冲液、硫酸铵和酵母提取物与纯水混合，使用盐酸调节溶液ph至9.0，所述细菌菌种为产脲酶菌；

9、所述菌液培养基进行高温灭菌后均匀混合并接种细菌，然后混合溶液置于水浴摇床以转速150 r/min~200 r/min恒温培养得到所述微生物菌液。

10、胶结液蓄水箱内部储存胶结液，胶结液由1mol/l等摩尔比例的尿素和无水氯化钙溶于去离子水中，经过搅拌均匀混合而成。

11、微生物菌液滴渗灌配比量为每1m3砂土注入350-400l微生物菌液滴和450-500l的胶结液。

12、所述水泵为无负压变频泵；

13、所述主控制阀门能够控制水泵向管道输送液体的开关；所述次控制阀门能够控制主水管液体输送往两边水管的开关；

14、所述可伸缩支水管包括软管主体和螺纹接头，所述软管主体能够伸长到3-4倍长度，易弯曲，所述螺纹接头用于连接主水管和滴渗灌管；

15、所述滴渗灌管一端连通可伸缩支水管，另一端插入土体，插入土体部分在micp改良表层和micp改良中层界面、micp改良中层和micp改良底层界面上设置渗水孔，未插入土体部分在管壁孔口上连接长为3-4倍孔径的短管，所述渗水孔和短管口处设有滤网；

16、所述产脲酶菌选用巴氏芽孢八叠球菌或球形芽孢杆菌；

17、所述植物种是根据当地的环境和气候选择合适的种子。

18、一种泥沙基生态护坡结构的精准调控滴渗灌系统的施工方法，包括以下步骤：

19、步骤1，按照当地砂土的最优含水率和最大压实度拌合生物炭与有机肥后铺设待处理的micp改良底层；

20、步骤2，在底层坡面上喷洒适量的水，待坡面湿润后铺设待处理的micp改良中层；

21、步骤3，在中层坡面上喷洒适量的水，待坡面湿润后铺设待处理的micp改良表层；

22、步骤4，在泥沙基生态护坡基材层上搭建滴渗灌系统中的管道，将可伸缩支水管缩小到最短距离，滴渗灌管以垂直于坡面的角度插入基材层中；

23、步骤5，将配制好的微生物菌液、胶结液和清水存在各自蓄水箱中，控制输出液体控制阀连通菌液蓄水箱与水泵，打开水泵并调节流速进行滴渗灌；

24、步骤6，微生物菌液灌溉完成后等待一段时间，控制输出液体控制阀连通肥水蓄水箱与水泵，打开水泵并调节少量清水以一定流速冲刷管道，带走附着于管壁的多余微生物菌液，通过滴渗灌系统进入土体；

25、步骤7，控制输出液体控制阀连通胶结液蓄水箱与水泵，打开水泵并调节以一定流速进行滴渗灌，胶结液灌溉完成后养护一段时间；

26、步骤8，边坡进行现场监测，对灌溉效果和碳酸钙生成效果不佳的区域，选择拔出靠近这些区域的滴渗灌管，通过伸缩支水管的特征，调节滴渗灌管到合适的位置以垂直于坡面的角度插入基材层中，重复步骤5至步骤7，直到泥沙基生态护坡基材层的灌溉效果和碳酸钙生成效果在平面上达到较均匀状态；

27、步骤9，将液体肥储存于肥水蓄水箱，控制输出液体控制阀连通肥水蓄水箱与水泵，通过滴渗灌系统为后续的植被生长提供足够的养分和水分。

28、本发明有如下有益效果：

29、1、本发明中通过在砂土中添加生物炭和微生物诱导碳酸钙沉淀过程，可以增加碳酸钙的产量。生物炭具有丰富的电荷和官能团，以及发达的微孔结构，可以有效吸附养分和负载微生物。这种协同作用有助于提高碳酸钙的生成效率。

30、2、本发明中泥沙基生态护坡基材层既能加固边坡，增强边坡稳定性和抗侵蚀性，又能固持砂土里的养分。其中，利用生物炭负载微生物的特性，通过调节修复层表、中、底三层依次递增的生物炭含量，可以实现对菌液注入后因土壤过滤所导致的细菌浓度沿注入路径线性下降的中和效果，避免因为碳酸钙的不均匀分布而导致土体结构的不稳定。与此同时，利用生物炭对养分的吸附特性，减少养分在砂土上的流失，增加其固持能力。

31、3、本发明中泥沙基生态护坡基材层在深度上平衡养分需求和力学需求。随着深度增加，基材层中砂土依次递增，而有机肥含量依次递减。因此，micp改良底层相对密实，力学性能更优；micp改良表层相对疏松，更有利于植物的发芽和生长；micp改良中层居中，从而实现了土体随着深度增加对力学性能需求的提高和植物对养分需求的降低。

32、4、本发明中滴渗灌系统管道布置层利用伸缩支水管可以调整滴渗灌管的插入位置，实现精准控制。通过将菌液和胶结液均匀输送到泥沙基生态护坡基材层，使得生成的碳酸钙在基材层平面上达到均匀分布。

33、5、本发明中采用的滴渗灌管实现了滴灌和渗灌一体化的灌溉方式。插入土体的管体渗水孔用于micp改良中层和micp改良底层的渗灌，未插入土体部分则以管嘴出流的方式为micp改良表层滴灌。这种设计有效避免了菌液从基材表面入渗时因土壤过滤而导致的浓度下降，以及胶结液从基材表面入渗时优先与表层的菌液发生矿化，导致孔隙缩小甚至堵塞，进而减少输送到中层和底层的液体量。这样，泥沙基生态护坡基材层中的三层改良层均能获得相同浓度的菌液和同等含量的胶结液。