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摘要：本文采用浸泡法研究微生物作用对裂隙材料渗透性能的影响，分别在0.2MPa，0.4MPa和0.6MPa的水压下测试10d，20d，30d时裂隙处渗水量和渗水系数的变化。试验发现微生物作用可以明显降低试样单位裂隙体积内的渗水量和渗透系数，而且随着微生物作用时间延长，降低幅度逐渐增大;水压不同，下降幅度也不同，裂隙岩石的渗透系数下降约 35%-56%。而且渗透系数下降率和水压呈现较好的线性相关关系。
关键词：浸泡法，微生物，渗水量，渗透系数。
天然岩体中都存在着大量的相互贯通或者不连续的裂隙，当裂隙岩石处于地下水/油等介质中，由于介质中含有大量的微生物，他们在生长、代谢和繁殖的过程中产生一些中间产物，随同固体颗粒在裂隙中沉积，造成材料裂隙的堵塞，进而对材料的渗透性产生影响。因此研究介质中的微生物对材料裂隙的填充规律及其对渗透性的影响规律具有重要意义。利用微生物诱导碳酸钙沉积填充材料裂隙是一种新型的技术方法。本文选用球形芽孢杆菌对岩石的裂隙进行填充，研究微生物填充对裂隙材料的渗透性影响。
1.试验原材料
1.1 岩石
取三块现场获取的裂隙岩石试样分别标记为 T1，T2，T3。裂隙岩石的天然密度和干密度均为2.51kg/m3。
岩石吸水率是单位体积岩石在大气压下吸收水的质量与岩石干质量之比，经试验计算，岩石的吸水率分别在0.16%-0.27%范围内。
1.2 微生物
球形芽孢杆菌适应新环境的能力较强，细菌数量繁殖增长较快，因此选择选作菌种进行填充试验。
1.3 蒸馏水，乙酸钙
2.试验方法
2.1岩石裂隙的表征
将现场的岩石样切割成圆柱形试样，尺寸为 Φ50×100mm 。将上下两端磨平，置于压力机上沿着中轴线劈开，得到自然劈裂的岩石裂缝，劈裂后的岩石样裂缝宽度平均为 1mm 左右（上下方劈裂垫条的位置裂缝在 3mm 左右），共 12 个样。
2.2 试验方法
球形芽孢杆菌放入蒸馏水培养基中，培养时间为12h。将裂隙岩石试样浸泡在含有所选微生物种类（球形芽孢杆菌）的沉积培养基中，并添加150.0mmol/L 的乙酸钙。分别浸泡10d，20d，30d，观察沉积物沉积现象，分别测试试件在培养液中作用 10 d、20 d以及30 d后的渗水量。按照达西定律计算渗透系数，计算式如下
3.试验结果与分析
将岩石试样浸泡于培养液中，24h 后发现培养液中发出刺鼻的氨味，并且产生大量的沉淀物。试验时发现这种浸泡方法中部分沉积物会沉积在培养基的底部。
3.1微生物作用对裂缝渗水量的影响
将裂隙岩石试样放入菌液和营养液中浸泡，利用细菌诱导碳酸钙沉积性能对岩石裂隙进行填充作用，分别在细菌作用10 天、20 天和 30 天后测试巖石样的渗水量，根据达西定律计算其渗透系数。试验中发现随着水压的升高，试样单位裂隙体积内的渗水量快速增加。细菌作用前，水压为 0.2MPa 时，单位裂隙体积内的渗水量为 12g/min，当水压升至 0.6MPa 时，渗水量也随之升高140g/min 左右。利用细菌作用对岩石裂隙进行填充后，岩样单位裂隙体积的渗水量减小，而且细菌作用的时间越长，同一水压下岩样的渗水量越小。图1为试样单位裂隙体积内的渗水量随细菌填充时间的变化关系曲线。从图中可以看出，同一水压条件下，试样单位裂隙体积内的渗水量随着细菌填充时间的延长而逐渐降低，而且水压不同，渗水量下降幅度也不同。当水压为 0.2MPa时，细菌诱导碳酸钙填充裂隙 30 天后，岩样单位裂隙体积内的渗水量下降约 56%;当水压增加至 0.6MPa 时，单位裂隙体积内的渗水量下降仅为 44%。
3.2 微生物作用对渗水系数的影响
细菌作用前后岩样的渗透系数随着细菌作用时间的变化关系如图 2所示。 从图中可以看出，同一水压条件下，随着细菌作用天数的增加，裂隙岩石的渗透系数逐渐下降。细菌作用30天后，裂隙岩石的渗透系数下降趋于稳定。水压为 0.2MPa 时，裂隙岩石的渗透系数下降约 56%;水压增加为 0.4MPa时，裂隙岩石渗透系数下降约为 40%左右;当水压继续增至 0.6MPa 时，其渗透系数下降约为 35%。 由于细菌诱导碳酸钙沉积作用，逐渐对试样的裂缝进行填充，因而阻碍了渗透试样中水的流动，导致其渗透系数减小。
图 3为细菌作用30d后岩样的渗透系数随水压的变化关系曲线，从图中可以看出，随着水压的增加，试样的渗透系数逐渐增加。在细菌作用前，水压从 0.2MPa 升至 0.6MPa 时，裂隙岩样的渗透系数从 5.68×10-7m/s 增加到 1.87×10-6m/s，增加了约两倍。利用细菌作用填充岩石裂隙后，裂隙岩石的渗透系数降低，而且细菌作用时间越长，裂隙岩石的渗透系数越小。细菌作用填充岩石裂隙 30 天后，岩石的渗透系数下降约 45%左右。由于细菌诱导碳酸钙沉积，一些沉积物填充在试样裂隙中，导致其渗透系数下降;试验发现沉积的碳酸钙在裂缝中与基体之间具有一定的粘结强度，随着水压的增加，部分沉积物会在水的冲击作用下与基体的粘结作用降低，甚至被冲离原有部位，使其渗透系数下降缓慢。
3.3 渗透系数与水压的关系
图4是裂隙岩石在细菌作用30天后渗透系数的下降率与水压的关系，从图中可以看出，随着水压的增加，试样渗透系数下降率均呈现出下降的趋势，当裂隙中的水压增大时，由于裂隙表面的粗糙度不同，导致岩石裂隙中碳酸钙沉积物在水 流的冲刷下部分剥离表面，进而会使其渗透系数下降速度变慢。
利用函数 y=ax+b 进行线性拟合，发现其呈现较好的线性相关关系，二者的拟合方程为：Y=-50.5X+62.07
4.结论
试验发现，微生物作用可以明显降低试样单位裂隙体积内的渗水量和渗透系数，而且随着微生物作用时间延长，降低幅度逐渐增大;水压不同，下降幅度也不同，裂隙岩石的渗透系数下降约 35%-56%。同时发现渗透系数下降率和水压呈现较好的线性相关关系。
另外发现这种浸泡方法中部分沉积物会沉积在培养基的底部，因此需要进一步探索其他试验方法，进一步提高微生物对裂缝的填充效果。
作者简介：田曼丽（1989年-），女，江苏徐州人，讲师，主要研究BIM技术应用和材料学
基金项目：校级科研项目《微生物对裂隙材料渗透性能的影响》，项目编号：CJKJ202005
关键词：浸泡法，微生物，渗水量，渗透系数。
天然岩体中都存在着大量的相互贯通或者不连续的裂隙，当裂隙岩石处于地下水/油等介质中，由于介质中含有大量的微生物，他们在生长、代谢和繁殖的过程中产生一些中间产物，随同固体颗粒在裂隙中沉积，造成材料裂隙的堵塞，进而对材料的渗透性产生影响。因此研究介质中的微生物对材料裂隙的填充规律及其对渗透性的影响规律具有重要意义。利用微生物诱导碳酸钙沉积填充材料裂隙是一种新型的技术方法。本文选用球形芽孢杆菌对岩石的裂隙进行填充，研究微生物填充对裂隙材料的渗透性影响。
1.试验原材料
1.1 岩石
取三块现场获取的裂隙岩石试样分别标记为 T1，T2，T3。裂隙岩石的天然密度和干密度均为2.51kg/m3。
岩石吸水率是单位体积岩石在大气压下吸收水的质量与岩石干质量之比，经试验计算，岩石的吸水率分别在0.16%-0.27%范围内。
1.2 微生物
球形芽孢杆菌适应新环境的能力较强，细菌数量繁殖增长较快，因此选择选作菌种进行填充试验。
1.3 蒸馏水，乙酸钙
2.试验方法
2.1岩石裂隙的表征
将现场的岩石样切割成圆柱形试样，尺寸为 Φ50×100mm 。将上下两端磨平，置于压力机上沿着中轴线劈开，得到自然劈裂的岩石裂缝，劈裂后的岩石样裂缝宽度平均为 1mm 左右（上下方劈裂垫条的位置裂缝在 3mm 左右），共 12 个样。
2.2 试验方法
球形芽孢杆菌放入蒸馏水培养基中，培养时间为12h。将裂隙岩石试样浸泡在含有所选微生物种类（球形芽孢杆菌）的沉积培养基中，并添加150.0mmol/L 的乙酸钙。分别浸泡10d，20d，30d，观察沉积物沉积现象，分别测试试件在培养液中作用 10 d、20 d以及30 d后的渗水量。按照达西定律计算渗透系数，计算式如下
3.试验结果与分析
将岩石试样浸泡于培养液中，24h 后发现培养液中发出刺鼻的氨味，并且产生大量的沉淀物。试验时发现这种浸泡方法中部分沉积物会沉积在培养基的底部。
3.1微生物作用对裂缝渗水量的影响
将裂隙岩石试样放入菌液和营养液中浸泡，利用细菌诱导碳酸钙沉积性能对岩石裂隙进行填充作用，分别在细菌作用10 天、20 天和 30 天后测试巖石样的渗水量，根据达西定律计算其渗透系数。试验中发现随着水压的升高，试样单位裂隙体积内的渗水量快速增加。细菌作用前，水压为 0.2MPa 时，单位裂隙体积内的渗水量为 12g/min，当水压升至 0.6MPa 时，渗水量也随之升高140g/min 左右。利用细菌作用对岩石裂隙进行填充后，岩样单位裂隙体积的渗水量减小，而且细菌作用的时间越长，同一水压下岩样的渗水量越小。图1为试样单位裂隙体积内的渗水量随细菌填充时间的变化关系曲线。从图中可以看出，同一水压条件下，试样单位裂隙体积内的渗水量随着细菌填充时间的延长而逐渐降低，而且水压不同，渗水量下降幅度也不同。当水压为 0.2MPa时，细菌诱导碳酸钙填充裂隙 30 天后，岩样单位裂隙体积内的渗水量下降约 56%;当水压增加至 0.6MPa 时，单位裂隙体积内的渗水量下降仅为 44%。
3.2 微生物作用对渗水系数的影响
细菌作用前后岩样的渗透系数随着细菌作用时间的变化关系如图 2所示。 从图中可以看出，同一水压条件下，随着细菌作用天数的增加，裂隙岩石的渗透系数逐渐下降。细菌作用30天后，裂隙岩石的渗透系数下降趋于稳定。水压为 0.2MPa 时，裂隙岩石的渗透系数下降约 56%;水压增加为 0.4MPa时，裂隙岩石渗透系数下降约为 40%左右;当水压继续增至 0.6MPa 时，其渗透系数下降约为 35%。 由于细菌诱导碳酸钙沉积作用，逐渐对试样的裂缝进行填充，因而阻碍了渗透试样中水的流动，导致其渗透系数减小。
图 3为细菌作用30d后岩样的渗透系数随水压的变化关系曲线，从图中可以看出，随着水压的增加，试样的渗透系数逐渐增加。在细菌作用前，水压从 0.2MPa 升至 0.6MPa 时，裂隙岩样的渗透系数从 5.68×10-7m/s 增加到 1.87×10-6m/s，增加了约两倍。利用细菌作用填充岩石裂隙后，裂隙岩石的渗透系数降低，而且细菌作用时间越长，裂隙岩石的渗透系数越小。细菌作用填充岩石裂隙 30 天后，岩石的渗透系数下降约 45%左右。由于细菌诱导碳酸钙沉积，一些沉积物填充在试样裂隙中，导致其渗透系数下降;试验发现沉积的碳酸钙在裂缝中与基体之间具有一定的粘结强度，随着水压的增加，部分沉积物会在水的冲击作用下与基体的粘结作用降低，甚至被冲离原有部位，使其渗透系数下降缓慢。
3.3 渗透系数与水压的关系
图4是裂隙岩石在细菌作用30天后渗透系数的下降率与水压的关系，从图中可以看出，随着水压的增加，试样渗透系数下降率均呈现出下降的趋势，当裂隙中的水压增大时，由于裂隙表面的粗糙度不同，导致岩石裂隙中碳酸钙沉积物在水 流的冲刷下部分剥离表面，进而会使其渗透系数下降速度变慢。
利用函数 y=ax+b 进行线性拟合，发现其呈现较好的线性相关关系，二者的拟合方程为：Y=-50.5X+62.07
4.结论
试验发现，微生物作用可以明显降低试样单位裂隙体积内的渗水量和渗透系数，而且随着微生物作用时间延长，降低幅度逐渐增大;水压不同，下降幅度也不同，裂隙岩石的渗透系数下降约 35%-56%。同时发现渗透系数下降率和水压呈现较好的线性相关关系。
另外发现这种浸泡方法中部分沉积物会沉积在培养基的底部，因此需要进一步探索其他试验方法，进一步提高微生物对裂缝的填充效果。
作者简介：田曼丽（1989年-），女，江苏徐州人，讲师，主要研究BIM技术应用和材料学
基金项目：校级科研项目《微生物对裂隙材料渗透性能的影响》，项目编号：CJKJ202005