一种深层盐渍土中微生物矿化阻隔层构筑设备及作业方法

技术领域

本发明涉及岩土与环境工程及微生物矿化技术领域，具体涉及一种深层盐渍土中微生物矿化阻隔层构筑设备及作业方法。

背景技术

通过设置盐分阻隔层能够实现盐碱地表层土壤盐分淡化，其原理是通过在地下铺设炉灰渣、碎石屑、锯末、秸秆、砂石、土工材料和沥青胶砂、泥炭、沸石、陶粒、蛭石等材料，这些材料可以切断土壤毛管，阻止底层土壤含盐潜水上行，减轻盐分表聚，进而使得表层的土壤保持较低的盐分。此法可保证在降雨和灌溉后，将阻隔层上方的土壤盐分随水分淋洗至深层土壤，在蒸发过程中，延缓或阻止地下水和深层土壤中的盐分蒸发至上层土壤中聚集，从而降低根区的土壤盐分，保证作物和植物的正常生长。此技术中使用的阻隔层材料主要是作物秸秆砂石填料等，但秸秆等生物有机物质如果不经发酵直接使用，容易造成烧苗或与作物争夺氮素导致作物营养亏缺，从而影响作物生长。并且施工时需要将阻隔层上方的土层挖出，再进行阻隔层的布设作业，待阻隔层布设完毕再将上部土层回填，施工过程费时费力，虽然原材料十分经济，但人工机具所需费用并不低，不适宜大面积推广。

近年出现了通过微生物矿化形成阻隔层的技术，其原理是利用自然界中的相应细菌新陈代谢物与自然界游离的金属阳离子结合生成胶凝晶体，胶凝晶体矿化形成阻隔层，阻隔水盐运移，在土壤表层形成有利于植物生长的浅层低盐渍土。论文《一种从土壤中筛选出并应用于基于MICP粘结技术的细砂固结的高效菌株》（A highly effective strainscreened from soil and applied in cementing fine sand based on MICP-bondingtechnology）（生物技术杂志、2022年5月20日、第55-66页）中公开的微生物菌种即可用于形成阻隔层。但是形成微生物矿化阻隔层的施工方法仍然是先掀开土层喷洒微生物浆液后再覆土回填，在施工上仍然存在较大缺陷。而盐渍土多为粉质粘土，渗透性极差，浆液难以入渗到一定深度，固化层达不到强度及渗透性要求。因此出现了如WO2021027463A1中公开的装置，能够用于向土层深部施撒物料。但是上述装置的单次注浆范围小，要么采用密排方式进行作业，要么通过人工进行逐一注浆进行作业，作业难度大且较为繁琐，无法满足阻隔层的各种要求。本发明提供一种深层盐渍土中微生物矿化阻隔层构筑设备及作业方法解决上述问题。

发明内容

本发明提供一种深层盐渍土中微生物矿化阻隔层构筑设备及作业方法，通过快速作业形成均匀、连续且完整的矿化阻隔层，并且作业效率高且阻隔层成型质量好。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种深层盐渍土中微生物矿化阻隔层构筑设备，包括犁架、播种机、注浆系统和注浆刀头，所述犁架的上部位于地面上，下部位于土体中，所述播种机设在犁架的中部，其底部位于土体表层，所述注浆刀头位于犁架的尾部，位于土体深层，所述注浆刀头的水平高度低于播种机的水平高度，所述注浆系统包括浆液罐、注浆管和喷管，所述浆液罐设在犁架上，所述喷管设在注浆刀头中，所述喷管通过注浆管与浆液罐连接。

进一步地，所述注浆刀头包括连接架和刀头，所述刀头通过连接架固定连接在犁架上，所述刀头上设有注浆腔，所述注浆腔设在刀头的后侧，且开口朝后，所述喷管位于注浆腔中。

进一步地，所述浆液罐包括罐体、加压器和压力表，所述罐体设在犁架上，所述加压器和压力表连接在罐体的顶部，所述注浆管连接在罐体的底部。

进一步地，所述喷管平行设置在注浆腔中，所述喷管上设有喷孔，所述喷孔间隔设置在喷管的后侧，并朝向注浆腔的开口方向；所述注浆管上设有阀门。

进一步地，所述播种机包括安装机架、种肥箱和开沟器，所述种肥箱设在安装机架上，所述开沟器设在种肥箱下方；所述安装机架包括调节竖框和水平框座，所述调节竖框成对设置在犁架上，所述水平框座设在调节竖框之间，所述种肥箱设在水平框座中。

进一步地，所述调节竖框上间隔设有调节孔，所述调节孔中设有螺栓，所述调节竖框通过螺栓连接在犁架上，所述水平框座通过螺栓连接在调节竖框上。

进一步地，所述犁架包括对接架、斜架和放置架，所述对接架与拖拉机连接，所述斜架通过螺栓连接在对接架上，所述播种机设在斜架中部，所述注浆刀头设在斜架尾部，所述放置架设在斜架之间，所述浆液罐设在放置架中。

进一步地，所述斜架向下倾斜设置，所述斜架上设有通槽，所述注浆管设在通槽中。

进一步地，所述刀头的截面为三角型，所述注浆腔的截面为V型结构。

一种深层盐渍土中微生物矿化阻隔层构筑设备的作业方法，包括以下步骤，

S1，对待进行矿化阻隔层施工的土地进行平整；

S2，将设备与拖拉机进行连接，调整注浆刀头的安装高度及角度，启动拖拉机前行进行调试作业，将注浆刀头压入土体中并达到20-40cm的深度；

S3，关闭拖拉机，在注浆系统中注入菌液和胶结液；

S4，启动拖拉机，对注浆系统进行加压，压力值为0.5-0.8MPa，拖拉机前行并打开注浆系统上的阀门，随着拖拉机的前行进行底层的矿化阻隔层的注浆作业；

S5，底层的矿化阻隔层注浆完成后，将注浆刀头的高度向上调整3-5cm，启动拖拉机前行进行调试作业，将注浆刀头压入土体中，使得注浆刀头的高度高于底层的矿化阻隔层3-5cm，然后按照S3-S4 的操作进行表层的矿化阻隔层的注浆作业；

S6，根据土体土质及成分的不同，按照S5的操作进行1-2次表层的矿化阻隔层的注浆作业，最终形成10-15cm厚度的矿化阻隔层；

S7，矿化阻隔层注浆完成后，在播种机中放置种子及肥料，调整播种机的高度，启动拖拉机前行进行调试作业，将播种机压入土体1-2cm的深度，拖拉机前行进行播种作业；

S8，全部作业完成后，取样进行阻隔层的矿化性能验证。

本发明有益效果如下：

农机设备配合注浆系统及注浆刀头的进行协同作业，实现了免开挖进行微生物注浆的作业施工，降低作业难度及繁琐程度，提高了作业效率；

通过深入地下的注浆刀头直接在地下进行微生物注浆作业，配合对注浆系统和行进参数进行控制形成均匀、连续且完整的矿化阻隔层，适用于大面积盐渍土地阻隔层的作业；

注浆刀头能够根据需要深入地下不同深度，在不同深度进行阻隔层作业，解决了浆液渗透性较差的问题，形成的矿化阻隔层的厚度符合要求并且整体性好且均匀一致；

配合播种机实现了在形成阻隔层的同时能够在土体表层播撒盐生牧草类植物，实现地下阻隔层与地上植物播种同时进行，降低作业工序并且减少对土体的影响。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的整体结构侧视示意图；

图3为本发明的犁架结构示意图；

图4为本发明的播种机结构示意图；

图5为本发明的注浆系统结构示意图；

图6为本发明的喷管设置状态结构示意图；

图7为本发明的喷管位置侧视示意图；

图8为本发明的注浆刀头结构示意图；

图9为本发明的刀头结构侧视示意图。

附图标记：1-犁架，11-对接架，12-斜架，2-播种机，21-安装机架，211-调节竖框，212-水平框座，3-注浆系统，31-浆液罐，311-罐体，312-加压器，32-注浆管，33-喷管，4-注浆刀头，41-刀头，42-注浆腔。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1、2所示，一种深层盐渍土中微生物矿化阻隔层构筑设备，适用于大面积的粉质盐渍土的矿化阻隔层施工，由于粉质盐渍土渗透性较差，无论是传统的开挖处理方式还是使用气压装置在土体中进行深层注浆的处理方式均无法保证浆液能够渗透至要求厚度，进而导致形成的矿化阻隔层难以达到阻隔盐分运移的效果，本发明的构筑设备包括犁架1、播种机2、注浆系统3和注浆刀头4，所述犁架1连接在拖拉机上，随拖拉机一同运动，并作为其余构件的安装架，犁架1的上部露出地面，下部位于土体中，所述播种机2设在犁架1的中部，用于在土地表层播撒盐生牧草类植物的种子，其底部的开沟器伸入土体表层，所述注浆刀头4位于犁架1的尾部，用于在土体中形成空腔，实现浆液注入，整体位于土体深层，所述注浆刀头4的水平高度低于播种机2的水平高度，所述注浆系统3包括浆液罐31、注浆管32和喷管33，所述浆液罐31设在犁架1上，用于存储菌液和胶结液组成的浆液，所述喷管33设在注浆刀头4中，用于喷出浆液，所述喷管33通过注浆管32与浆液罐31连接。

本发明的具体实现原理，构筑设备连接在四轮拖拉机上，拖拉机在前行时，拖动构筑设备一同前行，前行时注浆刀头4能够根据需要深入土体的要求深度，并在土体中形成空腔，同时注浆系统3根据设定参数将菌液以及胶结液组成的浆液由注浆刀头4中的喷管33喷出，喷洒在注浆刀头4形成的土体空腔中，在注浆刀头4经过后，上方的土体覆盖空腔，浆液进行扩散渗透，然后形成矿化阻隔层；在注浆的同时，能够通过播种机2在土地表层播撒盐生牧草类植物的种子，实现地下阻隔层与地上植物播种同时进行，省时省力。

如图1、7、8、9所示，进一步地，所述注浆刀头4包括连接架和刀头41，所述刀头41通过连接架固定连接在犁架1上，用于在土体中形成空腔，实现浆液注入，并且在浆液注入后上方的土体直接对浆液进行覆盖，实现浆液向周围渗透形成矿化阻隔层；连接架通过螺栓固定连接在犁架1上，在进行注浆刀头4高度的调整时，先调整犁架1和拖拉机的连接角度，再通过改变连接架与犁架1的连接角度，实现注浆刀头4与犁架1连接角度的调节，通过上述调节的配合实现注浆刀头4处于土体内不同高度；所述刀头41上设有注浆腔42，用于安装喷管33，所述注浆腔42设在刀头41的后侧，且开口朝后，注浆刀头4在行进时，在其尾部形成空腔，喷管33向后喷出浆液到空腔中，然后土体覆盖形成均匀的浆液层，然后矿化形成阻隔层，所述喷管33位于注浆腔42中。

如图1、5所示，进一步地，所述浆液罐31包括罐体311、加压器312和压力表，所述罐体311设在犁架1上，所述加压器312和压力表连接在罐体311的顶部，加压器312用于对罐体311进行加压，根据注浆量的不同施加不同的压力，压力表用于显示具体压力值，所述注浆管32连接在罐体311的底部。

如图6、7所示，进一步地，所述注浆腔42平行于刀头41后端面设置，所述喷管33平行于注浆腔42设置，喷管33分别与注浆管32连接，所述喷管33上设有喷孔，所述喷孔间隔设置在喷管33的后侧，并朝向注浆腔42的开口方向；所述注浆管32上设有阀门，在进行注浆时打开阀门，不需要注浆时关闭阀门。

进一步地，所述注浆系统3设置两套，每套包括一个浆液罐31、一条注浆管32和一根喷管33，两根喷管33平行并上下错位设置在注浆腔42中，两条注浆管32分别设置在斜架12的两条边上，并分别与两根喷管33连接。

优选的，所述喷管33通过三通与注浆管32连接。

如图4所示，进一步地，所述播种机2包括安装机架21、种肥箱和开沟器，所述种肥箱设在安装机架21上，所述开沟器设在种肥箱下方；所述安装机架21包括调节竖框211和水平框座212，所述调节竖框211成对设置在犁架1上，所述水平框座212设在调节竖框211之间，所述种肥箱设在水平框座212中。

如图4所示，进一步地，所述调节竖框211上设有调节孔，所述调节孔成对设置，并上下间隔设置，所述调节竖框211通过螺栓连接在斜架12上，所述水平框座212通过螺栓连接在调节竖框211上，通过调整螺栓在调节孔中的位置，进而调整调节竖框211在斜架12上的安装高度，以及水平框座212在调节竖框211上的安装高度。

如图3所示，进一步地，所述犁架1包括对接架11、斜架12和放置架，所述对接架11与拖拉机连接，所述对接架11上间隔设置安装孔，所述斜架12通过设在安装孔中的螺栓连接在对接架11上，通过调节螺栓在安装孔中的位置，实现对斜架12的高度调节，所述播种机2设在斜架12中部，所述注浆刀头4设在斜架12尾部，所述放置架设在斜架12之间，所述浆液罐31设在放置架中，位于地面上方。

进一步地，所述斜架12向下倾斜设置，所述斜架12上设有通槽，所述注浆管32设在通槽中，设置对注浆管32进行放置以及保护，避免因土体阻碍导致注浆管32脱落或断裂。

进一步地，所述刀头41的截面为直角三角型，前侧夹角为7.59°，刀头41的底面水平设置，后端面竖向设置，所述注浆腔42的截面为上下对称设置的V型结构，夹角为11°。

矿化阻隔层进行作业时，有两种作业模式，一种是一次注浆成型， 另一种是多次注浆成型。

一次注浆成型就是在使用构筑设备进行作业时，一次喷洒预设用量的浆液到对应土层中，并且播种机也同步进行播种作业，即一次完成足量注浆及播种作业。此类方法能够一次完成作业，节省人力物力，施工效率高且对土体破坏较小，但是由于一次注浆量较大且浆液罐31储浆量有限，导致单次施工区域较小，需要频繁补浆，补浆前后形成的矿化阻隔层无法有效连接形成整体，盐分能够从区域阻隔层之间的间隙中蒸发至上层土壤聚集，导致阻隔效果较差，并且虽然单次注浆量较大，但是粉质盐渍土渗透性较差，无法保证浆液能够均匀扩散并形成厚度、均匀性、完整性均满足要求的阻隔层，无法保证形成的阻隔层满足阻隔要求。

一次注浆成型适用于零星散布分小面积土体的作业施工，单次注浆即可满足土地面积的要求。进行作业时，浆液罐31内加压1-1.5MPa，一分钟处理12㎡的土地，单次注浆量为每平米注浆5L，浆液经过渗透能够形成厚度为10cm的矿化阻隔层。

本发明的作业方法为多次注浆成型，采用从下而上的多次注浆的方式，先成型最下方的矿化阻隔层，形成一层连续的矿化阻隔层后，向上提升注浆深度，再次成型矿化阻隔层，进行3-5次注浆作业形成厚度符合要求的矿化阻隔层，最终形成的矿化阻隔层单层连续、均匀且完整，单次注浆时对渗透性要求较低，并且上下多层之间能够相互渗透形成一体式的多层矿化阻隔层，对阻止盐分蒸发聚集效果较好；相较于一次注浆成型的作业方式，多次注浆成型的作业方法降低了浆液罐31内的压力，进而降低了单次注浆量，单次成型厚度为3-5cm的矿化阻隔层，行进速度为单次注浆行进速度的5倍，一分钟能够处理100-150㎡的土地，单次注浆时浆液罐31的储浆量能够满足面积为一亩的土体注浆。

一种深层盐渍土中微生物矿化阻隔层构筑设备的作业方法为多次注浆成型，包括以下步骤，

S1，对待进行矿化阻隔层施工的土地进行平整；

S2，将设备与拖拉机进行连接，调整注浆刀头4的安装高度及角度，启动拖拉机前行进行调试作业，将注浆刀头4压入土体中并达到30cm的深度，即矿化阻隔层的深度为30cm；

S3，关闭拖拉机，在注浆系统3中注入菌液和胶结液形成混合浆液，浆液中菌液和胶结液按照1：2配比；

S4，启动拖拉机，对注浆系统3进行加压，压力值为0.6MPa，拖拉机前行并打开注浆系统3上的阀门，随着拖拉机的前行进行底层的矿化阻隔层的注浆作业；

S5，底层的矿化阻隔层注浆完成后，将注浆刀头4的高度向上调整3cm，由于粉质盐渍土渗透性较差，单次注浆后，浆液向四周渗透形成3cm左右的矿化阻隔层，浆液的主要渗透方向向下，将注浆刀头4调高3cm再次注浆后，浆液渗透后与上一次注浆形成的矿化阻隔层能够相互渗透连接为一体；启动拖拉机前行进行调试作业，将注浆刀头4压入土体中，使得注浆刀头4的高度高于底层的矿化阻隔层3cm，然后按照S3-S4 的操作进行表层的矿化阻隔层的注浆作业；

S6，根据土体土质及成分的不同，按照S5的操作进行1-2次表层的矿化阻隔层的注浆作业，最终形成10cm厚度的矿化阻隔层；

S7，矿化阻隔层注浆完成后，在播种机2中放置种子及肥料，调整播种机2的高度，启动拖拉机前行进行调试作业，将播种机2压入土体1cm的深度，将牧草种子播种在深度1cm的土体中，拖拉机前行进行播种作业；

S8，全部作业完成后，取样进行阻隔层的矿化性能验证。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。