某退役鈾尾礦庫灘面覆蓋層穩(wěn)固性分析

李玉雷，張 娟

（1．中核第四研究設(shè)計工程有限公司，河北 石家莊050021；2．河北省水利水電第二勘測設(shè)計研究院，河北 石家莊050000）

新疆某鈾礦采冶聯(lián)合企業(yè)始建于1959年，1979年停產(chǎn)關(guān)閉，尾礦庫是鈾礦冶水冶生產(chǎn)的重要配套設(shè)施，灘面面積約2．75萬m2。鈾尾礦庫經(jīng)最終處置后，其表面氡（222Rn）析出率不應(yīng)超過0．74Bq／m2／·s［1］。該尾礦庫灘面退役治理覆蓋前222Rn析出率均值為7．10Bq／m2／·s超出規(guī)定管理限值。為降低鈾尾礦庫內(nèi)貯存的放射性尾礦的輻射危害，有效的抑制和屏蔽各類有害因素，鈾尾礦庫退役治理時，需要對其灘面進(jìn)行覆蓋治理，為保證灘面覆蓋層的長期有效性，覆蓋層應(yīng)有防止風(fēng)蝕、雨蝕等的安全措施。

1 工程概況

該尾礦庫位于準(zhǔn)噶爾盆地西側(cè)、塔額盆地南緣，以低山丘陵、山間谷地、山前沖洪積扇及山澗河流地形為主，地形起伏較大、交錯分布，微地貌形態(tài)發(fā)育。

庫區(qū)屬大陸型中溫帶氣候。常年平均氣溫3．4℃，歷年極端最低氣溫為－33．4℃，歷年極端最高氣溫34．6℃。年平均降水量為278mm，年平均蒸發(fā)量1982mm。區(qū)內(nèi)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)閃NW風(fēng)和WSW風(fēng)，年平均風(fēng)速3．1m／s，最大風(fēng)速34m／s，年大風(fēng)天數(shù)為74d，年霜凍日數(shù)平均為131d。

2 灘面覆蓋層設(shè)計

為了達(dá)到鈾尾礦庫覆蓋治理的目的，可以選用各種有效的材料。國外對黏土、瀝青乳膠、混凝土以及混合材料的研究表明，這些材料都有較好的降氡效果［2］。

考慮輻射防護(hù)最優(yōu)化原則，通過類比本項(xiàng)目所在地與其它鈾礦山的氣象、降水、土壤等資料，根據(jù)覆蓋試驗(yàn)及就地取材的原則，該鈾尾礦庫覆蓋材料選用當(dāng)?shù)貋眇ね?。根?jù)試驗(yàn)結(jié)果，覆土厚度與抑制222Rn析出率的關(guān)系式為式（1）。

式中：X為需要覆蓋的夯實(shí)黏土的厚度，cm；Ji為覆蓋前的222Rn析出率均值，為7．10Bq／m2／·s；J0為222Rn析出率的管理限值，取0．74Bq／m2／·s。

經(jīng)計算，確定尾渣庫灘面的黏土覆蓋厚度為125．5cm，考慮留有適當(dāng)裕度，設(shè)計取覆蓋層厚度為135cm。

尾礦庫灘面退役治理方案為：灘面回填清挖的污染物及鈾尾礦渣并整平壓實(shí)后，在其上鋪設(shè)1．35m后的壓實(shí)黏土，黏土覆蓋層施工時分層碾壓夯實(shí)，壓實(shí)系數(shù)不小于0．95。覆蓋層頂面鋪設(shè)10cm厚的細(xì)卵石（粒徑1～5cm）做為過渡層，然后再鋪設(shè)40cm厚的碎石（粒徑5～15cm）作為防侵蝕保護(hù)層。如圖1所示。

圖1 尾礦庫灘面覆蓋示意圖

3 覆蓋層的穩(wěn)固性分析

鈾尾礦庫退役治理工程實(shí)施后，覆蓋層經(jīng)過長年累月的侵蝕會否減薄，從而影響其屏蔽222Rn的效果，是人們較為擔(dān)心的問題。根據(jù)該尾礦庫及周圍環(huán)境情況，引起覆蓋層侵蝕的種類按外營力性質(zhì)可分為水力侵蝕、風(fēng)力侵蝕、重力侵蝕、凍融侵蝕和生物侵蝕等類型。

3．1 重力侵蝕

重力侵蝕是指巖土體在重力作用下失去平衡而產(chǎn)生的位移和堆積的侵蝕過程。重力侵蝕受多種因素的影響，主要包括斜坡形態(tài)，大氣降水和其它自然因素等。

該尾礦庫區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定，庫區(qū)周圍不存在滑坡、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象，尾礦庫灘面坡度約為1%，坡度平緩，且覆蓋層經(jīng)碾壓夯實(shí)，黏土層壓實(shí)度約為0．95，尾礦庫設(shè)置有完善的防排洪設(shè)施，庫內(nèi)不會長期積水，灘面碎石保護(hù)層可防止灘面沖刷，因此不會出現(xiàn)重力侵蝕破壞。

3．2 凍融侵蝕

凍融侵蝕是指在高寒地區(qū)由于寒凍和熱融作用交替進(jìn)行，使地表土體和松散物質(zhì)蠕動、滑塌和泥流等現(xiàn)象。

由于尾礦庫退役治理后設(shè)置了完善的防排洪設(shè)施，庫內(nèi)不再貯水，尾礦庫灘面長期處于干涸狀態(tài)，覆蓋土層處于低含水量狀態(tài)，同時由于灘面覆蓋土層經(jīng)過碾壓夯實(shí)，其滲透系數(shù)較小，約為10－4cm／s，庫區(qū)年蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于年降雨量，無其它水源補(bǔ)給，因此覆蓋層不會產(chǎn)生凍融侵蝕破壞。

3．3 水力侵蝕

水力侵蝕是指在降雨、地表徑流、地下徑流作用下，土壤、土體或其他地面組成物質(zhì)被破壞、搬運(yùn)和沉積的過程。該尾礦庫在退役治理后灘面長期處于干涸狀態(tài)，雨季洪水徑流通過溢洪道直接排出庫外，因其匯流時間較短，降雨只滲入覆蓋層下幾厘米，從而不能形成穩(wěn)定的滲流場。因此水力侵蝕對覆蓋層產(chǎn)生的影響只可能在降雨地表徑流作用時產(chǎn)生。

3．3．1 不沖流速

與水流接觸的天然地面或人工渠道，在一定的地質(zhì)條件下，應(yīng)限制水流速度不能超過某一限值，以使泥土不致被沖走（即產(chǎn)生沖刷），該水流流速即為不沖流速VP。

在水流作用下，碎石保持穩(wěn)定的不沖流速按式（2）計算［3］。

式中：Vp為不沖流速，m／s；C為石塊運(yùn)動的穩(wěn)定系數(shù)，取0．9；g為重力加速度，9．81m／s2；γg為石塊的重度，取2．65kN／m3；γ為水的重度，取1．0kN／m3；d為碎石的折算直徑，本工程為安全計取0．05m。

經(jīng)計算灘面碎石的不沖流速約為1．15m／s。

3．3．2 實(shí)際集流流速（V實(shí)）的估算

尾礦庫退役治理后灘面覆蓋層設(shè)計控制坡度約為1%，降雨過程中，雨水徑流沿碎石覆蓋層表面流動，匯聚至溢洪道排至庫外。由于覆蓋層表面集流為不均勻流，水流非常淺，又無規(guī)則的幾何斷面，因此將地表徑流設(shè)想為一個相當(dāng)寬，非常淺的水流斷面。按明渠均勻流的基本公式（式（3））近似估算覆蓋層表面可能產(chǎn)生的徑流流速［4］。

式中：V為水流速度，m／s；R為水力半徑；n為糙率，取0．035；i為底坡，取0．01。

根據(jù)水文計算結(jié)果，當(dāng)該鈾尾礦庫遭遇千年一遇暴雨時，灘面最大徑流深約為0．05m，假定水面寬30m，則有式（4）。

式中：R為水力半徑；b為水面寬度，取30m；h為水深，取0．05m。由式（3）計算得至徑流流速為：V實(shí)＝0．387m／s。

上述計算結(jié)果表明，該尾礦庫灘面用壓實(shí)黏土及碎石覆蓋后，地表破度較緩，糙率較大，降雨表面的集流速度V實(shí)＜VP，不會產(chǎn)生沖刷破壞，因此，尾礦庫灘面在校核頻率暴雨洪水情況下，其抗水力侵蝕穩(wěn)定性是有保障的。

3．4 風(fēng)力侵蝕

風(fēng)力侵蝕是指在氣流沖擊作用下，土粒、砂粒或巖石碎屑脫離地表，被搬運(yùn)和堆積的過程。風(fēng)蝕的強(qiáng)度受風(fēng)力強(qiáng)弱、地表狀況、粒徑和相對密度大小等綜合因素的影響。

該鈾尾礦庫在地區(qū)氣候干燥少雨，區(qū)內(nèi)年平均風(fēng)速3．1m／s，最大風(fēng)速30m／s，在覆蓋黏土裸露的情況下，將會因風(fēng)蝕而造成覆蓋黏土的減薄，且易造成庫內(nèi)塵土飛揚(yáng)。常用的風(fēng)蝕防治措施包括利用工程材料固定、保護(hù)地表，如采用植物防護(hù)、設(shè)置沙障、采用粗顆粒材料壓蓋等措施防止和減免風(fēng)蝕。

該尾礦庫灘面鋪設(shè)的砂卵石及碎石層，可有效增大地表粗糙度，降低風(fēng)速，同時阻止氣流對覆蓋黏土的直接作用，防止氣流對覆蓋黏土的吹蝕和磨蝕，達(dá)到了固定覆蓋黏土層的作用。因此尾礦灘面黏土覆蓋層不會發(fā)生因風(fēng)蝕而逐漸減薄的現(xiàn)象。

3．5 生物侵蝕

生物侵蝕指動植物在生命過程中引起的土顆粒遷移的一系列現(xiàn)象。同時人類不合理的利用自然資源和經(jīng)濟(jì)開發(fā)也會造成土壤的侵蝕。

由于庫區(qū)氣候條件惡劣，降雨稀少，植被生長困難，且黏土層灘面覆蓋了50cm厚的砂卵石及碎石，起到了生物阻隔的作用，因此不會發(fā)生植物根系伸入覆蓋土層內(nèi)從而影響覆蓋層的屏蔽效果。

由于在鈾礦水冶工藝的過程中，加入了一些化學(xué)制劑，使尾礦渣產(chǎn)生一種特殊的味道。根據(jù)過去多個尾渣庫幾十年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，鈾尾礦渣庫內(nèi)不會形成鼠洞等影響覆蓋層穩(wěn)定的因素。

鈾尾礦庫退役治理覆蓋后，灘面無土壤裸露，不適宜種植作物、放牧等，且長期監(jiān)護(hù)，能有效減少危害覆蓋層安全的人為活動，并可及時對對受損的區(qū)域進(jìn)行修復(fù)。因此尾礦庫灘面覆蓋層在抵御生物侵蝕方面可以得到有限保障。

4 結(jié)論

1）該尾礦灘面平緩，庫區(qū)工程地質(zhì)條件較好，氣候干燥少雨，且覆蓋黏土滲透較低，因些覆蓋層不會發(fā)生重力及凍融侵蝕。

2）鈾尾礦庫退役治理后，庫內(nèi)灘面全部用黏土材料及碎石覆蓋，水力分析表明，覆蓋層防沖流速大于遭遇千年一遇暴雨時灘面徑流集流速度，且該區(qū)域干燥少雨，灘面長期干涸狀態(tài)，覆蓋層不會因水流沖刷而發(fā)生侵蝕。

3）尾礦庫灘面鋪設(shè)的砂卵石及碎石層，達(dá)到了固定覆蓋黏土層的作用，可防止氣流對覆蓋黏土的吹蝕和磨蝕。保證黏土覆蓋層不會發(fā)生因風(fēng)蝕而逐漸減薄。

4）鈾尾礦庫退役治理后，將有專人長期監(jiān)護(hù)，覆蓋層有較好的抵抗自然災(zāi)害的能力，在無特殊事件發(fā)生的情況下，可以長期保持工程的穩(wěn)固性。

該尾礦庫退役治理工作于2007年底竣工，根據(jù)退役治理后監(jiān)測結(jié)果，其表面222Rn析出率均值降至0．15Bq／m2／·s，滿足相關(guān)規(guī)定限值要求，其覆蓋層穩(wěn)定性有效，未發(fā)生侵蝕破壞，達(dá)到了的抑制和屏蔽222Rn的目的。

［1］ GB14586－1993鈾礦冶設(shè)施退役環(huán)境管理技術(shù)規(guī)定［S］．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1993．

［2］ 潘英杰．淺談國外鈾尾礦庫的退役治理［J］．鈾礦冶，1998，17（2）：102－110．

［3］ GB50286－2013堤防工程設(shè)計規(guī)范［S］．北京：中國計劃出版社，2013．

［4］ 李煒．水力計算手冊 ［M］．第二版．北京：中國水利水電出版社，2006：34．