某鈾尾渣庫退役治理覆蓋系統(tǒng)設(shè)計

胡良才，郭大平，李哲輝，李玉雷，張 寧

(中核第四研究設(shè)計工程有限公司，河北 石家莊 050021)

鈾尾礦(渣)庫貯存了大量鈾礦山選冶產(chǎn)生的尾礦(渣)，其對周邊環(huán)境及公眾健康的潛在危害主要包括析出氡及其子體、γ輻射、揚塵、污染水體[1-2]。在鈾尾礦(渣)庫退役治理過程中，需要在灘面鋪設(shè)覆蓋系統(tǒng)，以降低氡析出率及γ輻射劑量率，抑制尾渣揚塵，保護(hù)周邊環(huán)境及公眾健康。

針對鈾尾礦(渣)庫覆蓋系統(tǒng)已有諸多研究，國外學(xué)者在鈾尾礦庫覆蓋系統(tǒng)長期穩(wěn)定性方面的研究成果較多[3-6]，國內(nèi)學(xué)者在覆蓋材料選擇、覆土厚度優(yōu)化等方面進(jìn)行了諸多卓有成效的研究。謝騰飛等分析了覆土層壓實度對降氡效果的影響，研究了覆蓋層土工參數(shù)與覆蓋厚度之間的關(guān)系[7-8]。戴劍勇等研究認(rèn)為鈾尾礦氡析出率與覆蓋材料孔隙度及擴(kuò)散系數(shù)成正比，與覆蓋材料厚度成反比[9]。班改革等采用數(shù)值模擬軟件COMSOL模擬分析了覆蓋黏土層中氡濃度分布隨時間變化的規(guī)律[10]。黃帥等采用數(shù)值模擬方法分析了鈾尾礦庫灘面析出氡在覆土層中的豎向運移及分布特性[11]。李旭彤結(jié)合某鈾尾礦庫特性，提出了一種確定覆蓋土層厚度的輻射防護(hù)最優(yōu)化分析方法[12]。譚凱旋等針對華南某鈾尾礦庫，研究了不同覆蓋材料的降氡效果，認(rèn)為應(yīng)綜合考慮降氡效果、經(jīng)濟(jì)成本、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)等，以確定合理的覆蓋材料[13]。

筆者在總結(jié)分析國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，以遼寧省某鈾尾渣庫為研究對象，結(jié)合項目實際，提出了該鈾尾渣庫多層覆蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式設(shè)計。

1 尾渣庫概況

1.1 尾渣庫建設(shè)使用情況

尾渣庫作為礦山生產(chǎn)的重要配套工程，主要用來貯存礦山生產(chǎn)期間排出的全部尾渣和尾渣庫滲水處理系統(tǒng)產(chǎn)生的濾渣。該鈾尾渣庫由攔渣壩、尾渣堆積壩、排洪設(shè)施和壩體滲水收集設(shè)施等組成，攔渣壩高17 m，壩頂標(biāo)高407 m，壩頂寬3 m，上游壩坡1.0∶1.8，下游壩坡1.0∶2.0，上下游壩坡均采用干砌塊石護(hù)坡。尾渣庫于1996年建成并投入使用，有效庫容為6.4×105m3，使用期間進(jìn)行過多次加固整治，目前尾渣庫正在進(jìn)行退役治理工作。

1.2 尾渣庫輻射環(huán)境現(xiàn)狀

據(jù)監(jiān)測，尾渣庫灘面氡析出率為1.81～4.11 Bq/(m2·s)，均值為3.14 Bq/(m2·s)，高于管理限值；尾渣庫放射性總活度約為7.03×1014Bq；灘面的γ輻射劑量率為(26.6～1 015.6)×10-8Gy/h，均值為153.7×10-8Gy/h，高于場地本底值。

1.3 覆蓋治理目標(biāo)

根據(jù)《鈾礦冶輻射防護(hù)和輻射環(huán)境保護(hù)規(guī)定》(GB 23727—2009)[14]，確定該鈾尾渣庫退役覆蓋治理目標(biāo)為尾渣庫灘面經(jīng)退役、關(guān)閉和環(huán)境整治后，其表面氡析出率不大于0.74 Bq/(m2·s)。

2 常見覆蓋系統(tǒng)

覆蓋系統(tǒng)通常包括防侵蝕層、防生物侵?jǐn)_層、防滲層、氡屏蔽層等，選用的覆蓋材料一般包括天然材料(巖石、黏土等)、人工材料(塑料、瀝青、土壤及混凝土的混合物等)和水。為改善覆蓋性能，增強抗侵蝕和抗生物侵?jǐn)_的能力，通常采用2種或2種以上材料進(jìn)行組合[15-16]。隨著人們對鈾尾渣庫覆蓋系統(tǒng)研究的逐步深入，覆蓋系統(tǒng)設(shè)計也經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜的過程[17]。

2.1 早期覆蓋系統(tǒng)

早期的覆蓋系統(tǒng)主要關(guān)注氡屏蔽效果及長期穩(wěn)定性，一般由3層組成，由上至下依次為碎石層、墊層及排水層(粗砂)和氡屏蔽層(壓實黏土)，如圖1所示。

膠質(zhì)瘢痕抑制了神經(jīng)元軸突的再生，但是，抑制膠質(zhì)瘢痕形成是否就能促進(jìn)神經(jīng)元軸突的生長？一些專家[14]利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)清除SCI后活化的AS，結(jié)果卻發(fā)生嚴(yán)重的脫髓鞘反應(yīng)、繼發(fā)性損傷，以及少突膠質(zhì)細(xì)胞死亡。分析原因可能是SCI初期，損傷局部發(fā)生過度的炎癥反應(yīng)，并產(chǎn)生大量毒性氨基酸、自由基和氮氧化物等，繼而出現(xiàn)繼發(fā)性神經(jīng)損傷。這一階段膠質(zhì)瘢痕對維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定、隔離損傷刺激及調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)均發(fā)揮關(guān)鍵作用，但之后卻成為神經(jīng)修復(fù)的障礙。因此，能否找到合適的干預(yù)時間，最大限度地發(fā)揮膠質(zhì)瘢痕的有利作用顯得尤為重要。

頂部碎石層用于防止底部黏土層及尾渣遭受侵蝕，保證1 000年內(nèi)有效。粗砂層作為碎石層的墊層及排水層。氡屏蔽層主要起降低氡析出率的作用。

圖1 新墨西哥州Shiprock尾渣庫(早期)覆蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 低滲透性覆蓋系統(tǒng)

隨著人們對鈾尾渣庫污染地下水的進(jìn)一步認(rèn)識，覆蓋系統(tǒng)設(shè)計的焦點集中于如何設(shè)計低滲透性黏土層，進(jìn)而增強氡屏蔽效果，同時減少降雨入滲。低滲透性覆蓋系統(tǒng)由上至下通常包括碎石層、墊層及排水層(粗砂)、防凍層、排水層(粗砂)、氡屏蔽層(壓實黏土)，如圖2所示。

頂部碎石層保護(hù)覆蓋系統(tǒng)及尾渣，避免其遭受侵蝕，滿足耐久性要求。碎石層下部設(shè)置粗砂組成的墊層及排水層。防凍層起防凍及存儲滲水的作用，該層厚度應(yīng)大于最大凍土深度。當(dāng)大氣降水未通過上部排水層直接排出覆蓋系統(tǒng)時，亦滲入至防凍層。當(dāng)滲水量超過其存儲能力時，多余的雨水滲入下部排水層，排出覆蓋系統(tǒng)。氡屏蔽層(壓實黏土，上部30 cm拌合膨潤土)主要起降低氡析出率的作用。覆蓋系統(tǒng)上部生長有植被后，存儲在防凍層中的水還可通過蒸騰作用排出覆蓋系統(tǒng)。

圖2 科羅拉多州Estes Gulch尾渣庫(低滲透性)覆蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 生態(tài)覆蓋系統(tǒng)

隨著研究的深入，人們逐漸認(rèn)識到，如果缺少常規(guī)維護(hù)，尾渣庫覆蓋系統(tǒng)上部難免會自然生長出植被。如何合理利用植被，成為關(guān)注的熱點，由此提出生態(tài)覆蓋系統(tǒng)的概念。生態(tài)覆蓋系統(tǒng)由上至下一般為表土層、防凍層、防生物侵?jǐn)_層、細(xì)粒土層、土工布、毛細(xì)阻滯層、柔性膜、氡屏蔽層(壓實黏土層)，如圖3所示。

覆蓋系統(tǒng)上部生長的植被，可通過蒸發(fā)及蒸騰作用，將土層中含有的水分返回到大氣中，從而使土層保持非飽和狀態(tài)。植被及有機落葉層還可以減小降雨勢能，減緩水流速度，固定土壤顆粒，過濾徑流中的泥沙，增大滲透量，降低表面風(fēng)速。表土層上部混合砂卵石，可控制風(fēng)蝕、水蝕;同時增強蒸發(fā)蒸騰作用，對植物棲息及水-土平衡影響也很小。防凍層厚度應(yīng)大于當(dāng)?shù)刈畲髢鐾辽疃?，以防止覆蓋系統(tǒng)下部結(jié)構(gòu)遭受凍融破壞。防生物侵?jǐn)_層用于防止植物根系及嚙齒動物的破壞，土層中松散攤鋪的卵石，可以有效防止嚙齒動物打洞。毛細(xì)阻滯層由砂及卵石組成，用于限制水向下流動，同時還可以提高表土的儲水能力。柔性膜起到減少降雨入滲的作用。氡屏蔽層為壓實黏土層，主要起降低氡析出率的作用。

圖3 猶他州Monticello尾渣庫(生態(tài))覆蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 覆蓋系統(tǒng)設(shè)計

覆蓋系統(tǒng)的設(shè)計步驟一般包括選擇覆蓋材料、進(jìn)行覆土降氡試驗以及確定合理的覆蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式。《核工業(yè)鈾水冶廠尾礦庫、尾渣庫安全設(shè)計規(guī)范》(GB 50520—2009)[18]要求，“退役尾礦庫的尾礦壩及灘面應(yīng)進(jìn)行覆蓋治理。采用的材料應(yīng)就地取材，覆蓋層應(yīng)有防止風(fēng)蝕、雨蝕的安全措施。” 同時，選用的覆蓋材料及厚度還應(yīng)滿足降低氡析出率的要求。

3.1 覆蓋材料選擇

覆蓋黏土的質(zhì)量對覆蓋效果有較大的影響，應(yīng)盡量選擇孔隙率小、氡擴(kuò)散系數(shù)小、氡滲透性差的土壤，以達(dá)到較好的氡屏蔽效果。根據(jù)輻射防護(hù)最優(yōu)化原則，考慮恢復(fù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的需要，選用距尾渣庫較近，取土、運輸方便的當(dāng)?shù)胤圪|(zhì)黏土作為覆蓋材料。經(jīng)過前期調(diào)查，該土源地氡析出率為0.053 Bq/(m2·s)，γ輻射劑量率為(11～13)×10-8Gy/h，均值為12×10-8Gy/h，其他有害金屬元素含量均較低。土壤最佳含水率為15.2%，最大干密度為1.78 g/cm3，壓實后滲透系數(shù)為2.8×10-5cm/s。

3.2 覆土降氡試驗

采用覆土實測法，進(jìn)行覆土降氡試驗，確定合理的鈾尾渣庫覆蓋土層厚度，覆土降氡試驗由核工業(yè)北京化工冶金研究院完成[19]。

3.2.1.1 試驗場地及時間

黏土中氡的擴(kuò)散系數(shù)為(1～3)×10-6m2/s，經(jīng)計算，氡在覆蓋黏土層中的擴(kuò)散長度為1.2～2.0 m，選擇試驗場地尺寸為15 m×15 m，滿足“試驗場地的長和寬應(yīng)大于氡在覆蓋土層內(nèi)擴(kuò)散長度的5倍”的要求[20]。試驗前，清除并妥善處理試驗區(qū)內(nèi)的樹根、雜草、垃圾、淤泥、腐植土等，平整試驗場地，保證場地坡度小于5°，高差小于15 cm。試驗場地需靜置5 d，以確保地表尾渣物性平穩(wěn)。

考慮天氣因素對氡析出率的影響，試驗應(yīng)選擇晴好天氣進(jìn)行，以避免氣壓、降水等帶來的測量偏差。試驗時間選擇當(dāng)?shù)貧夂蜻m宜的5-6月。

3.2.1.2 測量儀器和方法

使用ERM3421型數(shù)字γ輻射儀，測量γ輻射劑量率，測量時探頭距地面約1 m。采用積累法，使用美國Durridge公司生產(chǎn)的RAD7型測氡儀，測量氡析出率。所用儀器設(shè)備均處于檢定有效期內(nèi)，狀態(tài)良好。

對試驗場地覆土進(jìn)行逐層測試，每一次覆土厚度不超過30 cm。覆土過程中注意對覆土場地的保護(hù)，避免特殊天氣、動物及人為等因素破壞場地。每完成一層覆土，應(yīng)根據(jù)覆土層厚度待氡析出率穩(wěn)定后，再進(jìn)行下一層覆土，兩層覆土?xí)r間間隔應(yīng)不小于5個連續(xù)晴好的自然日。

3.2.1.3 取樣布點

考慮氡析出規(guī)律及分區(qū)邊界環(huán)境對試驗數(shù)據(jù)的影響，僅在距分區(qū)邊界大于2 m的中心位置布設(shè)氡析出率及γ輻射劑量率監(jiān)測點。為便于對照覆土試驗效果，在試驗場地中劃分出一塊10 m×10 m的覆土場地，設(shè)置5個監(jiān)測點，在四周場地設(shè)置3個監(jiān)測對照點(圖4)。

圖4 覆土降氡試驗場地劃分及監(jiān)測布點示意圖

3.2.2 試驗結(jié)果及分析

試驗場地不同覆土厚度的氡析出率、γ輻射劑量率監(jiān)測結(jié)果見表1，其中不同覆土厚度氡析出率數(shù)值為試驗區(qū)域5個監(jiān)測點的平均值。

覆土厚度與氡析出率的關(guān)系為[21]

(1)

式中：Xc—覆土厚度，m；B—氡在覆土層中的擴(kuò)散長度，m；A—與氡在廢石與尾渣覆土層中擴(kuò)散系數(shù)比值相關(guān)的常數(shù)，m；Jt—覆蓋前氡析出率平均值，Bq/(m2·s)；Jc—氡析出率管理限值，國內(nèi)取Jc=0.74 Bq/(m2·s)。

表1 不同覆土厚度下氡析出率、γ輻射劑量率

通過對覆土試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得出覆土厚度與氡析出率關(guān)系為

(2)

鈾尾渣庫氡析出率為1.81～4.11 Bq/(m2·s)，均值為3.14 Bq/(m2·s)。為了將尾渣庫灘面氡析出率降至0.74 Bq/(m2·s)以下，使用式(2)計算覆土厚度并工程取整，得到尾渣灘面覆土厚度為95 cm。

3.3 覆蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式

綜合考慮氡屏蔽、地表水入滲、植被生長、防嚙齒動物破壞等因素，設(shè)計的覆蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由上至下依次包括覆土及植被層、排水及防侵?jǐn)_層、防滲層和氡屏蔽層，如圖5所示。

圖5 某鈾尾渣庫退役治理覆蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

覆土及植被層為50 cm厚壓實黏土層，表層種植當(dāng)?shù)剡m宜生長的淺根系草，以恢復(fù)地表植被并減少風(fēng)蝕、雨蝕。排水及防侵?jǐn)_層由30 cm厚砂卵石組成，以順利排出上部滲水，同時防止嚙齒動物、植物根系破壞下部防滲層及氡屏蔽層。防滲層為HDPE復(fù)合土工膜(兩布一膜，布密度為200 g/m2，膜厚為1.5 mm)，用于增強防滲效果，防止降雨透過植被及排水層滲入尾渣庫，以減少壩體滲水處理量。氡屏蔽層為95 cm厚壓實黏土層，用于屏蔽氡析出及降低γ輻射劑量率。

4 結(jié)論

總結(jié)了國內(nèi)外鈾尾礦(渣)庫覆蓋系統(tǒng)研究成果及發(fā)展歷程，依據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范，結(jié)合中國國情及項目實際情況，設(shè)計了遼寧某鈾尾渣庫退役治理多層覆蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式，包括覆蓋系統(tǒng)材料的選擇，覆蓋層厚度和組成的確定。該覆蓋系統(tǒng)既能滿足將氡析出率降至規(guī)定限值以下的要求，又能減少降雨入滲量及壩體滲水處理量，進(jìn)而降低尾渣庫長期維護(hù)費用。覆蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式簡單，施工方便，覆蓋材料選取當(dāng)?shù)鼐辔苍鼛燧^近、易獲取的黏土等材料，節(jié)約了治理費用。