某低、中水平放射性固體廢物處置場(chǎng)地下水治理方法研究

霍晨琛，雷明信，陳帥，王新銳

（中核礦業(yè)科技集團(tuán)有限公司，北京 101149）

低、中放廢物的處置就是把廢物安放進(jìn)經(jīng)過(guò)批準(zhǔn)的設(shè)施中，采用工程屏障和天然屏障相結(jié)合的多重屏障體系，確保釋放到人類(lèi)生存環(huán)境之前包容的短壽命核素衰減到無(wú)害水平；包容的長(zhǎng)壽命核素和其他有毒物質(zhì)的釋放量極低，進(jìn)入環(huán)境的濃度處于可接受水平［1］。1969年法國(guó)Manche處置場(chǎng)開(kāi)始運(yùn)行，該處置場(chǎng)采用混凝土構(gòu)筑物和水泥澆筑回填的一體化工程設(shè)施，有嚴(yán)格的回填、覆蓋和排水要求。此后，一些國(guó)家還根據(jù)情況對(duì)中、低放廢物實(shí)施巖洞處置，瑞典、芬蘭和挪威為中、低放廢物處置專(zhuān)門(mén)開(kāi)挖了巖洞，德國(guó)和捷克則利用礦井對(duì)廢物進(jìn)行處置［2］。截至2008年，全世界55個(gè)國(guó)家共有131個(gè)低、中水平放射性廢物處置場(chǎng)址，在上述131個(gè)處理場(chǎng)中，以工程近地表處置為主，共有108個(gè)處置場(chǎng)采用此種處置形式，其次是礦坑洞穴型處置，共有10個(gè)處置場(chǎng)采用此種形式，還有6個(gè)采用深地質(zhì)處置［3］。根據(jù)《中華人民共和國(guó)放射性污染防治法》［4］的要求，宜在核電廠較為集中的地區(qū)建立低、中放固體廢物處置場(chǎng)的區(qū)域處置原則［5］。因此，我國(guó)先后在華南北龍、西南飛鳳山和西北等地建成了區(qū)域性低、中水平放射性廢物處置場(chǎng)。低、中放射性廢物的近地表處置是指在地表或近地表設(shè)施內(nèi)對(duì)放射性廢物進(jìn)行的最終處置，處置深度一般小于60m［6］。

低、中水平放射性衰變周期較長(zhǎng)，一般在處置300～500 a后才能達(dá)到解控狀態(tài)。在處置設(shè)施中，地下水是核素運(yùn)移的主要載體，對(duì)工程屏障也具有侵蝕破壞作用。因此，場(chǎng)址的適宜性在很大程度上取決于場(chǎng)址的水文地質(zhì)條件［7］。放射性核素可能會(huì)隨地下水流遷移并進(jìn)入生物圈，威脅人類(lèi)的健康和安全。因此，為了使低、中水平放射性廢物對(duì)人類(lèi)生態(tài)環(huán)境影響達(dá)到最小程度，當(dāng)對(duì)低、中水平放射性廢物進(jìn)行近地表處置時(shí)，處置單元底板應(yīng)高于地下水水位，以避免地下水進(jìn)入處置單元［8］。

某場(chǎng)址擬作為低、中水平放射性廢物近地表處置場(chǎng)，原始地面標(biāo)高約為16.5～20.0 m，地形相對(duì)平緩，主要位于海蝕準(zhǔn)平原地貌單元上，地形坡度小于15°，場(chǎng)址東南側(cè)為海域。場(chǎng)址區(qū)已經(jīng)人工平整，平整后的場(chǎng)地地面標(biāo)高約為12.0～13.0 m（圖1）。表層覆蓋有厚約0.2～1.6 m的回填碎石，下伏基巖主要為花崗巖，局部有安山玢巖巖脈。處置方式擬采用半地下處置，處置單元為混凝土筒倉(cāng)，底板埋深標(biāo)高為＋6.0 m。

圖1 處置場(chǎng)地形地貌圖Fig.1 Photo showing the topographic feature in the disposal site

2 場(chǎng)地水文地質(zhì)條件

2.1 地下水類(lèi)型及埋深

處置場(chǎng)區(qū)地下水類(lèi)型主要為第四系松散巖類(lèi)孔隙水和基巖裂隙水。第四系孔隙水主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水，排泄方式為徑流、蒸發(fā)等，含水層透水性弱，富水性差，水量貧乏。在詳勘施工的28個(gè)鉆孔中均揭露到地下水，水位埋深介于1.67～3.42 m之間，平均水位埋深為2.47 m。水位標(biāo)高介于+8.82～+11.16 m之間，平均標(biāo)高為+10.47 m?；鶐r裂隙水富水性差，地下水貧乏，為微-中等透水性。地下水排泄主要有蒸發(fā)以及向沖溝、海洋分散排泄等方式。

2.2 處置區(qū)巖層的透水性

為查明處置區(qū)花崗巖的透水性，在4個(gè)鉆孔中進(jìn)行了壓水試驗(yàn)，試驗(yàn)鉆孔如圖2所示。壓水試驗(yàn)按照《水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程》（SL 31—2003）［9］規(guī)范要求進(jìn)行，試驗(yàn)成果如表1所示。

圖2 水文地質(zhì)試驗(yàn)鉆孔位置圖Fig.2 Hydrogeological test borehole location map

表1 壓水試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Pressurized water test results

由表1可見(jiàn)，微風(fēng)化花崗巖體的透水率大部分介于2.61～4.93 Lu之間，為弱透水巖體；局部地段微風(fēng)化花崗巖透水率為12.59 Lu，為中等透水巖體。

另外，在4個(gè)鉆孔中進(jìn)行了抽水試驗(yàn)（圖2），抽水試驗(yàn)分3個(gè)降深進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，滲透系數(shù)為3個(gè)降深所求滲透系數(shù)的平均值。

表2 抽水試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of pumping tests

抽水試驗(yàn)結(jié)果表明，處置場(chǎng)區(qū)淺部巖體滲透 系 數(shù) 介 于1.47×10-4～4.36×10-3cm·s-1之間，屬中等透水巖體，局部地段滲透系數(shù)為7.11×10-4cm·s-1，屬弱透水巖體。

2.3 地下水的流速及流向

2.3.1地下水流速

地下水流速的測(cè)定是采用示蹤劑法進(jìn)行的，其原理是中濾水管中的水柱被少量示蹤劑標(biāo)記，標(biāo)記地下水的濃度被流過(guò)濾管的水降低（稀釋?zhuān)?，示蹤劑濃度稀釋的速度與地下水滲透流速有關(guān)，根據(jù)這種關(guān)系可以求出滲透流速。地下水流速在ZK1、ZK2、ZK15、ZK17和ZK19五個(gè)鉆孔進(jìn)行試驗(yàn)，采用食用鹽作為示蹤劑。在深度2～5 m孔段的流速約10-2～10-4cm·s-1，深度5～9 m地段流速介于10-5～10-6cm·s-1之間，微風(fēng)化范圍流速介于10-6～10-8cm·s-1之間。在3～6 m之間，測(cè)得地下水的最大滲流速度為8.62×10-3cm·s-1。

2.3.2地下水流向

現(xiàn)場(chǎng)流向試驗(yàn)采用的裝置是4個(gè)正交方向上4個(gè)探頭，用PVC管固定住，確定4個(gè)方向，待投入示蹤劑后，整個(gè)裝置放入鉆孔中，探頭埋入水面以下（地表以下4 m）。用DDBJ-350型溫度電導(dǎo)率儀采集數(shù)據(jù)。本次試驗(yàn)對(duì)ZK3和ZK19兩個(gè)鉆孔進(jìn)行了流向測(cè)試。對(duì)于每個(gè)孔中的試驗(yàn)，投源后放入裝置，固定位置，用幾何方法分別找出各個(gè)不規(guī)則八邊形的質(zhì)心所在位置，將所有的質(zhì)心擬合成一條直線，作為質(zhì)心偏移線；沿著質(zhì)心偏移線從第一個(gè)質(zhì)心指向最后一個(gè)質(zhì)心的方向作為質(zhì)心偏移方向，計(jì)算出從示蹤劑濃度順時(shí)針轉(zhuǎn)至質(zhì)心偏移方向的角度β；確定從正北方順時(shí)針轉(zhuǎn)至示蹤劑濃度的角度α，進(jìn)而得到鉆孔中該深度處的地下水流向角度為α+β，不同時(shí)間讀取數(shù)據(jù)；待采集數(shù)據(jù)足夠多后，將裝置轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)α角度，重新投源測(cè)試，記錄數(shù)據(jù)，計(jì)算分析后得出流向，地下水流向測(cè)試成果如表3所示。

由表3可見(jiàn)，場(chǎng)區(qū)地下水的流向大致范圍為東偏南17.9°～42.9°，平均流向是東偏南25°左右。

表3 地下水流向測(cè)試結(jié)果Table 3 Test results of groundwater flow direction

3 防治水方案的選擇

3.1 地下水位與處置單元的關(guān)系

地下水位埋深介于1.67～3.42 m之間，平均水位埋深為2.47 m。水位標(biāo)高介于+8.82～+11.16 m之間，平均標(biāo)高為+10.47 m。處置單元底板埋深標(biāo)高為+6.00 m，地下水位高出處置單元底板2.82～5.16 m。為保證低、中水平放射性固體廢物處置能夠順利實(shí)施，根據(jù)低、中水平放射性固體廢物的淺地層處置規(guī)定要求［10］，必須對(duì)地下水進(jìn)行治理。

3.2 地下水治理方案的選擇

根據(jù)場(chǎng)地的地形地貌，地下水治理方法有抽水降低水位、明溝排水降低水位和盲溝排水降低水位3種方案，現(xiàn)比較這三種方案的優(yōu)、缺點(diǎn)，從而確定最合適降水方案。

因場(chǎng)地地層巖性為花崗巖，地下水主要是裂隙水，滲透系數(shù)介于1.47×10-4～4.36×10-3cm·s-1之間，抽水時(shí)的水量不會(huì)很大，因而地下水位下降有限，況且一旦停止抽水，水位就會(huì)上升；廢物處置單元安全性要保證300～500 a的有效性，這么長(zhǎng)時(shí)間抽水的缺點(diǎn)是：1）降水效果有限，2）消耗動(dòng)力，3）幾百年不間斷抽水無(wú)法實(shí)現(xiàn)。所以，抽水降低水位方法不可行。

場(chǎng)地南側(cè)410 m處即為大海，具備明溝排水的條件。明溝排水的優(yōu)點(diǎn)是不需要?jiǎng)恿?，地下水通過(guò)自流進(jìn)入明溝，而且一旦沉積物厚度較大影響排水時(shí)容易清淤。但明溝開(kāi)挖后，在降雨時(shí)地面的大量淤積物會(huì)隨雨水流向明溝，使明溝內(nèi)的淤積程度加快；另外，在場(chǎng)地內(nèi)占用大量的面積，而且影響場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)輸，因此明溝排水也不可行。

場(chǎng)地也具備盲溝排水的條件，盲溝排水不但解決了場(chǎng)地內(nèi)的運(yùn)輸受限問(wèn)題，而且與明溝排水一樣不需要?jiǎng)恿Γ现惺欠駮?huì)因沉淀物的淤積而影響排水則需要進(jìn)行論證。在3種方案中，盲溝排水不利因素較少，因此選擇盲溝排水方案。

4 盲溝布置及排水能力確定

4.1 盲溝平面布置

在處置場(chǎng)的西側(cè)設(shè)計(jì)一道主盲溝直通海邊，處置區(qū)的北側(cè)、東側(cè)和中間位置各設(shè)計(jì)支盲溝。主截水盲溝的作用：一是切斷外圍地下水與處置區(qū)地下水的水力聯(lián)系，使外圍的地下水直接流入盲溝；二是主截水盲溝與支盲溝一起，用于降低處置區(qū)的地下水位。根據(jù)處置單元布置情況，處置區(qū)中間的支盲溝布置在處置單元排距較寬處，支盲溝與主截水盲溝相通，以便處置區(qū)外圍和處置區(qū)內(nèi)的地下水能夠通過(guò)主截水盲溝直接排入大海（圖3）。這樣布置，相當(dāng)于將處置區(qū)布置在孤島上。

圖3 一期工程排水盲溝平面布置圖Fig.3 Layout plan of the drainage blind ditch in the first phase of the project

4.2 盲溝排水量的計(jì)算

盲溝為永久工程，特別是處置區(qū)主盲溝不僅需要導(dǎo)出一期處置區(qū)的地下水，還要導(dǎo)出以后各期建設(shè)的地下水。因此，處置場(chǎng)主盲溝承擔(dān)整個(gè)處置場(chǎng)區(qū)地下水的排水功能，處置場(chǎng)主盲溝排水能力按整個(gè)處置場(chǎng)區(qū)的排水量進(jìn)行計(jì)算。

雖然處置場(chǎng)在建設(shè)時(shí)分期開(kāi)挖，但主盲溝需要一次開(kāi)挖具備排水能力。主盲溝的排水量由地下水涌水量和大氣降水入滲量組成。

4.2.1地下水涌水量計(jì)算

4.2.1.1計(jì)算公式的選擇

由于地下水為潛水，周?chē)鷽](méi)有明顯的供水或隔水邊界，因此，采用沒(méi)有供水或隔水邊界的水文地質(zhì)“大井法”的潛水公式［11］。公式（1）中：Q1—地下水涌水量，m3·h-1；K—滲透系數(shù)，m·d-1；H—潛水含水層水柱厚度，m；S—水位降深，m；R0—引用影響半徑，m；r0—大井引用半徑，m。

4.2.1.2參數(shù)確定

滲透系數(shù)K：取8個(gè)鉆孔壓水試驗(yàn)、抽水試驗(yàn)所取得的滲透系數(shù)與含水層厚度的加權(quán)平均值。求得平均滲透系數(shù)K=0.65 m·d-1。

潛水含水層水柱厚度H：排水盲溝形成后，地下水位按距處置單元底板以下3 m（標(biāo)高+3.0 m）考慮進(jìn)行計(jì)算。潛水含水層厚度H=10.47-3.0=7.47（m）。

水位降深S：處置單元底板以下2.0 m，標(biāo)高=+4.0 m，S=10.47-4.0=6.47（m）。

引用影響半徑R0：由引用影響半徑（R0）與大井引用半徑（r0）之和求得，大井引用半徑由整個(gè)處置場(chǎng)區(qū)面積F1求得。處置場(chǎng)區(qū)面積為150 575 m2。則：

引用影響半徑：R0=R+r0=253（m），求得涌水量Q1=31.20 m3·h-1。

4.2.2大氣降水入滲量計(jì)算

由于處置場(chǎng)外圍沒(méi)有水流匯入，根據(jù)場(chǎng)地的地形條件，選擇計(jì)算大氣降水入滲量的公式如下：

公式（2）中：Q2—設(shè)計(jì)頻率暴雨入滲量，m3·h-1；F2—整個(gè)處置場(chǎng)區(qū)扣除處置單元以外的匯水面積，m2；F2—計(jì)算面積為157 873 m2；Hp—設(shè)計(jì)頻率暴雨量，m。從安全角度考慮，取百年一遇24 h暴雨量，根據(jù)遼寧省水文手冊(cè)［13］，Hp=0.094 72 m·h-1。ψp—降雨入滲系數(shù)，%。按處置單元外圍地面混凝土硬化后的系數(shù)，從保守角度考慮，取ψp=0.20，求得Q2=124.61 m3·h-1。盲溝總排水量為Q1+Q2=155.81m3·h-1=0.043 m3·s-1。

由于處置區(qū)外圍有核電廠的截水系統(tǒng)，因此，處置區(qū)外圍的大氣降水不會(huì)對(duì)處置區(qū)的地下水構(gòu)成影響，僅有處置場(chǎng)區(qū)內(nèi)的降水入滲量對(duì)地下水有影響。處置場(chǎng)區(qū)地形平坦，在處置場(chǎng)區(qū)沒(méi)有集中匯水區(qū)。所以，本計(jì)算的匯水面積為以處置場(chǎng)區(qū)面積再加上地下水位降深6.47 m所形成的影響半徑計(jì)算的面積，然后減去處置場(chǎng)內(nèi)所有處置單元的面積。

4.3 盲溝設(shè)計(jì)

4.3.1盲溝斷面設(shè)計(jì)

在處置區(qū)周?chē)O(shè)置一圈盲溝，使處置區(qū)位于由盲溝圍成的“孤島”上。主盲溝為南北方向，向南一直延伸至海邊。需要將地下水位降低到處置單元底板以下2 m，考慮盲溝的坡度及排水口標(biāo)高以及盲溝坡度較小，盲溝的平均深度確定為處置單元底板以下3 m，除主盲溝寬度設(shè)計(jì)為2 m外，支盲溝寬度均為1.5 m。盲溝頂標(biāo)高為處置單元的底板標(biāo)高，即標(biāo)高為6 m。為了防止海水倒灌，在處置場(chǎng)的西南角的盲溝排水口標(biāo)高采用核電廠選址計(jì)算的千年一遇的最高潮位2.51 m進(jìn)行設(shè)計(jì)，處置區(qū)內(nèi)盲溝的坡度采用2‰，處置場(chǎng)區(qū)南側(cè)至海邊的坡度采用3‰～5‰。

4.3.2盲溝構(gòu)成

盲溝開(kāi)挖完成后，先在盲溝底部敷設(shè)槽形石以加快盲溝中地下水的排出，槽形石空洞的尺寸為400 mm×400 mm。再在槽形石的周?chē)靥?00～250 mm的微風(fēng)化塊石。塊石回填厚度為2.5 m。為了防止細(xì)粒顆粒物質(zhì)進(jìn)入盲溝影響排水，在塊石的上部設(shè)置反濾層，反濾層組成為200 mm厚的粒徑為60～70 mm的 碎 石，200 mm厚 的 粒 徑 為30～40 mm的碎石，其上部再回填200 mm厚的砂礫石和粗砂。在粗砂的上部回填開(kāi)挖的塊石，盲溝結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 截水盲溝與處置關(guān)系圖Fig.4 Relationship between intercepting blind ditch and disposal

5 盲溝長(zhǎng)期有效性論證

5.1 盲溝排水能力驗(yàn)證

由于處置單元區(qū)是分期建設(shè)的，盲溝中的排水量是隨著處置單元區(qū)的增加而逐漸增大的。處置區(qū)所有的地下水（包括大氣降水入滲水）均匯到處置區(qū)盲溝中，因此，只需要驗(yàn)證主盲溝是否滿(mǎn)足計(jì)算出的地下水排水量。盲溝中回填的是200～250 mm微風(fēng)化塊石，根據(jù)有關(guān)資料，回填塊石的滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值如表4［14］所示。

表4 排水層巖塊滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值［14］Table 1 Experience value of the penetration coefficient of drainage rock blocks[14]

由于回填的塊石是帶有棱角的。因此，滲透系數(shù)取回填20 cm塊石進(jìn)行保守計(jì)算。

1）計(jì)算公式

盲溝中水的流量計(jì)算公式［14］如下：

公式（3）中：Q—主盲溝通過(guò)流量，m3·s-1；K—排水層巖塊的滲透系數(shù)，m·s-1，取0.35 m·s-1；ω—滲透面積，m2；ω=bh；b—底寬，m；取2 m，h—盲溝中水位高度，m。從保守角度考慮取1.0 m。i—盲溝坡度，取5‰。計(jì)算得Q=0.049 m3·s-1＞0.043 m3·s-1（按百年一遇的降水入滲量計(jì)算）。

上述計(jì)算是在盲溝中整個(gè)充填20 cm塊石的情況下計(jì)算的。實(shí)際設(shè)計(jì)中，在盲溝中回填的塊石介于20～25 cm之間，且在盲溝中敷設(shè)了槽形石，槽形石的設(shè)置使主截水盲溝的排水能力大大加強(qiáng)。因此，處置場(chǎng)區(qū)主截水盲溝排水能力能夠滿(mǎn)足排出處置區(qū)地下水涌水量和大氣降水入滲量的要求。

5.2 截水盲溝的長(zhǎng)期穩(wěn)定性論證

處置場(chǎng)的截水盲溝是在微風(fēng)化基巖中開(kāi)挖，盲溝的兩個(gè)側(cè)壁均為微風(fēng)化花崗巖，在盲溝中回填的塊石、碎石為微風(fēng)化花崗巖。微風(fēng)化花崗巖結(jié)構(gòu)致密，巖石堅(jiān)硬，其風(fēng)化速度極其緩慢，再加上花崗巖塊石在地下環(huán)境條件風(fēng)化速度更加緩慢。所以盲溝在主動(dòng)及被動(dòng)監(jiān)護(hù)期間近500 a時(shí)間內(nèi)不會(huì)因巖石風(fēng)化而產(chǎn)生坍塌、掉塊而堵塞盲溝。因此，盲溝結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定是有保障的。

5.3 盲溝的長(zhǎng)期有效性論證

1）據(jù)處置場(chǎng)巖土工程勘察報(bào)告，地下水的滲流速度從淺往深逐漸減小，在3～6 m之間，測(cè)得地下水的最大滲流速度為8.62×10-3cm·s-1。據(jù)尤爾斯楚姆研究，當(dāng)水流速度小于18 cm·s-1時(shí)，幾乎所有粒徑的顆粒都不會(huì)被搬運(yùn)；粒徑小于0.003 9 mm的泥質(zhì)一經(jīng)流水搬運(yùn)就長(zhǎng)時(shí)間懸浮于水中不易沉積下來(lái)，可在長(zhǎng)距離搬運(yùn)至較遠(yuǎn)的深水環(huán)境中沉積［15］。由于地下水的最大滲流速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于18 cm·s-1。因此，由于地下水流速緩慢，地下水從裂隙及節(jié)理中流出時(shí)帶出的顆粒物極少。此外，回填物中主要是微風(fēng)化巖石，回填物中黏粒含量很少，因而黏粒物淤積堵塞盲溝的可能性不大。同時(shí)，在盲溝中回填塊石的上部設(shè)置了反濾層，反濾層的形成可以阻止細(xì)顆粒物進(jìn)入盲溝。而處置場(chǎng)區(qū)距海邊僅410 m，因此，盲溝即使出現(xiàn)泥質(zhì)物質(zhì)時(shí)，在水流動(dòng)過(guò)程中沉積造成淤塞的可能性很小。

2）在盲溝中敷設(shè)了槽形石，槽形石設(shè)置相當(dāng)于在盲溝中增加了一條排水明溝，有利于盲溝中地下水的排泄。

所以，盲溝排水的長(zhǎng)期有效性是有保障的。

6 結(jié)論與建議

1）該低、中水平放射性廢物處置單元所在地地下水為潛水，水位埋深介于1.67～3.42 m之間，水位標(biāo)高介于+8.82～+11.16 m之間，水位高于處置單元底板2.82～5.16 m；地下水最大滲流速度8.62×10-3cm·s-1，平均流向?yàn)闁|偏南25°左右。

2）經(jīng)過(guò)對(duì)盲溝的排水能力、長(zhǎng)期穩(wěn)定性及長(zhǎng)期有效性進(jìn)行論證，盲溝的上述性能能夠滿(mǎn)足主動(dòng)監(jiān)護(hù)和被動(dòng)監(jiān)護(hù)期的要求，處置場(chǎng)采用截水盲溝降低地下水位是可行的。

3）建議實(shí)施地下水治理方案之前，在處置區(qū)的適當(dāng)?shù)囟问┕けO(jiān)測(cè)孔，監(jiān)測(cè)廢物處置過(guò)程中地下水位的下降情況，以便為后期廢物處置時(shí)地下水治理方案調(diào)整提供依據(jù)。