某放射性尾渣庫退役治理工程防滲方案比選

胡良才，郭大平，李玉雷，劉再道

(1.中核第四研究設(shè)計工程有限公司，石家莊 050021；2.中核韶關(guān)錦原鈾業(yè)有限公司，廣東 韶關(guān) 512026)

鈾尾渣是鈾礦石采用堆浸方法選冶金屬后產(chǎn)生的廢棄物，含有原礦石中85%的放射性[1]，是含有大量放射性核素和非放射性有毒有害物質(zhì)的廢棄物[2]。鈾尾渣庫作為貯存鈾尾渣的場所，是潛在的放射性污染源。根據(jù)國家相關(guān)法律法規(guī)及規(guī)范要求，對于服務(wù)年限期滿或永久性停業(yè)的鈾尾渣庫，應(yīng)充分考慮其對周邊公眾健康和安全及保護環(huán)境而進行退役治理。在退役治理階段，對庫底無防滲且?guī)r土層滲透系數(shù)較大的鈾尾渣庫采取防滲補救措施，可以實現(xiàn)尾渣庫安全環(huán)保風(fēng)險最小化。

目前對于尾礦庫防滲層的研究，多集中于新建庫，如甘海闊等[3]以云南某山谷型尾礦庫為例，分析了不同型式防滲方案的防滲效果；田帥等[4]針對我國西南地區(qū)尾礦庫基礎(chǔ)巖溶發(fā)育的特點，分析了水平及垂直防滲技術(shù)特點及適用性，對已建庫如何采取防滲補救措施研究的較少。

本文以正在進行退役治理設(shè)計的某鈾尾渣庫為研究對象，對尾渣庫防滲補救方案進行對比分析，提出技術(shù)可行、經(jīng)濟合理、安全環(huán)保的尾渣庫防滲方案，以期為放射性尾渣庫退役治理階段防滲方案選擇提供借鑒。

1 工程概況

1.1 尾渣庫概況

某鈾礦山所處區(qū)域為中低山地貌，海拔1 300～1700 m，區(qū)內(nèi)溝谷發(fā)育，最大相對高差400 m。尾渣庫位于“V”型溝谷谷口，庫區(qū)底部地形相對平坦，左岸地形稍陡峭，右岸地形相對較緩。尾渣庫分三期建設(shè)，一期庫、二期庫均由礦山企業(yè)自行建設(shè)，由于建設(shè)年代較早，庫底及兩側(cè)岸坡未采取防滲措施；三期庫為新建庫，位于一期庫、二期庫下游，由堆石攔渣壩、壩頂溢洪道、防滲系統(tǒng)、截洪溝等組成。目前一期庫、二期庫庫容已使用終了，庫內(nèi)堆滿鈾尾渣，三期庫建成后未投入使用，為空置庫。尾渣庫平面圖見圖1。

圖1 尾渣庫平面圖

目前礦山處于關(guān)閉停產(chǎn)狀態(tài)，尾渣庫隨之進行退役治理?；诜派湫晕廴疚锛刑幹迷瓌t，擬將礦區(qū)內(nèi)廢石、退役治理過程中產(chǎn)生的建筑垃圾、污染土等運至尾渣庫內(nèi)堆存。因此，設(shè)計將一期庫、二期庫內(nèi)部分尾渣倒運至三期庫內(nèi)，再以二期庫攔渣壩為初期壩，采用上游式筑壩方法將尾渣庫加高擴容至現(xiàn)一期庫位置，同時采取防滲補救措施降低尾渣庫安全環(huán)保風(fēng)險。擴容后尾渣庫初期壩高18 m，堆積壩高46.6 m，總壩高64.6 m，屬四等庫。

1.2 庫區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)

尾渣庫庫區(qū)地層主要由耕植土(Q4pd)、第四系沖洪積(Q4al+pl)碎石土及燕山期花崗巖(γ5)組成。尾渣庫工程地質(zhì)特性見表1。由表1可以看出，尾渣庫庫底基巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，各巖土層滲透系數(shù)均較大。

表1 尾渣庫工程地質(zhì)特性

1.3 滲水風(fēng)險分析

在一期庫、二期庫運行使用過程中，礦山運營企業(yè)利用堆積尾渣形成的平坦地形在庫內(nèi)修建了多座堆浸池，采用了“堆上筑堆”的堆浸生產(chǎn)方式，卸堆的尾渣未經(jīng)中和就近堆放到尾渣庫內(nèi)。經(jīng)檢測，尾渣庫滲水pH值為3.46～5.06，屬酸性廢水。尾渣中放射性核素在酸性滲水浸泡下析出，在其長期遷移過程中存在與地下水發(fā)生水力聯(lián)系，導(dǎo)致地下水受到污染的風(fēng)險。

從降低尾渣庫安全環(huán)保風(fēng)險角度出發(fā)，對進行退役治理的鈾尾渣庫采取防滲補救措施，降低尾渣庫對地下水的潛在危害，保證“工程長期安全，環(huán)境風(fēng)險最小化”，符合我國放射性廢物“減量化、無害化和妥善處置、永久安全處置”的原則。

2 尾渣庫防滲方案比選

根據(jù)布置形式不同，防滲可分為水平防滲、垂直防滲、水平與垂直聯(lián)合防滲[5]。防滲方案應(yīng)根據(jù)場地水文地質(zhì)條件等[6]在分析不同防滲方案適用性與經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上選擇。

2.1 水平防滲

水平防滲通過在尾渣庫底部及兩側(cè)岸坡鋪設(shè)防滲材料形成防滲層，防滲材料通常以極低滲透性(一般滲透系數(shù)應(yīng)不高于1.0×10-7cm/s)的天然的或人工合成的材料為核心，組成不透水隔離層，以阻止?jié)B水向下滲透污染地下水，同時阻止庫底基巖裂隙水滲入尾渣庫內(nèi)，從而實現(xiàn)有效防滲的目的。防滲層可為單層或多層復(fù)合結(jié)構(gòu)。

2.1.1 水平防滲方案設(shè)計

土工膜作為常用的尾礦庫防滲材料，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用[7-8]。國內(nèi)外近年退役治理的鈾尾礦庫(尾渣庫)大多采用土工膜作為主要防滲材料，如美國的松子嶺鈾尾礦庫，中國的修水鈾尾渣庫、攸縣鈾尾渣庫等。

本工程尾渣庫地形較平坦，且三期庫為空置庫，具備將一期庫、二期庫內(nèi)尾渣倒運至三期庫并對一期庫、二期庫采取水平防滲的庫容條件。因此尾渣庫水平防滲方案設(shè)計在一期庫、二期庫庫底及兩側(cè)岸坡鋪設(shè)防滲層，水平防滲結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。防滲層由下至上依次為：1)基礎(chǔ)層。防滲層鋪設(shè)前，應(yīng)平整場地，將庫底及岸坡范圍內(nèi)草皮、樹根、亂石等全部清理干凈，清除表層的耕植土，并整平壓實；2)砂卵石層。整平清基后尾渣庫底及兩側(cè)岸坡鋪設(shè)砂卵石作為防滲層墊層，砂卵石層厚20 cm，要求級配良好，含泥量不大于5%。砂卵石層滲透系數(shù)亦較大，由尾渣庫兩側(cè)山體裂隙滲入庫底的裂隙水，通過底部砂卵石層排出庫外，可防止裂隙水滲入尾渣庫中，起到排水作用；3)膨潤土防水毯。膨潤土防水毯采用鈉基膨潤土防水毯，鈉基膨潤土防水毯是以鈉基膨潤土為主要原料，采用針刺法、針刺覆膜法或膠粘法加工制成的毯狀防水材料。膨潤土防水毯要求質(zhì)量不小于5 500 g/m2，采用品字形拼接，自然搭接寬度不小于250 mm，搭接處用膨潤土密封。4)土工膜。土工膜作為防滲系統(tǒng)主要組成部分，應(yīng)具有優(yōu)良的耐環(huán)境應(yīng)力開裂性能，抗低溫、抗老化、耐腐蝕性能，以及較長的使用壽命。采用1.5 mm厚高密度聚乙烯(High Density Polyethylene，HDPE)土工膜作為防滲層，土工膜雙面加糙，盡量采用寬幅以減少拼接量。土工膜應(yīng)提高施工質(zhì)量，保證防滲效果，避免或減少庫內(nèi)滲水對環(huán)境的影響；5)土工布。為防止尖角雜物刺破土工膜影響防滲效果，采用非織造土工布作為膜上保護層，土工布規(guī)格為600 g/m2；6)砂卵石保護層。土工布上部鋪設(shè)20 cm厚砂卵石作為保護層，防止尾渣倒運壓實過程中壓實機械損傷土工膜。

圖2 水平防滲結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 水平防滲效果分析

水平防滲可有效阻斷滲水與地下水的水力聯(lián)系，但有調(diào)查指出[9]，水平防滲土工膜會因施工質(zhì)量不良等原因產(chǎn)生孔洞，從而影響防滲效果。因此，借鑒垃圾填埋場復(fù)合防滲層滲漏率計算公式[10]計算尾渣庫復(fù)合防滲層滲漏率：

Q=0.976Cq0[1+0.1(hw/Ls)0.95]d0.2hw0.9ks0.74

(1)

式中，Q為復(fù)合防滲層單孔滲漏率，m3/s；Cq0為系數(shù)，復(fù)合防滲材料界面接合良好時取0.21，接合較差時取1.16；hw為防滲層上水頭，m；Ls為膨潤土防水毯厚度，m；d為土工膜孔洞等效直徑，m，一般為1～20 mm[11]，取為10 mm；ks為膨潤土防水毯滲透系數(shù)，m/s。

滲漏率計算參數(shù)取值及結(jié)果見表2。經(jīng)計算，防滲層上水頭1 m、復(fù)合防滲層界面接合較差時，單個孔洞滲漏率為1.31×10-7m3/s。

表2 滲漏率計算結(jié)果

沈樓燕等[12]調(diào)查顯示，國外防滲層土工膜孔洞數(shù)量約為203～2 251個/km2，本次計算取土工膜孔洞數(shù)量為2 000個/km2。尾渣庫防滲層面積約0.053 km2，假定復(fù)合防滲材料界面接合較差，計算得到防滲層上水頭1 m時，尾渣庫滲漏量為1.19 m3/d。事實上，由于本尾渣庫為干式尾渣庫，尾渣含水率較低，采用封場覆蓋措施后，尾渣庫內(nèi)沒有明顯浸潤線，因此在保證防滲層施工質(zhì)量前提下，理論上尾渣庫滲漏量為零。

2.2 垂直防滲

垂直防滲是利用尾渣庫底部的不透水或弱透水層作為下部隔水層，在尾渣庫周圈或下游使用防滲性能良好的材料施工形成的垂向的防滲屏障，垂直防滲應(yīng)深入相對不透水層。與水平防滲將尾渣與周圍環(huán)境完全隔離開不同，垂直防滲不能完全阻斷尾渣庫滲水與地下水的水力聯(lián)系。因此，垂直防滲多在因地形地質(zhì)條件限制或無尾渣倒運庫容從而無法進行水平防滲，且?guī)斓撞坑羞B續(xù)穩(wěn)定的天然相對不透水層時應(yīng)用。

2.2.1 垂直防滲方案設(shè)計

設(shè)計在擴容后尾渣庫周圈打設(shè)塑性混凝土防滲墻作為垂直防滲措施，防滲墻寬0.6 m，平均墻深約27.92 m，平面長約1 330 m，墻體深入微風(fēng)化基巖以下不小于2 m，墻體滲透系數(shù)不小于1×10-7cm/s。垂直防滲剖面示意圖見圖3。

圖3 垂直防滲剖面示意圖

2.2.2 垂直防滲效果分析

為分析垂直防滲效果，采用GeoStudio巖土分析軟件的SEEP/W滲流分析模塊，對設(shè)置垂直防滲后壩下滲水量進行模擬分析。根據(jù)尾渣庫退役治理后壩體剖面、水文地質(zhì)報告及勘察報告給出的尾渣、碎石土、強風(fēng)化、中風(fēng)化及微風(fēng)化花崗巖的滲透系數(shù)，建立數(shù)值模型，按瞬態(tài)滲流方式計算求解。尾渣庫下部微風(fēng)化巖層及庫周圍防滲墻設(shè)置為不透水層，尾渣庫下游防滲墻上部預(yù)埋排水管，設(shè)置為滲流面[13]。

經(jīng)計算，尾渣庫壩下滲水量隨時間變化曲線見圖4。由圖4可見，設(shè)置垂直防滲前，尾渣庫壩下滲水量約為185.24 m3/d；設(shè)置垂直防滲初期，壩下滲水量迅速減少，1年后滲水量減少約90%；之后滲水量減少幅度變緩，至采取垂直防滲措施10 a后，滲水量降為1.28 m3/d。由于設(shè)置垂直防滲初期，尾渣庫壩下滲水量較大，現(xiàn)有尾渣庫滲水收集處理設(shè)施應(yīng)持續(xù)運行，確保滲水不污染環(huán)境。

圖4 尾渣庫壩下滲水量變化曲線

2.3 防滲方案對比分析

從環(huán)保、經(jīng)濟角度對水平防滲方案與垂直防滲方案進行比較分析，結(jié)果見表3。

表3 水平及垂直防滲方案對比

經(jīng)綜合分析，確定尾渣庫退役治理階段采用水平防滲方案。

3 結(jié)論與建議

以某正在開展退役治理工作的放射性鈾尾渣庫為例，進行了不同類型防滲補救方案的比選研究。結(jié)論如下：

1)對于干式堆存且設(shè)置良好覆蓋措施的尾渣庫，采取水平防滲方案且防滲層施工質(zhì)量良好時，理論上尾渣庫滲漏量為零。水平防滲可阻斷尾渣與地下水水力聯(lián)系，尾渣庫內(nèi)或周圍有合適的作業(yè)面或倒渣場地時，應(yīng)優(yōu)先采取水平防滲。

2)采用垂直防滲方案時，設(shè)置垂直防滲初期，滲水量快速減少，后期減少速度變緩。由于地形地質(zhì)條件等限制，無法進行水平防滲，且?guī)斓撞刻烊幌鄬Σ煌杆畬釉趫鰠^(qū)內(nèi)分布連續(xù)且穩(wěn)定的，可以考慮采用垂直防滲。