鈾礦退役治理工程的結(jié)構(gòu)檢測(cè)與評(píng)估

梁家瑋,吳 冬,程文娟,詹樂(lè)音,張神洲,李旭明

(1.中國(guó)鈾業(yè)有限公司,北京 100013;2.中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司,河北 石家莊 050021;3.湖南省地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查監(jiān)測(cè)所,湖南 長(zhǎng)沙 410004)

在鈾礦退役治理工程中,一般采用覆蓋隔離技術(shù)對(duì)鈾礦廢石、尾礦(渣)等鈾礦廢渣堆進(jìn)行覆蓋治理,以抑制氡析出和屏蔽γ輻射劑量率;并配套修建相應(yīng)的截排洪溝、攔渣壩、格構(gòu)護(hù)坡等工程結(jié)構(gòu)[1]182,確保鈾礦廢物的不流失和覆蓋隔離工程的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定,以保護(hù)生態(tài)環(huán)境和公眾安全。

鈾礦退役治理工程的覆蓋材料一般為天然土壤[2]73,工程結(jié)構(gòu)一般是采用水泥砂漿砌筑天然塊石、片石而成。退役治理工程的覆土層壓實(shí)度、工程結(jié)構(gòu)體的現(xiàn)狀強(qiáng)度及完好程度,是衡量鈾礦退役治理工程長(zhǎng)期安全穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。常規(guī)的覆土壓實(shí)度、結(jié)構(gòu)體強(qiáng)度、隱蔽工程等的檢查,需要取樣送檢或進(jìn)行破拆,檢測(cè)周期長(zhǎng)、效率低。對(duì)鈾礦退役治理工程,缺乏衡量其長(zhǎng)期穩(wěn)定性及相應(yīng)處置措施的標(biāo)準(zhǔn)。為此,研究提出便于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的檢測(cè)方法和安全性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)非常必要。

1 檢測(cè)對(duì)象與檢測(cè)方法

1.1 檢測(cè)對(duì)象概況

本次檢測(cè)范圍涉及“八五”至“十一五”期間湖南、廣西、江西、湖北、河南5省(自治區(qū))26縣37個(gè)已退役治理完成的鈾礦床(點(diǎn)),共有封堵坑口143個(gè),覆蓋治理廢渣堆96個(gè)、覆土面積27.841 7 hm2,截排洪溝長(zhǎng)8 447 m,攔渣壩長(zhǎng)7 958 m(表1)。

表1 工程結(jié)構(gòu)檢測(cè)對(duì)象Table 1 Engineering structure detection objects

1.2 檢測(cè)對(duì)象特點(diǎn)

1.2.1 坑口封堵墻結(jié)構(gòu)

坑口寬1.5～3.0 m、高1.8～3.2 m,封堵墻選在坑口較好的圍巖處,一般采用M10水泥砂漿砌筑無(wú)風(fēng)化的塊石,壁厚1.0 m,墻體四周嵌入圍巖約0.2～0.3 m;少數(shù)采用厚1.0 m的C20混凝土墻封堵,坑口封堵后要求做到氡氣不再外逸。“八五”至“十五”期間的坑口封堵墻多數(shù)未進(jìn)行覆土掩埋,外露面一般采用M10水泥砂漿抹面;“十一五”之后的坑口封堵墻多數(shù)進(jìn)行了覆土掩埋。

1.2.2 廢渣堆的覆土土質(zhì)

區(qū)域?qū)倌戏郊t黏性土地區(qū);但因這些礦床(點(diǎn))多地處山石丘陵區(qū),進(jìn)行覆土治理時(shí)多取用山區(qū)黃棕色粉質(zhì)壤土蓋層。按《鈾礦冶企業(yè)總圖運(yùn)輸設(shè)計(jì)要求》(EJ/T 20075—2014),覆土層壓實(shí)度應(yīng)不低于85%[3]42。

1.2.3 廢渣堆的截排洪溝

截排洪溝采用不低于M5水泥砂漿砌片石,并采用不低于M7.5水泥砂漿抹面,過(guò)水?dāng)嗝鏋?.16～2.5 m2的矩形或梯形。

1.2.4 廢渣堆的攔渣壩

攔渣壩采用不低于M5水泥砂漿砌塊石,壓頂和浸水部分采用不低于M7.5水泥砂漿護(hù)面,壩高1～17.4 m,壩截面積為1.0～69.6 m2。

1.3 檢測(cè)方法

檢測(cè)方法分為表觀及完整性觀測(cè)、原位強(qiáng)度檢測(cè)、隱蔽工程探測(cè)等3種。

1.3.1 表觀及完整性觀測(cè)

對(duì)坑口封堵墻,記錄其完好性、開(kāi)裂、局部打開(kāi)、開(kāi)敞等狀況,測(cè)量開(kāi)裂、打開(kāi)等損壞的尺寸。對(duì)覆土層,記錄其完好性、沉陷、拉裂縫等狀況,測(cè)量受損部位的尺寸。對(duì)截排洪溝,記錄其完好性、淤塞、沉降、斷裂、倒塌等狀況,測(cè)量受損截排洪溝的長(zhǎng)度。對(duì)攔渣壩,記錄其完好性、沉降、開(kāi)裂、位移、基礎(chǔ)外露等狀況,測(cè)量受損部位的尺寸。

1.3.2 原位強(qiáng)度檢測(cè)

采用HT20-V一體式砂漿語(yǔ)音數(shù)顯回彈儀,依據(jù)《砌體工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50315—2011)檢測(cè)砂漿強(qiáng)度[4]44。所用儀器參數(shù):量程2.0～15.0 MPa,率定值74±2,示值一致性±0.5,檢定周期6 000次。

采用HT-225T一體式數(shù)顯回彈儀,依據(jù)《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 23—2011)檢測(cè)混凝土[5]8、塊石強(qiáng)度。所用儀器參數(shù):量程10～60 MPa,率定值80±2,示值一致性±1,檢定周期6 000次。

當(dāng)使用回彈儀進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)時(shí),應(yīng)進(jìn)行碳化深度[5]8修正。碳化深度的測(cè)量:將1～2 g酚酞溶于100 mL 95%乙醇中,攪勻,制備1%～2%酚酞試劑;在測(cè)區(qū)適當(dāng)位置開(kāi)直徑15 mm、深10 mm的洞,滴入酚酞試劑,未碳化的部分顯示為紅色;然后采用HC-TH01碳化深度儀測(cè)量碳化深度,所用儀器參數(shù):量程0～8 mm,精度0.25 mm/0.5 mm。

采用JWTM-1K填土密實(shí)度檢測(cè)儀,依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范(2009年版)》(GB 50021—2001)檢測(cè)覆土層壓實(shí)度[6]107,所用儀器參數(shù):探測(cè)深度0～1 500 mm,精度±0.5%,檢定周期1年。

采用RECM-03型氡析出率儀,依據(jù)《輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJT 61—2001)[7]8和《民用建筑工程室內(nèi)環(huán)境污染控制規(guī)范》(GB 50325—2010,2013年版)附錄E[8]32測(cè)定覆土治理效果,所用儀器檢出限為0.002 Bq/(m2·s)。

1.3.3 隱蔽工程探測(cè)

采用LTD-2100型探地雷達(dá)對(duì)掩埋坑口、攔渣壩壩體內(nèi)部完整性及砌筑飽滿(mǎn)程度等進(jìn)行探測(cè),探測(cè)作業(yè)[9]4及雷達(dá)影像解譯[9]8,15執(zhí)行《地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)測(cè)繪技術(shù)規(guī)程》(DB22/T 2574—2016)。LTD-2100型探地雷達(dá)主機(jī),配270 MHz中高頻屏蔽天線可探測(cè)淺層目標(biāo),探測(cè)深度為0.1～8.0 m,厚度/深度檢測(cè)誤差<15%;配100 MHz低頻天線可探測(cè)深層目標(biāo),探測(cè)深度為0.15～15 m,厚度/深度檢測(cè)誤差<20%。圖1為掩埋坑道、攔渣壩壩體內(nèi)部的地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)影像結(jié)果示例。

(a)掩埋坑道雷達(dá)影像;(b)攔渣壩雷達(dá)影像。圖1 隱蔽工程地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)Fig. 1 Detection of geological radar for covert engineering

2 檢測(cè)結(jié)果

野外現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作自2018年11月開(kāi)始,至2019年10月結(jié)束。按坑口封堵墻結(jié)構(gòu)、截排洪溝、攔渣壩、覆土層等工程實(shí)體類(lèi)型,簡(jiǎn)述此次檢測(cè)結(jié)果。

2.1 坑口封堵結(jié)構(gòu)

2.1.1 表觀及完整性觀測(cè)結(jié)果

143個(gè)坑口封堵結(jié)構(gòu)的表觀及完整性觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2?？梢钥闯?共有28個(gè)坑口封堵結(jié)構(gòu)受到損壞,受損率總計(jì)為19.58%。其中,采用封堵、未覆土掩埋方案治理的43個(gè)坑口,有20個(gè)受到損壞;采用封堵、覆土掩埋方案治理的100個(gè)坑口,有8個(gè)受到損壞。根據(jù)調(diào)查,受損原因主要是在當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)條件下,由附近居民挖取鋼筋、打開(kāi)坑口養(yǎng)殖、取水灌溉等活動(dòng)所致。其余坑口封堵結(jié)構(gòu)無(wú)沉陷、裂縫、位移、基礎(chǔ)外露等情況,結(jié)合雷達(dá)影像分析其結(jié)構(gòu)是完整的。

表2 坑口封堵結(jié)構(gòu)的表觀及完整性觀測(cè)結(jié)果Table 2 Apparent and integrity observations of closed structures at tunnel entrances

2.1.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

對(duì)23個(gè)完好封堵墻進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測(cè),碳化深度范圍為2.5～5.0 mm,平均為3.9 mm;勾縫砂漿強(qiáng)度范圍為6.0～11.0 MPa,平均為8.4 MPa;塊石強(qiáng)度范圍為22.9～26.6 MPa,平均為24.6 MPa,混凝土墻體強(qiáng)度范圍為16.4～34.7 MPa,平均為24.1 MPa。

對(duì)比前述結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求,勾縫砂漿和塊石強(qiáng)度現(xiàn)狀檢測(cè)結(jié)果基本符合原設(shè)計(jì)要求,混凝土墻體強(qiáng)度現(xiàn)狀檢測(cè)結(jié)果略低于原設(shè)計(jì)要求。分析認(rèn)為這是由于坑口狹窄,混凝土振搗不夠密實(shí)所致。

2.2 截排洪溝

2.2.1 表觀及完整性觀測(cè)結(jié)果

截排洪溝總長(zhǎng)8 447 m,其中:受損截排洪溝長(zhǎng)417 m(暴雨洪水沖刷致受損6 m,當(dāng)?shù)厣a(chǎn)建設(shè)等人為原因致受損411 m),受損率為4.94%;工程結(jié)構(gòu)完好的截排洪溝長(zhǎng)8 030 m,完好率為95.06%,無(wú)淤塞、沉降、斷裂、倒塌等情況,溝內(nèi)都有一定程度的枯枝落葉沉積,排水功能有效。

2.2.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

對(duì)8 030 m工程結(jié)構(gòu)完好的截排洪溝進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測(cè),碳化深度范圍為2.5～6.0 mm,平均為4.1 mm;勾縫砂漿強(qiáng)度范圍為6.0～12.3 MPa,平均為9.2 MPa;塊石強(qiáng)度范圍為30.1～49.6 MPa,平均為39.3 MPa,抹面砂漿強(qiáng)度范圍為6.2～12.7 MPa,平均為9.4 MPa。

對(duì)比前述結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求,勾縫砂漿、塊石強(qiáng)度、抹面砂漿的現(xiàn)狀強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果基本符合原設(shè)計(jì)要求。

2.3 攔渣壩

2.3.1 表觀及完整性觀測(cè)結(jié)果

攔渣壩共長(zhǎng)7 958 m,其中受損411 m,受損率總計(jì)為5.16%;其余7 547 m攔渣壩工程結(jié)構(gòu)完好,完好率為94.84%,無(wú)沉陷、裂縫、位移、基礎(chǔ)外露等情況,雷達(dá)圖像也顯示其結(jié)構(gòu)完整、砌石緊密。根據(jù)調(diào)查,在411 m受損的攔渣壩中,暴雨洪水沖刷、外界山坡滑塌導(dǎo)致110 m攔渣壩受損,占比26.76%;當(dāng)?shù)厣a(chǎn)建設(shè)、村民挖掘塊石等人為原因?qū)е?01 m攔渣壩受損,占比73.24%。

2.3.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

對(duì)7 547 m結(jié)構(gòu)完好的攔渣壩進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測(cè),碳化深度范圍為2.5～7.5 mm,平均為4.2 mm;勾縫砂漿強(qiáng)度范圍為6.0～14.20 MPa,平均為9.6 MPa;塊石強(qiáng)度范圍為17.4～47.6 MPa,平均為33.1 MPa。

對(duì)比前述攔渣壩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求,勾縫砂漿、塊石的現(xiàn)狀強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果符合原設(shè)計(jì)要求。

2.4 覆土層

2.4.1 表觀及完整性觀測(cè)結(jié)果

廢渣堆覆土工程共計(jì)27.841 7 hm2,其中受損面積1.130 4 hm2,受損率總計(jì)為4.06%;覆土工程完好率為95.94%,未受到人為或自然原因損壞,植被恢復(fù)較好。根據(jù)調(diào)查,在1.130 4 hm2受損區(qū)域內(nèi),暴雨洪水沖刷、外界山坡滑塌導(dǎo)致0.473 5 hm2覆土層受損,占比41.88%,表現(xiàn)為植被稀疏、倒伏、覆土流失;當(dāng)?shù)夭墒?、修路等人為原因?qū)е?.140 9 hm2覆土層受損,占比12.46%,表現(xiàn)為土層裸露或厚度減薄;被當(dāng)?shù)夭删蚱渌V種排棄物壓覆導(dǎo)致0.516 0 hm2覆土層受損,占比45.64%。

2.4.2 氡析出率監(jiān)測(cè)結(jié)果

受損的覆土層表面氡析出率范圍為0.20～0.57 Bq/(m2·s)、平均為0.40 Bq/(m2·s),表面氡析出率不高的原因是損壞類(lèi)型以壓覆為主;完好的覆土層表面氡析出率范圍為0.09～0.63 Bq/(m2·s),平均為0.37 Bq/(m2·s)。廢渣堆覆土層表面氡析出率均未超過(guò)0.74 Bq/(m2·s)的管理限值。

2.4.3 壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果

完好的覆土工程壓實(shí)度范圍為79%～92%、平均為(88±1.80)%(折合干容重約1.42 t/m3±0.03 t/m3),滿(mǎn)足不低于85%的覆土質(zhì)量要求。

3 退役治理工程設(shè)施穩(wěn)定性評(píng)估

3.1 評(píng)估準(zhǔn)則

此次對(duì)鈾礦退役治理工程設(shè)施穩(wěn)定性的評(píng)估,主要包括對(duì)坑(井)口完好程度、防洪安全性、攔渣壩安全性、覆蓋層完好性等的判定,目前尚無(wú)相應(yīng)的國(guó)家或行業(yè)的分級(jí)、分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)此次野外現(xiàn)場(chǎng)觀察、檢測(cè)情況和對(duì)受損部位的影響分析,這類(lèi)工程的受損與其影響后果的關(guān)系,屬于非標(biāo)準(zhǔn)不等級(jí)遞變型[10]32。

參考地質(zhì)災(zāi)害防治工程的受災(zāi)體損毀影響、等級(jí)劃分及價(jià)值損失率[10]115相關(guān)研究,提出評(píng)估準(zhǔn)則與處置措施,見(jiàn)表3。工程結(jié)構(gòu)受損比率定義為受損長(zhǎng)度或面積除以該工程結(jié)構(gòu)的總長(zhǎng)度或總面積,按工程結(jié)構(gòu)受損比率劃分為完好～基本完好、輕微損壞、中等損壞、嚴(yán)重?fù)p壞～全部損壞4個(gè)等級(jí),相應(yīng)的處置措施為日常維護(hù)、一般性整修、部分翻修或大修、盡快修復(fù)或重建。

表3 退役治理工程設(shè)施穩(wěn)定性的評(píng)估準(zhǔn)則Table 3 Criteria for stability evaluating of decommissioning treatment engineering facilities

3.2 評(píng)估結(jié)果

根據(jù)此次檢測(cè)結(jié)果和以上評(píng)估準(zhǔn)則,對(duì)表1中的37個(gè)礦床(點(diǎn))退役治理工程設(shè)施穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估(表4～表5)。

表4 工程設(shè)施穩(wěn)定性評(píng)估結(jié)果Table 4 Stability evaluation results of the decommissioning treatment engineering facilities

表5 工程設(shè)施穩(wěn)定性評(píng)估結(jié)果的統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistics on stability evaluation results of the decommissioning treatment engineering facilities

由表4～表5可知,“八五”至“十一五”期間坑口封堵墻受損比較嚴(yán)重,評(píng)估為Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)損壞程度的礦點(diǎn)占比為40.54%,主要原因是封堵后未覆土掩埋。廢渣堆治理工程設(shè)施評(píng)估為Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)損壞程度的礦點(diǎn)占比為13.51%,需要及時(shí)修復(fù)1號(hào)、3號(hào)、14號(hào)、30號(hào)、34號(hào)等5個(gè)礦點(diǎn)有關(guān)工程設(shè)施;評(píng)估為Ⅰ級(jí)的占比為86.49%,大多數(shù)治理工程設(shè)施狀態(tài)完好。

4 結(jié)論與建議

采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、原位強(qiáng)度檢測(cè)、隱蔽工程探測(cè)等方法,對(duì)“八五”至“十一五”期間竣工的退役治理工程設(shè)施安全穩(wěn)定性開(kāi)展了系統(tǒng)檢測(cè)與評(píng)估,并對(duì)受損情況及原因進(jìn)行了調(diào)查,得到以下結(jié)論及建議。

4.1 結(jié)論

1)在鈾礦退役治理工程中,首次采用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度回彈法、貫入阻力法、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法對(duì)退役治理工程設(shè)施進(jìn)行了全方位檢測(cè),做到了無(wú)損檢測(cè)、原位檢測(cè),減少了土工試驗(yàn)工作量,具有輕便、靈活、快速的特點(diǎn),為鈾礦退役治理工程設(shè)施安全穩(wěn)定性評(píng)估提供了科學(xué)有效的數(shù)據(jù)支撐。

2)此次檢測(cè)的37個(gè)礦床(點(diǎn))退役治理工程設(shè)施,工程結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果基本符合甚至部分指標(biāo)優(yōu)于原設(shè)計(jì)要求,工程質(zhì)量較好,經(jīng)受住了20～30年自然應(yīng)力的考驗(yàn),治理方案和工程措施有效,安全穩(wěn)定性有保障。人為因素造成的損害是主要受損原因,開(kāi)展持續(xù)和積極的長(zhǎng)期監(jiān)護(hù)是必要的。

3)對(duì)鈾礦退役治理工程,其設(shè)計(jì)使用年限一般為50年。達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限時(shí),通過(guò)工程強(qiáng)度檢測(cè)等手段確定其能否繼續(xù)使用或進(jìn)行加固處理。在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi),這類(lèi)工程的病害一般都伴隨著損壞現(xiàn)象,在病害發(fā)展到一定程度時(shí)才會(huì)對(duì)其進(jìn)行加固處理。本研究提出的工程檢測(cè)方法和評(píng)估準(zhǔn)則,可為退役治理工程設(shè)施的檢測(cè)和維護(hù)工作提供參考。

4.2 建議

1)對(duì)鈾礦退役治理工程實(shí)施提出的改進(jìn)建議:對(duì)早期封堵后未覆土掩埋的坑口,重新進(jìn)行覆土掩埋;改進(jìn)坑口等狹小空間混凝土封堵墻體的施工工藝和質(zhì)量;根據(jù)廢渣堆治理工程周邊的交通、環(huán)境等情況,優(yōu)化設(shè)置警示標(biāo)志,增強(qiáng)附近群眾保護(hù)退役治理工程設(shè)施的意識(shí);進(jìn)一步做好濱河攔渣壩浸水部分的防沖刷設(shè)計(jì),采用抗沖刷能力強(qiáng)、整體性好的混凝土結(jié)構(gòu)或毛石混凝土結(jié)構(gòu);對(duì)截排洪溝進(jìn)行清淤,適當(dāng)提高過(guò)水?dāng)嗝娴陌踩?避免或減少沿線植被對(duì)溝渠排洪安全的影響;注意廢渣堆治理工程外圍山坡的災(zāi)害防治。

2)鈾礦退役治理工程設(shè)施因各種原因的受損率約為5%,建議可按工程費(fèi)用的5%計(jì)提維修基金,以便及時(shí)對(duì)受損部位進(jìn)行維修加固,確保工程長(zhǎng)期安全穩(wěn)定。

3)鈾礦退役治理工程的監(jiān)護(hù)不僅是控制任何可能破壞鈾礦廢渣隔離的活動(dòng),也是檢測(cè)和補(bǔ)救由于自然應(yīng)力引起的設(shè)計(jì)、施工、管理等方面缺陷的手段。應(yīng)定期開(kāi)展檢查設(shè)施防護(hù)基準(zhǔn)等活動(dòng),為鈾礦退役治理工程長(zhǎng)期抵抗自然應(yīng)力提供更有效的保證。