抽水蓄能電站工程放射性及有害氣體測(cè)試研究

宋偉健，陳鑫，劉金鋒

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130062；2.松遼水利委員會(huì)水文局（信息中心），吉林 長(zhǎng)春 130021）

抽水蓄能電站工程地下平硐巖體中存在不同揮發(fā)性氣體及放射性元素，在開(kāi)挖過(guò)程中，有害氣體和放射性元素持續(xù)釋放，但其本身可能無(wú)色無(wú)味，很難直觀地發(fā)現(xiàn)和預(yù)估，一旦發(fā)生事故，就可能引發(fā)很?chē)?yán)重的安全和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。因此，在地下平硐內(nèi)進(jìn)行有害氣體及放射性元素測(cè)試，是工程中不可或缺的地質(zhì)勘察項(xiàng)目。通過(guò)對(duì)地下硐室進(jìn)行檢測(cè)，能夠直觀、便捷地獲得有害氣體及放射性元素?cái)?shù)據(jù)，從而精確獲取其濃度和分布情況，評(píng)價(jià)有害氣體、放射性元素對(duì)人體的危害程度，為抽水蓄能電站后續(xù)施工及運(yùn)行提供相應(yīng)依據(jù)，繼而達(dá)到對(duì)抽水蓄能電站順利建設(shè)保駕護(hù)航的目的。

1 方法原理

1.1 定電位電解

將工作電極的工作信號(hào)通過(guò)U2 轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，此電路需要保證工作電極的電壓位于其偏壓以下，線路中布設(shè)的U1 會(huì)對(duì)電極產(chǎn)生電壓信號(hào)，該信號(hào)與工作電極電流信號(hào)一致。同時(shí)，恒電位電路使工作電極與參考電極之間保持恒定的電位差。測(cè)量氣體有一氧化碳（CO）、氧氣（O2）、硫化氫（H2S）等。

1.2 催化燃燒原理

儀器采用熱催化型高性能傳感器組成惠斯頓電橋，測(cè)量臂由載件催化元件（俗稱(chēng)黑元件）和純載元件（俗稱(chēng)白元件）組成，輔助臂由金屬膜電阻和電位器組成，穩(wěn)壓電路為電橋提供穩(wěn)定的電壓，即在新鮮空氣中橋路處于平衡狀態(tài)，在被測(cè)氣體中，甲烷（CH4）在黑元件表面發(fā)生催化反映（無(wú)焰燃燒），使黑元件溫度增高、電阻增大、橋路失去平衡，從而輸出一個(gè)在一定范圍內(nèi)的體積電位差，其大小與甲烷（CH4）的濃度成正比。電壓信號(hào)進(jìn)入微處理器經(jīng)過(guò)內(nèi)部A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、濾波之后，由單片計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，然后通過(guò)液晶顯示器將被測(cè)甲烷（CH4）的濃度顯示出來(lái)，并給出聲光報(bào)警。

1.3 紅外原理

儀器傳感器采用窄帶NDIR 紅外技術(shù)的二氧化碳（CO2）模塊，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行濃度測(cè)量、顯示、報(bào)警。

1.4 放射性測(cè)試原理

氡濃度（阿爾法）測(cè)量：儀器依據(jù)泵吸靜電收集能譜分析法設(shè)計(jì)，采用調(diào)速真空泵將含氡氣體吸入高壓腔室內(nèi)，氡氣衰變產(chǎn)生的218Po（釙218）帶正電離子在電場(chǎng)作用下高速吸附到PIPS 探測(cè)器表面，218Po（釙218）繼續(xù)衰變產(chǎn)生的阿爾法粒子被探測(cè)器收集，經(jīng)放大、整形、采樣后由控制電路進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而獲得阿爾法能譜數(shù)據(jù)。根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)脈沖計(jì)數(shù)與氡濃度的正比關(guān)系即可確定腔室內(nèi)的氡濃度。

伽馬測(cè)量：伽馬射線進(jìn)入閃爍體，使閃爍體原子中的電子激發(fā)而產(chǎn)生熒光。光子經(jīng)光導(dǎo)介質(zhì)耦合到光電倍增管陰極，產(chǎn)生光電效應(yīng)，形成光電子。光電倍增管多級(jí)倍增，在陽(yáng)極負(fù)載上產(chǎn)生電信號(hào)，經(jīng)放大、甄別輸出脈沖，此脈沖輸入到計(jì)數(shù)電路進(jìn)行計(jì)數(shù)。該儀器探測(cè)器采用NaI（Tl）閃爍晶體+光電倍增管組成探測(cè)器，探測(cè)器輸出脈沖的計(jì)數(shù)率正比于射線強(qiáng)度或放射性物質(zhì)含量。

2 工作方法與技術(shù)

硐室氣體測(cè)試前對(duì)儀器進(jìn)行檢定檢驗(yàn)，測(cè)試前、后進(jìn)行背景值測(cè)量。對(duì)平硐樁號(hào)785～975 m進(jìn)行測(cè)試時(shí)，工作現(xiàn)場(chǎng)平硐內(nèi)平均溫度為18 ℃，相對(duì)濕度不大于98%，大氣壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，通風(fēng)裝備未接到測(cè)試部位。硐軸方向進(jìn)行離散式測(cè)量，每5 m 進(jìn)行1 次有效測(cè)試。根據(jù)規(guī)程規(guī)范中儀器設(shè)置的超標(biāo)閾值，當(dāng)出現(xiàn)超標(biāo)情況時(shí)，儀器自動(dòng)報(bào)警，對(duì)異常位置進(jìn)行重復(fù)觀察并詳細(xì)記錄[1]。

放射性測(cè)試是基于FD218 阿爾法能譜氫測(cè)量?jī)x和HD-2000 智能伽馬輻射儀對(duì)硐室內(nèi)進(jìn)行氡（阿爾法）濃度測(cè)量和伽馬測(cè)量。氡（阿爾法）濃度測(cè)量是在平硐樁號(hào)760～960 m，每10 m 取1 次新鮮巖樣，巖樣樣本數(shù)量應(yīng)滿足規(guī)范要求，對(duì)巖樣進(jìn)行切割、研磨，制成巖粒、巖粉。氡（阿爾法）濃度測(cè)量在室內(nèi)進(jìn)行，平均溫度需要達(dá)到24 ℃；所有試樣均進(jìn)行干燥處理，其相對(duì)濕度均小于15%；氣壓為101 kPa。測(cè)量采用土壤中氡（阿爾法）濃度測(cè)量方式，將試樣置于密閉的容器內(nèi)，并將儀器配備的硅膠管置于容器內(nèi)，另一端連接干燥劑后與儀器相連。使用儀器對(duì)所有試樣進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)試樣進(jìn)氣時(shí)間為5 min，測(cè)量周期為5 min，循環(huán)次數(shù)為3 次。伽馬測(cè)量是在平硐內(nèi)樁號(hào)760～960 m處直接進(jìn)行測(cè)量，平硐內(nèi)平均溫度為18 ℃，相對(duì)濕度不大于95%，測(cè)量時(shí)間寬度為60 s，探頭離地面高度為1 m，探頭盡量貼近巖體。氡（阿爾法）濃度測(cè)量和伽馬測(cè)量時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)超標(biāo)情況，儀器自動(dòng)報(bào)警[2]。

3 工程實(shí)例成果分析

3.1 硐室氣體測(cè)試成果分析

通過(guò)在地下廠房平硐測(cè)區(qū)進(jìn)行有害氣體測(cè)試，可有效、直觀、快捷地獲取各項(xiàng)氣體的數(shù)值范圍。表1 給出了地下硐室氣體控制標(biāo)準(zhǔn)及平硐氣體測(cè)試數(shù)據(jù)平均值。

表1 地下廠房平硐氣體濃度測(cè)試數(shù)據(jù)及控制標(biāo)準(zhǔn)表

根據(jù)實(shí)測(cè)值分析平硐主硐內(nèi)各種氣體的變化趨勢(shì)：甲烷（CH4）、二氧化硫（SO2）、硫化氫（H2S）和二氧化氮（NO2）的含量為0；一氧化碳（CO）隨樁號(hào)的增加逐漸減少；氧氣（O2）、二氧化碳（CO2）、氨氣（NH3）變化比較平穩(wěn)。

由表1 可知，平硐內(nèi)氧氣（O2）含量符合標(biāo)準(zhǔn)值；其余7 種氣體有害氣體指標(biāo)的含量均低于標(biāo)準(zhǔn)值，滿足規(guī)范要求，短期內(nèi)不會(huì)對(duì)人體造成不可逆的傷害。

3.2 放射性測(cè)試成果分析

1）氡（阿爾法）濃度測(cè)量

將每個(gè)測(cè)點(diǎn)的3 組數(shù)值取平均值作為該測(cè)點(diǎn)的最終數(shù)值，再經(jīng)過(guò)體積、時(shí)間換算，得出最終平衡當(dāng)量氡濃度。每10 m 為1 測(cè)段進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)整理，可知氡濃度測(cè)量值范圍為1.0～29.0 Bq/m3，計(jì)算后的平衡當(dāng)量氡濃度范圍為6.7～193.3 Bq/m3，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的氡濃度均小于規(guī)程規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn)氡濃度200.0 Bq/m3。考慮氡氣具有流動(dòng)性，在分析時(shí)將主硐和支硐內(nèi)氡濃度分別進(jìn)行平均計(jì)算，得出平硐內(nèi)氡濃度平均值為65.0 Bq/m3，小于規(guī)程規(guī)范要求，硐室內(nèi)氡濃度未超出標(biāo)準(zhǔn)[3]。

2）伽馬測(cè)量

統(tǒng)計(jì)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，計(jì)算每10 m（1 個(gè)測(cè)區(qū)）內(nèi)的平均值；將得到的平均值換算成有效劑量當(dāng)量率，可得出有效劑量當(dāng)量率范圍為8.40×10-5～9.70×10-5mSv/h；取年工作為2 000 h 計(jì)算平硐內(nèi)伽馬年有效劑量當(dāng)量，得到其范圍為1.68×10-2～1.94×10-2mSv，小于規(guī)程規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn)伽馬照射年有效劑量（1.00 mSv）。將平硐內(nèi)伽馬照射年有效劑量進(jìn)行平均計(jì)算，得出平硐硐室內(nèi)伽馬照射年有效劑量平均值為0.18 mSv，仍小于規(guī)程規(guī)范要求，則硐室內(nèi)伽馬照射年有效劑量未超出安全標(biāo)準(zhǔn)[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

平硐開(kāi)挖工程是抽水蓄能電站建設(shè)的重要工作之一，及時(shí)進(jìn)行放射性元素、硐室有害氣體測(cè)試，有效地解決了平硐開(kāi)挖工程中存在的工期緊張和人員作業(yè)危險(xiǎn)等作業(yè)難題，為抽水蓄能電站工程建設(shè)起到了指導(dǎo)性作用，很大程度上提高了工程建設(shè)進(jìn)度和人工作業(yè)的安全性。在地下硐室施工或地下廠房?jī)?nèi)工作時(shí)，為避免地下廠房及硐室內(nèi)有害氣體含量超標(biāo)和硐壁巖體產(chǎn)生的氡及伽馬射線嚴(yán)重超標(biāo)，應(yīng)定期進(jìn)行放射性元素、有害氣體測(cè)試，同時(shí)，必須安裝通風(fēng)裝置，相關(guān)工作人員佩戴安全防護(hù)設(shè)備，保持硐內(nèi)有良好的通風(fēng)條件，必要時(shí)穿防輻射服、佩戴口罩。