低頻振動(dòng)下某尾礦庫(kù)壩體氡析出穩(wěn)定性與壩體損傷標(biāo)定方法

摘" 要：鈾尾礦庫(kù)壩體在低頻振動(dòng)下會(huì)產(chǎn)生裂隙或孔隙導(dǎo)致放射性氣體氡逸出，危害人們生命健康及環(huán)境。為探討在振動(dòng)條件下尾礦庫(kù)壩體氡析出穩(wěn)定性與壩體損傷，通過(guò)制作尾礦庫(kù)壩體模型，使用激振臺(tái)實(shí)驗(yàn)?zāi)M，在低頻振動(dòng)條件下收集氡析出數(shù)據(jù)，得到振動(dòng)頻率與尾礦庫(kù)壩體損傷后氡析出之間的關(guān)系、壩體損傷等級(jí)與氡析出率、表面位移等物理數(shù)據(jù)的關(guān)系表。

關(guān)鍵詞：鈾尾礦庫(kù)；壩體；氡析出；低頻振動(dòng)；穩(wěn)定性

中圖分類(lèi)號(hào)：X936" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）19-0075-04

Abstract： Cracks or pores will be produced in the dam body of uranium tailings reservoir under low frequency vibration， which will lead to the escape of radioactive gas radon， which will endanger people's life， health and environmental safety. In order to explore the radon exhalation stability and dam damage of tailings dam under the condition of vibration， radon exhalation data are collected under low frequency vibration condition by making tailing dam model and using vibration table experimental simulation. The relationship between vibration frequency and radon exhalation after dam damage， and the relationship between dam damage grade and radon exhalation rate and surface displacement are obtained.

Keywords： uranium tailings reservoir; dam body; radon exhalation; low frequency vibration; stability

核安全是我國(guó)核能開(kāi)發(fā)中必須重視的問(wèn)題，我國(guó)核工業(yè)從開(kāi)始發(fā)展到如今的壯大，離不開(kāi)對(duì)整個(gè)核工業(yè)鏈條的安全把控。鈾尾礦庫(kù)是用來(lái)存放具有放射性危害的礦渣、尾砂，必須保證其在設(shè)計(jì)年限里能有效收容放射性危害物質(zhì)不外泄。地殼運(yùn)動(dòng)、巖層位移、地震波及人類(lèi)活動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生低頻振動(dòng)且有影響尾礦庫(kù)壩體安全的可能。在尾礦庫(kù)中，氡是對(duì)人們與環(huán)境影響較大的放射性元素，因?yàn)槠錈o(wú)色無(wú)味且易溶于水，可通過(guò)尾礦庫(kù)壩體孔隙與裂隙逸出到空氣，也可以溶解于水而污染地表水或地下水。氡的析出與覆蓋層的孔隙率有直接關(guān)系，因此研究尾礦庫(kù)壩體在低頻震動(dòng)條件下與對(duì)應(yīng)釋放到空氣中的氡的變化規(guī)律有一定研究?jī)r(jià)值。

郭振世[1]分析了尾礦壩中各物理參數(shù)變化的規(guī)律及物理指標(biāo)對(duì)尾礦壩穩(wěn)定性的影響，對(duì)尾礦壩的滲流情況進(jìn)行了3D分析并提出了優(yōu)化方案，在研究尾礦壩穩(wěn)定性的過(guò)程中還分別討論了壩體加高技術(shù)與擴(kuò)容方案提出了實(shí)際的應(yīng)用方法。謝騰飛等[2]研究人員以尾礦庫(kù)覆蓋物的壓實(shí)度作為切入點(diǎn)，研究了壓實(shí)度的變化是否可能帶來(lái)降氡性能的改變；蔡梓麒等[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了低頻振動(dòng)與高溫加熱對(duì)鈾礦試塊氡析出規(guī)律的影響，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)和加熱耦合作用下的氡析出規(guī)律。崔冠哲等[4]使用三維掃描技術(shù)收集了尾礦庫(kù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷淖鴺?biāo)數(shù)據(jù)，將振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果與坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，通過(guò)數(shù)字模擬技術(shù)探討了震動(dòng)力的響應(yīng)特征。呂淑然等[5]對(duì)爆破作用下壩體浸潤(rùn)線變化對(duì)尾礦壩穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究，主要探討了浸潤(rùn)線在爆破產(chǎn)生的擾動(dòng)下對(duì)尾礦庫(kù)產(chǎn)生的影響。張銀平[6]通過(guò)對(duì)巖體微震和相關(guān)礦山的實(shí)際應(yīng)用對(duì)礦區(qū)穩(wěn)定性和失穩(wěn)狀態(tài)進(jìn)行了總結(jié)。張力霆[7]的研究結(jié)果總結(jié)出了一套數(shù)學(xué)模型，用于計(jì)算尾礦庫(kù)在潰壩時(shí)相應(yīng)的失穩(wěn)機(jī)理并提出相關(guān)計(jì)算過(guò)程的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。鄭欣等[8]設(shè)計(jì)出了可以控制尾礦庫(kù)潰壩過(guò)程的方法。劉小松等[9]使用了一種高效計(jì)算氡析出率的方法，該測(cè)量方法可以準(zhǔn)確地反映實(shí)驗(yàn)條件下氡析出的準(zhǔn)確數(shù)值。譚凱旋等[10]通過(guò)測(cè)試不同覆蓋物在實(shí)驗(yàn)中對(duì)覆蓋物抑氡析出能力的性能對(duì)比，得出了一套反映各種覆蓋物的厚度對(duì)氡析出抑制能力的估算公式。

1" 尾砂動(dòng)力特性試驗(yàn)

本文試驗(yàn)使用原材料是來(lái)自湖南省某尾礦庫(kù)的尾礦砂，該尾礦砂采于壩體表面深度為1 m處。收集200 g的尾礦砂進(jìn)行人工篩分，該過(guò)程參照土力學(xué)分析實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。篩分中發(fā)現(xiàn)，尾礦砂粒徑大于2 mm的部分共占重量的0.45%，故在統(tǒng)計(jì)過(guò)程中忽略該部分。使用篩徑為1.0、0.5、0.25、0.105和0.075 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行多組平行試驗(yàn)篩分，其結(jié)果見(jiàn)表1。表1中，反映了本文實(shí)驗(yàn)試樣中不同粒徑砂粒的分布情況，通過(guò)該組數(shù)據(jù)繪制了顆粒級(jí)配累計(jì)曲線，如圖1所示，根據(jù)該圖可分析得到礦砂的限制直徑d60、中值粒徑d30、有效粒徑d10，計(jì)算可得礦砂的級(jí)配參數(shù)不均勻系數(shù)Cu與曲率系數(shù)Cc。結(jié)果顯示1lt;Cult;5，測(cè)試樣品的曲率系數(shù)取值為1～3，結(jié)果顯示該試樣顆粒均勻，可視為級(jí)配連續(xù)砂土。按照GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)定鈾尾礦砂的主要物理性質(zhì)參數(shù)指標(biāo)，見(jiàn)表2。

2" 試驗(yàn)方案

2.1" 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)對(duì)嵌固巖石并覆蓋黏土層的鈾尾礦壩模型中氡析出率的測(cè)量方法為靜電收集法。氡氣通過(guò)鈾尾砂-黏土層-覆蓋層路徑析出進(jìn)入集氡空間。尾砂固體晶格中226Ra元素釋放出粒子的同時(shí)衰變成氡原子。在尾礦砂粒之間存在聯(lián)通的微小裂隙，在核反沖作用的參與下，裂隙中形成可以自由移動(dòng)的氡原子，由于分子擴(kuò)散作用的存在，氡原子在微裂隙中向試驗(yàn)裝置表面遷移并進(jìn)入集氡空間，此時(shí)測(cè)量集氡空間內(nèi)氡濃度會(huì)在初始氡濃度數(shù)值上持續(xù)升高并在一定時(shí)間后趨于穩(wěn)定。集氡罩內(nèi)氡濃度隨集氡時(shí)間延長(zhǎng)而增加，在相等間隔時(shí)間后測(cè)量裝置內(nèi)氡濃度。并計(jì)算其析出率

式中：J為被測(cè)介質(zhì)表面氡析出率；S為集氡罩的底面積，m2；V為集氡罩空間體積，m3；C為集氡罩內(nèi)積累t時(shí)刻的氡濃度，Bq·m-3。

2.2" 試驗(yàn)材料和裝置

為了研究實(shí)驗(yàn)條件下鈾尾礦壩體的氡析出率，基于相似實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)制作鈾尾礦壩縮尺模型。試驗(yàn)?zāi)M對(duì)象為南方某鈾尾礦壩典型壩段，參考施工縮比制作，并充分考慮模型的邊壁效應(yīng)后設(shè)計(jì)制作。分層搗實(shí)，覆黏土層，灑水，嵌入落石層，并在陰涼通風(fēng)處?kù)o置15 d。

試驗(yàn)裝置部分由測(cè)氡儀（RAD-7）、自研雙向振動(dòng)系統(tǒng)、模型試驗(yàn)箱和信號(hào)采集處理系統(tǒng)4部分組成，其示意圖如圖2所示。

外置裝置由集氡模型試驗(yàn)箱、激振器等組成。壩體析出集氡模型試驗(yàn)箱頂蓋為橡膠圈密封法蘭蓋內(nèi)置可供RAD-7測(cè)氡儀管道接入的轉(zhuǎn)接口，并通過(guò)1個(gè)帶卡槽的底座固定在模型試驗(yàn)箱，不銹鋼基座安裝有供激振器與析出罐固定的底座，激振器的底座固定在基座的一端。

激振系統(tǒng)主要包括JZK-20型電動(dòng)式模態(tài)激振器、HY5872A功率放大器、YE1311掃頻信號(hào)發(fā)生器。激振器通過(guò)振動(dòng)桿與振動(dòng)臺(tái)聯(lián)結(jié)，對(duì)振動(dòng)平臺(tái)及其底座施加激振力。通過(guò)機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的正弦（余弦、方波、白噪聲）變化的變力對(duì)振動(dòng)平臺(tái)及平臺(tái)上的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛽粽瘢瑥亩軌蚰M在現(xiàn)實(shí)中可能的機(jī)械振動(dòng)或余震對(duì)尾礦庫(kù)壩體的擾動(dòng)影響。

2.3" 試驗(yàn)過(guò)程

測(cè)氡儀每次測(cè)量時(shí)間為1 h，測(cè)試開(kāi)始溫度為15± 1 ℃，試驗(yàn)的基本步驟如下。

1）試驗(yàn)前通風(fēng)透氣使模型試驗(yàn)箱中的氡濃度恢復(fù)至本底值，將頂蓋密封安裝，檢查氣密性。通過(guò)螺栓將模型試驗(yàn)箱與振動(dòng)臺(tái)連接在一起，確保牢固無(wú)法發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。

2）打開(kāi)測(cè)氡儀的開(kāi)關(guān)，使用“凈化”功能將儀器內(nèi)殘余氡氣排出，同時(shí)排出會(huì)干擾儀器準(zhǔn)確度的水汽，該過(guò)程持續(xù)10 min以上，直至顯示空氣濕度低于10%；隨后調(diào)為sniff模式，開(kāi)始對(duì)氡濃度的變化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，設(shè)置單次測(cè)量時(shí)間為5 min，共進(jìn)行12次即總計(jì)1 h的氡濃度測(cè)量。

3）第一組試驗(yàn)分別在10，20，30，40，60，80和100 Hz的要求下進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，電流為1 A的條件下啟動(dòng)激振臺(tái)，振動(dòng)10 min。振動(dòng)結(jié)束后靜置模型10 min。蓋上模型試驗(yàn)箱頂蓋，確認(rèn)氣密。啟動(dòng)RAD-7“sniff”模式，連續(xù)監(jiān)測(cè)1 h。

4）對(duì)照試驗(yàn)組測(cè)試試驗(yàn)，不進(jìn)行激振操作，但同樣進(jìn)行氡氣測(cè)量1 h。

5）待試驗(yàn)完成后，關(guān)閉所有儀器，計(jì)算氡析出率。

3" 數(shù)據(jù)處理

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可知隨著振動(dòng)頻率的增加，氡析出率會(huì)隨之增加，集氡罩內(nèi)氡氣濃度也會(huì)隨之增加。多次實(shí)驗(yàn)表明振動(dòng)頻率與氡氣濃度之間有強(qiáng)相關(guān)。

為得到振動(dòng)與氡氣濃度之間的函數(shù)預(yù)測(cè)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合。具體方法如下。

3.1" 構(gòu)建擬合模型

由于在一定空間內(nèi)氡氣濃度會(huì)隨著時(shí)間而趨于穩(wěn)定，因此本文使用函數(shù)y=Aarctan（Bx）作為擬合預(yù)測(cè)函數(shù)所用模型，如圖3所示。

3.2" 設(shè)定參數(shù)變量

其中A決定該函數(shù)的值域，B決定了該函數(shù)上升階段的劇烈程度。因此，將A的取值區(qū)間為[0，500]， B的取值區(qū)間為[0，500]。設(shè)置步長(zhǎng)為0.1進(jìn)行遍歷，求得曲線與原始數(shù)據(jù)的最匹配的解。

3.3" 尋找最優(yōu)參數(shù)

算法步驟如下。

1）初始化。設(shè)定擬合函數(shù)模型、參數(shù)上下限、初始值和步長(zhǎng)。

2）迭代。參數(shù)改變，形成新的表達(dá)式，代入數(shù)據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)（xn，yn），得到模擬值JZK-20，并計(jì)算與原始數(shù)據(jù)的誤差，公式如下

3）判斷。當(dāng)計(jì)算的誤差值達(dá)最小值時(shí)，記錄當(dāng)前參數(shù)為最佳擬合參數(shù)。

通過(guò)數(shù)據(jù)處理擬合可得，氡氣濃度會(huì)在達(dá)到一定的數(shù)值后在一定區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定，如圖4所示，這是因?yàn)樵谝欢ǖ拿荛]空間內(nèi)沒(méi)有新的裂隙產(chǎn)生，氡氣釋放渠道趨于穩(wěn)定。

4" 結(jié)論

由實(shí)驗(yàn)可知在不同振動(dòng)頻率下模型的宏觀特征會(huì)有與之對(duì)應(yīng)的變化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果將灘面發(fā)生的變化分為4級(jí)，見(jiàn)表3。通過(guò)實(shí)驗(yàn)與處理、對(duì)比模型表面碎石塊的滑落和土壤表面開(kāi)裂情況，如圖5所示，將振動(dòng)頻率、實(shí)驗(yàn)表面位移、面積變化率作為損傷評(píng)級(jí)的依據(jù)，得出不同振動(dòng)頻率可能對(duì)壩體造成的損傷等級(jí)關(guān)系表。在振動(dòng)頻率增加時(shí)，壩體模型表面破壞效果加劇且短時(shí)間內(nèi)氡析出率增加，其可以為后續(xù)的尾礦庫(kù)的安全穩(wěn)定性研究提供研究基礎(chǔ)。

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基金項(xiàng)目：湖南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目（20A440）

第一作者簡(jiǎn)介：郭睿楊（1997-），男，碩士研究生。研究方向?yàn)槲驳V庫(kù)安全。

*通信作者：李向陽(yáng)（1962-），男，教授。研究方向?yàn)殁櫸驳V庫(kù)退役治理理論與技術(shù)。