胡良才，郭大平，李哲輝，李玉雷，張 寧

(中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北 石家莊 050021)

鈾尾礦(渣)庫貯存了大量鈾礦山選冶產(chǎn)生的尾礦(渣)，其對(duì)周邊環(huán)境及公眾健康的潛在危害主要包括析出氡及其子體、γ輻射、揚(yáng)塵、污染水體[1-2]。在鈾尾礦(渣)庫退役治理過程中，需要在灘面鋪設(shè)覆蓋系統(tǒng)，以降低氡析出率及γ輻射劑量率，抑制尾渣揚(yáng)塵，保護(hù)周邊環(huán)境及公眾健康。

針對(duì)鈾尾礦(渣)庫覆蓋系統(tǒng)已有諸多研究，國外學(xué)者在鈾尾礦庫覆蓋系統(tǒng)長期穩(wěn)定性方面的研究成果較多[3-6]，國內(nèi)學(xué)者在覆蓋材料選擇、覆土厚度優(yōu)化等方面進(jìn)行了諸多卓有成效的研究。謝騰飛等分析了覆土層壓實(shí)度對(duì)降氡效果的影響，研究了覆蓋層土工參數(shù)與覆蓋厚度之間的關(guān)系[7-8]。戴劍勇等研究認(rèn)為鈾尾礦氡析出率與覆蓋材料孔隙度及擴(kuò)散系數(shù)成正比，與覆蓋材料厚度成反比[9]。班改革等采用數(shù)值模擬軟件COMSOL模擬分析了覆蓋黏土層中氡濃度分布隨時(shí)間變化的規(guī)律[10]。黃帥等采用數(shù)值模擬方法分析了鈾尾礦庫灘面析出氡在覆土層中的豎向運(yùn)移及分布特性[11]。李旭彤結(jié)合某鈾尾礦庫特性，提出了一種確定覆蓋土層厚度的輻射防護(hù)最優(yōu)化分析方法[12]。譚凱旋等針對(duì)華南某鈾尾礦庫，研究了不同覆蓋材料的降氡效果，認(rèn)為應(yīng)綜合考慮降氡效果、經(jīng)濟(jì)成本、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)等，以確定合理的覆蓋材料[13]。

筆者在總結(jié)分析國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，以遼寧省某鈾尾渣庫為研究對(duì)象，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際，提出了該鈾尾渣庫多層覆蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)。

1 尾渣庫概況

1.1 尾渣庫建設(shè)使用情況

尾渣庫作為礦山生產(chǎn)的重要配套工程，主要用來貯存礦山生產(chǎn)期間排出的全部尾渣和尾渣庫滲水處理系統(tǒng)產(chǎn)生的濾渣。該鈾尾渣庫由攔渣壩、尾渣堆積壩、排洪設(shè)施和壩體滲水收集設(shè)施等組成，攔渣壩高17 m，壩頂標(biāo)高407 m，壩頂寬3 m，上游壩坡1.0∶1.8，下游壩坡1.0∶2.0，上下游壩坡均采用干砌塊石護(hù)坡。尾渣庫于1996年建成并投入使用，有效庫容為6.4×105m3，使用期間進(jìn)行過多次加固整治，目前尾渣庫正在進(jìn)行退役治理工作。

1.2 尾渣庫輻射環(huán)境現(xiàn)狀

據(jù)監(jiān)測(cè)，尾渣庫灘面氡析出率為1.81～4.11 Bq/(m2·s)，均值為3.14 Bq/(m2·s)，高于管理限值；尾渣庫放射性總活度約為7.03×1014Bq；灘面的γ輻射劑量率為(26.6～1 015.6)×10-8Gy/h，均值為153.7×10-8Gy/h，高于場(chǎng)地本底值。

1.3 覆蓋治理目標(biāo)

根據(jù)《鈾礦冶輻射防護(hù)和輻射環(huán)境保護(hù)規(guī)定》(GB 23727—2009)[14]，確定該鈾尾渣庫退役覆蓋治理目標(biāo)為尾渣庫灘面經(jīng)退役、關(guān)閉和環(huán)境整治后，其表面氡析出率不大于0.74 Bq/(m2·s)。

2 常見覆蓋系統(tǒng)

覆蓋系統(tǒng)通常包括防侵蝕層、防生物侵?jǐn)_層、防滲層、氡屏蔽層等，選用的覆蓋材料一般包括天然材料(巖石、黏土等)、人工材料(塑料、瀝青、土壤及混凝土的混合物等)和水。為改善覆蓋性能，增強(qiáng)抗侵蝕和抗生物侵?jǐn)_的能力，通常采用2種或2種以上材料進(jìn)行組合[15-16]。隨著人們對(duì)鈾尾渣庫覆蓋系統(tǒng)研究的逐步深入，覆蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)也經(jīng)歷了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的過程[17]。

2.1 早期覆蓋系統(tǒng)

早期的覆蓋系統(tǒng)主要關(guān)注氡屏蔽效果及長期穩(wěn)定性，一般由3層組成，由上至下依次為碎石層、墊層及排水層(粗砂)和氡屏蔽層(壓實(shí)黏土)，如圖1所示。

膠質(zhì)瘢痕抑制了神經(jīng)元軸突的再生，但是，抑制膠質(zhì)瘢痕形成是否就能促進(jìn)神經(jīng)元軸突的生長？一些專家[14]利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)清除SCI后活化的AS，結(jié)果卻發(fā)生嚴(yán)重的脫髓鞘反應(yīng)、繼發(fā)性損傷，以及少突膠質(zhì)細(xì)胞死亡。分析原因可能是SCI初期，損傷局部發(fā)生過度的炎癥反應(yīng)，并產(chǎn)生大量毒性氨基酸、自由基和氮氧化物等，繼而出現(xiàn)繼發(fā)性神經(jīng)損傷。這一階段膠質(zhì)瘢痕對(duì)維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定、隔離損傷刺激及調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)均發(fā)揮關(guān)鍵作用，但之后卻成為神經(jīng)修復(fù)的障礙。因此，能否找到合適的干預(yù)時(shí)間，最大限度地發(fā)揮膠質(zhì)瘢痕的有利作用顯得尤為重要。

頂部碎石層用于防止底部黏土層及尾渣遭受侵蝕，保證1 000年內(nèi)有效。粗砂層作為碎石層的墊層及排水層。氡屏蔽層主要起降低氡析出率的作用。

圖1 新墨西哥州Shiprock尾渣庫(早期)覆蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 低滲透性覆蓋系統(tǒng)

隨著人們對(duì)鈾尾渣庫污染地下水的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，覆蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)的焦點(diǎn)集中于如何設(shè)計(jì)低滲透性黏土層，進(jìn)而增強(qiáng)氡屏蔽效果，同時(shí)減少降雨入滲。低滲透性覆蓋系統(tǒng)由上至下通常包括碎石層、墊層及排水層(粗砂)、防凍層、排水層(粗砂)、氡屏蔽層(壓實(shí)黏土)，如圖2所示。

頂部碎石層保護(hù)覆蓋系統(tǒng)及尾渣，避免其遭受侵蝕，滿足耐久性要求。碎石層下部設(shè)置粗砂組成的墊層及排水層。防凍層起防凍及存儲(chǔ)滲水的作用，該層厚度應(yīng)大于最大凍土深度。當(dāng)大氣降水未通過上部排水層直接排出覆蓋系統(tǒng)時(shí)，亦滲入至防凍層。當(dāng)滲水量超過其存儲(chǔ)能力時(shí)，多余的雨水滲入下部排水層，排出覆蓋系統(tǒng)。氡屏蔽層(壓實(shí)黏土，上部30 cm拌合膨潤土)主要起降低氡析出率的作用。覆蓋系統(tǒng)上部生長有植被后，存儲(chǔ)在防凍層中的水還可通過蒸騰作用排出覆蓋系統(tǒng)。

圖2 科羅拉多州Estes Gulch尾渣庫(低滲透性)覆蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 生態(tài)覆蓋系統(tǒng)

隨著研究的深入，人們逐漸認(rèn)識(shí)到，如果缺少常規(guī)維護(hù)，尾渣庫覆蓋系統(tǒng)上部難免會(huì)自然生長出植被。如何合理利用植被，成為關(guān)注的熱點(diǎn)，由此提出生態(tài)覆蓋系統(tǒng)的概念。生態(tài)覆蓋系統(tǒng)由上至下一般為表土層、防凍層、防生物侵?jǐn)_層、細(xì)粒土層、土工布、毛細(xì)阻滯層、柔性膜、氡屏蔽層(壓實(shí)黏土層)，如圖3所示。

覆蓋系統(tǒng)上部生長的植被，可通過蒸發(fā)及蒸騰作用，將土層中含有的水分返回到大氣中，從而使土層保持非飽和狀態(tài)。植被及有機(jī)落葉層還可以減小降雨勢(shì)能，減緩水流速度，固定土壤顆粒，過濾徑流中的泥沙，增大滲透量，降低表面風(fēng)速。表土層上部混合砂卵石，可控制風(fēng)蝕、水蝕;同時(shí)增強(qiáng)蒸發(fā)蒸騰作用，對(duì)植物棲息及水-土平衡影響也很小。防凍層厚度應(yīng)大于當(dāng)?shù)刈畲髢鐾辽疃?，以防止覆蓋系統(tǒng)下部結(jié)構(gòu)遭受凍融破壞。防生物侵?jǐn)_層用于防止植物根系及嚙齒動(dòng)物的破壞，土層中松散攤鋪的卵石，可以有效防止嚙齒動(dòng)物打洞。毛細(xì)阻滯層由砂及卵石組成，用于限制水向下流動(dòng)，同時(shí)還可以提高表土的儲(chǔ)水能力。柔性膜起到減少降雨入滲的作用。氡屏蔽層為壓實(shí)黏土層，主要起降低氡析出率的作用。

圖3 猶他州Monticello尾渣庫(生態(tài))覆蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 覆蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)

覆蓋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟一般包括選擇覆蓋材料、進(jìn)行覆土降氡試驗(yàn)以及確定合理的覆蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式。《核工業(yè)鈾水冶廠尾礦庫、尾渣庫安全設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50520—2009)[18]要求，“退役尾礦庫的尾礦壩及灘面應(yīng)進(jìn)行覆蓋治理。采用的材料應(yīng)就地取材，覆蓋層應(yīng)有防止風(fēng)蝕、雨蝕的安全措施?！?同時(shí)，選用的覆蓋材料及厚度還應(yīng)滿足降低氡析出率的要求。

3.1 覆蓋材料選擇

覆蓋黏土的質(zhì)量對(duì)覆蓋效果有較大的影響，應(yīng)盡量選擇孔隙率小、氡擴(kuò)散系數(shù)小、氡滲透性差的土壤，以達(dá)到較好的氡屏蔽效果。根據(jù)輻射防護(hù)最優(yōu)化原則，考慮恢復(fù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的需要，選用距尾渣庫較近，取土、運(yùn)輸方便的當(dāng)?shù)胤圪|(zhì)黏土作為覆蓋材料。經(jīng)過前期調(diào)查，該土源地氡析出率為0.053 Bq/(m2·s)，γ輻射劑量率為(11～13)×10-8Gy/h，均值為12×10-8Gy/h，其他有害金屬元素含量均較低。土壤最佳含水率為15.2%，最大干密度為1.78 g/cm3，壓實(shí)后滲透系數(shù)為2.8×10-5cm/s。

3.2 覆土降氡試驗(yàn)

采用覆土實(shí)測(cè)法，進(jìn)行覆土降氡試驗(yàn)，確定合理的鈾尾渣庫覆蓋土層厚度，覆土降氡試驗(yàn)由核工業(yè)北京化工冶金研究院完成[19]。

3.2.1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地及時(shí)間

黏土中氡的擴(kuò)散系數(shù)為(1～3)×10-6m2/s，經(jīng)計(jì)算，氡在覆蓋黏土層中的擴(kuò)散長度為1.2～2.0 m，選擇試驗(yàn)場(chǎng)地尺寸為15 m×15 m，滿足“試驗(yàn)場(chǎng)地的長和寬應(yīng)大于氡在覆蓋土層內(nèi)擴(kuò)散長度的5倍”的要求[20]。試驗(yàn)前，清除并妥善處理試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的樹根、雜草、垃圾、淤泥、腐植土等，平整試驗(yàn)場(chǎng)地，保證場(chǎng)地坡度小于5°，高差小于15 cm。試驗(yàn)場(chǎng)地需靜置5 d，以確保地表尾渣物性平穩(wěn)。

考慮天氣因素對(duì)氡析出率的影響，試驗(yàn)應(yīng)選擇晴好天氣進(jìn)行，以避免氣壓、降水等帶來的測(cè)量偏差。試驗(yàn)時(shí)間選擇當(dāng)?shù)貧夂蜻m宜的5-6月。

3.2.1.2 測(cè)量儀器和方法

使用ERM3421型數(shù)字γ輻射儀，測(cè)量γ輻射劑量率，測(cè)量時(shí)探頭距地面約1 m。采用積累法，使用美國Durridge公司生產(chǎn)的RAD7型測(cè)氡儀，測(cè)量氡析出率。所用儀器設(shè)備均處于檢定有效期內(nèi)，狀態(tài)良好。

對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地覆土進(jìn)行逐層測(cè)試，每一次覆土厚度不超過30 cm。覆土過程中注意對(duì)覆土場(chǎng)地的保護(hù)，避免特殊天氣、動(dòng)物及人為等因素破壞場(chǎng)地。每完成一層覆土，應(yīng)根據(jù)覆土層厚度待氡析出率穩(wěn)定后，再進(jìn)行下一層覆土，兩層覆土?xí)r間間隔應(yīng)不小于5個(gè)連續(xù)晴好的自然日。

3.2.1.3 取樣布點(diǎn)

考慮氡析出規(guī)律及分區(qū)邊界環(huán)境對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，僅在距分區(qū)邊界大于2 m的中心位置布設(shè)氡析出率及γ輻射劑量率監(jiān)測(cè)點(diǎn)。為便于對(duì)照覆土試驗(yàn)效果，在試驗(yàn)場(chǎng)地中劃分出一塊10 m×10 m的覆土場(chǎng)地，設(shè)置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在四周場(chǎng)地設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)對(duì)照點(diǎn)(圖4)。

圖4 覆土降氡試驗(yàn)場(chǎng)地劃分及監(jiān)測(cè)布點(diǎn)示意圖

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)場(chǎng)地不同覆土厚度的氡析出率、γ輻射劑量率監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1，其中不同覆土厚度氡析出率數(shù)值為試驗(yàn)區(qū)域5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均值。

覆土厚度與氡析出率的關(guān)系為[21]

(1)

式中：Xc—覆土厚度，m；B—氡在覆土層中的擴(kuò)散長度，m；A—與氡在廢石與尾渣覆土層中擴(kuò)散系數(shù)比值相關(guān)的常數(shù)，m；Jt—覆蓋前氡析出率平均值，Bq/(m2·s)；Jc—氡析出率管理限值，國內(nèi)取Jc=0.74 Bq/(m2·s)。

表1 不同覆土厚度下氡析出率、γ輻射劑量率

通過對(duì)覆土試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得出覆土厚度與氡析出率關(guān)系為

(2)

鈾尾渣庫氡析出率為1.81～4.11 Bq/(m2·s)，均值為3.14 Bq/(m2·s)。為了將尾渣庫灘面氡析出率降至0.74 Bq/(m2·s)以下，使用式(2)計(jì)算覆土厚度并工程取整，得到尾渣灘面覆土厚度為95 cm。

3.3 覆蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式

綜合考慮氡屏蔽、地表水入滲、植被生長、防嚙齒動(dòng)物破壞等因素，設(shè)計(jì)的覆蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由上至下依次包括覆土及植被層、排水及防侵?jǐn)_層、防滲層和氡屏蔽層，如圖5所示。

圖5 某鈾尾渣庫退役治理覆蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

覆土及植被層為50 cm厚壓實(shí)黏土層，表層種植當(dāng)?shù)剡m宜生長的淺根系草，以恢復(fù)地表植被并減少風(fēng)蝕、雨蝕。排水及防侵?jǐn)_層由30 cm厚砂卵石組成，以順利排出上部滲水，同時(shí)防止嚙齒動(dòng)物、植物根系破壞下部防滲層及氡屏蔽層。防滲層為HDPE復(fù)合土工膜(兩布一膜，布密度為200 g/m2，膜厚為1.5 mm)，用于增強(qiáng)防滲效果，防止降雨透過植被及排水層滲入尾渣庫，以減少壩體滲水處理量。氡屏蔽層為95 cm厚壓實(shí)黏土層，用于屏蔽氡析出及降低γ輻射劑量率。

4 結(jié)論

總結(jié)了國內(nèi)外鈾尾礦(渣)庫覆蓋系統(tǒng)研究成果及發(fā)展歷程，依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)合中國國情及項(xiàng)目實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了遼寧某鈾尾渣庫退役治理多層覆蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式，包括覆蓋系統(tǒng)材料的選擇，覆蓋層厚度和組成的確定。該覆蓋系統(tǒng)既能滿足將氡析出率降至規(guī)定限值以下的要求，又能減少降雨入滲量及壩體滲水處理量，進(jìn)而降低尾渣庫長期維護(hù)費(fèi)用。覆蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)單，施工方便，覆蓋材料選取當(dāng)?shù)鼐辔苍鼛燧^近、易獲取的黏土等材料，節(jié)約了治理費(fèi)用。