胡良才，郭大平，李玉雷，劉再道

(1.中核第四研究設(shè)計(jì)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(kù)作為貯存鈾尾渣的場(chǎng)所，是潛在的放射性污染源。根據(jù)國(guó)家相關(guān)法律法規(guī)及規(guī)范要求，對(duì)于服務(wù)年限期滿或永久性停業(yè)的鈾尾渣庫(kù)，應(yīng)充分考慮其對(duì)周邊公眾健康和安全及保護(hù)環(huán)境而進(jìn)行退役治理。在退役治理階段，對(duì)庫(kù)底無防滲且?guī)r土層滲透系數(shù)較大的鈾尾渣庫(kù)采取防滲補(bǔ)救措施，可以實(shí)現(xiàn)尾渣庫(kù)安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)最小化。

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

本文以正在進(jìn)行退役治理設(shè)計(jì)的某鈾尾渣庫(kù)為研究對(duì)象，對(duì)尾渣庫(kù)防滲補(bǔ)救方案進(jìn)行對(duì)比分析，提出技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理、安全環(huán)保的尾渣庫(kù)防滲方案，以期為放射性尾渣庫(kù)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(kù)概況

某鈾礦山所處區(qū)域?yàn)橹械蜕降孛玻０? 300～1700 m，區(qū)內(nèi)溝谷發(fā)育，最大相對(duì)高差400 m。尾渣庫(kù)位于“V”型溝谷谷口，庫(kù)區(qū)底部地形相對(duì)平坦，左岸地形稍陡峭，右岸地形相對(duì)較緩。尾渣庫(kù)分三期建設(shè)，一期庫(kù)、二期庫(kù)均由礦山企業(yè)自行建設(shè)，由于建設(shè)年代較早，庫(kù)底及兩側(cè)岸坡未采取防滲措施；三期庫(kù)為新建庫(kù)，位于一期庫(kù)、二期庫(kù)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(kù)、二期庫(kù)庫(kù)容已使用終了，庫(kù)內(nèi)堆滿鈾尾渣，三期庫(kù)建成后未投入使用，為空置庫(kù)。尾渣庫(kù)平面圖見圖1。

圖1 尾渣庫(kù)平面圖

目前礦山處于關(guān)閉停產(chǎn)狀態(tài)，尾渣庫(kù)隨之進(jìn)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(yùn)至尾渣庫(kù)內(nèi)堆存。因此，設(shè)計(jì)將一期庫(kù)、二期庫(kù)內(nèi)部分尾渣倒運(yùn)至三期庫(kù)內(nèi)，再以二期庫(kù)攔渣壩為初期壩，采用上游式筑壩方法將尾渣庫(kù)加高擴(kuò)容至現(xiàn)一期庫(kù)位置，同時(shí)采取防滲補(bǔ)救措施降低尾渣庫(kù)安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。擴(kuò)容后尾渣庫(kù)初期壩高18 m，堆積壩高46.6 m，總壩高64.6 m，屬四等庫(kù)。

1.2 庫(kù)區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)

尾渣庫(kù)庫(kù)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(kù)工程地質(zhì)特性見表1。由表1可以看出，尾渣庫(kù)庫(kù)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(kù)工程地質(zhì)特性

1.3 滲水風(fēng)險(xiǎn)分析

在一期庫(kù)、二期庫(kù)運(yùn)行使用過程中，礦山運(yùn)營(yíng)企業(yè)利用堆積尾渣形成的平坦地形在庫(kù)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(kù)內(nèi)。經(jīng)檢測(cè)，尾渣庫(kù)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(zhǎng)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(xiǎn)。

從降低尾渣庫(kù)安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)角度出發(fā)，對(duì)進(jìn)行退役治理的鈾尾渣庫(kù)采取防滲補(bǔ)救措施，降低尾渣庫(kù)對(duì)地下水的潛在危害，保證“工程長(zhǎng)期安全，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)最小化”，符合我國(guó)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(kù)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(chǎng)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(jì)性的基礎(chǔ)上選擇。

2.1 水平防滲

水平防滲通過在尾渣庫(kù)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(shí)阻止庫(kù)底基巖裂隙水滲入尾渣庫(kù)內(nèi)，從而實(shí)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(jì)

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

本工程尾渣庫(kù)地形較平坦，且三期庫(kù)為空置庫(kù)，具備將一期庫(kù)、二期庫(kù)內(nèi)尾渣倒運(yùn)至三期庫(kù)并對(duì)一期庫(kù)、二期庫(kù)采取水平防滲的庫(kù)容條件。因此尾渣庫(kù)水平防滲方案設(shè)計(jì)在一期庫(kù)、二期庫(kù)庫(kù)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(chǎng)地，將庫(kù)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(shí)；2)砂卵石層。整平清基后尾渣庫(kù)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(jí)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(kù)兩側(cè)山體裂隙滲入庫(kù)底的裂隙水，通過底部砂卵石層排出庫(kù)外，可防止裂隙水滲入尾渣庫(kù)中，起到排水作用；3)膨潤(rùn)土防水毯。膨潤(rùn)土防水毯采用鈉基膨潤(rùn)土防水毯，鈉基膨潤(rùn)土防水毯是以鈉基膨潤(rùn)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(rùn)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(rùn)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(zhǎng)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(kù)內(nèi)滲水對(duì)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(hù)層，土工布規(guī)格為600 g/m2；6)砂卵石保護(hù)層。土工布上部鋪設(shè)20 cm厚砂卵石作為保護(hù)層，防止尾渣倒運(yùn)壓實(shí)過程中壓實(shí)機(jī)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(huì)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(chǎng)復(fù)合防滲層滲漏率計(jì)算公式[10]計(jì)算尾渣庫(kù)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(shí)取0.21，接合較差時(shí)取1.16；hw為防滲層上水頭，m；Ls為膨潤(rùn)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(rùn)土防水毯滲透系數(shù)，m/s。

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

表2 滲漏率計(jì)算結(jié)果

沈樓燕等[12]調(diào)查顯示，國(guó)外防滲層土工膜孔洞數(shù)量約為203～2 251個(gè)/km2，本次計(jì)算取土工膜孔洞數(shù)量為2 000個(gè)/km2。尾渣庫(kù)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(jì)算得到防滲層上水頭1 m時(shí)，尾渣庫(kù)滲漏量為1.19 m3/d。事實(shí)上，由于本尾渣庫(kù)為干式尾渣庫(kù)，尾渣含水率較低，采用封場(chǎng)覆蓋措施后，尾渣庫(kù)內(nèi)沒有明顯浸潤(rùn)線，因此在保證防滲層施工質(zhì)量前提下，理論上尾渣庫(kù)滲漏量為零。

2.2 垂直防滲

垂直防滲是利用尾渣庫(kù)底部的不透水或弱透水層作為下部隔水層，在尾渣庫(kù)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(duì)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(kù)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(yùn)庫(kù)容從而無法進(jìn)行水平防滲，且?guī)斓撞坑羞B續(xù)穩(wěn)定的天然相對(duì)不透水層時(shí)應(yīng)用。

2.2.1 垂直防滲方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)在擴(kuò)容后尾渣庫(kù)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(zhǎng)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(duì)設(shè)置垂直防滲后壩下滲水量進(jìn)行模擬分析。根據(jù)尾渣庫(kù)退役治理后壩體剖面、水文地質(zhì)報(bào)告及勘察報(bào)告給出的尾渣、碎石土、強(qiáng)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(jì)算求解。尾渣庫(kù)下部微風(fēng)化巖層及庫(kù)周圍防滲墻設(shè)置為不透水層，尾渣庫(kù)下游防滲墻上部預(yù)埋排水管，設(shè)置為滲流面[13]。

經(jīng)計(jì)算，尾渣庫(kù)壩下滲水量隨時(shí)間變化曲線見圖4。由圖4可見，設(shè)置垂直防滲前，尾渣庫(kù)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(kù)壩下滲水量較大，現(xiàn)有尾渣庫(kù)滲水收集處理設(shè)施應(yīng)持續(xù)運(yùn)行，確保滲水不污染環(huán)境。

圖4 尾渣庫(kù)壩下滲水量變化曲線

2.3 防滲方案對(duì)比分析

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

表3 水平及垂直防滲方案對(duì)比

經(jīng)綜合分析，確定尾渣庫(kù)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(kù)為例，進(jìn)行了不同類型防滲補(bǔ)救方案的比選研究。結(jié)論如下：

1)對(duì)于干式堆存且設(shè)置良好覆蓋措施的尾渣庫(kù)，采取水平防滲方案且防滲層施工質(zhì)量良好時(shí)，理論上尾渣庫(kù)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(kù)內(nèi)或周圍有合適的作業(yè)面或倒渣場(chǎng)地時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采取水平防滲。

2)采用垂直防滲方案時(shí)，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(jìn)行水平防滲，且?guī)斓撞刻烊幌鄬?duì)不透水層在場(chǎng)區(qū)內(nèi)分布連續(xù)且穩(wěn)定的，可以考慮采用垂直防滲。