宋偉健，陳鑫，劉金鋒

（1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130062；2.松遼水利委員會水文局（信息中心），吉林 長春 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，在開挖過程中，有害氣體和放射性元素持續(xù)釋放，但其本身可能無色無味，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)很嚴重的安全和經(jīng)濟問題。因此，在地下平硐內(nèi)進行有害氣體及放射性元素測試，是工程中不可或缺的地質(zhì)勘察項目。通過對地下硐室進行檢測，能夠直觀、便捷地獲得有害氣體及放射性元素數(shù)據(jù)，從而精確獲取其濃度和分布情況，評價有害氣體、放射性元素對人體的危害程度，為抽水蓄能電站后續(xù)施工及運行提供相應(yīng)依據(jù)，繼而達到對抽水蓄能電站順利建設(shè)保駕護航的目的。

1 方法原理

1.1 定電位電解

將工作電極的工作信號通過U2 轉(zhuǎn)化為電壓信號，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 會對電極產(chǎn)生電壓信號，該信號與工作電極電流信號一致。同時，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，測量臂由載件催化元件（俗稱黑元件）和純載元件（俗稱白元件）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)，在被測氣體中，甲烷（CH4）在黑元件表面發(fā)生催化反映（無焰燃燒），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。電壓信號進入微處理器經(jīng)過內(nèi)部A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、濾波之后，由單片計算機進行數(shù)字信號處理，然后通過液晶顯示器將被測甲烷（CH4）的濃度顯示出來，并給出聲光報警。

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，通過數(shù)據(jù)傳輸進行濃度測量、顯示、報警。

1.4 放射性測試原理

氡濃度（阿爾法）測量：儀器依據(jù)泵吸靜電收集能譜分析法設(shè)計，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）帶正電離子在電場作用下高速吸附到PIPS 探測器表面，218Po（釙218）繼續(xù)衰變產(chǎn)生的阿爾法粒子被探測器收集，經(jīng)放大、整形、采樣后由控制電路進行計數(shù)，從而獲得阿爾法能譜數(shù)據(jù)。根據(jù)單位時間內(nèi)脈沖計數(shù)與氡濃度的正比關(guān)系即可確定腔室內(nèi)的氡濃度。

伽馬測量：伽馬射線進入閃爍體，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。光電倍增管多級倍增，在陽極負載上產(chǎn)生電信號，經(jīng)放大、甄別輸出脈沖，此脈沖輸入到計數(shù)電路進行計數(shù)。該儀器探測器采用NaI（Tl）閃爍晶體+光電倍增管組成探測器，探測器輸出脈沖的計數(shù)率正比于射線強度或放射性物質(zhì)含量。

2 工作方法與技術(shù)

硐室氣體測試前對儀器進行檢定檢驗，測試前、后進行背景值測量。對平硐樁號785～975 m進行測試時，工作現(xiàn)場平硐內(nèi)平均溫度為18 ℃，相對濕度不大于98%，大氣壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，通風(fēng)裝備未接到測試部位。硐軸方向進行離散式測量，每5 m 進行1 次有效測試。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，儀器自動報警，對異常位置進行重復(fù)觀察并詳細記錄[1]。

放射性測試是基于FD218 阿爾法能譜氫測量儀和HD-2000 智能伽馬輻射儀對硐室內(nèi)進行氡（阿爾法）濃度測量和伽馬測量。氡（阿爾法）濃度測量是在平硐樁號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，對巖樣進行切割、研磨，制成巖粒、巖粉。氡（阿爾法）濃度測量在室內(nèi)進行，平均溫度需要達到24 ℃；所有試樣均進行干燥處理，其相對濕度均小于15%；氣壓為101 kPa。測量采用土壤中氡（阿爾法）濃度測量方式，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。使用儀器對所有試樣進行測量，每個試樣進氣時間為5 min，測量周期為5 min，循環(huán)次數(shù)為3 次。伽馬測量是在平硐內(nèi)樁號760～960 m處直接進行測量，平硐內(nèi)平均溫度為18 ℃，相對濕度不大于95%，測量時間寬度為60 s，探頭離地面高度為1 m，探頭盡量貼近巖體。氡（阿爾法）濃度測量和伽馬測量時，當(dāng)出現(xiàn)超標(biāo)情況，儀器自動報警[2]。

3 工程實例成果分析

3.1 硐室氣體測試成果分析

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

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

根據(jù)實測值分析平硐主硐內(nèi)各種氣體的變化趨勢：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)不會對人體造成不可逆的傷害。

3.2 放射性測試成果分析

1）氡（阿爾法）濃度測量

將每個測點的3 組數(shù)值取平均值作為該測點的最終數(shù)值，再經(jīng)過體積、時間換算，得出最終平衡當(dāng)量氡濃度。每10 m 為1 測段進行數(shù)學(xué)統(tǒng)計整理，可知氡濃度測量值范圍為1.0～29.0 Bq/m3，計算后的平衡當(dāng)量氡濃度范圍為6.7～193.3 Bq/m3，每個測點的氡濃度均小于規(guī)程規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn)氡濃度200.0 Bq/m3?？紤]氡氣具有流動性，在分析時將主硐和支硐內(nèi)氡濃度分別進行平均計算，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）伽馬測量

統(tǒng)計測量得到的數(shù)據(jù)，計算每10 m（1 個測區(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行平均計算，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

平硐開挖工程是抽水蓄能電站建設(shè)的重要工作之一，及時進行放射性元素、硐室有害氣體測試，有效地解決了平硐開挖工程中存在的工期緊張和人員作業(yè)危險等作業(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)進度和人工作業(yè)的安全性。在地下硐室施工或地下廠房內(nèi)工作時，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重超標(biāo)，應(yīng)定期進行放射性元素、有害氣體測試，同時，必須安裝通風(fēng)裝置，相關(guān)工作人員佩戴安全防護設(shè)備，保持硐內(nèi)有良好的通風(fēng)條件，必要時穿防輻射服、佩戴口罩。