關(guān)鍵詞： 低中水平放射性廢物 處置場 地下水 截水盲溝 隔離

近年來，核電行業(yè)的迅速發(fā)展，為國家減少碳排放量和經(jīng)濟社會發(fā)展做出了重要貢獻，也取得巨大經(jīng)濟效益。但由于放射性廢物處置設(shè)施建設(shè)與核電快速建設(shè)的不配套或不同步，核電站產(chǎn)生的放射性廢物處置已成為備受關(guān)注的環(huán)境問題，并成為制約核電發(fā)展的重要因素之一。處置場建設(shè)的關(guān)鍵問題是選址，處置場的選址既是技術(shù)問題，也是社會問題[1-2]，這給處置場建設(shè)的推進帶來很大的難度。對于處于生態(tài)環(huán)境脆弱、社會環(huán)境敏感的區(qū)域，如何提高處置場本質(zhì)安全度，更好地實現(xiàn)廢物安全處置，對于我國核能和核技術(shù)利用的可持續(xù)發(fā)展，以及環(huán)境安全和公眾安全具有重要意義。

處置場的安全性主要依賴于工程屏障（處置單元、覆蓋層等）和天然屏障的整體效能，自然條件十全十美的場址是難覓的，場址的選定應(yīng)是場址條件的適宜性和社會可接受性的統(tǒng)一，因此，場址自然條件的某些不足需由工程屏障彌補[3]。文章通過對國內(nèi)外已建并運行處置場的分析研究，結(jié)合北方某處置場的實際情況，提出一種降低地下水水位的截水盲溝設(shè)計，解決處置場地下水埋深較淺問題，并對此設(shè)計的長期有效性、穩(wěn)定性等進行分析論證。

1 國內(nèi)外近地表處置場概況

1.1 國內(nèi)外近地表處置場現(xiàn)狀

低、中水平放射性廢物處置主要采用工程近地表處置和巖洞處置兩種型式。據(jù)統(tǒng)計：截至2011 年，世界上已建成約160 個廢物處置場，其中非巖洞處置場約占90%，各國具體的處置場數(shù)量狀況如表1 所示[4]。

表1 中各國的處置場有多種處置方式，主要包括干旱地區(qū)低放射性水平廢物的深溝處置（如在阿根廷、印度、南非、美國）；處置低、中放射性水平廢物的近地表專設(shè)設(shè)施（如在中國、捷克共和國、法國、印度、日本、斯洛伐克、西班牙、英國和烏克蘭）；處置低、中放射性水平廢物的地下專設(shè)設(shè)施（如在瑞典和芬蘭）；在美國開展的低放射性水平廢物鉆孔處置；以及接收低、中放射性水平廢物的地質(zhì)設(shè)施（如在匈牙利和美國）。

1.2 近地表處置方式現(xiàn)狀分析

近地表處置方式主要有4 種基本處置形式：地表下土溝、地表下混凝土壕溝、半地下土丘混凝土溝和地面上混凝土構(gòu)筑物等[5]。

1.2.1 地表下土溝處置

地表下土溝形式主要依靠天然屏障，其采取的工程措施少，因此安全性能差，目前普遍認為此方法較適用于極低放射性水平廢物的處置。低、中水平放射性廢物處置已被其他處置方式所代替。

1.2.2 地表下混凝土壕溝

地表下混凝土壕溝處置是對地表下土溝處置方式的改進。它設(shè)置了多種屏障以限制或延緩放射性核素從廢物庫向外遷移。為了提高安全性，這種方式有增加深度和提高覆蓋層厚度的傾向。底部設(shè)排水孔和集中導水系統(tǒng)。

此處置方式適合用于地下水埋藏較深等天然條件比較好的地區(qū)，穩(wěn)定性好，設(shè)計簡單。例如：美國的巴威爾、貝蒂、里奇處置場，我國的西北處置場等。

1.2.3 半地下土丘混凝土溝

半地下土丘混凝土溝，其工程構(gòu)筑物一部分在地表以上或工程構(gòu)筑的頂板與地表相齊，而覆蓋層在地表之上。如法國芒什處置場、加拿大CRNL 處置場等。

1.2.4 地面上混凝土構(gòu)筑物

地面上混凝土構(gòu)筑都建在場址地表面之上，如法國奧布處置場，我國北龍?zhí)幹脠龅?。此處置方式用于地下水位較高的潮濕地區(qū)，不需要開挖大量土石方，地面施工較容易，但設(shè)計較為復(fù)雜，覆蓋層受異常氣候變化影響大，后期覆蓋回填成本可能較大。

綜上所述，不同處置方式各有優(yōu)缺點，處置形式的確定需綜合考慮擬建場址的地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件對場址的影響、地下水位與處置單元底板的距離、地下水的流向及水量大小等因素，同時還需考慮處置單元的屏蔽、安全性及最終覆蓋后盡量與原地貌的一致性。

2 地下水埋深較淺場址的研究重點

長期以來，由于處置場對場址的自然條件具有非常高的要求，制約著處置場建設(shè)及發(fā)展。然而，除極少數(shù)場址的自然條件比較好外，大部分的場址自然條件均會有不同程度的缺陷，而地下水埋深較淺就是其中較為突出的問題，需要靠工程屏障來彌補自然條件的不足。

地下水是可能釋放和輸運放射性核素的主要介質(zhì)，需考慮通過工程措施實現(xiàn)對場址地表水和地下水的控制，尤其是地下水埋深較淺的場址，為保證地下水位低于處置單元底一定距離，應(yīng)重點對采取工程措施的長期穩(wěn)定性、有效性進行分析，研究確定合理截排地下水方案，盡量減少后續(xù)長期維護要求，實現(xiàn)處置場在運行、監(jiān)管期與地下水的安全隔離。

北方某擬規(guī)劃建設(shè)處置場，主要考慮接收該地區(qū)核電廠產(chǎn)生的低、中水平放射性固體廢物，總處置容量按1.5×105 m3規(guī)劃設(shè)計，廢物放射性總活度約為1.4×1018 Bq，按照“統(tǒng)籌規(guī)劃，一次選址，分步實施”的原則進行處置場設(shè)計，共計104 個處置單元。處置方式采用半地下土丘混凝土溝，處置場規(guī)劃運行年限為100年，貯存監(jiān)護期為300 年。

廢物貨包類型主要包括：核電機運行期產(chǎn)生的200 L 和400 L 金屬桶、混凝土高整體容器（HIC）以及退役期產(chǎn)生的Ⅴ型鋼箱和Ⅷ鋼箱等。由于核電廠運行期和退役期產(chǎn)生的主要貨包不同，處置單元為兩種類型，Ⅰ型處置單元內(nèi)腔凈尺寸17 m×17 m×8 m，擬主要接收核電廠運行期的廢物；Ⅱ型處置單元內(nèi)腔凈尺寸17 m×25 m×8 m，擬主要接收核電廠退役期廢物。

3.2 場址條件

此處置場規(guī)劃建設(shè)在我國北方，場平絕對標高約12 m，處置單元底板標高約6 m，場址區(qū)域地形呈北東向條帶狀，中間地勢略高，距海邊約400 m。場址區(qū)周圍人口較少，區(qū)域經(jīng)濟比較落后，工礦企業(yè)不發(fā)達、規(guī)模較小，場址交通情況良好。

3.2.1 地質(zhì)條件

場址區(qū)地層簡單，主要由第四紀地層和太古宇花崗巖組成。第四紀地層主要為回填層，以花崗巖碎塊及少量粉質(zhì)黏土為主，回填厚約0.2～1.6 m?；鶐r主要為各種不同風化程度的花崗巖（強風化、中等風化、微風化），局部揭露安山玢巖巖脈[6]。人工屏障基礎(chǔ)位于基巖上，且大部分位于微風化花崗巖上，局部位于安山玢巖巖脈上，滿足近地表放射性固體廢物處置場選址的要求。

3.2.2 地震條件

場址近區(qū)域內(nèi)以小震為主，地震分布零散，在距場址5 km 范圍內(nèi)沒有到Ms≥1.0 級地震記錄。依據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306-2015）[7]中的分區(qū)位置，場址地震基本烈度為Ⅵ度。場址區(qū)未發(fā)現(xiàn)崩塌、水土流失、滑坡、泥石流、地下洞穴、采空區(qū)、塌陷等不良地質(zhì)作用。場址區(qū)不存在影響廢物處置安全的潛在地震地質(zhì)災(zāi)害。

3.2.3 水文地質(zhì)條件

場址水文地質(zhì)條件是影響廢物處置安全的重要因素，也是處置場場址條件中最為關(guān)鍵的因素之一，主要關(guān)注的問題包括地下水類型及埋藏條件、地下水滲流條件、地下水化學特征及介質(zhì)的核素阻滯性能等。

（1）地下水類型及埋藏條件。

處置場區(qū)地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。場址區(qū)水位埋深在1.7～3.4 m，平均水位埋深約為2.5 m。地下水排泄有蒸發(fā)以及向沖溝、海洋分散排泄等方式[8]。

（2）地下水滲流條件。

處置區(qū)淺部中等風化花崗巖為中等透水巖體，微風化花崗巖為弱透水巖體。場區(qū)地下水的平均流向是東偏南25°左右，最終排至大海[9]。

因此，從天然屏障的角度分析，即使有少量的滲水溢出，也不會向深層地下水遷移，滲水可在淺水層中遷移并在下游以泉的形式滲出，場址下游無重要水功能區(qū)。

（3）地下水化學特征。

場址區(qū)地下水化學類型主要為SO4 ·HCO3 ·Cl-Ca·Mg型水，地下水總礦化度均小于1 g/L，總硬度為4.03～4.17 mmol/L，為微硬水，pH 值6.82～6.88，屬中性水。地下水按環(huán)境類型對混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性，地下水對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋，在干濕交替情況下具微腐蝕性，處置場處置單元在長期浸水情況下具微腐蝕性。

（4）氣象條件。

場址所在區(qū)域?qū)倥瘻貛О霛駶櫦撅L氣候區(qū)，年平均氣溫9.6 ℃，歷年最高氣溫30.7～41.5 ℃之間，歷年最低氣溫為-14.3～-28.4 ℃。多年平均降水量615 mm，最小年份342 mm，最大年份905 mm，日最大降雨量243.7 mm。多年平均蒸發(fā)量1 472.5 mm。凍結(jié)深度多年平均0.94 m，冰凍期4 個月，最大凍土深度平均值910 mm，最大值為2 000 mm。

3.2.4 小結(jié)

該場址地處低山丘陵區(qū)，地質(zhì)、地震、氣象等場址特征較好，不存在危害處置場安全的因素，場址位于經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)，人口相對稀少，區(qū)域內(nèi)交通條件便利，輔助配套設(shè)施完善，可滿足廢物運輸和處置的需要，但是在水文地質(zhì)條件方面存在地下水埋深較淺的不利因素，不滿足“近地表處置單元底板應(yīng)高于地下水水位，以避免地下水進入處置單元”的國家標準要求[8]，如果不采取工程措施，將導致處置場處置單元長期浸泡在地下水中的情況，不利于處置場的長期安全穩(wěn)定運行，增加放射性核素向環(huán)境遷移的風險，需在工程屏障設(shè)計時應(yīng)加以研究和考慮。

3.3 工程屏障設(shè)計

3.3.1 截水盲溝設(shè)計

（1）截水盲溝設(shè)計。

為保證地下水位低于處置單元底板并保持一定距離，滿足國家相關(guān)標準要求，在處置場的周圍設(shè)計布置一圈截水盲溝，使處置區(qū)外圍的地下水能夠通過截水盲溝非能動第直接排入大海，實現(xiàn)對場址周邊地下水的截水、導水功能，從而確保地下水水位始終保持低于處置單元底板。

為實現(xiàn)截水功能，在處置單元周圍設(shè)置一圈盲溝，在盲溝與處置單元之間設(shè)置夯實黏土層（保護層），黏土層上部厚度為3 m，下部為4 m，高度為6 m，處置單元周圍的地下水通過盲溝及時排出至大海，而夯實黏土能夠避免盲溝中地下水與處置單元的直接接觸，避免在處置場監(jiān)護期處置單元混凝土工程屏蔽失效后，放射性核素進入到回填的土石中，并通過盲溝中的水流進入大海。黏土層采用分層夯實的方法填筑，夯實系數(shù)不小于0.97。每層填筑厚度不超過300 mm，夯實效果經(jīng)驗收合格后再填筑上一層。為保證黏土的夯實度，在填筑每層黏土時，其外側(cè)的土石料應(yīng)同步填筑。

為實現(xiàn)導水功能，首先在盲溝底部敷設(shè)槽形石，槽形式空洞尺寸為400 mm×400 mm，相當于在盲溝中增加一條涵洞。再在槽形石的周圍回填微風化石塊，粒徑約0.2～0.25 m?？紤]細粒顆粒物質(zhì)進入盲溝從而影響排水效率或堵塞的風險，在石塊的上部設(shè)置厚度為反濾層，反濾層組成為厚度0.2 m、粒徑0.06～0.07 m 的碎石，厚度0.2 m、粒徑0.03～0.04 m 的碎石，并在其上部回填0.2 m 厚的砂礫石和粗砂，在粗砂的上部回填開挖的塊石。上述石塊的來源可充分利用處置場負挖產(chǎn)生的巖石。

盲溝主要分為主盲溝和支盲溝，主盲溝位于處置單元左側(cè)，一直延伸至海邊，其余為支盲溝。盲溝采取自然排水方式排水，平均深度為3 m，主盲溝寬度設(shè)計為2 m，支盲溝寬度設(shè)計為1.5 m。處置場采取一次規(guī)劃、分期建設(shè)的方式。截水盲溝在施工時，主盲溝為一次性施工，不同期建設(shè)的處置單元周圍盲溝通過支盲溝實現(xiàn)有效連接。為了防止海水倒灌風險，盲溝采取千年一遇的最高潮位2.51 m 進行設(shè)計，處置區(qū)內(nèi)盲溝的坡度采用2‰，處置場區(qū)南側(cè)至海邊采用5‰。截水盲溝設(shè)計圖如圖1 所示。

為了監(jiān)測盲溝排水情況，在處置區(qū)主盲溝中埋設(shè)3 個監(jiān)測管，監(jiān)測管采用φ 200×5 mm 鋼管，鋼管底部轉(zhuǎn)孔。在排水口部位設(shè)置混凝土臺階，并設(shè)有護欄，使工作人員能夠隨時到達排水口檢查盲溝排水情況。

（2）截水盲溝長期穩(wěn)定性分析。

處置場的截水盲溝是在微風化基巖中開挖，兩個側(cè)壁均為微風化花崗巖。在盲溝中回填的塊石、碎石為微風化花崗巖，具有非常強的抗風化能力。根據(jù)調(diào)研了解，截水盲溝的設(shè)計暫無在處置場長期運行驗證的實例。為論證截水盲溝設(shè)計的長期穩(wěn)定性，文章采用天然類比的方法。經(jīng)對考古和歷史資料研究分析，古代人工材料如陶制品、磚和天然材料如砂礫巖、石灰?guī)r等經(jīng)過上千年的風化、侵蝕，至今保持的較為完好。具體實例如：河北境內(nèi)的古中山國距今已有約2 500 多年歷史，其出土的陶制排水管、陶制水管彎頭仍然完好[10]。據(jù)敦煌博物館資料：敦煌莫高窟始建于公元366年，距今已有近1 650 年歷史，其巖性為砂礫巖，抗風化能力較差，在西北氣候條件極其惡劣的條件下至今基本保持完好[11]。陜西乾陵的唐代石雕距今已有1 300年的歷史，石雕材質(zhì)均為石灰?guī)r，雖經(jīng)風吹日曬、冰凍雨淋，至今仍保持完好[12]。截水盲溝設(shè)計中回填的微風化花崗巖塊石、碎石和砂卵石是純天然材料，花崗巖塊石結(jié)構(gòu)致密，巖石堅硬，其風化速度極其緩慢，再加上在地下環(huán)境條件基本不變，塊石的風化需要上萬年或數(shù)十萬年時間。因此，可確定在處置場主動及被動監(jiān)護期間300 年甚至更長的時間內(nèi)不會因巖石風化而產(chǎn)生坍塌、掉塊而堵塞盲溝，其結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性能夠得到有效的保障。

（3）截水盲溝長期有效性分析。

處置場應(yīng)具備包容放射性、隔離放射性廢物、限制放射性核素向生物圈的釋放的功能（對低水平放射性固體廢物的包容、隔離時間一般300～500 年）[9]。因此，截水盲溝應(yīng)保持長期有效性，不得低于處置場的設(shè)計使用期限，以避免或減少處置單元外的地下水進入處置單元，影響處置單元的長期有效性及確保處置場對環(huán)境的影響始終保持在國家標準規(guī)定的限制范圍內(nèi)。

根據(jù)場址實際勘探分析結(jié)果，該場址區(qū)地下水的滲流速度從淺往深逐漸減小，在3～6 m 之間，通過巖土工程勘探獲得地下水的最大滲流速度為0.008 62 cm/s，根據(jù)尤爾斯特隆及森德伯格等人的試驗[1“3] 當水流速度小于18 cm/s 時，幾乎所有粒徑的顆粒都不會被搬運”。

由于該地下水的流速遠遠低于18 cm/s，因此該地下水從裂隙及節(jié)理中流出不會帶出任何顆粒物，且回填物中主要是微風化巖石，其粘粒含量很少，粘粒物淤積堵塞盲溝的可能性不大。另外，在盲溝中回填石塊的上部設(shè)置了反濾層，反濾層的形成可以有效阻止細顆粒物進入盲溝。

在盲溝設(shè)計中，盲溝中回填的塊石粒徑在0.2～0.25 m 之間。其孔隙中沒有細顆粒石塊充填，孔隙度可以達到0.4～0.5。滲透系數(shù)可以達到0.35～0.49 m/s。

該值是巖石裂隙滲透系數(shù)的5 850～8 190 倍。因此，所設(shè)置的盲溝能夠保證巖石裂隙中滲出的地下水及時得以排出，不會在盲溝中出現(xiàn)地下水的滯留現(xiàn)象。同時，為有利于盲溝中地下水排泄，在盲溝底部還設(shè)置了槽型石，相當于增加一條排水涵洞，進一步增強地下水進入盲溝后的水流速度。

綜上所述，截水盲溝排水的長期有效性能夠得到有效保障。

（4）不確定性分析。

不確定性是所有安全評估的固有因素[14]。國際原子能機構(gòu)（International Atomic Energy Agency，IAEA）對不確定的管理提出了明確要求[15-16]。由于處置場監(jiān)護期達300 年以上，上述穩(wěn)定性和長期性的分析是基于當前的場址自然條件及周圍社會條件分析的結(jié)果，包括：水文、地質(zhì)、地球化學、氣象、地表作用、土地利用、人口分布、周圍人的活動（人為事件）等。而實際上，周圍的環(huán)境、條件在此期間可能存在較大的變化，因此對處置場從設(shè)計階段、建設(shè)階段、運行階段到進入監(jiān)護期以及整個監(jiān)護期過程處置場安全及截水盲溝穩(wěn)定性、長期有效性的不確定因素研究是非常必要的。這些不確定因素中需考慮隨著時間的推移，工程系統(tǒng)老化、環(huán)境自然演變、人的社會活動等可能影響截水盲溝功能等。根據(jù)不確定因素的評估，形成可能存在的事故景象清單（如邊界打井景象、淹沒景象、鉆孔景象、建房居住景象等），采取必要的現(xiàn)場監(jiān)測、監(jiān)護、管理措施，并考慮相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案[17]，來確保處置場的長期安全得到有效的保障。

4 結(jié)語

長期以來，關(guān)于低、中放射性水平固體廢物處置場的選址和建設(shè)問題備受關(guān)注，其對場址條件的苛刻要求從某種程度上制約著其建設(shè)和發(fā)展。文章通過對國內(nèi)北方某場址特征的具體分析，針對地下水埋深淺的低、中水平放射性固體廢物處置場，設(shè)計一種地下截水盲溝，以確保處置場在300 年甚至更長運行期、監(jiān)護期內(nèi)放射性廢物的安全處置得到有效保障，確保放射性核素的遷移滿足環(huán)境保護的相關(guān)要求。通過設(shè)計、分析，論證在該場址條件下，該截水盲溝設(shè)計能夠有效截留、疏導處置單位周圍地下水，降低地下水水位，此設(shè)計的長期穩(wěn)定性、有效性能夠得到有效保障，從而提高處置場的本質(zhì)安全。同時，針對長達300 年以上的監(jiān)護期可能存在的不確定因素，提出開展不確定性評估和做好監(jiān)護期管理的建議。此設(shè)計可為類似處置場或工程設(shè)計可提供一些借鑒和參考。