某铀尾渣库退役治理覆盖系统设计

胡良才，郭大平，李哲辉，李玉雷，张 宁

(中核第四研究设计工程有限公司，河北 石家庄 050021)

铀尾矿(渣)库贮存了大量铀矿山选冶产生的尾矿(渣)，其对周边环境及公众健康的潜在危害主要包括析出氡及其子体、γ辐射、扬尘、污染水体[1-2]。在铀尾矿(渣)库退役治理过程中，需要在滩面铺设覆盖系统，以降低氡析出率及γ辐射剂量率，抑制尾渣扬尘，保护周边环境及公众健康。

针对铀尾矿(渣)库覆盖系统已有诸多研究，国外学者在铀尾矿库覆盖系统长期稳定性方面的研究成果较多[3-6]，国内学者在覆盖材料选择、覆土厚度优化等方面进行了诸多卓有成效的研究。谢腾飞等分析了覆土层压实度对降氡效果的影响，研究了覆盖层土工参数与覆盖厚度之间的关系[7-8]。戴剑勇等研究认为铀尾矿氡析出率与覆盖材料孔隙度及扩散系数成正比，与覆盖材料厚度成反比[9]。班改革等采用数值模拟软件COMSOL模拟分析了覆盖黏土层中氡浓度分布随时间变化的规律[10]。黄帅等采用数值模拟方法分析了铀尾矿库滩面析出氡在覆土层中的竖向运移及分布特性[11]。李旭彤结合某铀尾矿库特性，提出了一种确定覆盖土层厚度的辐射防护最优化分析方法[12]。谭凯旋等针对华南某铀尾矿库，研究了不同覆盖材料的降氡效果，认为应综合考虑降氡效果、经济成本、生态环境效应等，以确定合理的覆盖材料[13]。

笔者在总结分析国内外研究成果的基础上，以辽宁省某铀尾渣库为研究对象，结合项目实际，提出了该铀尾渣库多层覆盖系统结构型式设计。

1 尾渣库概况

1.1 尾渣库建设使用情况

尾渣库作为矿山生产的重要配套工程，主要用来贮存矿山生产期间排出的全部尾渣和尾渣库渗水处理系统产生的滤渣。该铀尾渣库由拦渣坝、尾渣堆积坝、排洪设施和坝体渗水收集设施等组成，拦渣坝高17 m，坝顶标高407 m，坝顶宽3 m，上游坝坡1.0∶1.8，下游坝坡1.0∶2.0，上下游坝坡均采用干砌块石护坡。尾渣库于1996年建成并投入使用，有效库容为6.4×105m3，使用期间进行过多次加固整治，目前尾渣库正在进行退役治理工作。

1.2 尾渣库辐射环境现状

据监测，尾渣库滩面氡析出率为1.81～4.11 Bq/(m2·s)，均值为3.14 Bq/(m2·s)，高于管理限值；尾渣库放射性总活度约为7.03×1014Bq；滩面的γ辐射剂量率为(26.6～1 015.6)×10-8Gy/h，均值为153.7×10-8Gy/h，高于场地本底值。

1.3 覆盖治理目标

根据《铀矿冶辐射防护和辐射环境保护规定》(GB 23727—2009)[14]，确定该铀尾渣库退役覆盖治理目标为尾渣库滩面经退役、关闭和环境整治后，其表面氡析出率不大于0.74 Bq/(m2·s)。

2 常见覆盖系统

覆盖系统通常包括防侵蚀层、防生物侵扰层、防渗层、氡屏蔽层等，选用的覆盖材料一般包括天然材料(岩石、黏土等)、人工材料(塑料、沥青、土壤及混凝土的混合物等)和水。为改善覆盖性能，增强抗侵蚀和抗生物侵扰的能力，通常采用2种或2种以上材料进行组合[15-16]。随着人们对铀尾渣库覆盖系统研究的逐步深入，覆盖系统设计也经历了由简单到复杂的过程[17]。

2.1 早期覆盖系统

早期的覆盖系统主要关注氡屏蔽效果及长期稳定性，一般由3层组成，由上至下依次为碎石层、垫层及排水层(粗砂)和氡屏蔽层(压实黏土)，如图1所示。

胶质瘢痕抑制了神经元轴突的再生，但是，抑制胶质瘢痕形成是否就能促进神经元轴突的生长？一些专家[14]利用转基因技术清除SCI后活化的AS，结果却发生严重的脱髓鞘反应、继发性损伤，以及少突胶质细胞死亡。分析原因可能是SCI初期，损伤局部发生过度的炎症反应，并产生大量毒性氨基酸、自由基和氮氧化物等，继而出现继发性神经损伤。这一阶段胶质瘢痕对维持内环境稳定、隔离损伤刺激及调节炎症反应均发挥关键作用，但之后却成为神经修复的障碍。因此，能否找到合适的干预时间，最大限度地发挥胶质瘢痕的有利作用显得尤为重要。

顶部碎石层用于防止底部黏土层及尾渣遭受侵蚀，保证1 000年内有效。粗砂层作为碎石层的垫层及排水层。氡屏蔽层主要起降低氡析出率的作用。

图1 新墨西哥州Shiprock尾渣库(早期)覆盖系统结构示意图

2.2 低渗透性覆盖系统

随着人们对铀尾渣库污染地下水的进一步认识，覆盖系统设计的焦点集中于如何设计低渗透性黏土层，进而增强氡屏蔽效果，同时减少降雨入渗。低渗透性覆盖系统由上至下通常包括碎石层、垫层及排水层(粗砂)、防冻层、排水层(粗砂)、氡屏蔽层(压实黏土)，如图2所示。

顶部碎石层保护覆盖系统及尾渣，避免其遭受侵蚀，满足耐久性要求。碎石层下部设置粗砂组成的垫层及排水层。防冻层起防冻及存储渗水的作用，该层厚度应大于最大冻土深度。当大气降水未通过上部排水层直接排出覆盖系统时，亦渗入至防冻层。当渗水量超过其存储能力时，多余的雨水渗入下部排水层，排出覆盖系统。氡屏蔽层(压实黏土，上部30 cm拌合膨润土)主要起降低氡析出率的作用。覆盖系统上部生长有植被后，存储在防冻层中的水还可通过蒸腾作用排出覆盖系统。

图2 科罗拉多州Estes Gulch尾渣库(低渗透性)覆盖系统结构示意图

2.3 生态覆盖系统

随着研究的深入，人们逐渐认识到，如果缺少常规维护，尾渣库覆盖系统上部难免会自然生长出植被。如何合理利用植被，成为关注的热点，由此提出生态覆盖系统的概念。生态覆盖系统由上至下一般为表土层、防冻层、防生物侵扰层、细粒土层、土工布、毛细阻滞层、柔性膜、氡屏蔽层(压实黏土层)，如图3所示。

覆盖系统上部生长的植被，可通过蒸发及蒸腾作用，将土层中含有的水分返回到大气中，从而使土层保持非饱和状态。植被及有机落叶层还可以减小降雨势能，减缓水流速度，固定土壤颗粒，过滤径流中的泥沙，增大渗透量，降低表面风速。表土层上部混合砂卵石，可控制风蚀、水蚀;同时增强蒸发蒸腾作用，对植物栖息及水-土平衡影响也很小。防冻层厚度应大于当地最大冻土深度，以防止覆盖系统下部结构遭受冻融破坏。防生物侵扰层用于防止植物根系及啮齿动物的破坏，土层中松散摊铺的卵石，可以有效防止啮齿动物打洞。毛细阻滞层由砂及卵石组成，用于限制水向下流动，同时还可以提高表土的储水能力。柔性膜起到减少降雨入渗的作用。氡屏蔽层为压实黏土层，主要起降低氡析出率的作用。

图3 犹他州Monticello尾渣库(生态)覆盖系统结构示意图

3 覆盖系统设计

覆盖系统的设计步骤一般包括选择覆盖材料、进行覆土降氡试验以及确定合理的覆盖系统结构型式。《核工业铀水冶厂尾矿库、尾渣库安全设计规范》(GB 50520—2009)[18]要求，“退役尾矿库的尾矿坝及滩面应进行覆盖治理。采用的材料应就地取材，覆盖层应有防止风蚀、雨蚀的安全措施。” 同时，选用的覆盖材料及厚度还应满足降低氡析出率的要求。

3.1 覆盖材料选择

覆盖黏土的质量对覆盖效果有较大的影响，应尽量选择孔隙率小、氡扩散系数小、氡渗透性差的土壤，以达到较好的氡屏蔽效果。根据辐射防护最优化原则，考虑恢复当地生态环境的需要，选用距尾渣库较近，取土、运输方便的当地粉质黏土作为覆盖材料。经过前期调查，该土源地氡析出率为0.053 Bq/(m2·s)，γ辐射剂量率为(11～13)×10-8Gy/h，均值为12×10-8Gy/h，其他有害金属元素含量均较低。土壤最佳含水率为15.2%，最大干密度为1.78 g/cm3，压实后渗透系数为2.8×10-5cm/s。

3.2 覆土降氡试验

采用覆土实测法，进行覆土降氡试验，确定合理的铀尾渣库覆盖土层厚度，覆土降氡试验由核工业北京化工冶金研究院完成[19]。

3.2.1.1 试验场地及时间

黏土中氡的扩散系数为(1～3)×10-6m2/s，经计算，氡在覆盖黏土层中的扩散长度为1.2～2.0 m，选择试验场地尺寸为15 m×15 m，满足“试验场地的长和宽应大于氡在覆盖土层内扩散长度的5倍”的要求[20]。试验前，清除并妥善处理试验区内的树根、杂草、垃圾、淤泥、腐植土等，平整试验场地，保证场地坡度小于5°，高差小于15 cm。试验场地需静置5 d，以确保地表尾渣物性平稳。

考虑天气因素对氡析出率的影响，试验应选择晴好天气进行，以避免气压、降水等带来的测量偏差。试验时间选择当地气候适宜的5-6月。

3.2.1.2 测量仪器和方法

使用ERM3421型数字γ辐射仪，测量γ辐射剂量率，测量时探头距地面约1 m。采用积累法，使用美国Durridge公司生产的RAD7型测氡仪，测量氡析出率。所用仪器设备均处于检定有效期内，状态良好。

对试验场地覆土进行逐层测试，每一次覆土厚度不超过30 cm。覆土过程中注意对覆土场地的保护，避免特殊天气、动物及人为等因素破坏场地。每完成一层覆土，应根据覆土层厚度待氡析出率稳定后，再进行下一层覆土，两层覆土时间间隔应不小于5个连续晴好的自然日。

3.2.1.3 取样布点

考虑氡析出规律及分区边界环境对试验数据的影响，仅在距分区边界大于2 m的中心位置布设氡析出率及γ辐射剂量率监测点。为便于对照覆土试验效果，在试验场地中划分出一块10 m×10 m的覆土场地，设置5个监测点，在四周场地设置3个监测对照点(图4)。

图4 覆土降氡试验场地划分及监测布点示意图

3.2.2 试验结果及分析

试验场地不同覆土厚度的氡析出率、γ辐射剂量率监测结果见表1，其中不同覆土厚度氡析出率数值为试验区域5个监测点的平均值。

覆土厚度与氡析出率的关系为[21]

(1)

式中：Xc—覆土厚度，m；B—氡在覆土层中的扩散长度，m；A—与氡在废石与尾渣覆土层中扩散系数比值相关的常数，m；Jt—覆盖前氡析出率平均值，Bq/(m2·s)；Jc—氡析出率管理限值，国内取Jc=0.74 Bq/(m2·s)。

表1 不同覆土厚度下氡析出率、γ辐射剂量率

通过对覆土试验数据进行回归分析，得出覆土厚度与氡析出率关系为

(2)

铀尾渣库氡析出率为1.81～4.11 Bq/(m2·s)，均值为3.14 Bq/(m2·s)。为了将尾渣库滩面氡析出率降至0.74 Bq/(m2·s)以下，使用式(2)计算覆土厚度并工程取整，得到尾渣滩面覆土厚度为95 cm。

3.3 覆盖系统结构型式

综合考虑氡屏蔽、地表水入渗、植被生长、防啮齿动物破坏等因素，设计的覆盖系统结构由上至下依次包括覆土及植被层、排水及防侵扰层、防渗层和氡屏蔽层，如图5所示。

图5 某铀尾渣库退役治理覆盖系统结构示意图

覆土及植被层为50 cm厚压实黏土层，表层种植当地适宜生长的浅根系草，以恢复地表植被并减少风蚀、雨蚀。排水及防侵扰层由30 cm厚砂卵石组成，以顺利排出上部渗水，同时防止啮齿动物、植物根系破坏下部防渗层及氡屏蔽层。防渗层为HDPE复合土工膜(两布一膜，布密度为200 g/m2，膜厚为1.5 mm)，用于增强防渗效果，防止降雨透过植被及排水层渗入尾渣库，以减少坝体渗水处理量。氡屏蔽层为95 cm厚压实黏土层，用于屏蔽氡析出及降低γ辐射剂量率。

4 结论

总结了国内外铀尾矿(渣)库覆盖系统研究成果及发展历程，依据相关设计规范，结合中国国情及项目实际情况，设计了辽宁某铀尾渣库退役治理多层覆盖系统结构型式，包括覆盖系统材料的选择，覆盖层厚度和组成的确定。该覆盖系统既能满足将氡析出率降至规定限值以下的要求，又能减少降雨入渗量及坝体渗水处理量，进而降低尾渣库长期维护费用。覆盖系统结构型式简单，施工方便，覆盖材料选取当地距尾渣库较近、易获取的黏土等材料，节约了治理费用。