放射性废物填埋场防渗系统探究

＊王文轩 沈桢琪 杨美健 鲍芳

（中国核电工程有限公司 北京 100080）

极低水平放射性废物（VLLW）是指废物中放射性核素活动浓度接近或者略高于豁免水平或解控水平。该类极低放废物主要包括退役产生废物。除此之外，核燃料循环设施生产及退役过程中会产生一些含天然核素的放射性废物。

鉴于极低放废物和含天然核素的放射性废物的放射性污染特性，对该类废物的处置需考虑采取有限的包容和隔离措施，可以在地表填埋设施处置，或者按照国家固体废物管理规定，在工业固体废物处置场中处置的废物。

填埋场防渗系统作为固体废物填埋场的主要功能单元，通过渗滤液收集系统、防渗层以及封场组成的防渗系统，在一定时期内有效防止渗滤液或其他有毒有害物质进入土壤、地下水造成污染，同时防止场外水进入填埋区的有效屏障。防渗层防渗方式分为天然防渗和人工防渗。

1.极低放填埋场防渗系统

(1)渗滤液收集系统

渗滤液收集系统收集并将渗滤液排放至指定地点并排出，防止场内渗滤液积聚，保证运行期间防渗系统正常工作。渗滤液主要来源于：①降水；②地下水；③废物及覆盖材料中的水分；④有机物分解生成水。填埋场渗滤液积聚会导致以下问题：①渗滤液积聚致使场内水位升高，放射性核素或其他有毒有害物质进入渗滤液中使污染物浓度升高，最终进入天然土壤或者地下水导致污染；②渗滤液积聚导致防渗层上部静水压力增加，渗滤液能够更快渗透防渗层进入地下；③渗滤液积聚可能会导致场内渗滤液溢出，污染填埋场四周环境。

极低放废物填埋场渗滤液收集系统的设计，根据当地气候特点，采取分区或单一排布渗滤液导排管的方式，将渗滤液排至渗滤液收集池的方式防止填埋场渗滤液积聚导致防渗层上部静水压力增加，防止渗滤液加速向地下渗透，同时及时将渗滤液排出以防止渗滤液中污染物浓度增加。

(2)人工材料防渗层

目前国内外环保工程领域人工防渗层一般采用高密度聚乙烯膜（HDPE膜）、膨润土防水毯（GCL）作为防渗材料。HDPE膜的主要作用为隔断水气，GCL作为膜下保护层，铺设需要尽可能平整，使GCL和HDPE膜紧密结合，减少其间因渗透或缺陷造成的界面渗流，尽可能阻止渗滤液进入土壤和地下水。HDPE膜上铺设长丝土工布和覆土层，覆土层防止HDPE膜被刺穿，长丝土工布因其具有良好的抗淤堵和抗蠕变性能，适合作为无粘性土的滤层。

HDPE膜是国内外环保工程领域广泛使用的防渗材料，具有以下特点：①防渗系数远高于普通防水材料；②优良的弹性、变形能力和机械强度；③稳定的化学性质和耐老化性能。GCL通常用作HDPE膜的保护层铺垫在HDPE膜下方，其吸水高膨胀的性能使其能在HDPE被刺穿时能够自动膨胀填补漏洞，优秀的防渗能力足以延缓渗滤液等物质的渗透。一般要求HDPE膜渗透系数应小于1.0×10-12cm/s，膜厚度不小于1.5mm，GCL的密度不小于600g/m2。

在工程实践中，极低放废物填埋场防渗系统设计应根据填埋废物的特征和场址的岩土特性、当地气候条件和防渗材料的可获得性及技术经济比较，进行合理的设计。填埋单元防渗层包括：底部防渗层、边坡防渗层和顶盖防渗层。底部防渗层和边坡防渗层由于其功能性一致，选用的防渗材料可一起考虑。为了有效保护防渗层，防渗层铺设前，对单元基础底部处理平整，防止有石块、土块等突出物，表面无积水、无杂物，平整后做夯实处理。

(3)天然材料防渗层

根据国内外相关经验，天然防渗材料一般采用粘土等易获得的天然材料。影响粘土防渗性能的主要因素有塑性指数、粒径和粘土层的压实系数及渗透系数。结合《GBT28178-2011极低水平放射性废物的填埋处置》和相关工程设计经验，粘土层压实系数应不小于0.94，渗透系数应不大于1.0×10-7cm/s。

(4)封场

填埋场封场结构又称为覆盖层，其设计应考虑当地气象条件、人员和动物的活动情况。当填埋场完成废物填埋，达到设计填埋标高和设计容量时，应及时进行封场处理，以提高表面排水和防渗能力，阻止大气降雨进入填埋区内，从而尽可能减少渗滤液的产生量，防止生物和人为活动对填埋场的侵扰，防止风雨的侵蚀产生水土流失以及对废物堆体的影响。

2.含天然核素放射性废物填埋

随着我国核燃料循环设施的生产及退役，产生了一定量的含有高于免管水平天然放射性核素的废物，此类废物的处置方式现在没有定论，下面将对于含有天然放射性核素的废物进行填埋的可能性进行论证，并探讨该类废物填埋场防渗层的设计思路。

(1)含有天然核素放射性废物填埋的可能性论证

根据我国放射性废物分类标准，对于含有较高水平天然放射性核素的废物，需要根据辐射防护最优化的剂量准则进行监护，废物监护时间需要足够长以保证废物处置的安全性，标准中明确指出大多数含有天然放射性核素的废物可以在地表填埋设施中处置。由此可见，含有天然放射性核素的废物进行地表埋藏是可行的。

根据我国极低放填埋处置的要求，对于天然核素放射性废物进行极低放填埋，238U、235U和232Th天然放射性衰变系列中的任何一个核素，以免管值作为这些天然放射性核素的活度浓度指导值，即一吨以下的含天然放射性核素的极低放废物，核素的活度浓度指导值为10Bq/g；废物的总量超过一吨的含天然放射性核素的极低放废物，每个填埋单元核素平均活度浓度不大于1Bq/g，对于处置条件较好的填埋场，经监管部门批准，可以适当放宽核素浓度限值。

综合可知，含有天然放射性核素的废物进行地表填埋是可行的，天然放射性核素的活度浓度低于1Bq/g的可以作为极低放废物进行填埋。对于天然放射性核素活度浓度大于1Bq/g的放射性废物，其填埋处置应该根据辐射防护最优化原则，对处置条件进行分析论证，经监管部门批准，进行地表填埋。当含天然核素废物活度浓度过大，不宜进行地表填埋处置。同时，含有高于免管天然放射性核素活度浓度的废物由于其监管时间较长，建议不与以人工放射性核素为主的极低放填埋场混合填埋，而单独设计填埋单元进行单独管理。

(2)含有天然核素放射性废物填埋的防渗设计思路

我国极低放废物填埋场运行时间一般为30年左右，防渗系统多采用寿命为几十年的人工防渗材料，没有针对长寿命天然放射性核素的防渗设计。国外Wisconsin-Madison大学的KuoTian等研究了不同温度和是否存在放射性影响下的HDPE膜的使用寿命，研究表明HDPE膜理论使用寿命将长于650年，即使如此，相较于天然放射性核素的寿命，其使用寿命也远远不够。因此，对于含天然核素的放射性废物的填埋，需要考虑能够长期保持防渗性能的天然防渗材料设计。

我国对于伴生放射性物料贮存及固体废物填埋和尾矿库相关的设计规范中均有对含天然核素放射性废物填埋设施防渗层设计的相关规定。《GB50863-2013尾矿设施设计规范》中指出，为了隔离尾矿、矿浆水和外部环境，防止地下水或地表水进入尾矿库内，可以采取天然黏土防渗结构、人工复合防渗结构或者双层人工复合防渗结构三种设计方式，由于大多数尾矿库不具备天然黏土做防渗层的条件，所以多采用人工复合或双层人工复合防渗设计。《伴生放射性物料贮存及固体废物填埋辐射环境保护技术规范（试行）》指出伴生放射性废料贮存及固体废物填埋需要采用多层防渗结构，防渗结构从下至上依次为天然基础层、天然材料防渗层、双人工防渗衬层。可以看出，对于含天然核素的废物填埋，虽然人工防渗材料使用寿命短，但防渗系统设计中也应加以应用。

综上所述，对于极低放填埋场含天然核素放射性废物填埋的防渗系统设计，应以天然防渗材料设计为主，保证能够对填埋场进行长期防护。但考虑到填埋场所在地气象、地质、水文等条件的差异，应根据实际情况添加人工材料防渗结构的设计，对于具备雨雪较少、地下水较深等良好条件的填埋场，可以添加简单的人工材料防渗设计，对于不具备良好条件的填埋场，应添加复合人工材料防渗设计。

3.结论

对于放射性废物填埋场的设计，防渗系统设计是填埋场设计的关键环节，关系到填埋场在运行期间能否和地下水、土壤完全隔离，不对环境造成影响。对于含有不同种类的放射性废物的填埋设施，在设计中应根据核素种类、特性等进行必要的区分，应从多方面对填埋处置要求进行分析，并制定相应的设计方案：

（1）由于人工核素与天然核素的特性差别，在采用填埋方式对放射性废物进行处置时，应该对两类核素污染的废物进行分别处置，避免交叉处置。

（2）对于不含天然核素极低放射性废物的填埋，防渗设计应根据场地地质条件综合考虑，目前，选择粘土、HDPE膜、GCL和土工布复合使用是一种较好的方式，具备满足防渗能力且技术成熟的优点。

（3）对于含天然核素放射性废物的填埋，考虑到天然核素半衰期长，人工防渗材料不具备足够长使用寿命等因素，在设计中应结合地质条件、核素的类型及活度、工程屏障的特性等因素，结合环境影响评价的结论进行选址、接收限值的确定、防渗层设计方案的比选。