某低、中水平放射性固体废物处置场地下水治理方法研究

霍晨琛，雷明信，陈帅，王新锐

（中核矿业科技集团有限公司，北京 101149）

低、中放废物的处置就是把废物安放进经过批准的设施中，采用工程屏障和天然屏障相结合的多重屏障体系，确保释放到人类生存环境之前包容的短寿命核素衰减到无害水平；包容的长寿命核素和其他有毒物质的释放量极低，进入环境的浓度处于可接受水平［1］。1969年法国Manche处置场开始运行，该处置场采用混凝土构筑物和水泥浇筑回填的一体化工程设施，有严格的回填、覆盖和排水要求。此后，一些国家还根据情况对中、低放废物实施岩洞处置，瑞典、芬兰和挪威为中、低放废物处置专门开挖了岩洞，德国和捷克则利用矿井对废物进行处置［2］。截至2008年，全世界55个国家共有131个低、中水平放射性废物处置场址，在上述131个处理场中，以工程近地表处置为主，共有108个处置场采用此种处置形式，其次是矿坑洞穴型处置，共有10个处置场采用此种形式，还有6个采用深地质处置［3］。根据《中华人民共和国放射性污染防治法》［4］的要求，宜在核电厂较为集中的地区建立低、中放固体废物处置场的区域处置原则［5］。因此，我国先后在华南北龙、西南飞凤山和西北等地建成了区域性低、中水平放射性废物处置场。低、中放射性废物的近地表处置是指在地表或近地表设施内对放射性废物进行的最终处置，处置深度一般小于60m［6］。

低、中水平放射性衰变周期较长，一般在处置300～500 a后才能达到解控状态。在处置设施中，地下水是核素运移的主要载体，对工程屏障也具有侵蚀破坏作用。因此，场址的适宜性在很大程度上取决于场址的水文地质条件［7］。放射性核素可能会随地下水流迁移并进入生物圈，威胁人类的健康和安全。因此，为了使低、中水平放射性废物对人类生态环境影响达到最小程度，当对低、中水平放射性废物进行近地表处置时，处置单元底板应高于地下水水位，以避免地下水进入处置单元［8］。

某场址拟作为低、中水平放射性废物近地表处置场，原始地面标高约为16.5～20.0 m，地形相对平缓，主要位于海蚀准平原地貌单元上，地形坡度小于15°，场址东南侧为海域。场址区已经人工平整，平整后的场地地面标高约为12.0～13.0 m（图1）。表层覆盖有厚约0.2～1.6 m的回填碎石，下伏基岩主要为花岗岩，局部有安山玢岩岩脉。处置方式拟采用半地下处置，处置单元为混凝土筒仓，底板埋深标高为＋6.0 m。

图1 处置场地形地貌图Fig.1 Photo showing the topographic feature in the disposal site

2 场地水文地质条件

2.1 地下水类型及埋深

处置场区地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。第四系孔隙水主要补给来源为大气降水，排泄方式为径流、蒸发等，含水层透水性弱，富水性差，水量贫乏。在详勘施工的28个钻孔中均揭露到地下水，水位埋深介于1.67～3.42 m之间，平均水位埋深为2.47 m。水位标高介于+8.82～+11.16 m之间，平均标高为+10.47 m。基岩裂隙水富水性差，地下水贫乏，为微-中等透水性。地下水排泄主要有蒸发以及向冲沟、海洋分散排泄等方式。

2.2 处置区岩层的透水性

为查明处置区花岗岩的透水性，在4个钻孔中进行了压水试验，试验钻孔如图2所示。压水试验按照《水利水电工程钻孔压水试验规程》（SL 31—2003）［9］规范要求进行，试验成果如表1所示。

图2 水文地质试验钻孔位置图Fig.2 Hydrogeological test borehole location map

表1 压水试验结果Table 1 Pressurized water test results

由表1可见，微风化花岗岩体的透水率大部分介于2.61～4.93 Lu之间，为弱透水岩体；局部地段微风化花岗岩透水率为12.59 Lu，为中等透水岩体。

另外，在4个钻孔中进行了抽水试验（图2），抽水试验分3个降深进行，试验结果如表2所示，渗透系数为3个降深所求渗透系数的平均值。

表2 抽水试验结果Table 2 Results of pumping tests

抽水试验结果表明，处置场区浅部岩体渗透 系 数 介 于1.47×10-4～4.36×10-3cm·s-1之间，属中等透水岩体，局部地段渗透系数为7.11×10-4cm·s-1，属弱透水岩体。

2.3 地下水的流速及流向

2.3.1地下水流速

地下水流速的测定是采用示踪剂法进行的，其原理是中滤水管中的水柱被少量示踪剂标记，标记地下水的浓度被流过滤管的水降低（稀释），示踪剂浓度稀释的速度与地下水渗透流速有关，根据这种关系可以求出渗透流速。地下水流速在ZK1、ZK2、ZK15、ZK17和ZK19五个钻孔进行试验，采用食用盐作为示踪剂。在深度2～5 m孔段的流速约10-2～10-4cm·s-1，深度5～9 m地段流速介于10-5～10-6cm·s-1之间，微风化范围流速介于10-6～10-8cm·s-1之间。在3～6 m之间，测得地下水的最大渗流速度为8.62×10-3cm·s-1。

2.3.2地下水流向

现场流向试验采用的装置是4个正交方向上4个探头，用PVC管固定住，确定4个方向，待投入示踪剂后，整个装置放入钻孔中，探头埋入水面以下（地表以下4 m）。用DDBJ-350型温度电导率仪采集数据。本次试验对ZK3和ZK19两个钻孔进行了流向测试。对于每个孔中的试验，投源后放入装置，固定位置，用几何方法分别找出各个不规则八边形的质心所在位置，将所有的质心拟合成一条直线，作为质心偏移线；沿着质心偏移线从第一个质心指向最后一个质心的方向作为质心偏移方向，计算出从示踪剂浓度顺时针转至质心偏移方向的角度β；确定从正北方顺时针转至示踪剂浓度的角度α，进而得到钻孔中该深度处的地下水流向角度为α+β，不同时间读取数据；待采集数据足够多后，将装置转动一个α角度，重新投源测试，记录数据，计算分析后得出流向，地下水流向测试成果如表3所示。

由表3可见，场区地下水的流向大致范围为东偏南17.9°～42.9°，平均流向是东偏南25°左右。

表3 地下水流向测试结果Table 3 Test results of groundwater flow direction

3 防治水方案的选择

3.1 地下水位与处置单元的关系

地下水位埋深介于1.67～3.42 m之间，平均水位埋深为2.47 m。水位标高介于+8.82～+11.16 m之间，平均标高为+10.47 m。处置单元底板埋深标高为+6.00 m，地下水位高出处置单元底板2.82～5.16 m。为保证低、中水平放射性固体废物处置能够顺利实施，根据低、中水平放射性固体废物的浅地层处置规定要求［10］，必须对地下水进行治理。

3.2 地下水治理方案的选择

根据场地的地形地貌，地下水治理方法有抽水降低水位、明沟排水降低水位和盲沟排水降低水位3种方案，现比较这三种方案的优、缺点，从而确定最合适降水方案。

因场地地层岩性为花岗岩，地下水主要是裂隙水，渗透系数介于1.47×10-4～4.36×10-3cm·s-1之间，抽水时的水量不会很大，因而地下水位下降有限，况且一旦停止抽水，水位就会上升；废物处置单元安全性要保证300～500 a的有效性，这么长时间抽水的缺点是：1）降水效果有限，2）消耗动力，3）几百年不间断抽水无法实现。所以，抽水降低水位方法不可行。

场地南侧410 m处即为大海，具备明沟排水的条件。明沟排水的优点是不需要动力，地下水通过自流进入明沟，而且一旦沉积物厚度较大影响排水时容易清淤。但明沟开挖后，在降雨时地面的大量淤积物会随雨水流向明沟，使明沟内的淤积程度加快；另外，在场地内占用大量的面积，而且影响场内的运输，因此明沟排水也不可行。

场地也具备盲沟排水的条件，盲沟排水不但解决了场地内的运输受限问题，而且与明沟排水一样不需要动力，但盲沟中是否会因沉淀物的淤积而影响排水则需要进行论证。在3种方案中，盲沟排水不利因素较少，因此选择盲沟排水方案。

4 盲沟布置及排水能力确定

4.1 盲沟平面布置

在处置场的西侧设计一道主盲沟直通海边，处置区的北侧、东侧和中间位置各设计支盲沟。主截水盲沟的作用：一是切断外围地下水与处置区地下水的水力联系，使外围的地下水直接流入盲沟；二是主截水盲沟与支盲沟一起，用于降低处置区的地下水位。根据处置单元布置情况，处置区中间的支盲沟布置在处置单元排距较宽处，支盲沟与主截水盲沟相通，以便处置区外围和处置区内的地下水能够通过主截水盲沟直接排入大海（图3）。这样布置，相当于将处置区布置在孤岛上。

图3 一期工程排水盲沟平面布置图Fig.3 Layout plan of the drainage blind ditch in the first phase of the project

4.2 盲沟排水量的计算

盲沟为永久工程，特别是处置区主盲沟不仅需要导出一期处置区的地下水，还要导出以后各期建设的地下水。因此，处置场主盲沟承担整个处置场区地下水的排水功能，处置场主盲沟排水能力按整个处置场区的排水量进行计算。

虽然处置场在建设时分期开挖，但主盲沟需要一次开挖具备排水能力。主盲沟的排水量由地下水涌水量和大气降水入渗量组成。

4.2.1地下水涌水量计算

4.2.1.1计算公式的选择

由于地下水为潜水，周围没有明显的供水或隔水边界，因此，采用没有供水或隔水边界的水文地质“大井法”的潜水公式［11］。公式（1）中：Q1—地下水涌水量，m3·h-1；K—渗透系数，m·d-1；H—潜水含水层水柱厚度，m；S—水位降深，m；R0—引用影响半径，m；r0—大井引用半径，m。

4.2.1.2参数确定

渗透系数K：取8个钻孔压水试验、抽水试验所取得的渗透系数与含水层厚度的加权平均值。求得平均渗透系数K=0.65 m·d-1。

潜水含水层水柱厚度H：排水盲沟形成后，地下水位按距处置单元底板以下3 m（标高+3.0 m）考虑进行计算。潜水含水层厚度H=10.47-3.0=7.47（m）。

水位降深S：处置单元底板以下2.0 m，标高=+4.0 m，S=10.47-4.0=6.47（m）。

引用影响半径R0：由引用影响半径（R0）与大井引用半径（r0）之和求得，大井引用半径由整个处置场区面积F1求得。处置场区面积为150 575 m2。则：

引用影响半径：R0=R+r0=253（m），求得涌水量Q1=31.20 m3·h-1。

4.2.2大气降水入渗量计算

由于处置场外围没有水流汇入，根据场地的地形条件，选择计算大气降水入渗量的公式如下：

公式（2）中：Q2—设计频率暴雨入渗量，m3·h-1；F2—整个处置场区扣除处置单元以外的汇水面积，m2；F2—计算面积为157 873 m2；Hp—设计频率暴雨量，m。从安全角度考虑，取百年一遇24 h暴雨量，根据辽宁省水文手册［13］，Hp=0.094 72 m·h-1。ψp—降雨入渗系数，%。按处置单元外围地面混凝土硬化后的系数，从保守角度考虑，取ψp=0.20，求得Q2=124.61 m3·h-1。盲沟总排水量为Q1+Q2=155.81m3·h-1=0.043 m3·s-1。

由于处置区外围有核电厂的截水系统，因此，处置区外围的大气降水不会对处置区的地下水构成影响，仅有处置场区内的降水入渗量对地下水有影响。处置场区地形平坦，在处置场区没有集中汇水区。所以，本计算的汇水面积为以处置场区面积再加上地下水位降深6.47 m所形成的影响半径计算的面积，然后减去处置场内所有处置单元的面积。

4.3 盲沟设计

4.3.1盲沟断面设计

在处置区周围设置一圈盲沟，使处置区位于由盲沟围成的“孤岛”上。主盲沟为南北方向，向南一直延伸至海边。需要将地下水位降低到处置单元底板以下2 m，考虑盲沟的坡度及排水口标高以及盲沟坡度较小，盲沟的平均深度确定为处置单元底板以下3 m，除主盲沟宽度设计为2 m外，支盲沟宽度均为1.5 m。盲沟顶标高为处置单元的底板标高，即标高为6 m。为了防止海水倒灌，在处置场的西南角的盲沟排水口标高采用核电厂选址计算的千年一遇的最高潮位2.51 m进行设计，处置区内盲沟的坡度采用2‰，处置场区南侧至海边的坡度采用3‰～5‰。

4.3.2盲沟构成

盲沟开挖完成后，先在盲沟底部敷设槽形石以加快盲沟中地下水的排出，槽形石空洞的尺寸为400 mm×400 mm。再在槽形石的周围回填200～250 mm的微风化块石。块石回填厚度为2.5 m。为了防止细粒颗粒物质进入盲沟影响排水，在块石的上部设置反滤层，反滤层组成为200 mm厚的粒径为60～70 mm的 碎 石，200 mm厚 的 粒 径 为30～40 mm的碎石，其上部再回填200 mm厚的砂砾石和粗砂。在粗砂的上部回填开挖的块石，盲沟结构如图4所示。

图4 截水盲沟与处置关系图Fig.4 Relationship between intercepting blind ditch and disposal

5 盲沟长期有效性论证

5.1 盲沟排水能力验证

由于处置单元区是分期建设的，盲沟中的排水量是随着处置单元区的增加而逐渐增大的。处置区所有的地下水（包括大气降水入渗水）均汇到处置区盲沟中，因此，只需要验证主盲沟是否满足计算出的地下水排水量。盲沟中回填的是200～250 mm微风化块石，根据有关资料，回填块石的渗透系数经验值如表4［14］所示。

表4 排水层岩块渗透系数经验值［14］Table 1 Experience value of the penetration coefficient of drainage rock blocks[14]

由于回填的块石是带有棱角的。因此，渗透系数取回填20 cm块石进行保守计算。

1）计算公式

盲沟中水的流量计算公式［14］如下：

公式（3）中：Q—主盲沟通过流量，m3·s-1；K—排水层岩块的渗透系数，m·s-1，取0.35 m·s-1；ω—渗透面积，m2；ω=bh；b—底宽，m；取2 m，h—盲沟中水位高度，m。从保守角度考虑取1.0 m。i—盲沟坡度，取5‰。计算得Q=0.049 m3·s-1＞0.043 m3·s-1（按百年一遇的降水入渗量计算）。

上述计算是在盲沟中整个充填20 cm块石的情况下计算的。实际设计中，在盲沟中回填的块石介于20～25 cm之间，且在盲沟中敷设了槽形石，槽形石的设置使主截水盲沟的排水能力大大加强。因此，处置场区主截水盲沟排水能力能够满足排出处置区地下水涌水量和大气降水入渗量的要求。

5.2 截水盲沟的长期稳定性论证

处置场的截水盲沟是在微风化基岩中开挖，盲沟的两个侧壁均为微风化花岗岩，在盲沟中回填的块石、碎石为微风化花岗岩。微风化花岗岩结构致密，岩石坚硬，其风化速度极其缓慢，再加上花岗岩块石在地下环境条件风化速度更加缓慢。所以盲沟在主动及被动监护期间近500 a时间内不会因岩石风化而产生坍塌、掉块而堵塞盲沟。因此，盲沟结构的长期稳定是有保障的。

5.3 盲沟的长期有效性论证

1）据处置场岩土工程勘察报告，地下水的渗流速度从浅往深逐渐减小，在3～6 m之间，测得地下水的最大渗流速度为8.62×10-3cm·s-1。据尤尔斯楚姆研究，当水流速度小于18 cm·s-1时，几乎所有粒径的颗粒都不会被搬运；粒径小于0.003 9 mm的泥质一经流水搬运就长时间悬浮于水中不易沉积下来，可在长距离搬运至较远的深水环境中沉积［15］。由于地下水的最大渗流速度远远小于18 cm·s-1。因此，由于地下水流速缓慢，地下水从裂隙及节理中流出时带出的颗粒物极少。此外，回填物中主要是微风化岩石，回填物中黏粒含量很少，因而黏粒物淤积堵塞盲沟的可能性不大。同时，在盲沟中回填块石的上部设置了反滤层，反滤层的形成可以阻止细颗粒物进入盲沟。而处置场区距海边仅410 m，因此，盲沟即使出现泥质物质时，在水流动过程中沉积造成淤塞的可能性很小。

2）在盲沟中敷设了槽形石，槽形石设置相当于在盲沟中增加了一条排水明沟，有利于盲沟中地下水的排泄。

所以，盲沟排水的长期有效性是有保障的。

6 结论与建议

1）该低、中水平放射性废物处置单元所在地地下水为潜水，水位埋深介于1.67～3.42 m之间，水位标高介于+8.82～+11.16 m之间，水位高于处置单元底板2.82～5.16 m；地下水最大渗流速度8.62×10-3cm·s-1，平均流向为东偏南25°左右。

2）经过对盲沟的排水能力、长期稳定性及长期有效性进行论证，盲沟的上述性能能够满足主动监护和被动监护期的要求，处置场采用截水盲沟降低地下水位是可行的。

3）建议实施地下水治理方案之前，在处置区的适当地段施工监测孔，监测废物处置过程中地下水位的下降情况，以便为后期废物处置时地下水治理方案调整提供依据。