某放射性尾渣库退役治理工程防渗方案比选

2022-11-28胡良才郭大平李玉雷刘再道

有色金属（矿山部分） 2022年6期

胡良才，郭大平，李玉雷，刘再道

(1.中核第四研究设计工程有限公司，石家庄 050021；2.中核韶关锦原铀业有限公司，广东韶关 512026)

铀尾渣是铀矿石采用堆浸方法选冶金属后产生的废弃物，含有原矿石中85%的放射性[1]，是含有大量放射性核素和非放射性有毒有害物质的废弃物[2]。铀尾渣库作为贮存铀尾渣的场所，是潜在的放射性污染源。根据国家相关法律法规及规范要求，对于服务年限期满或永久性停业的铀尾渣库，应充分考虑其对周边公众健康和安全及保护环境而进行退役治理。在退役治理阶段，对库底无防渗且岩土层渗透系数较大的铀尾渣库采取防渗补救措施，可以实现尾渣库安全环保风险最小化。

目前对于尾矿库防渗层的研究，多集中于新建库，如甘海阔等[3]以云南某山谷型尾矿库为例，分析了不同型式防渗方案的防渗效果；田帅等[4]针对我国西南地区尾矿库基础岩溶发育的特点，分析了水平及垂直防渗技术特点及适用性，对已建库如何采取防渗补救措施研究的较少。

本文以正在进行退役治理设计的某铀尾渣库为研究对象，对尾渣库防渗补救方案进行对比分析，提出技术可行、经济合理、安全环保的尾渣库防渗方案，以期为放射性尾渣库退役治理阶段防渗方案选择提供借鉴。

1 工程概况

1.1 尾渣库概况

某铀矿山所处区域为中低山地貌，海拔1 300～1700 m，区内沟谷发育，最大相对高差400 m。尾渣库位于“V”型沟谷谷口，库区底部地形相对平坦，左岸地形稍陡峭，右岸地形相对较缓。尾渣库分三期建设，一期库、二期库均由矿山企业自行建设，由于建设年代较早，库底及两侧岸坡未采取防渗措施；三期库为新建库，位于一期库、二期库下游，由堆石拦渣坝、坝顶溢洪道、防渗系统、截洪沟等组成。目前一期库、二期库库容已使用终了，库内堆满铀尾渣，三期库建成后未投入使用，为空置库。尾渣库平面图见图1。

图1 尾渣库平面图

目前矿山处于关闭停产状态，尾渣库随之进行退役治理。基于放射性污染物集中处置原则，拟将矿区内废石、退役治理过程中产生的建筑垃圾、污染土等运至尾渣库内堆存。因此，设计将一期库、二期库内部分尾渣倒运至三期库内，再以二期库拦渣坝为初期坝，采用上游式筑坝方法将尾渣库加高扩容至现一期库位置，同时采取防渗补救措施降低尾渣库安全环保风险。扩容后尾渣库初期坝高18 m，堆积坝高46.6 m，总坝高64.6 m，属四等库。

1.2 库区地质结构

尾渣库库区地层主要由耕植土(Q4pd)、第四系冲洪积(Q4al+pl)碎石土及燕山期花岗岩(γ5)组成。尾渣库工程地质特性见表1。由表1可以看出，尾渣库库底基岩节理裂隙较发育，各岩土层渗透系数均较大。

表1 尾渣库工程地质特性

1.3 渗水风险分析

在一期库、二期库运行使用过程中，矿山运营企业利用堆积尾渣形成的平坦地形在库内修建了多座堆浸池，采用了“堆上筑堆”的堆浸生产方式，卸堆的尾渣未经中和就近堆放到尾渣库内。经检测，尾渣库渗水pH值为3.46～5.06，属酸性废水。尾渣中放射性核素在酸性渗水浸泡下析出，在其长期迁移过程中存在与地下水发生水力联系，导致地下水受到污染的风险。

从降低尾渣库安全环保风险角度出发，对进行退役治理的铀尾渣库采取防渗补救措施，降低尾渣库对地下水的潜在危害，保证“工程长期安全，环境风险最小化”，符合我国放射性废物“减量化、无害化和妥善处置、永久安全处置”的原则。

2 尾渣库防渗方案比选

根据布置形式不同，防渗可分为水平防渗、垂直防渗、水平与垂直联合防渗[5]。防渗方案应根据场地水文地质条件等[6]在分析不同防渗方案适用性与经济性的基础上选择。

2.1 水平防渗

水平防渗通过在尾渣库底部及两侧岸坡铺设防渗材料形成防渗层，防渗材料通常以极低渗透性(一般渗透系数应不高于1.0×10-7cm/s)的天然的或人工合成的材料为核心，组成不透水隔离层，以阻止渗水向下渗透污染地下水，同时阻止库底基岩裂隙水渗入尾渣库内，从而实现有效防渗的目的。防渗层可为单层或多层复合结构。

2.1.1 水平防渗方案设计

土工膜作为常用的尾矿库防渗材料，在世界范围内得到了广泛应用[7-8]。国内外近年退役治理的铀尾矿库(尾渣库)大多采用土工膜作为主要防渗材料，如美国的松子岭铀尾矿库，中国的修水铀尾渣库、攸县铀尾渣库等。

本工程尾渣库地形较平坦，且三期库为空置库，具备将一期库、二期库内尾渣倒运至三期库并对一期库、二期库采取水平防渗的库容条件。因此尾渣库水平防渗方案设计在一期库、二期库库底及两侧岸坡铺设防渗层，水平防渗结构示意如图2所示。防渗层由下至上依次为：1)基础层。防渗层铺设前，应平整场地，将库底及岸坡范围内草皮、树根、乱石等全部清理干净，清除表层的耕植土，并整平压实；2)砂卵石层。整平清基后尾渣库底及两侧岸坡铺设砂卵石作为防渗层垫层，砂卵石层厚20 cm，要求级配良好，含泥量不大于5%。砂卵石层渗透系数亦较大，由尾渣库两侧山体裂隙渗入库底的裂隙水，通过底部砂卵石层排出库外，可防止裂隙水渗入尾渣库中，起到排水作用；3)膨润土防水毯。膨润土防水毯采用钠基膨润土防水毯，钠基膨润土防水毯是以钠基膨润土为主要原料，采用针刺法、针刺覆膜法或胶粘法加工制成的毯状防水材料。膨润土防水毯要求质量不小于5 500 g/m2，采用品字形拼接，自然搭接宽度不小于250 mm，搭接处用膨润土密封。4)土工膜。土工膜作为防渗系统主要组成部分，应具有优良的耐环境应力开裂性能，抗低温、抗老化、耐腐蚀性能，以及较长的使用寿命。采用1.5 mm厚高密度聚乙烯(High Density Polyethylene，HDPE)土工膜作为防渗层，土工膜双面加糙，尽量采用宽幅以减少拼接量。土工膜应提高施工质量，保证防渗效果，避免或减少库内渗水对环境的影响；5)土工布。为防止尖角杂物刺破土工膜影响防渗效果，采用非织造土工布作为膜上保护层，土工布规格为600 g/m2；6)砂卵石保护层。土工布上部铺设20 cm厚砂卵石作为保护层，防止尾渣倒运压实过程中压实机械损伤土工膜。

图2 水平防渗结构示意图

2.1.2 水平防渗效果分析

水平防渗可有效阻断渗水与地下水的水力联系，但有调查指出[9]，水平防渗土工膜会因施工质量不良等原因产生孔洞，从而影响防渗效果。因此，借鉴垃圾填埋场复合防渗层渗漏率计算公式[10]计算尾渣库复合防渗层渗漏率：

Q=0.976Cq0[1+0.1(hw/Ls)0.95]d0.2hw0.9ks0.74

(1)

式中，Q为复合防渗层单孔渗漏率，m3/s；Cq0为系数，复合防渗材料界面接合良好时取0.21，接合较差时取1.16；hw为防渗层上水头，m；Ls为膨润土防水毯厚度，m；d为土工膜孔洞等效直径，m，一般为1～20 mm[11]，取为10 mm；ks为膨润土防水毯渗透系数，m/s。

渗漏率计算参数取值及结果见表2。经计算，防渗层上水头1 m、复合防渗层界面接合较差时，单个孔洞渗漏率为1.31×10-7m3/s。

表2 渗漏率计算结果

沈楼燕等[12]调查显示，国外防渗层土工膜孔洞数量约为203～2 251个/km2，本次计算取土工膜孔洞数量为2 000个/km2。尾渣库防渗层面积约0.053 km2，假定复合防渗材料界面接合较差，计算得到防渗层上水头1 m时，尾渣库渗漏量为1.19 m3/d。事实上，由于本尾渣库为干式尾渣库，尾渣含水率较低，采用封场覆盖措施后，尾渣库内没有明显浸润线，因此在保证防渗层施工质量前提下，理论上尾渣库渗漏量为零。

2.2 垂直防渗

垂直防渗是利用尾渣库底部的不透水或弱透水层作为下部隔水层，在尾渣库周圈或下游使用防渗性能良好的材料施工形成的垂向的防渗屏障，垂直防渗应深入相对不透水层。与水平防渗将尾渣与周围环境完全隔离开不同，垂直防渗不能完全阻断尾渣库渗水与地下水的水力联系。因此，垂直防渗多在因地形地质条件限制或无尾渣倒运库容从而无法进行水平防渗，且库底部有连续稳定的天然相对不透水层时应用。

2.2.1 垂直防渗方案设计

设计在扩容后尾渣库周圈打设塑性混凝土防渗墙作为垂直防渗措施，防渗墙宽0.6 m，平均墙深约27.92 m，平面长约1 330 m，墙体深入微风化基岩以下不小于2 m，墙体渗透系数不小于1×10-7cm/s。垂直防渗剖面示意图见图3。

图3 垂直防渗剖面示意图

2.2.2 垂直防渗效果分析

为分析垂直防渗效果，采用GeoStudio岩土分析软件的SEEP/W渗流分析模块，对设置垂直防渗后坝下渗水量进行模拟分析。根据尾渣库退役治理后坝体剖面、水文地质报告及勘察报告给出的尾渣、碎石土、强风化、中风化及微风化花岗岩的渗透系数，建立数值模型，按瞬态渗流方式计算求解。尾渣库下部微风化岩层及库周围防渗墙设置为不透水层，尾渣库下游防渗墙上部预埋排水管，设置为渗流面[13]。

经计算，尾渣库坝下渗水量随时间变化曲线见图4。由图4可见，设置垂直防渗前，尾渣库坝下渗水量约为185.24 m3/d；设置垂直防渗初期，坝下渗水量迅速减少，1年后渗水量减少约90%；之后渗水量减少幅度变缓，至采取垂直防渗措施10 a后，渗水量降为1.28 m3/d。由于设置垂直防渗初期，尾渣库坝下渗水量较大，现有尾渣库渗水收集处理设施应持续运行，确保渗水不污染环境。