抽水蓄能电站工程放射性及有害气体测试研究

宋伟健，陈鑫，刘金锋

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130062；2.松辽水利委员会水文局（信息中心），吉林 长春 130021）

抽水蓄能电站工程地下平硐岩体中存在不同挥发性气体及放射性元素，在开挖过程中，有害气体和放射性元素持续释放，但其本身可能无色无味，很难直观地发现和预估，一旦发生事故，就可能引发很严重的安全和经济问题。因此，在地下平硐内进行有害气体及放射性元素测试，是工程中不可或缺的地质勘察项目。通过对地下硐室进行检测，能够直观、便捷地获得有害气体及放射性元素数据，从而精确获取其浓度和分布情况，评价有害气体、放射性元素对人体的危害程度，为抽水蓄能电站后续施工及运行提供相应依据，继而达到对抽水蓄能电站顺利建设保驾护航的目的。

1 方法原理

1.1 定电位电解

将工作电极的工作信号通过U2 转化为电压信号，此电路需要保证工作电极的电压位于其偏压以下，线路中布设的U1 会对电极产生电压信号，该信号与工作电极电流信号一致。同时，恒电位电路使工作电极与参考电极之间保持恒定的电位差。测量气体有一氧化碳（CO）、氧气（O2）、硫化氢（H2S）等。

1.2 催化燃烧原理

仪器采用热催化型高性能传感器组成惠斯顿电桥，测量臂由载件催化元件（俗称黑元件）和纯载元件（俗称白元件）组成，辅助臂由金属膜电阻和电位器组成，稳压电路为电桥提供稳定的电压，即在新鲜空气中桥路处于平衡状态，在被测气体中，甲烷（CH4）在黑元件表面发生催化反映（无焰燃烧），使黑元件温度增高、电阻增大、桥路失去平衡，从而输出一个在一定范围内的体积电位差，其大小与甲烷（CH4）的浓度成正比。电压信号进入微处理器经过内部A/D 转换、数据处理、滤波之后，由单片计算机进行数字信号处理，然后通过液晶显示器将被测甲烷（CH4）的浓度显示出来，并给出声光报警。

1.3 红外原理

仪器传感器采用窄带NDIR 红外技术的二氧化碳（CO2）模块，通过数据传输进行浓度测量、显示、报警。

1.4 放射性测试原理

氡浓度（阿尔法）测量：仪器依据泵吸静电收集能谱分析法设计，采用调速真空泵将含氡气体吸入高压腔室内，氡气衰变产生的218Po（钋218）带正电离子在电场作用下高速吸附到PIPS 探测器表面，218Po（钋218）继续衰变产生的阿尔法粒子被探测器收集，经放大、整形、采样后由控制电路进行计数，从而获得阿尔法能谱数据。根据单位时间内脉冲计数与氡浓度的正比关系即可确定腔室内的氡浓度。

伽马测量：伽马射线进入闪烁体，使闪烁体原子中的电子激发而产生荧光。光子经光导介质耦合到光电倍增管阴极，产生光电效应，形成光电子。光电倍增管多级倍增，在阳极负载上产生电信号，经放大、甄别输出脉冲，此脉冲输入到计数电路进行计数。该仪器探测器采用NaI（Tl）闪烁晶体+光电倍增管组成探测器，探测器输出脉冲的计数率正比于射线强度或放射性物质含量。

2 工作方法与技术

硐室气体测试前对仪器进行检定检验，测试前、后进行背景值测量。对平硐桩号785～975 m进行测试时，工作现场平硐内平均温度为18 ℃，相对湿度不大于98%，大气压力为标准大气压，通风装备未接到测试部位。硐轴方向进行离散式测量，每5 m 进行1 次有效测试。根据规程规范中仪器设置的超标阈值，当出现超标情况时，仪器自动报警，对异常位置进行重复观察并详细记录[1]。

放射性测试是基于FD218 阿尔法能谱氢测量仪和HD-2000 智能伽马辐射仪对硐室内进行氡（阿尔法）浓度测量和伽马测量。氡（阿尔法）浓度测量是在平硐桩号760～960 m，每10 m 取1 次新鲜岩样，岩样样本数量应满足规范要求，对岩样进行切割、研磨，制成岩粒、岩粉。氡（阿尔法）浓度测量在室内进行，平均温度需要达到24 ℃；所有试样均进行干燥处理，其相对湿度均小于15%；气压为101 kPa。测量采用土壤中氡（阿尔法）浓度测量方式，将试样置于密闭的容器内，并将仪器配备的硅胶管置于容器内，另一端连接干燥剂后与仪器相连。使用仪器对所有试样进行测量，每个试样进气时间为5 min，测量周期为5 min，循环次数为3 次。伽马测量是在平硐内桩号760～960 m处直接进行测量，平硐内平均温度为18 ℃，相对湿度不大于95%，测量时间宽度为60 s，探头离地面高度为1 m，探头尽量贴近岩体。氡（阿尔法）浓度测量和伽马测量时，当出现超标情况，仪器自动报警[2]。

3 工程实例成果分析

3.1 硐室气体测试成果分析

通过在地下厂房平硐测区进行有害气体测试，可有效、直观、快捷地获取各项气体的数值范围。表1 给出了地下硐室气体控制标准及平硐气体测试数据平均值。

表1 地下厂房平硐气体浓度测试数据及控制标准表

根据实测值分析平硐主硐内各种气体的变化趋势：甲烷（CH4）、二氧化硫（SO2）、硫化氢（H2S）和二氧化氮（NO2）的含量为0；一氧化碳（CO）随桩号的增加逐渐减少；氧气（O2）、二氧化碳（CO2）、氨气（NH3）变化比较平稳。

由表1 可知，平硐内氧气（O2）含量符合标准值；其余7 种气体有害气体指标的含量均低于标准值，满足规范要求，短期内不会对人体造成不可逆的伤害。

3.2 放射性测试成果分析

1）氡（阿尔法）浓度测量

将每个测点的3 组数值取平均值作为该测点的最终数值，再经过体积、时间换算，得出最终平衡当量氡浓度。每10 m 为1 测段进行数学统计整理，可知氡浓度测量值范围为1.0～29.0 Bq/m3，计算后的平衡当量氡浓度范围为6.7～193.3 Bq/m3，每个测点的氡浓度均小于规程规范要求的标准氡浓度200.0 Bq/m3。考虑氡气具有流动性，在分析时将主硐和支硐内氡浓度分别进行平均计算，得出平硐内氡浓度平均值为65.0 Bq/m3，小于规程规范要求，硐室内氡浓度未超出标准[3]。

2）伽马测量

统计测量得到的数据，计算每10 m（1 个测区）内的平均值；将得到的平均值换算成有效剂量当量率，可得出有效剂量当量率范围为8.40×10-5～9.70×10-5mSv/h；取年工作为2 000 h 计算平硐内伽马年有效剂量当量，得到其范围为1.68×10-2～1.94×10-2mSv，小于规程规范要求的标准伽马照射年有效剂量（1.00 mSv）。将平硐内伽马照射年有效剂量进行平均计算，得出平硐硐室内伽马照射年有效剂量平均值为0.18 mSv，仍小于规程规范要求，则硐室内伽马照射年有效剂量未超出安全标准[4]。

4 结语

平硐开挖工程是抽水蓄能电站建设的重要工作之一，及时进行放射性元素、硐室有害气体测试，有效地解决了平硐开挖工程中存在的工期紧张和人员作业危险等作业难题，为抽水蓄能电站工程建设起到了指导性作用，很大程度上提高了工程建设进度和人工作业的安全性。在地下硐室施工或地下厂房内工作时，为避免地下厂房及硐室内有害气体含量超标和硐壁岩体产生的氡及伽马射线严重超标，应定期进行放射性元素、有害气体测试，同时，必须安装通风装置，相关工作人员佩戴安全防护设备，保持硐内有良好的通风条件，必要时穿防辐射服、佩戴口罩。