某退役鈾尾礦庫灘面覆蓋層穩固性分析

李玉雷，張 娟

（1．中核第四研究設計工程有限公司，河北 石家莊050021；2．河北省水利水電第二勘測設計研究院，河北 石家莊050000）

新疆某鈾礦采冶聯合企業始建于1959年，1979年停產關閉，尾礦庫是鈾礦冶水冶生產的重要配套設施，灘面面積約2．75萬m2。鈾尾礦庫經最終處置后，其表面氡（222Rn）析出率不應超過0．74Bq／m2／·s［1］。該尾礦庫灘面退役治理覆蓋前222Rn析出率均值為7．10Bq／m2／·s超出規定管理限值。為降低鈾尾礦庫內貯存的放射性尾礦的輻射危害，有效的抑制和屏蔽各類有害因素，鈾尾礦庫退役治理時，需要對其灘面進行覆蓋治理，為保證灘面覆蓋層的長期有效性，覆蓋層應有防止風蝕、雨蝕等的安全措施。

1 工程概況

該尾礦庫位于準噶爾盆地西側、塔額盆地南緣，以低山丘陵、山間谷地、山前沖洪積扇及山澗河流地形為主，地形起伏較大、交錯分布，微地貌形態發育。

庫區屬大陸型中溫帶氣候。常年平均氣溫3．4℃，歷年極端最低氣溫為－33．4℃，歷年極端最高氣溫34．6℃。年平均降水量為278mm，年平均蒸發量1982mm。區內主導風向為WNW風和WSW風，年平均風速3．1m／s，最大風速34m／s，年大風天數為74d，年霜凍日數平均為131d。

2 灘面覆蓋層設計

為了達到鈾尾礦庫覆蓋治理的目的，可以選用各種有效的材料。國外對黏土、瀝青乳膠、混凝土以及混合材料的研究表明，這些材料都有較好的降氡效果［2］。

考慮輻射防護最優化原則，通過類比本項目所在地與其它鈾礦山的氣象、降水、土壤等資料，根據覆蓋試驗及就地取材的原則，該鈾尾礦庫覆蓋材料選用當地來黏土。根據試驗結果，覆土厚度與抑制222Rn析出率的關系式為式（1）。

式中：X為需要覆蓋的夯實黏土的厚度，cm；Ji為覆蓋前的222Rn析出率均值，為7．10Bq／m2／·s；J0為222Rn析出率的管理限值，取0．74Bq／m2／·s。

經計算，確定尾渣庫灘面的黏土覆蓋厚度為125．5cm，考慮留有適當裕度，設計取覆蓋層厚度為135cm。

尾礦庫灘面退役治理方案為：灘面回填清挖的污染物及鈾尾礦渣并整平壓實后，在其上鋪設1．35m后的壓實黏土，黏土覆蓋層施工時分層碾壓夯實，壓實系數不小于0．95。覆蓋層頂面鋪設10cm厚的細卵石（粒徑1～5cm）做為過渡層，然后再鋪設40cm厚的碎石（粒徑5～15cm）作為防侵蝕保護層。如圖1所示。

圖1 尾礦庫灘面覆蓋示意圖

3 覆蓋層的穩固性分析

鈾尾礦庫退役治理工程實施后，覆蓋層經過長年累月的侵蝕會否減薄，從而影響其屏蔽222Rn的效果，是人們較為擔心的問題。根據該尾礦庫及周圍環境情況，引起覆蓋層侵蝕的種類按外營力性質可分為水力侵蝕、風力侵蝕、重力侵蝕、凍融侵蝕和生物侵蝕等類型。

3．1 重力侵蝕

重力侵蝕是指巖土體在重力作用下失去平衡而產生的位移和堆積的侵蝕過程。重力侵蝕受多種因素的影響，主要包括斜坡形態，大氣降水和其它自然因素等。

該尾礦庫區域構造穩定，庫區周圍不存在滑坡、泥石流等不良地質現象，尾礦庫灘面坡度約為1%，坡度平緩，且覆蓋層經碾壓夯實，黏土層壓實度約為0．95，尾礦庫設置有完善的防排洪設施，庫內不會長期積水，灘面碎石保護層可防止灘面沖刷，因此不會出現重力侵蝕破壞。

3．2 凍融侵蝕

凍融侵蝕是指在高寒地區由于寒凍和熱融作用交替進行，使地表土體和松散物質蠕動、滑塌和泥流等現象。

由于尾礦庫退役治理后設置了完善的防排洪設施，庫內不再貯水，尾礦庫灘面長期處于干涸狀態，覆蓋土層處于低含水量狀態，同時由于灘面覆蓋土層經過碾壓夯實，其滲透系數較小，約為10－4cm／s，庫區年蒸發量遠大于年降雨量，無其它水源補給，因此覆蓋層不會產生凍融侵蝕破壞。

3．3 水力侵蝕

水力侵蝕是指在降雨、地表徑流、地下徑流作用下，土壤、土體或其他地面組成物質被破壞、搬運和沉積的過程。該尾礦庫在退役治理后灘面長期處于干涸狀態，雨季洪水徑流通過溢洪道直接排出庫外，因其匯流時間較短，降雨只滲入覆蓋層下幾厘米，從而不能形成穩定的滲流場。因此水力侵蝕對覆蓋層產生的影響只可能在降雨地表徑流作用時產生。

3．3．1 不沖流速

與水流接觸的天然地面或人工渠道，在一定的地質條件下，應限制水流速度不能超過某一限值，以使泥土不致被沖走（即產生沖刷），該水流流速即為不沖流速VP。

在水流作用下，碎石保持穩定的不沖流速按式（2）計算［3］。

式中：Vp為不沖流速，m／s；C為石塊運動的穩定系數，取0．9；g為重力加速度，9．81m／s2；γg為石塊的重度，取2．65kN／m3；γ為水的重度，取1．0kN／m3；d為碎石的折算直徑，本工程為安全計取0．05m。

經計算灘面碎石的不沖流速約為1．15m／s。

3．3．2 實際集流流速（V實）的估算

尾礦庫退役治理后灘面覆蓋層設計控制坡度約為1%，降雨過程中，雨水徑流沿碎石覆蓋層表面流動，匯聚至溢洪道排至庫外。由于覆蓋層表面集流為不均勻流，水流非常淺，又無規則的幾何斷面，因此將地表徑流設想為一個相當寬，非常淺的水流斷面。按明渠均勻流的基本公式（式（3））近似估算覆蓋層表面可能產生的徑流流速［4］。

式中：V為水流速度，m／s；R為水力半徑；n為糙率，取0．035；i為底坡，取0．01。

根據水文計算結果，當該鈾尾礦庫遭遇千年一遇暴雨時，灘面最大徑流深約為0．05m，假定水面寬30m，則有式（4）。

式中：R為水力半徑；b為水面寬度，取30m；h為水深，取0．05m。由式（3）計算得至徑流流速為：V實＝0．387m／s。

上述計算結果表明，該尾礦庫灘面用壓實黏土及碎石覆蓋后，地表破度較緩，糙率較大，降雨表面的集流速度V實＜VP，不會產生沖刷破壞，因此，尾礦庫灘面在校核頻率暴雨洪水情況下，其抗水力侵蝕穩定性是有保障的。

3．4 風力侵蝕

風力侵蝕是指在氣流沖擊作用下，土粒、砂粒或巖石碎屑脫離地表，被搬運和堆積的過程。風蝕的強度受風力強弱、地表狀況、粒徑和相對密度大小等綜合因素的影響。

該鈾尾礦庫在地區氣候干燥少雨，區內年平均風速3．1m／s，最大風速30m／s，在覆蓋黏土裸露的情況下，將會因風蝕而造成覆蓋黏土的減薄，且易造成庫內塵土飛揚。常用的風蝕防治措施包括利用工程材料固定、保護地表，如采用植物防護、設置沙障、采用粗顆粒材料壓蓋等措施防止和減免風蝕。

該尾礦庫灘面鋪設的砂卵石及碎石層，可有效增大地表粗糙度，降低風速，同時阻止氣流對覆蓋黏土的直接作用，防止氣流對覆蓋黏土的吹蝕和磨蝕，達到了固定覆蓋黏土層的作用。因此尾礦灘面黏土覆蓋層不會發生因風蝕而逐漸減薄的現象。

3．5 生物侵蝕

生物侵蝕指動植物在生命過程中引起的土顆粒遷移的一系列現象。同時人類不合理的利用自然資源和經濟開發也會造成土壤的侵蝕。

由于庫區氣候條件惡劣，降雨稀少，植被生長困難，且黏土層灘面覆蓋了50cm厚的砂卵石及碎石，起到了生物阻隔的作用，因此不會發生植物根系伸入覆蓋土層內從而影響覆蓋層的屏蔽效果。

由于在鈾礦水冶工藝的過程中，加入了一些化學制劑，使尾礦渣產生一種特殊的味道。根據過去多個尾渣庫幾十年運行經驗，鈾尾礦渣庫內不會形成鼠洞等影響覆蓋層穩定的因素。

鈾尾礦庫退役治理覆蓋后，灘面無土壤裸露，不適宜種植作物、放牧等，且長期監護，能有效減少危害覆蓋層安全的人為活動，并可及時對對受損的區域進行修復。因此尾礦庫灘面覆蓋層在抵御生物侵蝕方面可以得到有限保障。

4 結論

1）該尾礦灘面平緩，庫區工程地質條件較好，氣候干燥少雨，且覆蓋黏土滲透較低，因些覆蓋層不會發生重力及凍融侵蝕。

2）鈾尾礦庫退役治理后，庫內灘面全部用黏土材料及碎石覆蓋，水力分析表明，覆蓋層防沖流速大于遭遇千年一遇暴雨時灘面徑流集流速度，且該區域干燥少雨，灘面長期干涸狀態，覆蓋層不會因水流沖刷而發生侵蝕。

3）尾礦庫灘面鋪設的砂卵石及碎石層，達到了固定覆蓋黏土層的作用，可防止氣流對覆蓋黏土的吹蝕和磨蝕。保證黏土覆蓋層不會發生因風蝕而逐漸減薄。

4）鈾尾礦庫退役治理后，將有專人長期監護，覆蓋層有較好的抵抗自然災害的能力，在無特殊事件發生的情況下，可以長期保持工程的穩固性。

該尾礦庫退役治理工作于2007年底竣工，根據退役治理后監測結果，其表面222Rn析出率均值降至0．15Bq／m2／·s，滿足相關規定限值要求，其覆蓋層穩定性有效，未發生侵蝕破壞，達到了的抑制和屏蔽222Rn的目的。

［1］ GB14586－1993鈾礦冶設施退役環境管理技術規定［S］．北京：中國標準出版社，1993．

［2］ 潘英杰．淺談國外鈾尾礦庫的退役治理［J］．鈾礦冶，1998，17（2）：102－110．

［3］ GB50286－2013堤防工程設計規范［S］．北京：中國計劃出版社，2013．

［4］ 李煒．水力計算手冊 ［M］．第二版．北京：中國水利水電出版社，2006：34．