高放核廢液滲流場中示蹤試驗的應用探討

馬沖

（核工業天津工程勘察院 天津 300000）

高放核廢液的處理一直以來都是核工業領域的敏感話題和難題，包括對環境的污染問題，其中地下水污染是一個不能回避的敏感問題，尤其是處理廠周邊的工程地質條件較為復雜，構造影響較大，巖體破碎，或者圍巖的節理裂隙非常發育等情況下，一方面要保證核廢液的向外滲漏，不至于污染地下水及環境，另一方面要阻止基巖裂隙水回灌進入處理廠，以免廢液溢出，產生次生的污染事故，因此需要了解工程區巖土體在設計水頭作用下的水文地質特征以及地下水的動態特征，尤其是地下水的流速、巖土體的滲透系數、給水度、彈性釋水系數、彌散度等水文地質參數，這些參數可以通過抽水試驗、壓水試驗、示蹤劑試驗等進行測試，示蹤劑試驗可以測定地下水的流速的同時確定其它的水文地質參數，且操作相對簡單。

1 工作原理

氯離子的測定本工程采用硝酸銀容量法，其原理是采用“分級沉淀的原理”，鉻酸鉀作指示劑，向含有氯離子的水溶液中加入硝酸銀溶液，因在25℃水溶液中，氯化銀的溶度積為1.56×10-10，而硝酸銀的溶度積為9×10-12，因此，只有當氯離子完全被沉淀后，鉻酸根離子才開始沉淀。等當點時，過量的硝酸銀與指示劑作用生成紅色鉻酸銀沉淀，表明作用已達到終點[1,2]。

2 實例分析

某核電站，其反應堆廠房位于該核電站的某廠內，據觀測，其主體在2008年5.12地震前后地下水排水量有明顯增大，因此必須查明反應堆廠房所在地區的水文地質條件，各巖土層的水文地質參數，包括地下水位、地下水的流向、流量、補給排泄特征、巖土滲透性等。確定地下水位可能的變化趨勢，對反應堆廠房的防滲措施提供建議。

2.1 地層概況

勘察場地地形地貌特征主要表現為河谷階地地貌，地貌形態屬于中低山地貌，場地40年前屬山地及河流沖積地貌，現為廠區。地形較平坦，地面相對高差小，勘察孔孔口地面高程為518.888～525.226m。

本次勘察查明，在勘察孔揭露的深度范圍內，土層地層主要為人工填土層、第四系陸相層、河床—河漫灘相沉積層（Q4al+pl）；基巖地層主要為志留系龍馬溪統（S1l）的泥質頁巖，可見強風化層、中風化層和微風化層。

第四系土層：巖性有粉質粘土、碎石土、礫砂等滲透系數（垂直）最大值1.21×10-3cm/s，最小值小于10-5cm/s；滲透系數（水平）最大值6.23×10-2cm/s，最小值小于10-5cm/s，層厚1.0～19.4m，層頂高程498.85～523.84m，場地內均有分布。

頁巖：灰綠色，主要為粘土礦物，泥質結構，頁理構造。巖芯較完整，呈短柱狀和長柱狀，一般柱長9～28cm。巖層傾角40°～55°，裂隙極為發育，裂隙面無氧化物，裂隙傾角約27°～64°，RQD=38%～49%，本層揭露最大厚度為22.50m。

2.2 試劑配制

10%鉻酸鉀指示劑：稱取10 克鉻酸鉀到100 毫升燒杯中，加入50 毫升蒸餾水，攪拌均勻，然后逐滴加入硝酸銀標準溶液至出現磚紅色沉淀為止，放置過夜后過濾，濾液用純凈水稀釋至100 毫升，移入滴瓶中備用。

硝酸銀標準溶液：稱取3.5 克硝酸銀固體，溶于1000 毫升蒸餾水中。標定：取20 毫升氯化鈉標液3份，加入3滴10%鉻酸鉀指示劑，用硝酸銀標準溶液滴定，計算硝酸銀溶液的用量。

2.3 測定方法

投鹽之前取鉆孔內的水樣（空白樣）測定氯離子的水樣，加10%鉻酸鉀指示劑3滴。用硝酸銀標準溶液滴定至有紅褐色沉淀出現，記下硝酸銀用量V1。

另取與測定水樣同數量的投鹽之后鉆孔內的水樣于另一三角瓶中，加10%鉻酸鉀指示劑3滴，用硝酸銀標準溶液滴定至有紅褐色沉淀出現，記下硝酸銀用量V2，V2-V1的差值變化，來顯示示蹤劑到來的時間，用此時間來求地下水流速。

2.4 示蹤試驗

2.4.1 試驗

在ZK7 和ZK12 孔中進行了投鹽示蹤試驗，ZK7的示蹤觀測孔ZK2，兩孔間距4.32m，ZK12 的示蹤觀測孔ZK13，兩孔間距4.05m。投鹽濃度0.5立方水中加入25Kg 食鹽（NaCl），攪拌均勻定深度投放。取水樣方法為人工自定深度用0.5 米長的專用鉆孔取水器（φ75mm）。

ZK12 號孔在第四系粉質粘土層進行示蹤試驗時取樣時間每天1 次，取樣深度15m，共取樣11 個；示蹤觀測孔ZK13號孔每小時取水樣一組，取樣深度14m 和15m，共取樣243組，486個；ZK12號孔在強風化泥質頁巖進行示蹤試驗時取樣時間每半小時1個，取樣深度18m，共取樣58 個；示蹤觀測孔ZK13 號孔每半小時取水樣一組，取樣深度18m 和21m，共取樣165 組，330 個，示蹤樣分析采用硝酸銀0.02mol/l 滴定，示蹤樣提取溶劑10ml進行分析。

本工程水文試驗中只進行了各示蹤水樣硝酸銀（出現紅色鉻酸銀時用量）V1與（空白樣）未投鹽時水樣出現紅色鉻酸銀時用量V2進行對比。測得相對變化量來顯示示蹤劑到接收孔的時間。

ZK7 號孔在強風化泥質頁巖層進行示蹤試驗時取樣時間每半小時1 次，取樣深度20.4m，共取樣35個；示蹤觀測孔ZK2號孔每半小時取水樣一組，取樣深度23m 和25m 各一個，共取樣133 組,266 個，示蹤樣分析采用硝酸銀0.02mol/L 滴定，示蹤分析樣溶劑提取25ml進行分析。

示蹤樣共分析1186 個。測試水樣全部由一名專業測試人員進行，每個樣進行三次測量，對部分樣品進行了檢查測量。

2.4.2 試驗結果

示蹤試驗時間—氯離子含量曲線ZK7 投鹽孔1次、ZK12 投鹽孔2 次。ZK7 投鹽，ZK2 在強風化泥質頁巖接收示蹤水樣，ZK12 投鹽，ZK13 在粉質粘土夾碎石土層接收示蹤水樣，ZK12 投鹽，ZK13 在強風化泥質頁巖接收示蹤水樣。示蹤水樣分析時，消耗硝酸銀量的曲線如下：

ZK12 至ZK13 孔在第②層粉質粘土夾碎石土層中的示蹤水樣濃度高峰值通過時間49小時，ZK12至ZK13 孔在第③強風化泥質頁巖層中的示蹤水樣濃度高峰值通過時間2小時，ZK12與ZK13距離4.31m，ZK7 至ZK2 第③強風化泥質頁巖層中的示蹤水樣濃度高峰值通過時間4.5小時，ZK7與ZK2距離4.05m。

2.4.3 參數計算

表1 ZK12強風化泥質頁巖參數計算結果

通過本場地的示蹤試驗，ZK12 孔地下水流向ZH12→ZK13，ZK7孔地下水流向ZH7→ZK2，ZK12粉質粘土夾碎石土層內地下水流速2.11m/d，風化泥質頁巖內地下水流速8.836-34.51m/d，ZK12 粉質粘土夾碎石土層的滲透系數7.78m/d，ZK12和ZK7強風化泥質頁巖滲透系數20.12-121.68m/d，可以看出本層滲透性不均勻。

另外通過野外的彌散試驗，可以看出地下水的彌散度受到地下水梯度、含水層滲透系數以及巖土體的孔隙比等參數的影響，同時與試驗計算模型的影響很大。

3 結論與建議

通過本次水文地質勘察過程中進行的示蹤試驗，可以看出，該試驗操作簡便、數據分析清晰，試驗方法理論基礎明確，能夠在較短的時間內確定地下水流速、流向及滲透系數等水文地質參數，為設計提供明確的目的性很強的參數，但是我們從試驗過程中也發現以下幾個問題：

⑴示蹤試驗容易受到地層中強滲透通道及剪切破碎帶的影響較大，這樣造成了弱透水巖土層測得的滲透系數偏小；

⑵使用地下水來模擬高放廢液存在一定的偏差，尤其在濃度較大的廢液的運動規律與地下水的運動規律存在差異；

⑶試驗過程中結合進行的放射性物質探測表明，示蹤劑的選擇應考慮放射性元素的影響，下階段將改進示蹤劑和液體介質的選擇，爭取最大程度地模擬高放廢液的運動規律。