鈾礦退役治理工程的結構檢測與評估

梁家瑋,吳 冬,程文娟,詹樂音,張神洲,李旭明

(1.中國鈾業有限公司,北京 100013;2.中核第四研究設計工程有限公司,河北 石家莊 050021;3.湖南省地質災害調查監測所,湖南 長沙 410004)

在鈾礦退役治理工程中,一般采用覆蓋隔離技術對鈾礦廢石、尾礦(渣)等鈾礦廢渣堆進行覆蓋治理,以抑制氡析出和屏蔽γ輻射劑量率;并配套修建相應的截排洪溝、攔渣壩、格構護坡等工程結構[1]182,確保鈾礦廢物的不流失和覆蓋隔離工程的長期安全穩定,以保護生態環境和公眾安全。

鈾礦退役治理工程的覆蓋材料一般為天然土壤[2]73,工程結構一般是采用水泥砂漿砌筑天然塊石、片石而成。退役治理工程的覆土層壓實度、工程結構體的現狀強度及完好程度,是衡量鈾礦退役治理工程長期安全穩定性的重要指標。常規的覆土壓實度、結構體強度、隱蔽工程等的檢查,需要取樣送檢或進行破拆,檢測周期長、效率低。對鈾礦退役治理工程,缺乏衡量其長期穩定性及相應處置措施的標準。為此,研究提出便于現場實施的檢測方法和安全性評估標準非常必要。

1 檢測對象與檢測方法

1.1 檢測對象概況

本次檢測范圍涉及“八五”至“十一五”期間湖南、廣西、江西、湖北、河南5省(自治區)26縣37個已退役治理完成的鈾礦床(點),共有封堵坑口143個,覆蓋治理廢渣堆96個、覆土面積27.841 7 hm2,截排洪溝長8 447 m,攔渣壩長7 958 m(表1)。

表1 工程結構檢測對象Table 1 Engineering structure detection objects

1.2 檢測對象特點

1.2.1 坑口封堵墻結構

坑口寬1.5～3.0 m、高1.8～3.2 m,封堵墻選在坑口較好的圍巖處,一般采用M10水泥砂漿砌筑無風化的塊石,壁厚1.0 m,墻體四周嵌入圍巖約0.2～0.3 m;少數采用厚1.0 m的C20混凝土墻封堵,坑口封堵后要求做到氡氣不再外逸?！鞍宋濉敝痢笆濉逼陂g的坑口封堵墻多數未進行覆土掩埋,外露面一般采用M10水泥砂漿抹面;“十一五”之后的坑口封堵墻多數進行了覆土掩埋。

1.2.2 廢渣堆的覆土土質

區域屬南方紅黏性土地區;但因這些礦床(點)多地處山石丘陵區,進行覆土治理時多取用山區黃棕色粉質壤土蓋層。按《鈾礦冶企業總圖運輸設計要求》(EJ/T 20075—2014),覆土層壓實度應不低于85%[3]42。

1.2.3 廢渣堆的截排洪溝

截排洪溝采用不低于M5水泥砂漿砌片石,并采用不低于M7.5水泥砂漿抹面,過水斷面為0.16～2.5 m2的矩形或梯形。

1.2.4 廢渣堆的攔渣壩

攔渣壩采用不低于M5水泥砂漿砌塊石,壓頂和浸水部分采用不低于M7.5水泥砂漿護面,壩高1～17.4 m,壩截面積為1.0～69.6 m2。

1.3 檢測方法

檢測方法分為表觀及完整性觀測、原位強度檢測、隱蔽工程探測等3種。

1.3.1 表觀及完整性觀測

對坑口封堵墻,記錄其完好性、開裂、局部打開、開敞等狀況,測量開裂、打開等損壞的尺寸。對覆土層,記錄其完好性、沉陷、拉裂縫等狀況,測量受損部位的尺寸。對截排洪溝,記錄其完好性、淤塞、沉降、斷裂、倒塌等狀況,測量受損截排洪溝的長度。對攔渣壩,記錄其完好性、沉降、開裂、位移、基礎外露等狀況,測量受損部位的尺寸。

1.3.2 原位強度檢測

采用HT20-V一體式砂漿語音數顯回彈儀,依據《砌體工程現場檢測技術標準》(GB/T 50315—2011)檢測砂漿強度[4]44。所用儀器參數:量程2.0～15.0 MPa,率定值74±2,示值一致性±0.5,檢定周期6 000次。

采用HT-225T一體式數顯回彈儀,依據《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》(JGJ/T 23—2011)檢測混凝土[5]8、塊石強度。所用儀器參數:量程10～60 MPa,率定值80±2,示值一致性±1,檢定周期6 000次。

當使用回彈儀進行強度檢測時,應進行碳化深度[5]8修正。碳化深度的測量:將1～2 g酚酞溶于100 mL 95%乙醇中,攪勻,制備1%～2%酚酞試劑;在測區適當位置開直徑15 mm、深10 mm的洞,滴入酚酞試劑,未碳化的部分顯示為紅色;然后采用HC-TH01碳化深度儀測量碳化深度,所用儀器參數:量程0～8 mm,精度0.25 mm/0.5 mm。

采用JWTM-1K填土密實度檢測儀,依據《巖土工程勘察規范(2009年版)》(GB 50021—2001)檢測覆土層壓實度[6]107,所用儀器參數:探測深度0～1 500 mm,精度±0.5%,檢定周期1年。

采用RECM-03型氡析出率儀,依據《輻射環境監測技術規范》(HJT 61—2001)[7]8和《民用建筑工程室內環境污染控制規范》(GB 50325—2010,2013年版)附錄E[8]32測定覆土治理效果,所用儀器檢出限為0.002 Bq/(m2·s)。

1.3.3 隱蔽工程探測

采用LTD-2100型探地雷達對掩埋坑口、攔渣壩壩體內部完整性及砌筑飽滿程度等進行探測,探測作業[9]4及雷達影像解譯[9]8,15執行《地質雷達探測測繪技術規程》(DB22/T 2574—2016)。LTD-2100型探地雷達主機,配270 MHz中高頻屏蔽天線可探測淺層目標,探測深度為0.1～8.0 m,厚度/深度檢測誤差<15%;配100 MHz低頻天線可探測深層目標,探測深度為0.15～15 m,厚度/深度檢測誤差<20%。圖1為掩埋坑道、攔渣壩壩體內部的地質雷達探測影像結果示例。

(a)掩埋坑道雷達影像;(b)攔渣壩雷達影像。圖1 隱蔽工程地質雷達探測Fig. 1 Detection of geological radar for covert engineering

2 檢測結果

野外現場檢測工作自2018年11月開始,至2019年10月結束。按坑口封堵墻結構、截排洪溝、攔渣壩、覆土層等工程實體類型,簡述此次檢測結果。

2.1 坑口封堵結構

2.1.1 表觀及完整性觀測結果

143個坑口封堵結構的表觀及完整性觀測結果見表2?？梢钥闯?共有28個坑口封堵結構受到損壞,受損率總計為19.58%。其中,采用封堵、未覆土掩埋方案治理的43個坑口,有20個受到損壞;采用封堵、覆土掩埋方案治理的100個坑口,有8個受到損壞。根據調查,受損原因主要是在當時的經濟條件下,由附近居民挖取鋼筋、打開坑口養殖、取水灌溉等活動所致。其余坑口封堵結構無沉陷、裂縫、位移、基礎外露等情況,結合雷達影像分析其結構是完整的。

表2 坑口封堵結構的表觀及完整性觀測結果Table 2 Apparent and integrity observations of closed structures at tunnel entrances

2.1.2 結構強度檢測結果

對23個完好封堵墻進行了結構強度檢測,碳化深度范圍為2.5～5.0 mm,平均為3.9 mm;勾縫砂漿強度范圍為6.0～11.0 MPa,平均為8.4 MPa;塊石強度范圍為22.9～26.6 MPa,平均為24.6 MPa,混凝土墻體強度范圍為16.4～34.7 MPa,平均為24.1 MPa。

對比前述結構強度的要求,勾縫砂漿和塊石強度現狀檢測結果基本符合原設計要求,混凝土墻體強度現狀檢測結果略低于原設計要求。分析認為這是由于坑口狹窄,混凝土振搗不夠密實所致。

2.2 截排洪溝

2.2.1 表觀及完整性觀測結果

截排洪溝總長8 447 m,其中:受損截排洪溝長417 m(暴雨洪水沖刷致受損6 m,當地生產建設等人為原因致受損411 m),受損率為4.94%;工程結構完好的截排洪溝長8 030 m,完好率為95.06%,無淤塞、沉降、斷裂、倒塌等情況,溝內都有一定程度的枯枝落葉沉積,排水功能有效。

2.2.2 結構強度檢測結果

對8 030 m工程結構完好的截排洪溝進行了結構強度檢測,碳化深度范圍為2.5～6.0 mm,平均為4.1 mm;勾縫砂漿強度范圍為6.0～12.3 MPa,平均為9.2 MPa;塊石強度范圍為30.1～49.6 MPa,平均為39.3 MPa,抹面砂漿強度范圍為6.2～12.7 MPa,平均為9.4 MPa。

對比前述結構強度的要求,勾縫砂漿、塊石強度、抹面砂漿的現狀強度檢測結果基本符合原設計要求。

2.3 攔渣壩

2.3.1 表觀及完整性觀測結果

攔渣壩共長7 958 m,其中受損411 m,受損率總計為5.16%;其余7 547 m攔渣壩工程結構完好,完好率為94.84%,無沉陷、裂縫、位移、基礎外露等情況,雷達圖像也顯示其結構完整、砌石緊密。根據調查,在411 m受損的攔渣壩中,暴雨洪水沖刷、外界山坡滑塌導致110 m攔渣壩受損,占比26.76%;當地生產建設、村民挖掘塊石等人為原因導致301 m攔渣壩受損,占比73.24%。

2.3.2 結構強度檢測結果

對7 547 m結構完好的攔渣壩進行了結構強度檢測,碳化深度范圍為2.5～7.5 mm,平均為4.2 mm;勾縫砂漿強度范圍為6.0～14.20 MPa,平均為9.6 MPa;塊石強度范圍為17.4～47.6 MPa,平均為33.1 MPa。

對比前述攔渣壩結構強度的要求,勾縫砂漿、塊石的現狀強度檢測結果符合原設計要求。

2.4 覆土層

2.4.1 表觀及完整性觀測結果

廢渣堆覆土工程共計27.841 7 hm2,其中受損面積1.130 4 hm2,受損率總計為4.06%;覆土工程完好率為95.94%,未受到人為或自然原因損壞,植被恢復較好。根據調查,在1.130 4 hm2受損區域內,暴雨洪水沖刷、外界山坡滑塌導致0.473 5 hm2覆土層受損,占比41.88%,表現為植被稀疏、倒伏、覆土流失;當地采石、修路等人為原因導致0.140 9 hm2覆土層受損,占比12.46%,表現為土層裸露或厚度減薄;被當地采掘其他礦種排棄物壓覆導致0.516 0 hm2覆土層受損,占比45.64%。

2.4.2 氡析出率監測結果

受損的覆土層表面氡析出率范圍為0.20～0.57 Bq/(m2·s)、平均為0.40 Bq/(m2·s),表面氡析出率不高的原因是損壞類型以壓覆為主;完好的覆土層表面氡析出率范圍為0.09～0.63 Bq/(m2·s),平均為0.37 Bq/(m2·s)。廢渣堆覆土層表面氡析出率均未超過0.74 Bq/(m2·s)的管理限值。

2.4.3 壓實度檢測結果

完好的覆土工程壓實度范圍為79%～92%、平均為(88±1.80)%(折合干容重約1.42 t/m3±0.03 t/m3),滿足不低于85%的覆土質量要求。

3 退役治理工程設施穩定性評估

3.1 評估準則

此次對鈾礦退役治理工程設施穩定性的評估,主要包括對坑(井)口完好程度、防洪安全性、攔渣壩安全性、覆蓋層完好性等的判定,目前尚無相應的國家或行業的分級、分類標準。根據此次野外現場觀察、檢測情況和對受損部位的影響分析,這類工程的受損與其影響后果的關系,屬于非標準不等級遞變型[10]32。

參考地質災害防治工程的受災體損毀影響、等級劃分及價值損失率[10]115相關研究,提出評估準則與處置措施,見表3。工程結構受損比率定義為受損長度或面積除以該工程結構的總長度或總面積,按工程結構受損比率劃分為完好～基本完好、輕微損壞、中等損壞、嚴重損壞～全部損壞4個等級,相應的處置措施為日常維護、一般性整修、部分翻修或大修、盡快修復或重建。

表3 退役治理工程設施穩定性的評估準則Table 3 Criteria for stability evaluating of decommissioning treatment engineering facilities

3.2 評估結果

根據此次檢測結果和以上評估準則,對表1中的37個礦床(點)退役治理工程設施穩定性進行了評估(表4～表5)。

表4 工程設施穩定性評估結果Table 4 Stability evaluation results of the decommissioning treatment engineering facilities

表5 工程設施穩定性評估結果的統計Table 5 Statistics on stability evaluation results of the decommissioning treatment engineering facilities

由表4～表5可知,“八五”至“十一五”期間坑口封堵墻受損比較嚴重,評估為Ⅲ級、Ⅳ級損壞程度的礦點占比為40.54%,主要原因是封堵后未覆土掩埋。廢渣堆治理工程設施評估為Ⅲ級、Ⅳ級損壞程度的礦點占比為13.51%,需要及時修復1號、3號、14號、30號、34號等5個礦點有關工程設施;評估為Ⅰ級的占比為86.49%,大多數治理工程設施狀態完好。

4 結論與建議

采用現場觀測、原位強度檢測、隱蔽工程探測等方法,對“八五”至“十一五”期間竣工的退役治理工程設施安全穩定性開展了系統檢測與評估,并對受損情況及原因進行了調查,得到以下結論及建議。

4.1 結論

1)在鈾礦退役治理工程中,首次采用結構強度回彈法、貫入阻力法、地質雷達探測法對退役治理工程設施進行了全方位檢測,做到了無損檢測、原位檢測,減少了土工試驗工作量,具有輕便、靈活、快速的特點,為鈾礦退役治理工程設施安全穩定性評估提供了科學有效的數據支撐。

2)此次檢測的37個礦床(點)退役治理工程設施,工程結構現狀強度檢測結果基本符合甚至部分指標優于原設計要求,工程質量較好,經受住了20～30年自然應力的考驗,治理方案和工程措施有效,安全穩定性有保障。人為因素造成的損害是主要受損原因,開展持續和積極的長期監護是必要的。

3)對鈾礦退役治理工程,其設計使用年限一般為50年。達到設計使用年限時,通過工程強度檢測等手段確定其能否繼續使用或進行加固處理。在設計使用年限內,這類工程的病害一般都伴隨著損壞現象,在病害發展到一定程度時才會對其進行加固處理。本研究提出的工程檢測方法和評估準則,可為退役治理工程設施的檢測和維護工作提供參考。

4.2 建議

1)對鈾礦退役治理工程實施提出的改進建議:對早期封堵后未覆土掩埋的坑口,重新進行覆土掩埋;改進坑口等狹小空間混凝土封堵墻體的施工工藝和質量;根據廢渣堆治理工程周邊的交通、環境等情況,優化設置警示標志,增強附近群眾保護退役治理工程設施的意識;進一步做好濱河攔渣壩浸水部分的防沖刷設計,采用抗沖刷能力強、整體性好的混凝土結構或毛石混凝土結構;對截排洪溝進行清淤,適當提高過水斷面的安全超高,避免或減少沿線植被對溝渠排洪安全的影響;注意廢渣堆治理工程外圍山坡的災害防治。

2)鈾礦退役治理工程設施因各種原因的受損率約為5%,建議可按工程費用的5%計提維修基金,以便及時對受損部位進行維修加固,確保工程長期安全穩定。

3)鈾礦退役治理工程的監護不僅是控制任何可能破壞鈾礦廢渣隔離的活動,也是檢測和補救由于自然應力引起的設計、施工、管理等方面缺陷的手段。應定期開展檢查設施防護基準等活動,為鈾礦退役治理工程長期抵抗自然應力提供更有效的保證。