铀矿退役治理工程的结构检测与评估

梁家玮,吴 冬,程文娟,詹乐音,张神洲,李旭明

(1.中国铀业有限公司,北京 100013;2.中核第四研究设计工程有限公司,河北 石家庄 050021;3.湖南省地质灾害调查监测所,湖南 长沙 410004)

在铀矿退役治理工程中,一般采用覆盖隔离技术对铀矿废石、尾矿(渣)等铀矿废渣堆进行覆盖治理,以抑制氡析出和屏蔽γ辐射剂量率;并配套修建相应的截排洪沟、拦渣坝、格构护坡等工程结构[1]182,确保铀矿废物的不流失和覆盖隔离工程的长期安全稳定,以保护生态环境和公众安全。

铀矿退役治理工程的覆盖材料一般为天然土壤[2]73,工程结构一般是采用水泥砂浆砌筑天然块石、片石而成。退役治理工程的覆土层压实度、工程结构体的现状强度及完好程度,是衡量铀矿退役治理工程长期安全稳定性的重要指标。常规的覆土压实度、结构体强度、隐蔽工程等的检查,需要取样送检或进行破拆,检测周期长、效率低。对铀矿退役治理工程,缺乏衡量其长期稳定性及相应处置措施的标准。为此,研究提出便于现场实施的检测方法和安全性评估标准非常必要。

1 检测对象与检测方法

1.1 检测对象概况

本次检测范围涉及“八五”至“十一五”期间湖南、广西、江西、湖北、河南5省(自治区)26县37个已退役治理完成的铀矿床(点),共有封堵坑口143个,覆盖治理废渣堆96个、覆土面积27.841 7 hm2,截排洪沟长8 447 m,拦渣坝长7 958 m(表1)。

表1 工程结构检测对象Table 1 Engineering structure detection objects

1.2 检测对象特点

1.2.1 坑口封堵墙结构

坑口宽1.5～3.0 m、高1.8～3.2 m,封堵墙选在坑口较好的围岩处,一般采用M10水泥砂浆砌筑无风化的块石,壁厚1.0 m,墙体四周嵌入围岩约0.2～0.3 m;少数采用厚1.0 m的C20混凝土墙封堵,坑口封堵后要求做到氡气不再外逸。“八五”至“十五”期间的坑口封堵墙多数未进行覆土掩埋,外露面一般采用M10水泥砂浆抹面;“十一五”之后的坑口封堵墙多数进行了覆土掩埋。

1.2.2 废渣堆的覆土土质

区域属南方红黏性土地区;但因这些矿床(点)多地处山石丘陵区,进行覆土治理时多取用山区黄棕色粉质壤土盖层。按《铀矿冶企业总图运输设计要求》(EJ/T 20075—2014),覆土层压实度应不低于85%[3]42。

1.2.3 废渣堆的截排洪沟

截排洪沟采用不低于M5水泥砂浆砌片石,并采用不低于M7.5水泥砂浆抹面,过水断面为0.16～2.5 m2的矩形或梯形。

1.2.4 废渣堆的拦渣坝

拦渣坝采用不低于M5水泥砂浆砌块石,压顶和浸水部分采用不低于M7.5水泥砂浆护面,坝高1～17.4 m,坝截面积为1.0～69.6 m2。

1.3 检测方法

检测方法分为表观及完整性观测、原位强度检测、隐蔽工程探测等3种。

1.3.1 表观及完整性观测

对坑口封堵墙,记录其完好性、开裂、局部打开、开敞等状况,测量开裂、打开等损坏的尺寸。对覆土层,记录其完好性、沉陷、拉裂缝等状况,测量受损部位的尺寸。对截排洪沟,记录其完好性、淤塞、沉降、断裂、倒塌等状况,测量受损截排洪沟的长度。对拦渣坝,记录其完好性、沉降、开裂、位移、基础外露等状况,测量受损部位的尺寸。

1.3.2 原位强度检测

采用HT20-V一体式砂浆语音数显回弹仪,依据《砌体工程现场检测技术标准》(GB/T 50315—2011)检测砂浆强度[4]44。所用仪器参数:量程2.0～15.0 MPa,率定值74±2,示值一致性±0.5,检定周期6 000次。

采用HT-225T一体式数显回弹仪,依据《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》(JGJ/T 23—2011)检测混凝土[5]8、块石强度。所用仪器参数:量程10～60 MPa,率定值80±2,示值一致性±1,检定周期6 000次。

当使用回弹仪进行强度检测时,应进行碳化深度[5]8修正。碳化深度的测量:将1～2 g酚酞溶于100 mL 95%乙醇中,搅匀,制备1%～2%酚酞试剂;在测区适当位置开直径15 mm、深10 mm的洞,滴入酚酞试剂,未碳化的部分显示为红色;然后采用HC-TH01碳化深度仪测量碳化深度,所用仪器参数:量程0～8 mm,精度0.25 mm/0.5 mm。

采用JWTM-1K填土密实度检测仪,依据《岩土工程勘察规范(2009年版)》(GB 50021—2001)检测覆土层压实度[6]107,所用仪器参数:探测深度0～1 500 mm,精度±0.5%,检定周期1年。

采用RECM-03型氡析出率仪,依据《辐射环境监测技术规范》(HJT 61—2001)[7]8和《民用建筑工程室内环境污染控制规范》(GB 50325—2010,2013年版)附录E[8]32测定覆土治理效果,所用仪器检出限为0.002 Bq/(m2·s)。

1.3.3 隐蔽工程探测

采用LTD-2100型探地雷达对掩埋坑口、拦渣坝坝体内部完整性及砌筑饱满程度等进行探测,探测作业[9]4及雷达影像解译[9]8,15执行《地质雷达探测测绘技术规程》(DB22/T 2574—2016)。LTD-2100型探地雷达主机,配270 MHz中高频屏蔽天线可探测浅层目标,探测深度为0.1～8.0 m,厚度/深度检测误差<15%;配100 MHz低频天线可探测深层目标,探测深度为0.15～15 m,厚度/深度检测误差<20%。图1为掩埋坑道、拦渣坝坝体内部的地质雷达探测影像结果示例。

(a)掩埋坑道雷达影像;(b)拦渣坝雷达影像。图1 隐蔽工程地质雷达探测Fig. 1 Detection of geological radar for covert engineering

2 检测结果

野外现场检测工作自2018年11月开始,至2019年10月结束。按坑口封堵墙结构、截排洪沟、拦渣坝、覆土层等工程实体类型,简述此次检测结果。

2.1 坑口封堵结构

2.1.1 表观及完整性观测结果

143个坑口封堵结构的表观及完整性观测结果见表2。可以看出,共有28个坑口封堵结构受到损坏,受损率总计为19.58%。其中,采用封堵、未覆土掩埋方案治理的43个坑口,有20个受到损坏;采用封堵、覆土掩埋方案治理的100个坑口,有8个受到损坏。根据调查,受损原因主要是在当时的经济条件下,由附近居民挖取钢筋、打开坑口养殖、取水灌溉等活动所致。其余坑口封堵结构无沉陷、裂缝、位移、基础外露等情况,结合雷达影像分析其结构是完整的。

表2 坑口封堵结构的表观及完整性观测结果Table 2 Apparent and integrity observations of closed structures at tunnel entrances

2.1.2 结构强度检测结果

对23个完好封堵墙进行了结构强度检测,碳化深度范围为2.5～5.0 mm,平均为3.9 mm;勾缝砂浆强度范围为6.0～11.0 MPa,平均为8.4 MPa;块石强度范围为22.9～26.6 MPa,平均为24.6 MPa,混凝土墙体强度范围为16.4～34.7 MPa,平均为24.1 MPa。

对比前述结构强度的要求,勾缝砂浆和块石强度现状检测结果基本符合原设计要求,混凝土墙体强度现状检测结果略低于原设计要求。分析认为这是由于坑口狭窄,混凝土振捣不够密实所致。

2.2 截排洪沟

2.2.1 表观及完整性观测结果

截排洪沟总长8 447 m,其中:受损截排洪沟长417 m(暴雨洪水冲刷致受损6 m,当地生产建设等人为原因致受损411 m),受损率为4.94%;工程结构完好的截排洪沟长8 030 m,完好率为95.06%,无淤塞、沉降、断裂、倒塌等情况,沟内都有一定程度的枯枝落叶沉积,排水功能有效。

2.2.2 结构强度检测结果

对8 030 m工程结构完好的截排洪沟进行了结构强度检测,碳化深度范围为2.5～6.0 mm,平均为4.1 mm;勾缝砂浆强度范围为6.0～12.3 MPa,平均为9.2 MPa;块石强度范围为30.1～49.6 MPa,平均为39.3 MPa,抹面砂浆强度范围为6.2～12.7 MPa,平均为9.4 MPa。

对比前述结构强度的要求,勾缝砂浆、块石强度、抹面砂浆的现状强度检测结果基本符合原设计要求。

2.3 拦渣坝

2.3.1 表观及完整性观测结果

拦渣坝共长7 958 m,其中受损411 m,受损率总计为5.16%;其余7 547 m拦渣坝工程结构完好,完好率为94.84%,无沉陷、裂缝、位移、基础外露等情况,雷达图像也显示其结构完整、砌石紧密。根据调查,在411 m受损的拦渣坝中,暴雨洪水冲刷、外界山坡滑塌导致110 m拦渣坝受损,占比26.76%;当地生产建设、村民挖掘块石等人为原因导致301 m拦渣坝受损,占比73.24%。

2.3.2 结构强度检测结果

对7 547 m结构完好的拦渣坝进行了结构强度检测,碳化深度范围为2.5～7.5 mm,平均为4.2 mm;勾缝砂浆强度范围为6.0～14.20 MPa,平均为9.6 MPa;块石强度范围为17.4～47.6 MPa,平均为33.1 MPa。

对比前述拦渣坝结构强度的要求,勾缝砂浆、块石的现状强度检测结果符合原设计要求。

2.4 覆土层

2.4.1 表观及完整性观测结果

废渣堆覆土工程共计27.841 7 hm2,其中受损面积1.130 4 hm2,受损率总计为4.06%;覆土工程完好率为95.94%,未受到人为或自然原因损坏,植被恢复较好。根据调查,在1.130 4 hm2受损区域内,暴雨洪水冲刷、外界山坡滑塌导致0.473 5 hm2覆土层受损,占比41.88%,表现为植被稀疏、倒伏、覆土流失;当地采石、修路等人为原因导致0.140 9 hm2覆土层受损,占比12.46%,表现为土层裸露或厚度减薄;被当地采掘其他矿种排弃物压覆导致0.516 0 hm2覆土层受损,占比45.64%。

2.4.2 氡析出率监测结果

受损的覆土层表面氡析出率范围为0.20～0.57 Bq/(m2·s)、平均为0.40 Bq/(m2·s),表面氡析出率不高的原因是损坏类型以压覆为主;完好的覆土层表面氡析出率范围为0.09～0.63 Bq/(m2·s),平均为0.37 Bq/(m2·s)。废渣堆覆土层表面氡析出率均未超过0.74 Bq/(m2·s)的管理限值。

2.4.3 压实度检测结果

完好的覆土工程压实度范围为79%～92%、平均为(88±1.80)%(折合干容重约1.42 t/m3±0.03 t/m3),满足不低于85%的覆土质量要求。

3 退役治理工程设施稳定性评估

3.1 评估准则

此次对铀矿退役治理工程设施稳定性的评估,主要包括对坑(井)口完好程度、防洪安全性、拦渣坝安全性、覆盖层完好性等的判定,目前尚无相应的国家或行业的分级、分类标准。根据此次野外现场观察、检测情况和对受损部位的影响分析,这类工程的受损与其影响后果的关系,属于非标准不等级递变型[10]32。

参考地质灾害防治工程的受灾体损毁影响、等级划分及价值损失率[10]115相关研究,提出评估准则与处置措施,见表3。工程结构受损比率定义为受损长度或面积除以该工程结构的总长度或总面积,按工程结构受损比率划分为完好～基本完好、轻微损坏、中等损坏、严重损坏～全部损坏4个等级,相应的处置措施为日常维护、一般性整修、部分翻修或大修、尽快修复或重建。

表3 退役治理工程设施稳定性的评估准则Table 3 Criteria for stability evaluating of decommissioning treatment engineering facilities

3.2 评估结果

根据此次检测结果和以上评估准则,对表1中的37个矿床(点)退役治理工程设施稳定性进行了评估(表4～表5)。

表4 工程设施稳定性评估结果Table 4 Stability evaluation results of the decommissioning treatment engineering facilities

表5 工程设施稳定性评估结果的统计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”期间坑口封堵墙受损比较严重,评估为Ⅲ级、Ⅳ级损坏程度的矿点占比为40.54%,主要原因是封堵后未覆土掩埋。废渣堆治理工程设施评估为Ⅲ级、Ⅳ级损坏程度的矿点占比为13.51%,需要及时修复1号、3号、14号、30号、34号等5个矿点有关工程设施;评估为Ⅰ级的占比为86.49%,大多数治理工程设施状态完好。

4 结论与建议

采用现场观测、原位强度检测、隐蔽工程探测等方法,对“八五”至“十一五”期间竣工的退役治理工程设施安全稳定性开展了系统检测与评估,并对受损情况及原因进行了调查,得到以下结论及建议。

4.1 结论

1)在铀矿退役治理工程中,首次采用结构强度回弹法、贯入阻力法、地质雷达探测法对退役治理工程设施进行了全方位检测,做到了无损检测、原位检测,减少了土工试验工作量,具有轻便、灵活、快速的特点,为铀矿退役治理工程设施安全稳定性评估提供了科学有效的数据支撑。

2)此次检测的37个矿床(点)退役治理工程设施,工程结构现状强度检测结果基本符合甚至部分指标优于原设计要求,工程质量较好,经受住了20～30年自然应力的考验,治理方案和工程措施有效,安全稳定性有保障。人为因素造成的损害是主要受损原因,开展持续和积极的长期监护是必要的。

3)对铀矿退役治理工程,其设计使用年限一般为50年。达到设计使用年限时,通过工程强度检测等手段确定其能否继续使用或进行加固处理。在设计使用年限内,这类工程的病害一般都伴随着损坏现象,在病害发展到一定程度时才会对其进行加固处理。本研究提出的工程检测方法和评估准则,可为退役治理工程设施的检测和维护工作提供参考。

4.2 建议

1)对铀矿退役治理工程实施提出的改进建议:对早期封堵后未覆土掩埋的坑口,重新进行覆土掩埋;改进坑口等狭小空间混凝土封堵墙体的施工工艺和质量;根据废渣堆治理工程周边的交通、环境等情况,优化设置警示标志,增强附近群众保护退役治理工程设施的意识;进一步做好滨河拦渣坝浸水部分的防冲刷设计,采用抗冲刷能力强、整体性好的混凝土结构或毛石混凝土结构;对截排洪沟进行清淤,适当提高过水断面的安全超高,避免或减少沿线植被对沟渠排洪安全的影响;注意废渣堆治理工程外围山坡的灾害防治。

2)铀矿退役治理工程设施因各种原因的受损率约为5%,建议可按工程费用的5%计提维修基金,以便及时对受损部位进行维修加固,确保工程长期安全稳定。

3)铀矿退役治理工程的监护不仅是控制任何可能破坏铀矿废渣隔离的活动,也是检测和补救由于自然应力引起的设计、施工、管理等方面缺陷的手段。应定期开展检查设施防护基准等活动,为铀矿退役治理工程长期抵抗自然应力提供更有效的保证。