某退役铀尾矿库滩面覆盖层稳固性分析

李玉雷，张 娟

（1．中核第四研究设计工程有限公司，河北 石家庄050021；2．河北省水利水电第二勘测设计研究院，河北 石家庄050000）

新疆某铀矿采冶联合企业始建于1959年，1979年停产关闭，尾矿库是铀矿冶水冶生产的重要配套设施，滩面面积约2．75万m2。铀尾矿库经最终处置后，其表面氡（222Rn）析出率不应超过0．74Bq／m2／·s［1］。该尾矿库滩面退役治理覆盖前222Rn析出率均值为7．10Bq／m2／·s超出规定管理限值。为降低铀尾矿库内贮存的放射性尾矿的辐射危害，有效的抑制和屏蔽各类有害因素，铀尾矿库退役治理时，需要对其滩面进行覆盖治理，为保证滩面覆盖层的长期有效性，覆盖层应有防止风蚀、雨蚀等的安全措施。

1 工程概况

该尾矿库位于准噶尔盆地西侧、塔额盆地南缘，以低山丘陵、山间谷地、山前冲洪积扇及山涧河流地形为主，地形起伏较大、交错分布，微地貌形态发育。

库区属大陆型中温带气候。常年平均气温3．4℃，历年极端最低气温为－33．4℃，历年极端最高气温34．6℃。年平均降水量为278mm，年平均蒸发量1982mm。区内主导风向为WNW风和WSW风，年平均风速3．1m／s，最大风速34m／s，年大风天数为74d，年霜冻日数平均为131d。

2 滩面覆盖层设计

为了达到铀尾矿库覆盖治理的目的，可以选用各种有效的材料。国外对黏土、沥青乳胶、混凝土以及混合材料的研究表明，这些材料都有较好的降氡效果［2］。

考虑辐射防护最优化原则，通过类比本项目所在地与其它铀矿山的气象、降水、土壤等资料，根据覆盖试验及就地取材的原则，该铀尾矿库覆盖材料选用当地来黏土。根据试验结果，覆土厚度与抑制222Rn析出率的关系式为式（1）。

式中：X为需要覆盖的夯实黏土的厚度，cm；Ji为覆盖前的222Rn析出率均值，为7．10Bq／m2／·s；J0为222Rn析出率的管理限值，取0．74Bq／m2／·s。

经计算，确定尾渣库滩面的黏土覆盖厚度为125．5cm，考虑留有适当裕度，设计取覆盖层厚度为135cm。

尾矿库滩面退役治理方案为：滩面回填清挖的污染物及铀尾矿渣并整平压实后，在其上铺设1．35m后的压实黏土，黏土覆盖层施工时分层碾压夯实，压实系数不小于0．95。覆盖层顶面铺设10cm厚的细卵石（粒径1～5cm）做为过渡层，然后再铺设40cm厚的碎石（粒径5～15cm）作为防侵蚀保护层。如图1所示。

图1 尾矿库滩面覆盖示意图

3 覆盖层的稳固性分析

铀尾矿库退役治理工程实施后，覆盖层经过长年累月的侵蚀会否减薄，从而影响其屏蔽222Rn的效果，是人们较为担心的问题。根据该尾矿库及周围环境情况，引起覆盖层侵蚀的种类按外营力性质可分为水力侵蚀、风力侵蚀、重力侵蚀、冻融侵蚀和生物侵蚀等类型。

3．1 重力侵蚀

重力侵蚀是指岩土体在重力作用下失去平衡而产生的位移和堆积的侵蚀过程。重力侵蚀受多种因素的影响，主要包括斜坡形态，大气降水和其它自然因素等。

该尾矿库区域构造稳定，库区周围不存在滑坡、泥石流等不良地质现象，尾矿库滩面坡度约为1%，坡度平缓，且覆盖层经碾压夯实，黏土层压实度约为0．95，尾矿库设置有完善的防排洪设施，库内不会长期积水，滩面碎石保护层可防止滩面冲刷，因此不会出现重力侵蚀破坏。

3．2 冻融侵蚀

冻融侵蚀是指在高寒地区由于寒冻和热融作用交替进行，使地表土体和松散物质蠕动、滑塌和泥流等现象。

由于尾矿库退役治理后设置了完善的防排洪设施，库内不再贮水，尾矿库滩面长期处于干涸状态，覆盖土层处于低含水量状态，同时由于滩面覆盖土层经过碾压夯实，其渗透系数较小，约为10－4cm／s，库区年蒸发量远大于年降雨量，无其它水源补给，因此覆盖层不会产生冻融侵蚀破坏。

3．3 水力侵蚀

水力侵蚀是指在降雨、地表径流、地下径流作用下，土壤、土体或其他地面组成物质被破坏、搬运和沉积的过程。该尾矿库在退役治理后滩面长期处于干涸状态，雨季洪水径流通过溢洪道直接排出库外，因其汇流时间较短，降雨只渗入覆盖层下几厘米，从而不能形成稳定的渗流场。因此水力侵蚀对覆盖层产生的影响只可能在降雨地表径流作用时产生。

3．3．1 不冲流速

与水流接触的天然地面或人工渠道，在一定的地质条件下，应限制水流速度不能超过某一限值，以使泥土不致被冲走（即产生冲刷），该水流流速即为不冲流速VP。

在水流作用下，碎石保持稳定的不冲流速按式（2）计算［3］。

式中：Vp为不冲流速，m／s；C为石块运动的稳定系数，取0．9；g为重力加速度，9．81m／s2；γg为石块的重度，取2．65kN／m3；γ为水的重度，取1．0kN／m3；d为碎石的折算直径，本工程为安全计取0．05m。

经计算滩面碎石的不冲流速约为1．15m／s。

3．3．2 实际集流流速（V实）的估算

尾矿库退役治理后滩面覆盖层设计控制坡度约为1%，降雨过程中，雨水径流沿碎石覆盖层表面流动，汇聚至溢洪道排至库外。由于覆盖层表面集流为不均匀流，水流非常浅，又无规则的几何断面，因此将地表径流设想为一个相当宽，非常浅的水流断面。按明渠均匀流的基本公式（式（3））近似估算覆盖层表面可能产生的径流流速［4］。

式中：V为水流速度，m／s；R为水力半径；n为糙率，取0．035；i为底坡，取0．01。

根据水文计算结果，当该铀尾矿库遭遇千年一遇暴雨时，滩面最大径流深约为0．05m，假定水面宽30m，则有式（4）。

式中：R为水力半径；b为水面宽度，取30m；h为水深，取0．05m。由式（3）计算得至径流流速为：V实＝0．387m／s。

上述计算结果表明，该尾矿库滩面用压实黏土及碎石覆盖后，地表破度较缓，糙率较大，降雨表面的集流速度V实＜VP，不会产生冲刷破坏，因此，尾矿库滩面在校核频率暴雨洪水情况下，其抗水力侵蚀稳定性是有保障的。

3．4 风力侵蚀

风力侵蚀是指在气流冲击作用下，土粒、砂粒或岩石碎屑脱离地表，被搬运和堆积的过程。风蚀的强度受风力强弱、地表状况、粒径和相对密度大小等综合因素的影响。

该铀尾矿库在地区气候干燥少雨，区内年平均风速3．1m／s，最大风速30m／s，在覆盖黏土裸露的情况下，将会因风蚀而造成覆盖黏土的减薄，且易造成库内尘土飞扬。常用的风蚀防治措施包括利用工程材料固定、保护地表，如采用植物防护、设置沙障、采用粗颗粒材料压盖等措施防止和减免风蚀。

该尾矿库滩面铺设的砂卵石及碎石层，可有效增大地表粗糙度，降低风速，同时阻止气流对覆盖黏土的直接作用，防止气流对覆盖黏土的吹蚀和磨蚀，达到了固定覆盖黏土层的作用。因此尾矿滩面黏土覆盖层不会发生因风蚀而逐渐减薄的现象。

3．5 生物侵蚀

生物侵蚀指动植物在生命过程中引起的土颗粒迁移的一系列现象。同时人类不合理的利用自然资源和经济开发也会造成土壤的侵蚀。

由于库区气候条件恶劣，降雨稀少，植被生长困难，且黏土层滩面覆盖了50cm厚的砂卵石及碎石，起到了生物阻隔的作用，因此不会发生植物根系伸入覆盖土层内从而影响覆盖层的屏蔽效果。

由于在铀矿水冶工艺的过程中，加入了一些化学制剂，使尾矿渣产生一种特殊的味道。根据过去多个尾渣库几十年运行经验，铀尾矿渣库内不会形成鼠洞等影响覆盖层稳定的因素。

铀尾矿库退役治理覆盖后，滩面无土壤裸露，不适宜种植作物、放牧等，且长期监护，能有效减少危害覆盖层安全的人为活动，并可及时对对受损的区域进行修复。因此尾矿库滩面覆盖层在抵御生物侵蚀方面可以得到有限保障。

4 结论

1）该尾矿滩面平缓，库区工程地质条件较好，气候干燥少雨，且覆盖黏土渗透较低，因些覆盖层不会发生重力及冻融侵蚀。

2）铀尾矿库退役治理后，库内滩面全部用黏土材料及碎石覆盖，水力分析表明，覆盖层防冲流速大于遭遇千年一遇暴雨时滩面径流集流速度，且该区域干燥少雨，滩面长期干涸状态，覆盖层不会因水流冲刷而发生侵蚀。

3）尾矿库滩面铺设的砂卵石及碎石层，达到了固定覆盖黏土层的作用，可防止气流对覆盖黏土的吹蚀和磨蚀。保证黏土覆盖层不会发生因风蚀而逐渐减薄。

4）铀尾矿库退役治理后，将有专人长期监护，覆盖层有较好的抵抗自然灾害的能力，在无特殊事件发生的情况下，可以长期保持工程的稳固性。

该尾矿库退役治理工作于2007年底竣工，根据退役治理后监测结果，其表面222Rn析出率均值降至0．15Bq／m2／·s，满足相关规定限值要求，其覆盖层稳定性有效，未发生侵蚀破坏，达到了的抑制和屏蔽222Rn的目的。

［1］ GB14586－1993铀矿冶设施退役环境管理技术规定［S］．北京：中国标准出版社，1993．

［2］ 潘英杰．浅谈国外铀尾矿库的退役治理［J］．铀矿冶，1998，17（2）：102－110．

［3］ GB50286－2013堤防工程设计规范［S］．北京：中国计划出版社，2013．

［4］ 李炜．水力计算手册 ［M］．第二版．北京：中国水利水电出版社，2006：34．