某水利工程隧洞环境放射性评价研究

贾 峰

(辽宁省营口水文局，辽宁 营口 115003)

对地下工程，特别是可能穿越地质岩层结构的大长隧道开展环境放射性检测、评价是提高施工效率、确保工程质量的关键性工作，并对水利工程隧洞开挖和工程整体效益状况具有重大意义[1]。基于某总干渠工程方案正处于可行性研究和方案决策对比阶段，且不同方案的渠线路径均包含对数十公里的输水水利工程隧洞进行开挖，故对拟开挖水利工程隧洞的放射性环境进行测量评价研究是影响总干渠工程方案决策和可行性研究的重要因素之一[2]。水利工程隧洞可能穿越的条状态带地质区域的岩土放射性核素含量以及地表放射性辐射水平是本问进行调查测量和评价的两方面主要内容。放射性核素含量水平主要包括铀、镭、钍、钾等元素的含量，且各类放射性元素在空间上的分布特征即构成了该地质区域的放射性环境研究的主要内容。通过对岩土样品进行放射性强度监测和分析可对放射核素的含量水平进行表征或评价，对地下水利工程隧洞环境中的放射性进行评价的主要参数指标包括γ辐射水平和氡辐射水平，且核素含量水平以及其他多种环境因素可对γ辐射水平和氡辐射水平产生较为明显的影响和控制作用[3]。综上所述，本文通过对水利工程隧洞环境中的γ辐射水平和氡辐射水平进行检测，对长水利工程隧洞工程的放射性进行客观的评价，旨在为提高该工程的施工效率和工程质量提供一定的参考和决策依据[4- 7]。

1 研究方法与地质背景

本研究是在长水利工程隧洞开挖之间进行地质环境中的放射性测量和评价，具有一定的预测和研究探讨的特征。γ辐射剂量率以及环境氡浓度的测量点选择在拟开掘水利工程隧洞的专门勘探平洞和水利工程隧洞巷道位置，水利工程隧洞开掘沿线和测量分布点如图1所示。

图1 水利工程隧洞拟开掘沿线及样品采集测量点分布图

本研究在充分考虑了长水利工程隧洞的地质结构、岩层属性以及水利工程隧洞底部的不同深度等基本要素的条件下确定了勘探平洞的布设位置，且用于水利工程隧洞的专门勘探平洞和水利工程隧洞巷道深度均大于拟开挖水利工程隧洞的最大深度，平洞、水利工程隧洞巷道的开挖深度和布设位置能够较好的反映出水利工程隧洞在水平和垂直方向上所穿越的地质岩层属性[8]。

2 地表环境γ辐射

为了准确获取在某特定工作条件和γ辐射环境下对人体所产生的有效放射性剂量，采用环境地表γ辐射水平评价指标是表征放射性环境的主要参数之一。

2.1 测量方法

地表环境中γ辐射剂量率的测量主要是通过工程现场勘探工作进行测定，因本研究的目标是对未来水利工程隧洞环境中的γ辐射水平进行评价，故测量工作主要是在水利工程隧洞沿线中用于专门勘探的平洞和水利工程隧洞巷道中进行。测量位置点水平方向上沿平洞中心轴线进行测量布设，垂直方向在距离地面1.2m处进行测量，各测量点的水平间隔为2～5m。采取瞬时点测法进行测量，并利用CKL- 3120型X-γ剂量测定仪对设定位置点的γ辐射剂量率进行瞬时测定[9]。

2.2 数据处理与分析

2.2.1 γ辐射剂量率数据统计分析

本研究的主要测量工作位置点布设在勘探平洞中的PD2、PD3、PD5、PD6、PD7和PD9点，并且在1段地表和A、B两个具有代表性的水利工程隧洞巷道中进行γ辐射剂量数据的测量。为提高测量结果的准确性，降低测量过程中的人为因素影响，对每个测量点分别进行两次采样，并以两次测量结果的平均值作为该测量点的测量数据。本研究共获得测量数据220组，且各点的两次测量误差均小于5%，测定点的γ辐射剂量率数据统计分析结果见表1，各测线的测量结果如图2和图3所示。

表1中A1代表碳质粉砂岩、砂岩、砾岩互层；A2代表Q1冰积含土砂砾石；A3代表2～7m段的Q4坡洪积碎石土、7～41m段的Q1冰积含土砂砾石；A4代表Q1冰积含土砂砾石、0～6m砂岩、6～12m碳质泥岩、12～15m砂砾岩、15～23m和28～51m的碳质泥岩、23～28m的砂砾岩、岩洞内有明显的断裂破碎带，且可见渗水现象；A5代表0～5m冰积含土砂砾石、5～46m泥岩、砂岩、砂砾岩；A6代表0～18m的洪坡积碎石土、18～50m的Q1冰积含土砂砾石，有渗水现象；B1代表砂岩、煤岩；B2代表煤层。

表1 勘探平洞中各测量点和巷道中的γ辐射剂量率统计分析表 单位：10-8Gy/h

由图2可知，平洞的6个勘测点一共可以形成7条测量线，地质岩层属性是决定γ辐射剂量率测量值大小的主要因素，γ辐射剂量率测量值随测量点的位置和岩层属性表现出正常波动现象。

表1中各测量数据根据不同岩层测定环境进行分类和分段，表1数据结果显示γ辐射剂量率在处于第四系地质层的平洞中的测量值相对较高，即在B巷道、PD2、PD3、PD5、PD9测量点的γ辐射剂量率较大，处于侏罗纪底层中的PD6和地表中的测量值次之，在第三系和侏罗系泥岩层中的PD7和A巷道的γ辐射剂量率值最低。花岗岩、片麻岩和凝灰岩等岩石是第四系砾石的主要成分，此因素可能是γ辐射测量值较高的主要原因。因检测点在水平方向是沿洞口轴线位置，垂直方向是距平洞低面的1m处进行测定，因此测量结果是天然核素和人工核素共同发出的空气吸收剂量率的检验结果。不同岩性接触的测量值不能确切测量点所在位置的某类地质层所发出的γ辐射剂量，而是在测量点附近周围各类岩性物质共同作用发射出的空气吸收剂量率。本研究所检验的空间环境附近基本上均存在的岩层互层或薄层夹层的状况，故监测结果基本上可以反映出不同岩层之间的岩性属性的差异性[10]。

两个水利工程隧洞巷道以及A4和A6均表现出一定的渗水现象，通过对地下水的渗漏带进行渗水监测，结果显示并未发现明显的渗水异常现象。综上所述，根据曲线变化趋势和计算结果，γ辐射剂量率随地质岩性的变化表现出正常的波动，未出现异常现象。

图2 平洞和地表中的γ辐射剂量率图

水利工程隧洞巷道的放射性测量结果显示，相同岩性的放射环境中，γ辐射剂量测量值随沿线的走向表现出明显的差异性。在煤层环境中的γ辐射剂量率较低，而在不同位置煤层中的测量结果最大值和最小值波动较为明显，计算结果的标准差相对较大。

在A水利工程隧洞巷道的γ辐射剂量率的最大值和最小值相差较大，且平均值高，说明在煤层和岩层接触带中的γ辐射剂量率值存在偏高的异常值。

2.2.2 γ辐射有效剂量估算

根据人体防辐射标准规定，需要估算环境中γ射线照射对人体所产生的有效剂量值。按照国家标准工作日和工作时间，选取A水利工程隧洞巷道的γ辐射剂量率最大值进行γ射线照射对人体有效剂量计算，结果显示A煤狂刀的有效剂量为1.263mSv，略高于1mSv的国家标准。按照国家标准规定的有效γ辐射剂量1mSv进行反算可得到响应的γ辐射剂量率为50×10-8Gy/h。A水利工程隧洞巷道的多个测量即构成了约70m的γ辐射剂量率的超标段，但符合某些年份内允许每年5mSv的剂量标准，根据表1中的辐射剂量率值的最大值，可知B水利工程隧洞巷道测线所在工作环境条件的辐射率剂量满足国家标准。

3 环境氡浓度

3.1 测量方法

进行氡浓度测量和评价是对放射性工作环境进行检测和评价的重要性评价参数指标，本研究是在勘探洞水利工程隧洞巷道中进行氡浓度的监测和计算。采用的测量仪器为FD- 3017RaA型氡浓度快速测定仪，测量点的水平间隔距离我6m，测量时间间隔控制在5min以内。根据地质结构和测量点的位置不同，个别勘探洞和巷道也可采用NR667A氡浓度测量精度较高的仪器设备，测量时间间隔为50min，上述两种测定仪均是对待测点为进行直接的瞬时测量，测量结果为氡浓度的瞬时测量值。

表2 探测洞和水利工程隧洞巷道中环境氡浓度的实测数据结果

3.2 测量结果与评价

本研究进行的氡浓度测量剖面长度约为480m，在6个探测洞和2个水利工程隧洞巷道中共选取了95个测量点，各点的测量数据见表2。

B水利工程隧洞巷道其他个点均未检测到氡含量值，而在A水利工程隧洞道的65m、100m、105m、110m、115m、120m、125m以及140m处检测到的氡含量浓度分别为95.8Bq/m3、185.6Bq/m3、580.1Bq/m3、848.5Bq/m3、480.1Bq/m3、95.8Bq/m3、183.5Bq/m3、95.8Bq/m3，在其他各点均未检测到氡含量。FD- 301RaA氡含量瞬时检测仪的检测结果显示，氡含量测量值误差最大值为8.6%，明显小于检测误差标准的15%，表2的氡含量检测值具有较高的精确度，可以代表各检测点和水利工程隧洞巷道中的氡含量实际值。

对环境氡含量浓度进行评价时，应对对表2中氡含量浓度值进行平衡当量氡浓度转换计算。依据相关氡浓度标准，地下工程的平衡当量氡浓度值400Bq/m3，经过倒推计算与其对应的实测氡浓度为1000Bq/m3。结合表2计算数据结果可知，PD5探测线的氡浓度值整体处于超标状态，超标率最高可达4.5倍，其他各测量点和水利工程隧洞巷道的氡浓度值均满足相关标准要求。

PD5以及PD7的探洞采用斜井式进行开掘，其他个点均采取水平式开掘。在PD7以及B水利工程隧洞巷道中的环境氡浓度值相对较为，基本处于未检测到的状态，而在探洞环境中的γ辐射剂量相对较高的位置点和水利工程隧洞巷道，其相应的氡浓度测量值也偏高。且在平洞中的氡浓度测量值沿洞口由外之内表现出逐渐增大的趋势。综上所述，地质环境岩层材料是影响检测氡浓度的关键性因素，同时与环境条件如通风、洞口深度等相关。PD5采取的是斜井式开掘方式，其空气与水平底板的对流条件相对较差，通风不畅可能是造成PD5平洞内所检测的氡浓度相对较高的主要因素。

4 结论

本研究所选取的典型的平洞观测点和水利工程隧洞巷道几乎能够涵盖拟开掘隧道可能穿越的主要质地岩层属性，开挖沿线以及不同底层岩性一同构成了长隧道的模拟开挖环境。通过对环境中的γ辐射剂量率氡含量浓度进行检测，得出的主要结论：

(1)γ辐射剂量率在处于第四系地质层的平洞中的测量值相对较高；处于侏罗纪底层中的PD6和地表中的测量值次之，在第三系和侏罗系泥岩层中的PD7和A巷道的γ辐射剂量率值最低。

(2)在煤层环境中的γ辐射剂量率较低，而在不同位置煤层中的测量结果最大值和最小值波动较为明显，计算结果的标准差相对较大。

(3)A水利工程隧洞巷道的多个测量即构成了约70m的γ辐射剂量率的超标段，但符合某些年份内允许每年5mSv的剂量标准，根据表1中的辐射剂量率值的最大值，可知B水利工程隧洞巷道测线所在工作环境条件的辐射率剂量满足国家标准。(4)PD5探测线的氡浓度值整体处于超标状态，超标率最高可达4.5倍，其他各测量点和水利工程隧洞巷道的氡浓度值均满足相关标准要求。