高放核廢液滲流場中示蹤試驗(yàn)的應(yīng)用探討

馬沖

（核工業(yè)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(yè)領(lǐng)域的敏感話題和難題，包括對(duì)環(huán)境的污染問題，其中地下水污染是一個(gè)不能回避的敏感問題，尤其是處理廠周邊的工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜，構(gòu)造影響較大，巖體破碎，或者圍巖的節(jié)理裂隙非常發(fā)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(huán)境，另一方面要阻止基巖裂隙水回灌進(jìn)入處理廠，以免廢液溢出，產(chǎn)生次生的污染事故，因此需要了解工程區(qū)巖土體在設(shè)計(jì)水頭作用下的水文地質(zhì)特征以及地下水的動(dòng)態(tài)特征，尤其是地下水的流速、巖土體的滲透系數(shù)、給水度、彈性釋水系數(shù)、彌散度等水文地質(zhì)參數(shù)，這些參數(shù)可以通過抽水試驗(yàn)、壓水試驗(yàn)、示蹤劑試驗(yàn)等進(jìn)行測試，示蹤劑試驗(yàn)可以測定地下水的流速的同時(shí)確定其它的水文地質(zhì)參數(shù)，且操作相對(duì)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(jí)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(dāng)氯離子完全被沉淀后，鉻酸根離子才開始沉淀。等當(dāng)點(diǎn)時(shí)，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(dá)到終點(diǎn)[1,2]。

2 實(shí)例分析

某核電站，其反應(yīng)堆廠房位于該核電站的某廠內(nèi)，據(jù)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(yīng)堆廠房所在地區(qū)的水文地質(zhì)條件，各巖土層的水文地質(zhì)參數(shù)，包括地下水位、地下水的流向、流量、補(bǔ)給排泄特征、巖土滲透性等。確定地下水位可能的變化趨勢(shì)，對(duì)反應(yīng)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(xiàn)為河谷階地地貌，地貌形態(tài)屬于中低山地貌，場地40年前屬山地及河流沖積地貌，現(xiàn)為廠區(qū)。地形較平坦，地面相對(duì)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(nèi)，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(tǒng)（S1l）的泥質(zhì)頁巖，可見強(qiáng)風(fēng)化層、中風(fēng)化層和微風(fēng)化層。

第四系土層：巖性有粉質(zhì)粘土、碎石土、礫砂等滲透系數(shù)（垂直）最大值1.21×10-3cm/s，最小值小于10-5cm/s；滲透系數(shù)（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(nèi)均有分布。

頁巖：灰綠色，主要為粘土礦物，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，頁理構(gòu)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(fā)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(biāo)準(zhǔn)溶液至出現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)溶液：稱取3.5 克硝酸銀固體，溶于1000 毫升蒸餾水中。標(biāo)定：取20 毫升氯化鈉標(biāo)液3份，加入3滴10%鉻酸鉀指示劑，用硝酸銀標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，計(jì)算硝酸銀溶液的用量。

2.3 測定方法

投鹽之前取鉆孔內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至有紅褐色沉淀出現(xiàn)，記下硝酸銀用量V1。

另取與測定水樣同數(shù)量的投鹽之后鉆孔內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至有紅褐色沉淀出現(xiàn)，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(shí)間，用此時(shí)間來求地下水流速。

2.4 示蹤試驗(yàn)

2.4.1 試驗(yàn)

在ZK7 和ZK12 孔中進(jìn)行了投鹽示蹤試驗(yàn)，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(hào)孔在第四系粉質(zhì)粘土層進(jìn)行示蹤試驗(yàn)時(shí)取樣時(shí)間每天1 次，取樣深度15m，共取樣11 個(gè)；示蹤觀測孔ZK13號(hào)孔每小時(shí)取水樣一組，取樣深度14m 和15m，共取樣243組，486個(gè)；ZK12號(hào)孔在強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)頁巖進(jìn)行示蹤試驗(yàn)時(shí)取樣時(shí)間每半小時(shí)1個(gè)，取樣深度18m，共取樣58 個(gè)；示蹤觀測孔ZK13 號(hào)孔每半小時(shí)取水樣一組，取樣深度18m 和21m，共取樣165 組，330 個(gè)，示蹤樣分析采用硝酸銀0.02mol/l 滴定，示蹤樣提取溶劑10ml進(jìn)行分析。

本工程水文試驗(yàn)中只進(jìn)行了各示蹤水樣硝酸銀（出現(xiàn)紅色鉻酸銀時(shí)用量）V1與（空白樣）未投鹽時(shí)水樣出現(xiàn)紅色鉻酸銀時(shí)用量V2進(jìn)行對(duì)比。測得相對(duì)變化量來顯示示蹤劑到接收孔的時(shí)間。

ZK7 號(hào)孔在強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)頁巖層進(jìn)行示蹤試驗(yàn)時(shí)取樣時(shí)間每半小時(shí)1 次，取樣深度20.4m，共取樣35個(gè)；示蹤觀測孔ZK2號(hào)孔每半小時(shí)取水樣一組，取樣深度23m 和25m 各一個(gè)，共取樣133 組,266 個(gè)，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(jìn)行分析。

示蹤樣共分析1186 個(gè)。測試水樣全部由一名專業(yè)測試人員進(jìn)行，每個(gè)樣進(jìn)行三次測量，對(duì)部分樣品進(jìn)行了檢查測量。

2.4.2 試驗(yàn)結(jié)果

示蹤試驗(yàn)時(shí)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(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)頁巖接收示蹤水樣，ZK12 投鹽，ZK13 在粉質(zhì)粘土夾碎石土層接收示蹤水樣，ZK12 投鹽，ZK13 在強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)頁巖接收示蹤水樣。示蹤水樣分析時(shí)，消耗硝酸銀量的曲線如下：

ZK12 至ZK13 孔在第②層粉質(zhì)粘土夾碎石土層中的示蹤水樣濃度高峰值通過時(shí)間49小時(shí)，ZK12至ZK13 孔在第③強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)頁巖層中的示蹤水樣濃度高峰值通過時(shí)間2小時(shí)，ZK12與ZK13距離4.31m，ZK7 至ZK2 第③強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)頁巖層中的示蹤水樣濃度高峰值通過時(shí)間4.5小時(shí)，ZK7與ZK2距離4.05m。

2.4.3 參數(shù)計(jì)算

表1 ZK12強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)頁巖參數(shù)計(jì)算結(jié)果

通過本場地的示蹤試驗(yàn)，ZK12 孔地下水流向ZH12→ZK13，ZK7孔地下水流向ZH7→ZK2，ZK12粉質(zhì)粘土夾碎石土層內(nèi)地下水流速2.11m/d，風(fēng)化泥質(zhì)頁巖內(nèi)地下水流速8.836-34.51m/d，ZK12 粉質(zhì)粘土夾碎石土層的滲透系數(shù)7.78m/d，ZK12和ZK7強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)頁巖滲透系數(shù)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(yàn)，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(shù)以及巖土體的孔隙比等參數(shù)的影響，同時(shí)與試驗(yàn)計(jì)算模型的影響很大。

3 結(jié)論與建議

通過本次水文地質(zhì)勘察過程中進(jìn)行的示蹤試驗(yàn)，可以看出，該試驗(yàn)操作簡便、數(shù)據(jù)分析清晰，試驗(yàn)方法理論基礎(chǔ)明確，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)確定地下水流速、流向及滲透系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)，為設(shè)計(jì)提供明確的目的性很強(qiáng)的參數(shù)，但是我們從試驗(yàn)過程中也發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)問題：

⑴示蹤試驗(yàn)容易受到地層中強(qiáng)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(shù)偏??；

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(yùn)動(dòng)規(guī)律與地下水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律存在差異；

⑶試驗(yàn)過程中結(jié)合進(jìn)行的放射性物質(zhì)探測表明，示蹤劑的選擇應(yīng)考慮放射性元素的影響，下階段將改進(jìn)示蹤劑和液體介質(zhì)的選擇，爭取最大程度地模擬高放廢液的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。