低頻振動下某尾礦庫壩體氡析出穩定性與壩體損傷標定方法

摘" 要：鈾尾礦庫壩體在低頻振動下會產生裂隙或孔隙導致放射性氣體氡逸出，危害人們生命健康及環境。為探討在振動條件下尾礦庫壩體氡析出穩定性與壩體損傷，通過制作尾礦庫壩體模型，使用激振臺實驗模擬，在低頻振動條件下收集氡析出數據，得到振動頻率與尾礦庫壩體損傷后氡析出之間的關系、壩體損傷等級與氡析出率、表面位移等物理數據的關系表。

關鍵詞：鈾尾礦庫；壩體；氡析出；低頻振動；穩定性

中圖分類號：X936" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）19-0075-04

Abstract： Cracks or pores will be produced in the dam body of uranium tailings reservoir under low frequency vibration， which will lead to the escape of radioactive gas radon， which will endanger people's life， health and environmental safety. In order to explore the radon exhalation stability and dam damage of tailings dam under the condition of vibration， radon exhalation data are collected under low frequency vibration condition by making tailing dam model and using vibration table experimental simulation. The relationship between vibration frequency and radon exhalation after dam damage， and the relationship between dam damage grade and radon exhalation rate and surface displacement are obtained.

Keywords： uranium tailings reservoir; dam body; radon exhalation; low frequency vibration; stability

核安全是我國核能開發中必須重視的問題，我國核工業從開始發展到如今的壯大，離不開對整個核工業鏈條的安全把控。鈾尾礦庫是用來存放具有放射性危害的礦渣、尾砂，必須保證其在設計年限里能有效收容放射性危害物質不外泄。地殼運動、巖層位移、地震波及人類活動都會產生低頻振動且有影響尾礦庫壩體安全的可能。在尾礦庫中，氡是對人們與環境影響較大的放射性元素，因為其無色無味且易溶于水，可通過尾礦庫壩體孔隙與裂隙逸出到空氣，也可以溶解于水而污染地表水或地下水。氡的析出與覆蓋層的孔隙率有直接關系，因此研究尾礦庫壩體在低頻震動條件下與對應釋放到空氣中的氡的變化規律有一定研究價值。

郭振世[1]分析了尾礦壩中各物理參數變化的規律及物理指標對尾礦壩穩定性的影響，對尾礦壩的滲流情況進行了3D分析并提出了優化方案，在研究尾礦壩穩定性的過程中還分別討論了壩體加高技術與擴容方案提出了實際的應用方法。謝騰飛等[2]研究人員以尾礦庫覆蓋物的壓實度作為切入點，研究了壓實度的變化是否可能帶來降氡性能的改變；蔡梓麒等[3]通過實驗研究了低頻振動與高溫加熱對鈾礦試塊氡析出規律的影響，發現振動和加熱耦合作用下的氡析出規律。崔冠哲等[4]使用三維掃描技術收集了尾礦庫實驗模型的坐標數據，將振動試驗結果與坐標數據進行結合，通過數字模擬技術探討了震動力的響應特征。呂淑然等[5]對爆破作用下壩體浸潤線變化對尾礦壩穩定性的影響進行了研究，主要探討了浸潤線在爆破產生的擾動下對尾礦庫產生的影響。張銀平[6]通過對巖體微震和相關礦山的實際應用對礦區穩定性和失穩狀態進行了總結。張力霆[7]的研究結果總結出了一套數學模型，用于計算尾礦庫在潰壩時相應的失穩機理并提出相關計算過程的數學推導。鄭欣等[8]設計出了可以控制尾礦庫潰壩過程的方法。劉小松等[9]使用了一種高效計算氡析出率的方法，該測量方法可以準確地反映實驗條件下氡析出的準確數值。譚凱旋等[10]通過測試不同覆蓋物在實驗中對覆蓋物抑氡析出能力的性能對比，得出了一套反映各種覆蓋物的厚度對氡析出抑制能力的估算公式。

1" 尾砂動力特性試驗

本文試驗使用原材料是來自湖南省某尾礦庫的尾礦砂，該尾礦砂采于壩體表面深度為1 m處。收集200 g的尾礦砂進行人工篩分，該過程參照土力學分析實驗標準進行。篩分中發現，尾礦砂粒徑大于2 mm的部分共占重量的0.45%，故在統計過程中忽略該部分。使用篩徑為1.0、0.5、0.25、0.105和0.075 mm的標準篩進行多組平行試驗篩分，其結果見表1。表1中，反映了本文實驗試樣中不同粒徑砂粒的分布情況，通過該組數據繪制了顆粒級配累計曲線，如圖1所示，根據該圖可分析得到礦砂的限制直徑d60、中值粒徑d30、有效粒徑d10，計算可得礦砂的級配參數不均勻系數Cu與曲率系數Cc。結果顯示1lt;Cult;5，測試樣品的曲率系數取值為1～3，結果顯示該試樣顆粒均勻，可視為級配連續砂土。按照GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》測定鈾尾礦砂的主要物理性質參數指標，見表2。

2" 試驗方案

2.1" 試驗原理

試驗對嵌固巖石并覆蓋黏土層的鈾尾礦壩模型中氡析出率的測量方法為靜電收集法。氡氣通過鈾尾砂-黏土層-覆蓋層路徑析出進入集氡空間。尾砂固體晶格中226Ra元素釋放出粒子的同時衰變成氡原子。在尾礦砂粒之間存在聯通的微小裂隙，在核反沖作用的參與下，裂隙中形成可以自由移動的氡原子，由于分子擴散作用的存在，氡原子在微裂隙中向試驗裝置表面遷移并進入集氡空間，此時測量集氡空間內氡濃度會在初始氡濃度數值上持續升高并在一定時間后趨于穩定。集氡罩內氡濃度隨集氡時間延長而增加，在相等間隔時間后測量裝置內氡濃度。并計算其析出率

式中：J為被測介質表面氡析出率；S為集氡罩的底面積，m2；V為集氡罩空間體積，m3；C為集氡罩內積累t時刻的氡濃度，Bq·m-3。

2.2" 試驗材料和裝置

為了研究實驗條件下鈾尾礦壩體的氡析出率，基于相似實驗原理設計制作鈾尾礦壩縮尺模型。試驗模擬對象為南方某鈾尾礦壩典型壩段，參考施工縮比制作，并充分考慮模型的邊壁效應后設計制作。分層搗實，覆黏土層，灑水，嵌入落石層，并在陰涼通風處靜置15 d。

試驗裝置部分由測氡儀（RAD-7）、自研雙向振動系統、模型試驗箱和信號采集處理系統4部分組成，其示意圖如圖2所示。

外置裝置由集氡模型試驗箱、激振器等組成。壩體析出集氡模型試驗箱頂蓋為橡膠圈密封法蘭蓋內置可供RAD-7測氡儀管道接入的轉接口，并通過1個帶卡槽的底座固定在模型試驗箱，不銹鋼基座安裝有供激振器與析出罐固定的底座，激振器的底座固定在基座的一端。

激振系統主要包括JZK-20型電動式模態激振器、HY5872A功率放大器、YE1311掃頻信號發生器。激振器通過振動桿與振動臺聯結，對振動平臺及其底座施加激振力。通過機械振動產生的正弦（余弦、方波、白噪聲）變化的變力對振動平臺及平臺上的試驗模型擊振，從而能夠模擬在現實中可能的機械振動或余震對尾礦庫壩體的擾動影響。

2.3" 試驗過程

測氡儀每次測量時間為1 h，測試開始溫度為15± 1 ℃，試驗的基本步驟如下。

1）試驗前通風透氣使模型試驗箱中的氡濃度恢復至本底值，將頂蓋密封安裝，檢查氣密性。通過螺栓將模型試驗箱與振動臺連接在一起，確保牢固無法發生錯動。

2）打開測氡儀的開關，使用“凈化”功能將儀器內殘余氡氣排出，同時排出會干擾儀器準確度的水汽，該過程持續10 min以上，直至顯示空氣濕度低于10%；隨后調為sniff模式，開始對氡濃度的變化實時監測，設置單次測量時間為5 min，共進行12次即總計1 h的氡濃度測量。

3）第一組試驗分別在10，20，30，40，60，80和100 Hz的要求下進行測試試驗，電流為1 A的條件下啟動激振臺，振動10 min。振動結束后靜置模型10 min。蓋上模型試驗箱頂蓋，確認氣密。啟動RAD-7“sniff”模式，連續監測1 h。

4）對照試驗組測試試驗，不進行激振操作，但同樣進行氡氣測量1 h。

5）待試驗完成后，關閉所有儀器，計算氡析出率。

3" 數據處理

通過實驗，可知隨著振動頻率的增加，氡析出率會隨之增加，集氡罩內氡氣濃度也會隨之增加。多次實驗表明振動頻率與氡氣濃度之間有強相關。

為得到振動與氡氣濃度之間的函數預測，對實驗數據進行曲線擬合。具體方法如下。

3.1" 構建擬合模型

由于在一定空間內氡氣濃度會隨著時間而趨于穩定，因此本文使用函數y=Aarctan（Bx）作為擬合預測函數所用模型，如圖3所示。

3.2" 設定參數變量

其中A決定該函數的值域，B決定了該函數上升階段的劇烈程度。因此，將A的取值區間為[0，500]， B的取值區間為[0，500]。設置步長為0.1進行遍歷，求得曲線與原始數據的最匹配的解。

3.3" 尋找最優參數

算法步驟如下。

1）初始化。設定擬合函數模型、參數上下限、初始值和步長。

2）迭代。參數改變，形成新的表達式，代入數據實際數據（xn，yn），得到模擬值JZK-20，并計算與原始數據的誤差，公式如下

3）判斷。當計算的誤差值達最小值時，記錄當前參數為最佳擬合參數。

通過數據處理擬合可得，氡氣濃度會在達到一定的數值后在一定區間內穩定，如圖4所示，這是因為在一定的密閉空間內沒有新的裂隙產生，氡氣釋放渠道趨于穩定。

4" 結論

由實驗可知在不同振動頻率下模型的宏觀特征會有與之對應的變化。根據實驗結果將灘面發生的變化分為4級，見表3。通過實驗與處理、對比模型表面碎石塊的滑落和土壤表面開裂情況，如圖5所示，將振動頻率、實驗表面位移、面積變化率作為損傷評級的依據，得出不同振動頻率可能對壩體造成的損傷等級關系表。在振動頻率增加時，壩體模型表面破壞效果加劇且短時間內氡析出率增加，其可以為后續的尾礦庫的安全穩定性研究提供研究基礎。

參考文獻：

[1] 郭振世.高堆尾礦壩穩定性分析及加固關鍵技術研究[D].西安：西安理工大學，２010.

[2] 謝騰飛，黃代富，張淑玲．黏土壓實度對鈾尾礦覆蓋降氡的影響[J].鈾礦冶，２０１０，２９（１）：３３－３6.

[3] 蔡梓麒，李向陽，雷波，等．低頻振動對高溫類鈾礦巖氡析出規律的影響研究[J].工業安全與環保，２０１８，４４（４）：２２－26.

[4] 崔冠哲，唐正光，徐則民．尾礦庫地震動力響應特征研究[J].地震工程與工程振動，２０１７，３７（２）：１８９－196.

[5] 呂淑然，王冀飛，董華興．爆破作用下壩體浸潤線變化對尾礦壩穩定性的影響[J].金屬礦山，２０１３（１１）：１５４－１５７.

[6] 張銀平.巖體聲發射與微震監測定位技術及其應用[J].工程爆破，２００２（１）：５８－61.

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[8] 鄭欣，秦華禮，許開立.導致尾礦壩潰壩的因素分析[J].中國安全生產科學技術，２００８（１）：５１－54.

[9] 劉小松，丘壽康．一種較準確而快速測量氡析出率的方法[J].輻射防護，２００７（３）：１５６－162.

[10] 譚凱旋，胡寒橋，劉澤華，等．不同覆蓋物抑制鈾尾礦氡析出的效果[J].礦物學報，２０１２，３２（２）：２３３－２37.

基金項目：湖南省教育廳重點項目（20A440）

第一作者簡介：郭睿楊（1997-），男，碩士研究生。研究方向為尾礦庫安全。

*通信作者：李向陽（1962-），男，教授。研究方向為鈾尾礦庫退役治理理論與技術。