某水利工程隧洞環(huán)境放射性評價研究

賈 峰

(遼寧省營口水文局，遼寧 營口 115003)

對地下工程，特別是可能穿越地質(zhì)巖層結(jié)構(gòu)的大長隧道開展環(huán)境放射性檢測、評價是提高施工效率、確保工程質(zhì)量的關(guān)鍵性工作，并對水利工程隧洞開挖和工程整體效益狀況具有重大意義[1]?；谀晨偢汕こ谭桨刚幱诳尚行匝芯亢头桨笡Q策對比階段，且不同方案的渠線路徑均包含對數(shù)十公里的輸水水利工程隧洞進(jìn)行開挖，故對擬開挖水利工程隧洞的放射性環(huán)境進(jìn)行測量評價研究是影響總干渠工程方案決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條狀態(tài)帶地質(zhì)區(qū)域的巖土放射性核素含量以及地表放射性輻射水平是本問進(jìn)行調(diào)查測量和評價的兩方面主要內(nèi)容。放射性核素含量水平主要包括鈾、鐳、釷、鉀等元素的含量，且各類放射性元素在空間上的分布特征即構(gòu)成了該地質(zhì)區(qū)域的放射性環(huán)境研究的主要內(nèi)容。通過對巖土樣品進(jìn)行放射性強(qiáng)度監(jiān)測和分析可對放射核素的含量水平進(jìn)行表征或評價，對地下水利工程隧洞環(huán)境中的放射性進(jìn)行評價的主要參數(shù)指標(biāo)包括γ輻射水平和氡輻射水平，且核素含量水平以及其他多種環(huán)境因素可對γ輻射水平和氡輻射水平產(chǎn)生較為明顯的影響和控制作用[3]。綜上所述，本文通過對水利工程隧洞環(huán)境中的γ輻射水平和氡輻射水平進(jìn)行檢測，對長水利工程隧洞工程的放射性進(jìn)行客觀的評價，旨在為提高該工程的施工效率和工程質(zhì)量提供一定的參考和決策依據(jù)[4- 7]。

1 研究方法與地質(zhì)背景

本研究是在長水利工程隧洞開挖之間進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境中的放射性測量和評價，具有一定的預(yù)測和研究探討的特征。γ輻射劑量率以及環(huán)境氡濃度的測量點(diǎn)選擇在擬開掘水利工程隧洞的專門勘探平洞和水利工程隧洞巷道位置，水利工程隧洞開掘沿線和測量分布點(diǎn)如圖1所示。

圖1 水利工程隧洞擬開掘沿線及樣品采集測量點(diǎn)分布圖

本研究在充分考慮了長水利工程隧洞的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖層屬性以及水利工程隧洞底部的不同深度等基本要素的條件下確定了勘探平洞的布設(shè)位置，且用于水利工程隧洞的專門勘探平洞和水利工程隧洞巷道深度均大于擬開挖水利工程隧洞的最大深度，平洞、水利工程隧洞巷道的開挖深度和布設(shè)位置能夠較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質(zhì)巖層屬性[8]。

2 地表環(huán)境γ輻射

為了準(zhǔn)確獲取在某特定工作條件和γ輻射環(huán)境下對人體所產(chǎn)生的有效放射性劑量，采用環(huán)境地表γ輻射水平評價指標(biāo)是表征放射性環(huán)境的主要參數(shù)之一。

2.1 測量方法

地表環(huán)境中γ輻射劑量率的測量主要是通過工程現(xiàn)場勘探工作進(jìn)行測定，因本研究的目標(biāo)是對未來水利工程隧洞環(huán)境中的γ輻射水平進(jìn)行評價，故測量工作主要是在水利工程隧洞沿線中用于專門勘探的平洞和水利工程隧洞巷道中進(jìn)行。測量位置點(diǎn)水平方向上沿平洞中心軸線進(jìn)行測量布設(shè)，垂直方向在距離地面1.2m處進(jìn)行測量，各測量點(diǎn)的水平間隔為2～5m。采取瞬時點(diǎn)測法進(jìn)行測量，并利用CKL- 3120型X-γ劑量測定儀對設(shè)定位置點(diǎn)的γ輻射劑量率進(jìn)行瞬時測定[9]。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.2.1 γ輻射劑量率數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

本研究的主要測量工作位置點(diǎn)布設(shè)在勘探平洞中的PD2、PD3、PD5、PD6、PD7和PD9點(diǎn)，并且在1段地表和A、B兩個具有代表性的水利工程隧洞巷道中進(jìn)行γ輻射劑量數(shù)據(jù)的測量。為提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，降低測量過程中的人為因素影響，對每個測量點(diǎn)分別進(jìn)行兩次采樣，并以兩次測量結(jié)果的平均值作為該測量點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)。本研究共獲得測量數(shù)據(jù)220組，且各點(diǎn)的兩次測量誤差均小于5%，測定點(diǎn)的γ輻射劑量率數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果見表1，各測線的測量結(jié)果如圖2和圖3所示。

表1中A1代表碳質(zhì)粉砂巖、砂巖、礫巖互層；A2代表Q1冰積含土砂礫石；A3代表2～7m段的Q4坡洪積碎石土、7～41m段的Q1冰積含土砂礫石；A4代表Q1冰積含土砂礫石、0～6m砂巖、6～12m碳質(zhì)泥巖、12～15m砂礫巖、15～23m和28～51m的碳質(zhì)泥巖、23～28m的砂礫巖、巖洞內(nèi)有明顯的斷裂破碎帶，且可見滲水現(xiàn)象；A5代表0～5m冰積含土砂礫石、5～46m泥巖、砂巖、砂礫巖；A6代表0～18m的洪坡積碎石土、18～50m的Q1冰積含土砂礫石，有滲水現(xiàn)象；B1代表砂巖、煤巖；B2代表煤層。

表1 勘探平洞中各測量點(diǎn)和巷道中的γ輻射劑量率統(tǒng)計分析表 單位：10-8Gy/h

由圖2可知，平洞的6個勘測點(diǎn)一共可以形成7條測量線，地質(zhì)巖層屬性是決定γ輻射劑量率測量值大小的主要因素，γ輻射劑量率測量值隨測量點(diǎn)的位置和巖層屬性表現(xiàn)出正常波動現(xiàn)象。

表1中各測量數(shù)據(jù)根據(jù)不同巖層測定環(huán)境進(jìn)行分類和分段，表1數(shù)據(jù)結(jié)果顯示γ輻射劑量率在處于第四系地質(zhì)層的平洞中的測量值相對較高，即在B巷道、PD2、PD3、PD5、PD9測量點(diǎn)的γ輻射劑量率較大，處于侏羅紀(jì)底層中的PD6和地表中的測量值次之，在第三系和侏羅系泥巖層中的PD7和A巷道的γ輻射劑量率值最低。花崗巖、片麻巖和凝灰?guī)r等巖石是第四系礫石的主要成分，此因素可能是γ輻射測量值較高的主要原因。因檢測點(diǎn)在水平方向是沿洞口軸線位置，垂直方向是距平洞低面的1m處進(jìn)行測定，因此測量結(jié)果是天然核素和人工核素共同發(fā)出的空氣吸收劑量率的檢驗(yàn)結(jié)果。不同巖性接觸的測量值不能確切測量點(diǎn)所在位置的某類地質(zhì)層所發(fā)出的γ輻射劑量，而是在測量點(diǎn)附近周圍各類巖性物質(zhì)共同作用發(fā)射出的空氣吸收劑量率。本研究所檢驗(yàn)的空間環(huán)境附近基本上均存在的巖層互層或薄層夾層的狀況，故監(jiān)測結(jié)果基本上可以反映出不同巖層之間的巖性屬性的差異性[10]。

兩個水利工程隧洞巷道以及A4和A6均表現(xiàn)出一定的滲水現(xiàn)象，通過對地下水的滲漏帶進(jìn)行滲水監(jiān)測，結(jié)果顯示并未發(fā)現(xiàn)明顯的滲水異?，F(xiàn)象。綜上所述，根據(jù)曲線變化趨勢和計算結(jié)果，γ輻射劑量率隨地質(zhì)巖性的變化表現(xiàn)出正常的波動，未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

圖2 平洞和地表中的γ輻射劑量率圖

水利工程隧洞巷道的放射性測量結(jié)果顯示，相同巖性的放射環(huán)境中，γ輻射劑量測量值隨沿線的走向表現(xiàn)出明顯的差異性。在煤層環(huán)境中的γ輻射劑量率較低，而在不同位置煤層中的測量結(jié)果最大值和最小值波動較為明顯，計算結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差相對較大。

在A水利工程隧洞巷道的γ輻射劑量率的最大值和最小值相差較大，且平均值高，說明在煤層和巖層接觸帶中的γ輻射劑量率值存在偏高的異常值。

2.2.2 γ輻射有效劑量估算

根據(jù)人體防輻射標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，需要估算環(huán)境中γ射線照射對人體所產(chǎn)生的有效劑量值。按照國家標(biāo)準(zhǔn)工作日和工作時間，選取A水利工程隧洞巷道的γ輻射劑量率最大值進(jìn)行γ射線照射對人體有效劑量計算，結(jié)果顯示A煤狂刀的有效劑量為1.263mSv，略高于1mSv的國家標(biāo)準(zhǔn)。按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的有效γ輻射劑量1mSv進(jìn)行反算可得到響應(yīng)的γ輻射劑量率為50×10-8Gy/h。A水利工程隧洞巷道的多個測量即構(gòu)成了約70m的γ輻射劑量率的超標(biāo)段，但符合某些年份內(nèi)允許每年5mSv的劑量標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)表1中的輻射劑量率值的最大值，可知B水利工程隧洞巷道測線所在工作環(huán)境條件的輻射率劑量滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。

3 環(huán)境氡濃度

3.1 測量方法

進(jìn)行氡濃度測量和評價是對放射性工作環(huán)境進(jìn)行檢測和評價的重要性評價參數(shù)指標(biāo)，本研究是在勘探洞水利工程隧洞巷道中進(jìn)行氡濃度的監(jiān)測和計算。采用的測量儀器為FD- 3017RaA型氡濃度快速測定儀，測量點(diǎn)的水平間隔距離我6m，測量時間間隔控制在5min以內(nèi)。根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)和測量點(diǎn)的位置不同，個別勘探洞和巷道也可采用NR667A氡濃度測量精度較高的儀器設(shè)備，測量時間間隔為50min，上述兩種測定儀均是對待測點(diǎn)為進(jìn)行直接的瞬時測量，測量結(jié)果為氡濃度的瞬時測量值。

表2 探測洞和水利工程隧洞巷道中環(huán)境氡濃度的實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果

3.2 測量結(jié)果與評價

本研究進(jìn)行的氡濃度測量剖面長度約為480m，在6個探測洞和2個水利工程隧洞巷道中共選取了95個測量點(diǎn)，各點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)見表2。

B水利工程隧洞巷道其他個點(diǎn)均未檢測到氡含量值，而在A水利工程隧洞道的65m、100m、105m、110m、115m、120m、125m以及140m處檢測到的氡含量濃度分別為95.8Bq/m3、185.6Bq/m3、580.1Bq/m3、848.5Bq/m3、480.1Bq/m3、95.8Bq/m3、183.5Bq/m3、95.8Bq/m3，在其他各點(diǎn)均未檢測到氡含量。FD- 301RaA氡含量瞬時檢測儀的檢測結(jié)果顯示，氡含量測量值誤差最大值為8.6%，明顯小于檢測誤差標(biāo)準(zhǔn)的15%，表2的氡含量檢測值具有較高的精確度，可以代表各檢測點(diǎn)和水利工程隧洞巷道中的氡含量實(shí)際值。

對環(huán)境氡含量濃度進(jìn)行評價時，應(yīng)對對表2中氡含量濃度值進(jìn)行平衡當(dāng)量氡濃度轉(zhuǎn)換計算。依據(jù)相關(guān)氡濃度標(biāo)準(zhǔn)，地下工程的平衡當(dāng)量氡濃度值400Bq/m3，經(jīng)過倒推計算與其對應(yīng)的實(shí)測氡濃度為1000Bq/m3。結(jié)合表2計算數(shù)據(jù)結(jié)果可知，PD5探測線的氡濃度值整體處于超標(biāo)狀態(tài)，超標(biāo)率最高可達(dá)4.5倍，其他各測量點(diǎn)和水利工程隧洞巷道的氡濃度值均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

PD5以及PD7的探洞采用斜井式進(jìn)行開掘，其他個點(diǎn)均采取水平式開掘。在PD7以及B水利工程隧洞巷道中的環(huán)境氡濃度值相對較為，基本處于未檢測到的狀態(tài)，而在探洞環(huán)境中的γ輻射劑量相對較高的位置點(diǎn)和水利工程隧洞巷道，其相應(yīng)的氡濃度測量值也偏高。且在平洞中的氡濃度測量值沿洞口由外之內(nèi)表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。綜上所述，地質(zhì)環(huán)境巖層材料是影響檢測氡濃度的關(guān)鍵性因素，同時與環(huán)境條件如通風(fēng)、洞口深度等相關(guān)。PD5采取的是斜井式開掘方式，其空氣與水平底板的對流條件相對較差，通風(fēng)不暢可能是造成PD5平洞內(nèi)所檢測的氡濃度相對較高的主要因素。

4 結(jié)論

本研究所選取的典型的平洞觀測點(diǎn)和水利工程隧洞巷道幾乎能夠涵蓋擬開掘隧道可能穿越的主要質(zhì)地巖層屬性，開挖沿線以及不同底層巖性一同構(gòu)成了長隧道的模擬開挖環(huán)境。通過對環(huán)境中的γ輻射劑量率氡含量濃度進(jìn)行檢測，得出的主要結(jié)論：

(1)γ輻射劑量率在處于第四系地質(zhì)層的平洞中的測量值相對較高；處于侏羅紀(jì)底層中的PD6和地表中的測量值次之，在第三系和侏羅系泥巖層中的PD7和A巷道的γ輻射劑量率值最低。

(2)在煤層環(huán)境中的γ輻射劑量率較低，而在不同位置煤層中的測量結(jié)果最大值和最小值波動較為明顯，計算結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差相對較大。

(3)A水利工程隧洞巷道的多個測量即構(gòu)成了約70m的γ輻射劑量率的超標(biāo)段，但符合某些年份內(nèi)允許每年5mSv的劑量標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)表1中的輻射劑量率值的最大值，可知B水利工程隧洞巷道測線所在工作環(huán)境條件的輻射率劑量滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。(4)PD5探測線的氡濃度值整體處于超標(biāo)狀態(tài)，超標(biāo)率最高可達(dá)4.5倍，其他各測量點(diǎn)和水利工程隧洞巷道的氡濃度值均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。