高放核废液渗流场中示踪试验的应用探讨

马冲

（核工业天津工程勘察院 天津 300000）

高放核废液的处理一直以来都是核工业领域的敏感话题和难题，包括对环境的污染问题，其中地下水污染是一个不能回避的敏感问题，尤其是处理厂周边的工程地质条件较为复杂，构造影响较大，岩体破碎，或者围岩的节理裂隙非常发育等情况下，一方面要保证核废液的向外渗漏，不至于污染地下水及环境，另一方面要阻止基岩裂隙水回灌进入处理厂，以免废液溢出，产生次生的污染事故，因此需要了解工程区岩土体在设计水头作用下的水文地质特征以及地下水的动态特征，尤其是地下水的流速、岩土体的渗透系数、给水度、弹性释水系数、弥散度等水文地质参数，这些参数可以通过抽水试验、压水试验、示踪剂试验等进行测试，示踪剂试验可以测定地下水的流速的同时确定其它的水文地质参数，且操作相对简单。

1 工作原理

氯离子的测定本工程采用硝酸银容量法，其原理是采用“分级沉淀的原理”，铬酸钾作指示剂，向含有氯离子的水溶液中加入硝酸银溶液，因在25℃水溶液中，氯化银的溶度积为1.56×10-10，而硝酸银的溶度积为9×10-12，因此，只有当氯离子完全被沉淀后，铬酸根离子才开始沉淀。等当点时，过量的硝酸银与指示剂作用生成红色铬酸银沉淀，表明作用已达到终点[1,2]。

2 实例分析

某核电站，其反应堆厂房位于该核电站的某厂内，据观测，其主体在2008年5.12地震前后地下水排水量有明显增大，因此必须查明反应堆厂房所在地区的水文地质条件，各岩土层的水文地质参数，包括地下水位、地下水的流向、流量、补给排泄特征、岩土渗透性等。确定地下水位可能的变化趋势，对反应堆厂房的防渗措施提供建议。

2.1 地层概况

勘察场地地形地貌特征主要表现为河谷阶地地貌，地貌形态属于中低山地貌，场地40年前属山地及河流冲积地貌，现为厂区。地形较平坦，地面相对高差小，勘察孔孔口地面高程为518.888～525.226m。

本次勘察查明，在勘察孔揭露的深度范围内，土层地层主要为人工填土层、第四系陆相层、河床—河漫滩相沉积层（Q4al+pl）；基岩地层主要为志留系龙马溪统（S1l）的泥质页岩，可见强风化层、中风化层和微风化层。

第四系土层：岩性有粉质粘土、碎石土、砾砂等渗透系数（垂直）最大值1.21×10-3cm/s，最小值小于10-5cm/s；渗透系数（水平）最大值6.23×10-2cm/s，最小值小于10-5cm/s，层厚1.0～19.4m，层顶高程498.85～523.84m，场地内均有分布。

页岩：灰绿色，主要为粘土矿物，泥质结构，页理构造。岩芯较完整，呈短柱状和长柱状，一般柱长9～28cm。岩层倾角40°～55°，裂隙极为发育，裂隙面无氧化物，裂隙倾角约27°～64°，RQD=38%～49%，本层揭露最大厚度为22.50m。

2.2 试剂配制

10%铬酸钾指示剂：称取10 克铬酸钾到100 毫升烧杯中，加入50 毫升蒸馏水，搅拌均匀，然后逐滴加入硝酸银标准溶液至出现砖红色沉淀为止，放置过夜后过滤，滤液用纯净水稀释至100 毫升，移入滴瓶中备用。

硝酸银标准溶液：称取3.5 克硝酸银固体，溶于1000 毫升蒸馏水中。标定：取20 毫升氯化钠标液3份，加入3滴10%铬酸钾指示剂，用硝酸银标准溶液滴定，计算硝酸银溶液的用量。

2.3 测定方法

投盐之前取钻孔内的水样（空白样）测定氯离子的水样，加10%铬酸钾指示剂3滴。用硝酸银标准溶液滴定至有红褐色沉淀出现，记下硝酸银用量V1。

另取与测定水样同数量的投盐之后钻孔内的水样于另一三角瓶中，加10%铬酸钾指示剂3滴，用硝酸银标准溶液滴定至有红褐色沉淀出现，记下硝酸银用量V2，V2-V1的差值变化，来显示示踪剂到来的时间，用此时间来求地下水流速。

2.4 示踪试验

2.4.1 试验

在ZK7 和ZK12 孔中进行了投盐示踪试验，ZK7的示踪观测孔ZK2，两孔间距4.32m，ZK12 的示踪观测孔ZK13，两孔间距4.05m。投盐浓度0.5立方水中加入25Kg 食盐（NaCl），搅拌均匀定深度投放。取水样方法为人工自定深度用0.5 米长的专用钻孔取水器（φ75mm）。

ZK12 号孔在第四系粉质粘土层进行示踪试验时取样时间每天1 次，取样深度15m，共取样11 个；示踪观测孔ZK13号孔每小时取水样一组，取样深度14m 和15m，共取样243组，486个；ZK12号孔在强风化泥质页岩进行示踪试验时取样时间每半小时1个，取样深度18m，共取样58 个；示踪观测孔ZK13 号孔每半小时取水样一组，取样深度18m 和21m，共取样165 组，330 个，示踪样分析采用硝酸银0.02mol/l 滴定，示踪样提取溶剂10ml进行分析。

本工程水文试验中只进行了各示踪水样硝酸银（出现红色铬酸银时用量）V1与（空白样）未投盐时水样出现红色铬酸银时用量V2进行对比。测得相对变化量来显示示踪剂到接收孔的时间。

ZK7 号孔在强风化泥质页岩层进行示踪试验时取样时间每半小时1 次，取样深度20.4m，共取样35个；示踪观测孔ZK2号孔每半小时取水样一组，取样深度23m 和25m 各一个，共取样133 组,266 个，示踪样分析采用硝酸银0.02mol/L 滴定，示踪分析样溶剂提取25ml进行分析。

示踪样共分析1186 个。测试水样全部由一名专业测试人员进行，每个样进行三次测量，对部分样品进行了检查测量。

2.4.2 试验结果

示踪试验时间—氯离子含量曲线ZK7 投盐孔1次、ZK12 投盐孔2 次。ZK7 投盐，ZK2 在强风化泥质页岩接收示踪水样，ZK12 投盐，ZK13 在粉质粘土夹碎石土层接收示踪水样，ZK12 投盐，ZK13 在强风化泥质页岩接收示踪水样。示踪水样分析时，消耗硝酸银量的曲线如下：

ZK12 至ZK13 孔在第②层粉质粘土夹碎石土层中的示踪水样浓度高峰值通过时间49小时，ZK12至ZK13 孔在第③强风化泥质页岩层中的示踪水样浓度高峰值通过时间2小时，ZK12与ZK13距离4.31m，ZK7 至ZK2 第③强风化泥质页岩层中的示踪水样浓度高峰值通过时间4.5小时，ZK7与ZK2距离4.05m。

2.4.3 参数计算

表1 ZK12强风化泥质页岩参数计算结果

通过本场地的示踪试验，ZK12 孔地下水流向ZH12→ZK13，ZK7孔地下水流向ZH7→ZK2，ZK12粉质粘土夹碎石土层内地下水流速2.11m/d，风化泥质页岩内地下水流速8.836-34.51m/d，ZK12 粉质粘土夹碎石土层的渗透系数7.78m/d，ZK12和ZK7强风化泥质页岩渗透系数20.12-121.68m/d，可以看出本层渗透性不均匀。

另外通过野外的弥散试验，可以看出地下水的弥散度受到地下水梯度、含水层渗透系数以及岩土体的孔隙比等参数的影响，同时与试验计算模型的影响很大。

3 结论与建议

通过本次水文地质勘察过程中进行的示踪试验，可以看出，该试验操作简便、数据分析清晰，试验方法理论基础明确，能够在较短的时间内确定地下水流速、流向及渗透系数等水文地质参数，为设计提供明确的目的性很强的参数，但是我们从试验过程中也发现以下几个问题：

⑴示踪试验容易受到地层中强渗透通道及剪切破碎带的影响较大，这样造成了弱透水岩土层测得的渗透系数偏小；

⑵使用地下水来模拟高放废液存在一定的偏差，尤其在浓度较大的废液的运动规律与地下水的运动规律存在差异；

⑶试验过程中结合进行的放射性物质探测表明，示踪剂的选择应考虑放射性元素的影响，下阶段将改进示踪剂和液体介质的选择，争取最大程度地模拟高放废液的运动规律。