低放废物处置场包气带和裂隙含水层的渗透性研究——以龙和处置场为例

Permeability of the Vadose Zone and Fractured Aquifers at a Low-Level Radioactive Disposal Site： Case Study of the Longhe Site

摘要

岩土层的渗透性是控制放射性核素迁移的重要参数，也是处置场安全性评价的关键内容。低放废物处置场核素迁移的岩土介质相对复杂，不仅包括地下水含水岩层，还涉及包气带的岩土层。本次研究以龙和近地表处置场为例，利用野外、室内试验数据以及井下电视数据，基于渗透张量理论计算方法，综合分析了包气带和裂隙含水层的渗透性。研究结果表明：包气带和裂隙含水层的渗透性与介质岩性相关，并存在一定的空间变异性。北部裂隙含水层区砾砂夹角砾层的渗透性大体呈现出由西北向东南逐渐减小的趋势，饱和渗透系数为5.48×10^-5 ~ 7.59 × 10^-4 m/s，南部孔隙含水层区中砂、细砂和粉质黏土的渗透系数平均值分别为9.05 × 10^-5 m/s、7.39 × 10^-5 m/s和5.16 × 10^-8 m/s。裂隙岩体的渗透性在垂向上变异明显，其中砂岩的渗透系数为1.85 × 10^-9 ~ 2.51×10^-7 m/s，大理岩的渗透系数为1.04 × 10^-8 ~ 4.08 × 10^-7 m/s，泥岩的渗透系数为2.31 × 10^-9 ~ 2.1 × 10^-6 m/s。本研究结果可为龙和近地表处置场后续核素迁移的数值模拟提供数据支撑。

Abstract

The permeability of the geotechnical layers is a key parameter controlling the migration of radioactive nuclides and an essential factor in evaluating the safety of disposal sites. The geological media governing nuclide migration in low-level radioactive waste disposal facilities are relatively complex， involving not only groundwater-bearing aquifers but also the vadose zone. In this study， the Longhe near-surface disposal site was taken as an example. By integrating field investigation data， laboratory test results， and borehole television observations， and applying the theoretical approach of permeability tensor calculation， the permeability characteristics of the vadose zone and fractured aquifers were comprehensively analyzed. The results indicate that the permeability of both the vadose zone and fractured aquifers is closely related to lithology and exhibits spatial variability. In the northern fractured aquifer zone， the permeability of the gravelly sand and interbedded gravel layers generally decreases from northwest to southeast， with saturated hydraulic conductivity ranging from 5.48 × 10⁻⁵ to 7.59 × 10⁻⁴ m/s. In the southern porous aquifer zone， the average hydraulic conductivities of medium sand， fine sand， and silty clay are 9.05 × 10⁻⁵ m/s， 7.39 × 10⁻⁵ m/s， and 5.16 × 10⁻⁸ m/s， respectively. The permeability of fractured rock masses varies significantly in the vertical direction. The hydraulic conductivity of sandstone ranges from 1.85 × 10⁻⁹ to 2.51 × 10⁻⁷ m/s， that of marble from 1.04 × 10⁻⁸ to 4.08 × 10⁻⁷ m/s， and that of mudstone from 2.31 × 10⁻⁹ to 2.10 × 10⁻⁶ m/s. The findings of this study provide essential data support for future numerical simulations of radionuclide migration at the Longhe near-surface disposal site.

Graphical abstract

关键词

近地表处置 / 渗透张量 / 水力试验 / 包气带渗透性 / 裂隙岩体渗透性

Key words

near-surface disposal / permeability tensor / hydraulic test / air-packed zone permeability / fractured rock permeability

0 引言

近地表处置是低放废物的主要处置技术。近年来，低水平放射性废物由于其数量大，种类多等特点得到了国际上越来越多的关注^{［1 - 3］}。目前，国际上已成功建成并运行上百个近地表处置场^{［4 - 5］}。对于处置场而言，核素一旦发生泄漏，则不可避免地会经过扩散、迁移、转化等过程进入生物圈，对人类环境造成不同程度的影响^［6］。岩土层的渗透性是控制放射性核素迁移的重要参数^［7］；因此，有必要对涉及核素迁移的岩土层进行渗透性分析。

与深地质处置相比，近地表处置场核素迁移的路径更为复杂。近地表处置场工程屏障遭到破坏后，核素首先会泄漏到包气带中，然后才有可能迁移到地下水中去^［8］。因此，关于近地表处置场岩土层的渗透性分析，不仅要包括地下水含水岩层，更要考虑到包气带的岩土层^［9］。然而，在目前的研究中，大多数学者更多关注的是地下水含水岩层的渗透性^{［10 - 12］}，忽视了包气带岩土层的渗透性。许多研究也表明，包气带会阻滞核素向地下水中的迁移^{［13 - 15］}。因此，对包气带岩土层的渗透性分析是近地表处置场核素迁移研究中的重要内容。另外，处置场的选址往往都会选择在有大面积基岩覆盖的区域附近，所在区域的地下水类型一般为基岩裂隙水。对基岩裂隙含水层渗透性的研究是水文地质学科中的一个难点^{［16 - 21］}，也是处置场岩层渗透性研究中需要解决的重点。

龙和处置场是全国唯一的低放废物处置场，主要服务于我国核电厂和其他领域产生的低放固体废物集中处置，该设施建成后将作为全国放射性废物处置兜底方案。对解决我国核能核技术利用事业发展产生的低放废物处置问题具有重要意义。目前，前人已经完成龙和处置场以及周边的水文地质调查基础工作，掌握了相关的地质钻孔资料和地下水位数据，为开展后续研究奠定了数据基础。

渗透系数是表征岩土层渗透性的指示性参数^{［22 - 25］}，是可以通过水力试验以及相关理论计算直接得到的一个参数。其中渗水试验一般用于测得包气带的渗透参数，抽水实验和压水实验常用于测得地下水含水岩层的渗透参数。对于裂隙含水岩体，由于受风化作用的影响，其渗透性在垂向上的渗透性具有一定的差异性，通常采用分段式的压水实验以及渗透张量理论计算的方法，综合分析其渗透参数。本次研究以龙和近地表处置场为例，针对包气带岩土层，通过野外的渗水试验和室内的渗透试验，分析其渗透性。对于裂隙含水岩层，基于井下电视数据，利用渗透张量理论计算其渗透系数，并结合野外的压水试验，综合分析裂隙含水岩层的渗透性。

1 研究方法及材料

1.1 研究区概况

龙和处置场位于我国甘肃省西北部（图1（a）），处置场采用“半地下处置”方式，使用深度10 m，其中地下4 m，地上6 m。目前，此处置场已经开始投入使用，主要用于接收我国核电厂和其他领域产生的低放废物。处置场所在区域地表被第四系的砾砂夹角砾层覆盖，厚度0 ~ 8 m。往下为不同风化程度的基岩层，基岩类型包括泥岩、砂岩和大理岩。

在处置场核素迁移的研究中，往往需要关注区域上的水文地质特征，以便于分析核素在区域地下水环境下的迁移特征。本次研究，根据水文地质条件以及相关钻孔资料，划分出研究范围（图1（b））。从区域上来看，按照地下水的赋存类型，可将研究区划分为两个水文地质单元，北部裂隙含水层区和南部孔隙含水层区，分界线如图1（b）所示。

北部裂隙含水层区地下水位埋深相对较小，包气带的主要岩性为砾砂夹角砾。南部孔隙含水层区内有大面积的农场区，受人类开采的影响，地下水位埋深相对较大。因此，包气带厚度也相对较大，包气带的岩性也变得更为复杂。包气带岩性主要包括中砂、粉质黏土和细砂。

1.2 裂隙几何测量计算

裂隙发育的不规律性，导致裂隙岩体渗透性的研究更为复杂。目前关于裂隙岩体渗透性的研究中，确定其渗透性的方法主要分为3种，包括裂隙几何测量方法、野外试验法以及数学模型计算方法^［26］。其中，裂隙几何测量方法操作简单，并且其能够表征出介质渗透性的各向异性而被很多学者^{［27 - 33］}使用。

裂隙岩体渗透张量的研究是基于单个裂隙地下水流运动的基础上进行概化和计算的。假设地下水在单个裂隙内的流动为一种理想状态，地下水流在裂隙中的渗流速度与岩体介质裂隙宽度的三次方成正比。若研究对象的裂隙岩体中共发育N组裂隙，根据裂隙渗透性叠加原理可以计算裂隙岩体介质的渗透系数张量（式（1），式（2））。

\begin{array}{l}\mathit{K}={\sum }_{i=\mathrm{1}}^N{K}_{ei}\\ \left[\begin{array}{ccc}\mathrm{1}-\mathrm{c}\mathrm{o}{\mathrm{s}}^{\mathrm{2}}{\phi }_i\mathrm{s}\mathrm{i}{\mathrm{n}}^{\mathrm{2}}{\theta }_i& -\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\phi }_i\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\phi }_i\mathrm{s}\mathrm{i}{\mathrm{n}}^{\mathrm{2}}{\theta }_i& -\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\phi }_i\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_i\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\theta }_i\\ -\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\phi }_i\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\phi }_i\mathrm{s}\mathrm{i}{\mathrm{n}}^{\mathrm{2}}{\theta }_i& \mathrm{1}-\mathrm{s}\mathrm{i}{\mathrm{n}}^{\mathrm{2}}{\phi }_i\mathrm{s}\mathrm{i}{\mathrm{n}}^{\mathrm{2}}{\theta }_i& -\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\phi }_i\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_i\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\theta }_i\\ -\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\phi }_i\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_i\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\theta }_i& -\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\phi }_i\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_i\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\theta }_i& \mathrm{1}-\mathrm{c}\mathrm{o}{\mathrm{s}}^{\mathrm{2}}{\theta }_i\end{array}\right]\end{array}（1）

K_e=\frac{g{b}^{\mathrm{3}}}{\mathrm{12}{v}_{w}l}（2）

式中：{\phi }_i为第i组裂隙的倾向；{\theta }_i为第i组裂隙的倾角；b为裂隙隙宽，\mathrm{m}；l为裂隙间距，\mathrm{m}；g为重力加速度，\mathrm{m}/{\mathrm{s}}^{\mathrm{2}}；v_w为水的运动粘滞系数，{\mathrm{m}}^{\mathrm{2}}/\mathrm{s}；N为岩体中裂隙发育的总组数；K_{ei}为第i组裂隙的当量渗透系数，\mathrm{m}/\mathrm{s}；\mathit{K}为岩体渗透系数张量，\mathrm{m}/\mathrm{s}。

计算出 K 矩阵特征方程的三个特征根，也就是其渗透张量主值（K₁，K₂，K₃）；其次把特征根代入特征方程计算得到裂隙岩体的三个特征矢量a_{\mathrm{1}}（a_{\mathrm{11}}，a_{\mathrm{12}}，a_{\mathrm{13}}）、a_{\mathrm{2}}（a_{\mathrm{21}}，a_{\mathrm{22}}，a_{\mathrm{23}}）、a_{\mathrm{3}}（a_{\mathrm{31}}，a_{\mathrm{32}}，a_{\mathrm{33}}），然后再根据渗透系数张量计算得到的裂隙岩体的主渗透方向换算为该裂隙岩体的裂隙产状。

计算岩体对象的裂隙倾角：

\theta =\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{a}_{\mathrm{13}}（3）

计算岩体对象的裂隙倾向，若a_{\mathrm{13}}>\mathrm{0},则

（4）

若，那么将a_{\mathrm{11}}、a_{\mathrm{12}}、a_{\mathrm{13}}分别取相反值，然后再代入式（4）进行计算。

3个渗透张量主值的几何平均值即可作为综合渗透系数K，其计算公式为：

K=\sqrt[\mathrm{3}]{K_{\mathrm{1}}{K}_{\mathrm{2}}{K}_{\mathrm{3}}}（5）

1.3 水力试验

水力试验是获得岩土层渗透参数参考价值最高的一种方法。水力试验根据试验的场景可分为两种，包括野外试验法和室内试验法。研究区北部和南部区域的岩性差异较大，需要结合多种相应的水力试验，综合来研究岩土层的渗透性。针对包气带岩性，北部裂隙含水层区域岩性较为单一，基本均为砾石夹角砾，通过在不同位置的多组双环渗水试验来获得渗透参数。而南部孔隙含水层区域包气带岩性复杂，主要包括中砂、细砂和黏土，则通过在现场采取的不同的岩土样品，再分别进行室内的渗透试验。

对于裂隙岩体的渗透性，仅仅采用裂隙几何测量方法求得渗透参数，其准确性有待检验。此次研究，首先基于井下电视数据，利用渗透张量理论计算裂隙岩体的渗透系数。然后，再结合相应的水力试验来综合分析裂隙岩体的渗透性。处置场裂隙岩体岩性主要为泥岩、砂岩和大理岩。另外，考虑到岩体风化程度的不同会导致渗透性在垂向上有所差异。因此，本研究通过在不同岩性钻孔进行分段式的压水实验，得到不同岩性裂隙岩体在垂向上的渗透参数。针对包气带，本次研究利用双环渗水试验和室内的变水头渗透试验来测得其岩土层的渗透参数。

2 结果与讨论

2.1 包气带渗透性

2.1.1 北部裂隙含水层区域

北部的裂隙含水层区包气带岩性较为单一，因此通过野外的双环渗水试验分析其渗透性。共进行了6组双环渗水试验，其中在研究区西侧靠近处置场的位置处设置3组（s1、s2和s3），研究区东侧设置3组（s4、s5和s6），渗水试验的布置大致均匀遍布北部裂隙含水层区域，试验位置如图2所示。利用地学统计的方法，根据包气带渗水实验的位置对区域进行划分，划分出的每个小区域内包气带的渗透性认定为一致，分区划分结果如图2所示。

双环渗水试验的结果如表1所示，北部裂隙含水层区域包气带的饱和渗透系数为5.48 × 10^-5 ~7.59 × 10^-4 m/s，属中等—强透水。其中北部s4分区内介质的渗透性最好，渗透系数为7.59 × 10^-4 m/s，透水等级为强透水，其次是西北部s1分区内的介质，这两个分区内介质的渗透系数要比其他区域的渗透系数大一个数量级。依此可以看出，从整体上来看，北部裂隙含水层区内包气带的渗透性表现出一定的空间变异性，大体呈现出介质的渗透性由西北向东南逐渐减小的趋势。

2.1.2 南部孔隙含水层区域

南部的孔隙含水层区包气带的岩性较为复杂，在水平和垂向上的包气带岩性均有所差异。包气带岩性主要包括中砂、粉质黏土和细砂，因此对于孔隙含水层区包气带渗透性的分析不再适合进行分区统计。本次研究参考室内的变水头渗透试验结果，按照岩性类别，对孔隙含水层区包气带的渗透性进行分析。

在野外共采取中砂层10组、粉质黏土层21组和细砂层1组，进行室内的变水头渗水试验，试验结果如表2所示。从表2中可以看出，南部孔隙含水层区的包气带岩层中，中砂层的渗透性最好，渗透系数的平均值为9.05 × 10^-5 m/s；其次为细砂层，渗透系数的平均值为7.39 × 10^-5 m/s；渗透性最差的为粉质黏土层，渗透系数的平均值为5.16 × 10^-8 m/s。

2.2 裂隙含水岩层的渗透性

2.2.1 裂隙渗透张量计算

研究区覆盖的基岩类型主要为泥岩、砂岩和大理岩，为了更全面地分析不同岩性裂隙的渗透性，选取出有代表性的3个钻孔：CK1、CK8和CK14（图1（c））。CK1钻孔揭露的岩性为砂岩，CK8钻孔揭露的岩性为大理岩，CK14钻孔揭露的岩性为泥岩。

根据岩性、风化程度以及钻孔岩心描述中统计出的裂隙数量，对钻孔在垂向上进行分区，再根据渗透张量理论分区计算不同钻孔在垂向上的渗透系数。通过分析，将钻孔CK1、CK8和CK14在垂向上各分为4个区。钻孔CK1的分区为：3 ~ 13 m，13 ~ 41 m，41 ~ 73 m，73 ~ 80 m。钻孔CK8的分区为：6 ~ 20 m，20 ~ 50 m，50 ~ 67 m，67 ~ 78 m。钻孔CK14的分区为：7 ~ 16 m，16 ~43 m，43 ~ 53 m，53 ~ 78 m。

根据上文1.2部分中的渗透张量理论计算公式，由钻孔井下电视解译数据获得的裂隙几何特征参数，分区计算不同钻孔的渗透张量、渗透张量主值、主渗透方向和综合渗透系数，计算结果如表3-表5所示。

砂岩（CK1钻孔）的综合渗透系数值为2.78 × 10^-8 ~ 2.51 × 10^-7 m/s，大理岩（CK8钻孔）的综合渗透系数值为1.05 × 10^-7 ~ 4.08 × 10^-7 m/s，泥岩（CK14钻孔）的综合渗透系数值为8.52 × 10^-8 ~1.91 × 10^-7 m/s。其中砂岩和泥岩的渗透性在垂向上的变化相对明显，综合渗透系数值最大相差45倍，而大理岩的渗透性在垂向上变化不大，综合渗透系数值相差均保持在1个数量级内。综合三种岩性的渗透性，裂隙岩体的渗透性在垂向上表现出一定的空间变异性，根据渗透张量理论计算出的渗透系数基本呈现出随深度增加在逐渐减小的趋势。

2.2.2 裂隙岩体渗透参数综合分析

在裂隙岩体渗透性的研究中，利用渗透张量理论计算出的渗透系数是相对理想的，其并没有考虑到裂隙的连通性、粗糙度、有限性以及裂隙填充物等因素的影响。因此，需要结合水力试验实测的渗透系数综合分析裂隙岩体的渗透性。压水试验实测的3个钻孔的渗透系数如图3所示。

由水力试验结果可知，砂岩（CK1钻孔）实测的渗透系数值为5.79 × 10^-9 ~ 1.86 × 10^-7 m/s，大理岩（CK8钻孔）实测的渗透系数值为1.04 × 10^-8 ~7.25 × 10^-7 m/s，泥岩（CK14钻孔）实测的渗透系数值为4.63 × 10^-9 ~ 2.1 × 10^-6 m/s，渗透系数值相差相对较大，相差在1 ~ 3个数量级。

从整体上来看，根据渗透张量理论计算出的渗透系数普遍要比水力试验实测的偏大，并且水力试验实测的渗透系数在垂向上的变化要更大。这是由于在渗透张量计算中并没有考虑裂隙的连通性，以及裂隙填充物的存在也会导致计算出的渗透系数偏大。其中，CK14钻孔在40 m以下水力试验测得的渗透系数要比基于渗透张量理论计算出的值偏大，这是由于该钻孔的电视解译数据中，40 m以下统计出的裂隙数量较少，裂隙间距偏大，导致计算出的综合渗透系数要比水力试验实测出的结果偏小。因此，仅仅依靠渗透张量计算出的渗透性结果可能存在偏差，需要综合考虑多种因素才能更准确地评估地下岩体的渗透性能。

综合渗透张量计算以及水力试验结果，结合不同岩性钻孔在垂向上的分区，可以得到不同岩性在不同风化程度上的渗透系数。强—中等风化砂岩的渗透系数为1.39 × 10^-8 ~ 2.51 × 10^-7 m/s，微风化砂岩的渗透系数为1.85 × 10^-9 ~ 1.91 × 10^-7 m/s；强—中等风化大理岩的渗透系数为1.97 × 10^-8 ~ 4.08 × 10^-7 m/s，微风化大理岩的渗透系数为1.04 × 10^-8 ~ 2.01 × 10^-7 m/s；强—中等风化泥岩的渗透系数为1.27 × 10^-8 ~ 2.1 ×10^-6 m/s，微风化泥岩的渗透系数为2.31 × 10^-9 ~ 6.76 × 10^-7 m/s。

3 结论

（1）根据野外的双环渗水试验和室内的变水头渗透试验数据，对研究区内包气带的渗透性进行了分区和分岩性统计分析。北部裂隙含水层区渗透性大体呈现出从由西北向东南逐渐减小的趋势，饱和渗透系数为5.48×10^-5 ~ 7.59 × 10^-4 m/s；南部孔隙含水层区包气带岩性较为复杂，其中，中砂层渗透系数的平均值为9.05 × 10^-5 m/s，细砂层渗透系数的平均值为7.39 × 10^-5 m/s，粉质黏土层渗透系数的平均值为5.16 × 10^-8 m/s。

（2）利用不同岩性钻孔的井下电视数据，基于渗透张量理论分别计算了不同岩性裂隙岩体的渗透张量，并结合压水试验数据综合分析了裂隙岩体的渗透性能。强—中等风化砂岩的渗透系数为1.39 × 10^-8 ~ 2.51 × 10^-7 m/s，微风化砂岩的渗透系数为1.85 × 10^-9 ~ 1.91 × 10^-7 m/s；强—中等风化大理岩的渗透系数为1.97 × 10^-8 ~ 4.08 × 10^-7 m/s，微风化大理岩的渗透系数为1.04 × 10^-8 ~ 2.01 × 10^-7 m/s；强～中等风化泥岩的渗透系数为1.27 ×10^-8 ~ 2.1 × 10^-6 m/s，微风化泥岩的渗透系数为2.31 × 10^-9 ~ 6.76 × 10^-7 m/s。

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基金资助

甘肃龙和环保科技有限公司项目“龙和处置场环境数据管理与地下水全过程可视化应用系统研究”(33412023022)

国家自然科学基金项目(42272295)