核废料地质贮存介质黏土岩的三维各向异性热–水–力耦合数值模拟

为了解黏土岩在放射性废料长期贮存中的热–水–力耦合过程，结合Mont Terri核废料贮存地下岩石试验工程中黏土岩各种物理量的各向异性特点，应用多孔介质力学耦合理论研究了该黏土岩在加热和冷却全过程中由于热荷载引起的耦合效应场。研究过程考虑温度升高引起的孔隙水黏滞性改变对渗透系数的影响。研究结果表明，岩体力学参数、水力学参数和热传导参数的各向异性特性是影响岩体的温度场、孔隙压力场和应力场分布的最主要因素。各向异性耦合模型与各向同性耦合模型的数值模拟对比研究结果表明：各向异性模型数值结果能更加客观地反映该地下岩石试验工程中黏土岩在受热状态下的热–水–力耦合效应；同时，也表明岩体在加热过程中一直处于受压状态，而在冷却过程中局部会出现拉应力，从而有可能导致拉裂缝的产生。     

核废料地质贮存介质黏土岩的三维各向异性热-水-力耦合数值模拟

为了解黏土岩在放射性废料长期贮存中的热-水-力耦合过程,结合MontTerri核废料贮存地下岩石试验工程中黏土岩各种物理量的各向异性特点,应用多孔介质力学耦合理论研究了该黏土岩在加热和冷却全过程中由于热荷载引起的耦合效应场。研究过程考虑温度升高引起的孔隙水黏滞性改变对渗透系数的影响。研究结果表明,岩体力学参数、水力学参数和热传导参数的各向异性特性是影响岩体的温度场、孔隙压力场和应力场分布的最主要因素。各向异性耦合模型与各向同性耦合模型的数值模拟对比研究结果表明：各向异性模型数值结果能更加客观地反映该地下岩石试验工程中黏土岩在受热状态下的热-水-力耦合效应;同时,也表明岩体在加热过程中一直处于受压状态,而在冷却过程中局部会出现拉应力,从而有可能导致拉裂缝的产生。     

高放废物工程屏障的热–水–力耦合作用分析

采用多相多类方法，提出热–水–力耦合作用分析的综合模型。分析考虑多孔介质的三相(固、液、气)和三类(矿物、水分、空气)模型，该模型是根据控制方程、本构关系和平衡条件来建立的；并提出用于模拟高放废物地下处置体系附近场地性状的热–水–力耦合分析通用程序。热–水–力耦合分析可将工程屏障中不同过程间发生的主要相互作用，以及附近岩石的散热和水化现象都考虑进去。通过试验结果的验证，得出一些关于热–水–力方面的重要结论。     

非饱和土热–水–力全耦合本构模型及其验证

在地热资源开发与利用、核废料地质处理、垃圾填埋场等诸多岩土工程领域都需要考虑温度对非饱和土性质的影响。为了更为全面描述非饱和土在热–水–力耦合条件下的变形及持水特性,以平均土骨架应力、修正吸力和温度为应力变量,以比体积和饱和度为应变变量,建立了一个非饱和土热–水–力全耦合本构模型。模型通过屈服面方程及屈服面之间的耦合规律来反映热–水–力之间的相互影响,主要包含温度和饱和度对力学特性的影响,吸力和超固结比(应力历史)对热变形的影响,密度、温度和滞回效应对持水特性的影响,温度、应力和滞回效应对干化及湿化变形的影响。利用建立的模型,对不同应力路径下的试验进行预测。通过预测与试验结果的对比,验证了模型的适用性。     

岩石应力–水力–化学耦合过程研究进展

首先介绍国际合作DECOVALEX计划的概况和研究进展，阐述中国参加该合作计划研究的必要性和重要意义。对国内外在岩石应力–水力–化学耦合过程方面的主要研究进展进行简略概述，并重点总结了DECOVALEX计划Task_B及中国科学院武汉岩土力学研究所的研究课题组所取得的主要研究进展，包括：(1) 开展了岩石应力–化学耦合条件下的单轴、三轴压缩试验、细观力学试验和CT扫描试验的系统研究和分析；(2) 建立了岩石破裂过程的弹塑性和应力–渗流耦合细胞自动机模型，并用于对岩石声发射活动的Kaiser效应、II类曲线的形成机制以及孔隙水压力对岩石力学性质的影响规律和细观机制进行了模拟分析等。上述研究成果对于岩石应力–水力–化学耦合过程研究起到了积极的推进作用。     

热–水–应力耦合模型及FEBEX原位试验二维有限元分析

从建立应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和弹塑性矩阵入手,提出了一个饱和–非饱和孔隙介质中且可考虑膨胀应力的热–水–应力耦合模型,并编制了相应的二维有限元程序。以高放射性核废料地质处置的FEBEX原位试验为模拟对象进行了数值分析,比较了实测值和计算值,从而验证了程序的正确性并从分析结果中得到了一些有益的认识。     

尤卡山坑道规模试验热–气–应力耦合过程 的离散元模拟

 简述二维离散元程序UDEC4.0中求解热–水–应力耦合问题的主要的理论背景、控制方程和计算原理。针对美国尤卡山高放射性核废料地质处置坑道规模试验,使用UDEC程序进行热–气–应力耦合过程的数值模拟,分析坑道周边的位移、主应力、节理开度、气压力及气体流速的变化;并将本计算的部分结果和实测数据及国外有限元/有限差分方法的成果进行比较。结果表明,三者温度、应力的分布与变化较为接近,位移分布与LBNL的结果在定性上较为一致,在定量上加热时间短时二者差别较明显,但在同样的数量级内,加热时间长时本计算和LBNL计算所得的位移值与实测结果的接近程度大体相当。从而可以认为使用离散元方法对核废料地质处置中的热–水/气–应力耦合过程进行模拟是可行的。     

低温及冻融环境下岩体热、水、力特性研究进展与思考

 研究低温及冻融循环条件下岩体热、水、力特性对于寒区工程冻胀机理研究及防寒保温设计具有十分重要的指导意义。综述国内外低温及冻融循环条件下岩石的物理力学特性,温度,渗流特性以及水、热、力耦合特性4个方面的研究现状以及取得的研究成果,并结合寒区隧道的特点,提出以现场监测、大量室内冻融试验和单轴、三轴压缩试验为手段,以研究低温相变条件下的导热系数等热、水、力学参数为基础,以建立含相变低温岩体水热耦合模型和考虑空气温度和湿度影响的隧道风流场湍流模型为前提,以获得通风条件下寒区隧道温度–渗流–应力–损伤耦合模型为目的,用以研究寒区隧道围岩的冻胀破坏机制;同时,开发出兼具轻质、保温、抗冻、抗裂和抗震等功能的泡沫混凝土,用于寒区工程保温层及抗震层使用的基本思路。     

随机介质固热耦合数学模型与岩石热破裂数值实验

对高放射性核废料的深层处置、高温岩体地热资源开发等深部开采工程问题中,由于岩石材料的非均匀性、非连续性、以及几何结构的复杂性,迫切需要研究工程围岩在高温下的物理力学性质和力学行为的长期演变规律,因此,本文从岩石介质的非均匀性特征入手,在引入岩石非均匀性细观统计描述和物理学愈渗理论的基础上,主要研究内容如下:(1)考虑岩石颗粒的物理力学性质的随机非均匀性,从理论上建立了三维随机非均质热弹塑性力学模型和随机介质固热耦合数学模型,并推导随机介质模型的有限元数值解法。这些方法奠定了岩石热破裂研究的基础。(2)对岩石随机介质的热弹性力学模型的平面轴对称问题和球对称问题分别进行解析分析,提出了将岩石物理力学参数作为随机变量在解析分析中的处理方法,并给出在随机指数分布和韦泊分布下的解析解;对随机介质固热耦合数学模型的平面轴对称问题也求出了解析解,包括位移、变形和热应力的精确解。(3)在二维随机非均质热弹塑性力学模型和4种随机分布(均匀分布、指数分布、正态分布和Weibull分布)下,在高温条件下,对热膨胀系数变化引起的岩石破裂门槛值温度的变化做了详细研究,揭示了岩石热破裂规律及门槛值温度随分布参数的变化规律,得出结论:岩石热破裂门槛值温度随分布参数的增加而升     

考虑双重孔隙–裂隙岩体中强度异向性的THM耦合有限元分析

计入裂隙连通率,进一步完善了确定双重孔隙–裂隙介质岩体的黏聚力及内摩擦角的方法,将其引入独立开发的热–水–应力耦合二维弹塑性有限元程序中。假定一个位于饱和岩体中的实验室尺度的核废物地质处置库模型,以此为计算背景,拟定裂隙组正交和斜交的二种情况,进行热–水–应力耦合有限元分析。结果表明:与裂隙组正交时的各场量呈轴对称分布相比,两组裂隙斜交时,孔隙水压力及其流速呈轴对称分布,但岩体中的应力场、裂隙水压力及其流速、塑性区均呈非轴对称分布;裂隙组正交时岩体中的塑性区大面积出现,而裂隙组斜交时岩体中几乎无塑性区产生;岩体中裂隙组的产状强烈地影响到应力场、塑性区和裂隙水的状态。     

高放废物处置库花岗岩热–力耦合模拟研究

 根据典型高放废物处置库概念模型,应用FLAC3D有限差分程序模拟计算了数百年内热–力耦合(TM)条件下高放废物地质处置库围岩的温度场、应力场和变形场的变化特征,初步得到在一定废物罐热源强度及衰变函数条件下花岗岩体的热力学特征及处置巷道工程设计的合理间距。模拟结果表明：在－500 m水平建造处置库,按设定的释热强度,处置坑合理间距为8～12 m,废物罐表面温度为130 ℃,处置坑中线岩体最高温度为40 ℃,并保持数百年左右。     

热力耦合作用下岩石流变模型的本构研究

 高放废物深埋处置和深部采矿中,岩石在温度和应力长时间作用下表现出流变特性。对3种常用的流变元件：弹性元件、黏性元件和塑性元件进行讨论,对其在温度和应力作用的变形特性做了相应的假设,然后基于西原流变模型,得出热力耦合作用下西原模型的蠕变方程、卸载方程和松弛方程,当把温度影响因素去除,方程可退化为只受到载荷作用下西原模型的本构方程。通过这些本构关系可大致预测特定温度变化条件下岩石的流变破坏时间,并得出温度的变化会缩短岩石的流变破坏时间,温度变化率越大,岩石的破坏时间越短,分析认为其量级是相当的,即温度升高变化率每增加一个数量级,破坏时间就缩短一个数量级。这对研究深部岩石流变变形特性具有重要的指导意义。     

高放废物处置中的THM耦合理论及分析

 高放废物处置研究是非常重要和必要的，其处置形式的选择是处置安全的重要因素之一，相应处置结构的物理力学特性研究是决定高放废物处置形式的重要依据。在介绍高放废物处置形式的基础上，提出高放废物处置的相关研究课题，紧接着阐述高放废物处置中THM耦合理论，膨润土的土水特征曲线不仅相关于外部施加应力、蒸汽压力、水压力，而且也相关于温度；在考虑气体在压力作用下的传播、气体在水中的溶解和气体的凝固等影响下，建立气体和液体中的水量守恒方程；在考虑敏感热流和潜热流影响下，建立能量守恒方程；将所有的方程写成有限元和有限差分计算格式；最后编制一维计算程序。计算结果对在花岗岩体中决定高放废物储存洞室之间间距具有借鉴作用。     

非饱和花岗岩气体相对渗透率试验研究

围岩气体渗透特性是影响高放废物处置库长期安全性的重要因素。以中国高放废物地质处置首选预选区——甘肃北山预选区的黑云母二长花岗岩为研究对象,开展了不同饱和度条件下的气体渗透率试验研究。首先利用真空饱和法获得了饱和试样,之后在6种不同相对湿度环境下完成了饱和花岗岩失水过程的监测,并测试了不同饱和度条件下的气体渗透率。随后分别在高放废物地质处置工程围岩预设最高温度90 ℃及沸点以上105 ℃条件下完成试样干燥过程,同时测试了干燥条件下的气体渗透率。基于测试结果,计算获得了花岗岩水分特征曲线,并分析了饱和度与气体相对渗透率的对应关系,并提出了数学描述模型。     

High-level radioactive waste disposal in China: update 2010

For geological disposal of high-level radioactive waste (HLW), the Chinese policy is that the spent nuclear fuel (SNF) should be reprocessed first, followed by vitrification and final disposal. The preliminary repository concept is a shaft-tunnel model, located in saturated zones in granite, while the final waste form for disposal is vitrified high-level radioactive waste. In 2006, the government published a long-term research and development (RD) plan for geological disposal of high-level radioactive waste. The program consists of three steps: (1) laboratory studies and site selection for a HLW repository (2006–2020); (2) underground in-situ tests (2021–2040); and (3) repository construction (2041–2050) followed by operation. With the support of China Atomic Energy Authority, comprehensive studies are underway and some progresses are made. The site characterization, including deep borehole drilling, has been performed at the most potential Beishan site in Gansu Province, Northwestern China. The data from geological and hydrogeological investigations, in-situ stress and permeability measurements of rock mass are presented in this paper. Engineered barrier studies are concentrated on the Gaomiaozi bentonite. A mock-up facility, which is used to study the thermo-hydro-mechano-chemical (THMC) properties of the bentonite, is under construction. Several projects on mechanical properties of Beishan granite are also underway. The key scientific challenges faced with HLW disposal are also discussed.     

A fully coupled thermo-hydro-mechanical model for unsaturated porous media

In examining potential host rocks for such purposes as the disposal of high-level radioactive wastes,it is important to understand the coupled thermo-hydro-mechanical（THM） behavior of a porous medium.A rigorous and fully unified coupled thermo-hydro-mechanical model for unsaturated porous media is required to simulate the complex coupling mechanisms involved.Based on modified Darcy＇s and Fourier＇s laws,equations of mechanical equilibrium,mass conservation and energy conservation are derived by introducing void ratio and volumetric liquid water content into the model.The newly derived model takes into account the effects of temperature on the dynamic viscosity of liquid water and void ratio,the influence of liquid flow on temperature gradient（thermo-osmosis）,the influence on mass and heat conservation equations,and the influence of heat flow on water pressure gradient and thermal convection.The new coupled THM constitutive model is constructed by a finite element program and is used to simulate the coupled behavior of a tunnel during excavation,ventilation and concrete lining stages.Oil and gas engineering,underground disposal of nuclear waste and tunnel engineering may be benefited from the development of the new model.     

甘肃北山旧井地段高放废物处置库深度初步探讨

 在对高放废物地下深地质处置库深度确定基本要求的概述基础上，结合甘肃北山旧井地段的地质特征、水文地质特征、岩石力学特征、地应力场特征等方面的情况，分析初始地应力场和二次开挖地应力，对开挖稳定性和发生岩爆的可能性进行计算和预测。研究结果表明，研究区岩体较完整，深度大于400 m时地下水补给匮乏且为还原环境，岩石单轴抗压强度较高，总体质量较好；深度小于700 m地应力为一般应力场，二次开挖稳定性分析和岩爆分析结果表明在此范围内岩爆发生的可能性不大，依据处置库深度确定的基本要求，初步认为旧井地段处置库的设计深度和地下工程布局应在400～700 m范围内进行。     

高放废物处置库黏土围岩温度-应力耦合测试方法展望

高放废物深地质处置库围岩在温度及应力耦合作用下的工程稳定性是关系环境安全的关键问题.本文对黏土围岩高放废物处置库在放射性物质放热温度及深部地应力环境应力耦合研究工作中采用的测试方法进行了系统的回顾和总结.从黏土岩热学性能测试方法以及温度对黏土岩力学性质影响研究方法两个方面,对目前高放废物温度-应力耦合特性测试的试验方法...     

高放废物地质处置及其若干关键科学问题

如何安全处置高水平放射性废物是科学、技术和工程界所面临的挑战性问题。在介绍国内外最新研究进展的基础上，重点讨论高放废物地质处置的若干关键科学问题：处置库场址地质演化的精确预测、深部地质环境特征、多场耦合条件下（中（高）温、地壳应力、水力作用、化学作用、生物作用和辐射作用等）深部岩体、地下水和工程材料的行为、低浓度超铀放射性核素的地球化学行为与随地下水迁移行为及处置系统的安全评价。同时，介绍了国外若干重大科研项目和若干研究热点问题。     

基于三维离散–连续耦合方法的跨活动断裂隧洞错断破坏机制研究

在中国西部强震区兴建的大型水利工程中,输水隧洞常不可避免地横跨多条区域性活动断裂,受活断裂错断运动影响,这些输水隧洞面临着严重的错断威胁。传统隧洞抗错断数值模拟方法多将围岩简单考虑为等效连续体,不能从细观尺度模拟断裂错动时围岩的破裂过程和大变形现象。将三维离散–连续耦合方法引入跨活动断裂隧洞抗错断问题的研究上,研究在断裂错动作用下衬砌的内力响应,及围岩破裂的细观特征。在该分析方法中,采用离散元球形颗粒表征围岩,同时将隧洞衬砌结构考虑为连续单元体。验证接触边界上耦合力的相容性与连续性的同时,通过参数标定使离散区域与连续区域的宏观属性一致,在此基础上建立穿越活动断裂隧洞的三维离散–连续耦合数值模型。利用这一方法,讨论了不同断裂错距影响下隧洞因断裂错动而产生的位移变化与力学响应,并从细观角度对围岩破坏特征进行了探讨。获得的结论可以为穿越活断裂隧洞的抗错断设计提供一定参考。