温度-渗流-应力耦合条件下黏土岩裂隙自闭合特性研究现状与思考

黏土岩因为低渗透性和自闭合性能而被公认为理想的高放废物地质处置库介质,黏土岩裂隙自闭合特性可以显著降低其渗透性,从而达到阻止处置库核素迁移的目的。从试验、机制及模型三方面概述国内外黏土岩在温度–渗流–应力耦合条件下裂隙渗透性自闭合特性的研究现状与发展趋势。研究结果表明,黏土岩的裂隙自闭合规律与黏土矿物含量、应力状态、水溶液和温度等因素相关。总结国内外裂隙自闭合试验研究方法的基础上,提出采用瞬态法测量黏土岩裂隙自闭合过程中渗透性变化的思路。最后,探讨黏土岩裂隙自闭合过程研究的工作思路,主要有:裂隙自闭合微观机制研究、THMC多场耦合作用下裂隙自闭合特性、蠕变的发展对自闭合的影响规律、建立能够反映损伤区渗透性演化的自闭合模型等。     

核废料地下储库围岩长期水力响应特征

黏土岩由于其低渗透性和损伤自修复等特性,被认为是一种合理的高放废物处置地质屏障。以黏土岩为研究对象,结合相关室内试验和现场监测成果,在总结黏土岩蠕变变形规律的基础上,考虑蠕变过程中的损伤和应变累积,建立黏土岩非线性蠕变损伤本构模型,并将其应用于比利时核废料地下实验室长期水力响应特征分析。研究结果表明：(1)非线性蠕变损伤本构模型能较好地反映黏土岩的非线性蠕变损伤过程;(2)巷道开挖对巷道洞周围岩水力性质影响显著,洞周附近围岩变形增大、孔隙水压力迅速减小;(3)围岩变形与开挖巷道距离和流变时间密切相关：随着与巷道距离的增大,开挖对巷道洞周附近围岩变形、孔隙水压力的影响逐渐减小,而随着时间的增长,巷道洞周附近围岩变形、孔隙水压力逐渐增大;(4)高放废物处置库衬砌的蠕变变形规律与现场监测结果相吻合,验证了模型的可靠性。研究成果将为我国未来黏土岩核废料地下储库的建设和稳定性评估提供重要理论依据。     

缓冲材料热-水-力耦合模型试验研究

高放废物深地质处置采用多重屏障设计体系,缓冲材料是位于废物罐和围岩之间的一道重要的人工屏障。在放射性衰变热、地下水入侵和围岩应力等作用下,缓冲材料经历复杂的热-水-力耦合过程,评价其长期性能对高放废物地质处置库的稳定运行至关重要。缓冲材料模型试验是研究膨润土在多场耦合环境下性能变化的重要途径。中型实验台架是大型实验台架(China-Mock-up)的重要补充,用来模拟与大型实验台架边界相同的环境下,即热量和水分别从缓冲材料的不同侧向另一侧传递和渗透的条件下膨润土的行为特征。通过实时监测缓冲材料在长期加热和加水条件下的温度、相对湿度、力学等特征参数,揭示了在热-水-力耦合条件下缓冲材料的性能变化规律,同时对台架进行了拆解,对拆解样品的含水量、干密度和微观结构等进行了分析测试,研究结果可为高放废物处置库缓冲材料的工程设计提供参数支持。     

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.     

黏土岩温度–渗流–应力耦合作用的长期力学特性研究若干进展

核废料地质处置库长期处于复杂的耦合环境之中,其安全、稳定、高效的建设与运营需要考虑温度场(T)、渗流场(H)、应力场(M)的长期耦合作用。围绕黏土岩多场耦合作用下的长期力学特性,首先总结了国内外在黏土岩温度–渗流–应力耦合条件下长期力学试验研究成果与不足,主要包括HM与THM耦合长期作用对黏土岩渗透特性的影响、黏土岩TM与THM耦合长期力学特性。其次从微观唯相的角度,论述了温度对黏土岩微观结构特征的影响机制。基于上述认识,提出黏土岩THM耦合蠕变力学模型及其适用性。同时,介绍了笔者团队围绕黏土岩THM耦合长期力学特性方面的相关研究成果,结果表明:BoomClay的长期力学特性与温度、孔压、应力和各向异性等因素相关。最后,提出黏土岩THM耦合研究未来应重点关注的方向。     

基于损伤预测的粘土围岩深地质处置库硐距分析

粘土岩作为我国高放废物深地质处置库建设的预选围岩类型之一,其地下处置库硐距的优化对处置库的设计施工及核素迁移安全具有重大意义。本文基于塔木素粘土岩高放废物深地质处置预选地区天然地应力现场测量及室内岩石力学试验结果,采用弹性力学柯西问题理论分析与有限差分数值模拟相结合的方法,对处置库硐室开挖过程形成的损伤区范围进行预测。通过对比单硐与双硐开挖时不同硐室间距下开挖所形成的损伤区影响范围,来进行处置库硐距的优化,通过对比不同硐距下开挖损伤区的变化,分析当前应力水平下,硐室开挖后重分布应力随与中间岩柱中心点距离的变化趋势。结果表明,d=8~10 m是粘土围岩高放废物处置库的合理的硐距,此时开挖后的相邻硐室间损伤区没有产生明显交圈效应,当硐距大于10 m后,相邻硐室间的影响将逐渐减小,接近单硐开挖情况。该方案可为粘土岩预选区建造高放废物处置库提供参考依据。     

塔木素地区粘土岩力学特性试验研究及机理分析

粘土岩是高放射性废物地质处置库的重要候选围岩之一,内蒙古巴音戈壁盆地塔木素地区是我国高放废物地质处置库粘土岩场址的重点筛选区域,粘土岩的物理力学特性是评价候选围岩场址的重要参数之一。通过试验对塔木素地区深部粘土岩的力学特性开展了研究,试验结果表明,与同类型粘土岩相比,该粘土岩具有较高抗压强度和抗拉强度、低变形以及脆性破坏的特性。针对其力学特性,本文从岩石的矿物组成、声波速度、微观形貌、密度和含水率等角度,结合试验数据探讨了该粘土岩的力学特性的产生机理。本研究可作为我国高放废物地质处置库围岩的筛选参考依据。     

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。     

COx黏土岩三轴压缩蠕变特性及速率阈值试验研究

 黏土岩具有低渗性和自我裂缝修复能力等优点,被用于高放废物地质处置的候选基岩。出于高放废物处置库的长期性及高安全性要求,研究黏土岩的蠕变破坏特征显得极其重要。通过一系列黏土岩的单级三轴压缩蠕变试验,获得Callovo-Oxfordian(COx)黏土岩较为精确的蠕变速率阈值范围。试验结果表明,发生蠕变破坏的蠕变速率阈值与黏土岩的湿度及所处围压等因素有关。总体上,当轴向蠕变速率低于2.5 µε/h,该类黏土岩很难发生蠕变破坏;但若高于58 µε/h,则黏土岩极易发生加速蠕变破坏;而处于两者之间的速率值,目前试验尚无明确结论。该阈值可用于在稳定蠕变阶段判断黏土岩是否会出现加速蠕变破坏。     

高放废物地质处置库中非饱和缓冲层的热-水-力耦合数值模拟

作为高放废物地质处置库中的缓冲/回填材料,膨润土在核废料放出的热量和周围天然岩体中地下水共同作用下,其热-水-力耦合作用效果对处置库的稳定性、安全性有着极为重要的影响。以非饱和土多场耦合理论为基础,基于ABAQUS有限元分析平台,建立二维轴对称模型,对高放废物地质处置库中膨润土缓冲层的热-水-力耦合过程开展了有限元模拟,给出了处置库近场缓冲层中不同位置的温度、饱和度、竖向应力及位移、孔隙水压力及吸力的分布及变化规律,并重点分析了温度场的影响,通过与已有研究成果的对比,证实了所计算结果的合理性。     

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。     

Temperature-controlled triaxial compression/creep test device for thermodynamic properties of soft sedimentary rock and corresponding theoretical prediction

In deep geological disposal of high-level nuclear waste,one of the most important subjects is to estimate long-term stability and strength of host rock under high temperature conditions caused by radioactive decay of the waste.In this paper,some experimental researches on the thermo-mechanical characteristics of soft sedimentary rock have been presented.For this reason,a new temperature-controlled triaxial compression and creep test device,operated automatically by a computer-controlled system,whose control software has been developed by the authors,was developed to conduct the thermo-mechanical tests in different thermal loading paths,including an isothermal path.The new device is proved to be able to conduct typical thermo-mechanical element tests for soft rock.The test device and the related testing method were introduced in detail.Finally,some test results have been simulated with a thermo-elasto-viscoplastic model that was also developed by the authors.     

高放废物地质处置中的地质、水文 地质、地球化学关键科学问题

 深地质处置是目前国际上普遍接受的高放废物最终处置方案。该方案对处置库采用人工屏障和天然屏障的“多重屏障系统”概念设计。天然屏障是处置库长期安全至关重要的保证。如何选择可靠的天然屏障,主要靠地质、水文地质、地球化学等工作来完成。通过对国内外高放废物地质处置研究的回顾,阐述高放废物地质处置研究中与地质、水文地质、地球化学相关的关键科学问题,重点介绍预选场地地质、水文地质、地球化学研究的主要内容、主要方法和手段,讨论目前国际上关注的关键水文地质、地球化学问题,如水文地质、水文地球化学模拟、核素在天然介质中迁移、地下水–废物–岩石相互作用、岩体地球化学封闭性等。     

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。     

新疆阿奇山地段岩体节理特征研究

我国高放废物处置库新疆预选区的阿奇山地段是有利候选地段之一。本次在阿奇山地段进行详细的地质节理调查,以地表露头及采石坑内的节理为主要对象,通过现场节理调查取得节理数据,共测得3680条节理数据。进行节理几何特征的概率分析,对岩体赋存的结构条件进行有效、准确的描述和定量分析,准确地确定岩体节理的分布。由结果可以看出阿奇山地段的岩体节理以陡倾角的剪节理为主,且节理倾向和倾角符合正态分布规律,节理间距用负指数分布规律很好表示,阿奇山地段各区域的节理间距属于宽间距,由此表明此地段岩体完整性较好。本次研究得到阿奇山地段岩体节理基本特征参数,为高放废物深地质处置库的选址、概念库设计以及进行核素迁移规律研究提供翔实的资料。     

高放废物地质处置野马泉预选场地 地下水同位素分析

 野马泉地区是我国高放废物处置库的重要预选区之一,大面积分布的花岗岩是良好的处置库围岩。为认识研究区的水文地质条件,从水文地质角度评价其作为高放废物处置库场地的适宜性,开展同位素水文地质调查工作。野外调查和氢、氧稳定同位素分析结果表明,研究区浅部和深部地下水均源自大气降水补给,浅部地下水主要由现代和区内降水补给形成,而深部地下水则可能由区域降水补给形成。此外,地下水的氚含量数据表明,浅部地下水系统相对开启,水循环交替能力较强。      

高压实高庙子膨润土GMZ01的膨胀力特征

 高放废物深地质处置中，缓冲/回填材料系统起着工程屏障、水力学屏障、化学屏障、传导和散失放射性废物衰变热等重要作用，是高放废物地质处置库长期安全性和稳定性的有效保障。前人研究表明，膨润土是理想的缓冲/回填材料。在归纳总结压实膨润土膨胀力的室内试验研究成果的基础上，采用恒体积试验法研究高压实高庙子膨润土GMZ01的膨胀力特性，该膨润土已经被确定为我国高放废物地质处置库首选缓冲材料。结果表明，高压实高庙子膨润土GMZ01膨胀力随时间的变化曲线是一条渐近线，而时间/膨胀力与时间之间存在很好的线性关系；膨胀力发展过程曲线与吸水量曲线具有明显的阶段性特征；高压实高庙子膨润土的膨胀力和干密度之间存在指数关系，干密度是影响膨胀力的一项重要的因素。所取得的膨胀力特性成果，对于高庙子膨润土膨胀性能的正确判定具有非常重要的意义。     

高放废料地质处置中多场耦合作用下的岩石 破裂问题

 综述岩石力学中热–水–力耦合模型的研究进展,认为在热–水–力耦合作用下的岩石(岩体)破裂过程演化将直接影响高放射性废料地质处置库周围围岩的热力学特性、渗流特性和力学稳定性,进而影响高放射性核素在围岩中的迁移规律。通过建立一种描述热–水–力耦合条件下岩石破裂演化过程的细观力学模型,来揭示热–水–力耦合条件下宏观岩体结构破坏行为。计算分析结果表明,这种模型对于高放废料地质处置的可靠性分析具有重要的科学价值及现实意义。     

核废料处置库近场热-水-力耦合性状

采用高放射性核废料处置库模型试验,以核废料处置库近场的膨润土及岩石为研究对象,建立轴对称模型,选用适当的热、水、力本构方程,运用有限元软件code-bright对核废料处置库关闭后处置库近场的温度场、渗流场、应力场进行考虑TH, HM, TM部分耦合与THM完全耦合的数值模拟分析。得到处置库关闭后近场膨润土及岩石内温度、液体饱和度、应力的变化规律及不同耦合对这些性状影响的敏感度。结果可为核废料处置库的规划、设计以及数值分析时耦合类型的选择提供参考。