湿化膨胀与掺砂率对混合型缓冲材料THM耦合过程的影响分析

加入辅助骨料后的混合型缓冲材料在保留了材料密封和防渗能力的同时,克服了纯膨润土导热系数低、施工性差的缺点,作为高放废物处置库缓冲材料的备选材料正在成为新的研究热点。基于室内试验数据,以多孔介质非饱和渗流理论为基础,考虑了膨润土湿化膨胀及密度、饱和度、导热系数等材料物理性质参数的实时变化,利用COMSOL Multiphysics软件建立了包含一条巷道及单个井孔的3D网格模型,计算模拟了100 a间屏障系统中膨润土-石英砂混合型缓冲材料的THM多场耦合演化过程,分析了各物理量的时间演化及空间分布规律,并通过不同工况分析了材料湿化膨胀以及掺砂率对屏障系统演化过程的影响。系统中材料温度、饱和度与距固化体、岩壁的距离呈相关性,应力整体以受压为主,变形呈先压缩后膨胀的趋势。其中,膨润土基材料的湿化膨胀作用对温度演化的影响很小,但会略微加速饱和进程,并使材料的应力-应变出现明显的时间演化及区域分布差异。井孔和巷道中靠近岩壁区域的应力上升较快,并且在巷道底板与井孔交界处出现了显著的竖向位移。提高掺量可以有效降低罐体表面温度,增强屏障系统散热能力,降低缓冲材料的历史最大应力,有效控制井孔轴线上的竖向位移,但也会削弱系统的防渗能力。     

混合型缓冲回填材料膨胀力试验研究

与纯膨润土相比,混合型缓冲回填材料（膨润土与石英砂混合物）能够实现防渗阻隔能力、热传导性能、力学强度和可施工性能的最佳组合。选用高庙子钠基膨润土（GMZ001）为缓冲回填材料的主料,添加不同比例的石英砂,对掺砂比分别为0、10%、20%、30%、40%和50%的膨润土-砂混合物压实试样进行室内试验。结果表明,混合物的液限、塑限随掺砂率的增大而线性降低;膨胀力随时间呈指数增长。初始含水率较大时,最大膨胀力随初始含水率的增大略有降低。掺砂率一定时,最大膨胀力随初始干密度指数增长。提出了有效黏土密度的概念,建立了一定初始含水率条件下,任意掺砂率和初始干密度的高庙子膨润土-砂混合物最大膨胀力归一化模型,为混合型缓冲回填材料膨胀力的预测与控制提供了依据。     

混合型缓冲回填材料导热性能试验

为提高高放废物地质处置库中缓冲回填材料的导热性能,选用高庙子钙基膨润土和钠基膨润土为基础材料,添加不同比例的石英砂、石墨和沸石配置成混合型缓冲回填材料,运用瞬变平面热源法进行了不同含水率、不同干密度条件下导热系数的测试分析,并提出了混合型缓冲回填材料的建议配合比。结果表明,缓冲回填材料的导热性能随着含水率、干密度的增大而增大,各材料导热系数的大小排序为:石墨(M)石英砂(S)钠基膨润土(N)钙基膨润土(G)沸石(F)。石英砂和石墨作为添加剂可以极大地提高缓冲回填材料的导热性能,沸石对混合材料导热性影响不大,但其优良的吸附性与化学稳定性可为混合型缓冲回填材料其他性能提供保障。     

复合竖向阻隔屏障技术介绍与对比

为满足环保领域高防渗要求,复合竖向阻隔屏障技术得到了广泛应用。复合竖向阻隔技术是通过引入高性能防渗土工合成材料,与墙体回填材料,如土–膨润土、水泥–膨润土、土–水泥–膨润土等,组成复合防渗结构,以解决单层结构竖向阻隔屏障防渗等级不能满足环保要求的问题。HDPE土工膜竖向阻隔屏障和GCL竖向阻隔屏障是当前复合竖向阻隔屏障技术中的代表性技术,介绍两种复合竖向阻隔屏障技术的基本情况、土工材料连接和技术应用,为技术的选用提供参考。     

混合型缓冲砌块导热性能及其均匀性研究

混合型缓冲砌块作为高放废物地质处置库的缓冲屏障具有良好的导热性能。将高庙子(GMZ)膨润土和标准石英砂混合,依据正交试验原则,控制掺砂率Rs=30%,设置含水率变化为7.0%、11.0%、15.0%,干密度变化为1.60、1.70、1.80g/cm~3,采用半自动化液压机压制成大型缓冲砌块。对砌块进行切割分解,开展热传导试验,建立含水率和干密度与导热性能的关系,了解导热性能的空间分布特征。试验结果表明,随着含水率和干密度的增大,混合型缓冲砌块导热系数显著增大,大致呈线性关系,且平均值均大于国际原子能机构国际原子能机构(IAEA)推荐的导热系数下限值0.8 W/m·K,满足推荐要求;热扩散系数先略微减小再增大,总体也呈增大趋势。对混合型缓冲砌块导热系数的空间分布及均匀性分析发现,砌块四周边缘部位的导热系数比中间部位的波动略大,但总体差异性及非均匀性不明显。采用t检验法对混合型缓冲砌块导热系数均匀性进行检验,发现砌块满足均匀性检验条件,试样均匀。用Johansen模型从物理指标可以预测混合型缓冲砌块的导热系数,偏差在±10%以内。     

混合型缓冲砌块导热性能及其均匀性研究

混合型缓冲砌块作为高放废物地质处置库的缓冲屏障具有良好的导热性能。将高庙子（GMZ）膨润土和标准石英砂混合,依据正交试验原则,控制掺砂率Rs=30%,设置含水率变化为7.0%、11.0%、15.0%,干密度变化为1.60、1.70、1.80 g/cm~(3),采用半自动化液压机压制成大型缓冲砌块。对砌块进行切割分解,开展热传导试验,建立含水率和干密度与导热性能的关系,了解导热性能的空间分布特征。试验结果表明,随着含水率和干密度的增大,混合型缓冲砌块导热系数显著增大,大致呈线性关系,且平均值均大于国际原子能机构国际原子能机构（IAEA）推荐的导热系数下限值0.8 W/m · K,满足推荐要求;热扩散系数先略微减小再增大,总体也呈增大趋势。对混合型缓冲砌块导热系数的空间分布及均匀性分析发现,砌块四周边缘部位的导热系数比中间部位的波动略大,但总体差异性及非均匀性不明显。采用t检验法对混合型缓冲砌块导热系数均匀性进行检验,发现砌块满足均匀性检验条件,试样均匀。采用Johansen模型从物理指标可以预测混合型缓冲砌块的导热系数,偏差在±10%以内。     

北山花岗岩岩屑-膨润土混合材料导热性能研究

高放废物地质处置库缓冲/回填材料的重要作用之一是传导和散失高放废物衰变热,在膨润土中添加石英砂、石墨、花岗岩岩屑等导热性能较好的添加剂是提高缓冲/回填材料导热性能的主要方法。选用北山花岗岩岩屑为添加剂,与高庙子钠基膨润土GMZ01组成混合材料,制备不同含水率、不同密度的试样。使用Hot Disk TPS2500s热常数分析仪测定样品的导热系数,分析其与花岗岩岩屑含量、干密度、饱和度等参数的关系,并运用多种混合物热传导模型分析预测导热系数。研究结果表明,花岗岩岩屑能够有效提高缓冲/回填材料的导热性能,混合材料的导热系数分别与其饱和度、气体体积存在线性关系;Maxwell方程能够较好预测北山花岗岩岩屑-膨润土混合材料的导热系数。     

掺入膨润土中的石墨最大粒径确定方法

核废料处置库缓冲层除要具备良好的隔离防渗外,还需要有卓越的导热性能。为此,论文以钠基膨润土为基础,混入高导热率天然石墨,配置兼具防渗-导热功能的缓冲材料。按照相同的石墨掺入率（20%,质量比）,把最大粒径为50目、100目、200目和325目的石墨分别掺入膨润土,形成均匀的石墨-膨润土混合物。开展膨润土-石墨混合物自由膨胀率、恒体积膨胀力和渗透等水-力特性试验,探讨石墨粒径对膨润土-石墨混合物水-力性能的影响。结果表明,相同石墨掺入率下,最大粒径100~200目的石墨和膨润土混合,可以形成更好的缓冲材料,其渗透系数最小,而膨胀力最大。究其原因,应与石墨-膨润土的接触方式相关。石墨呈扁平状结构,粒径较大时,石墨和膨润土被压实后,容易在扁平结构末端形成未被充填的孔隙;而石墨粒径较小时,石墨和膨润土颗粒接触面积增大,石墨属于憎水性材料,膨润土-石墨界面处提供了更多渗漏通道。研究结论为配置核废料处置库缓冲层材料提供了科学参考。     

中国高放废物地质处置缓冲材料大型试验台架和热-水-力-化学耦合性能研究

缓冲材料作为高放废物深地质处置库中一道重要的人工屏障,与高放废物容器和处置库围岩直接接触,在高放废物衰变热、辐射作用和地下水等影响下产生复杂的热-水-力-化学耦合作用,为了验证缓冲材料是否能长期有效地发挥其屏障材料的作用,核工业北京地质研究院利用高庙子钠基膨润土组装并运行了模拟中国高放废物地质处置室 尺寸的大型缓冲材料膨润土试验台架（China-Mock-Up）。建立了缓冲材料试验台架的安装和试验方法,依据实测数据和理论分析,揭示了热-水-力-化学耦合作用条件下膨润土中的相对湿度是在加热器的热效应和外部供水的湿效应共同作用下发生变化的,压实膨润土中应力的变化主要是由于膨润土遇水膨胀和加热器的热效应引起的,试验验证了模拟高放废物地质处置室内加热器（废物罐）运行初期的位移过程,为缓冲材料和高放废物地质处置库的设计提供了重要的工程参数和理论依据。     

无机盐溶液作用下砂-膨润土竖向隔离屏障材料化学相容性试验研究

土-膨润土竖向隔离屏障广泛应用于城市工业污染场地。化学溶液作用下屏障材料的化学相容性,即渗透系数及其变化程度,是评价防污性能的关键因素。通过柔性壁渗透试验研究重金属铅-锌复合、六价铬作用下砂-膨润土竖向隔离屏障材料渗透系数的变化规律。由于无机盐溶液中铅、锌、钙对膨润土双电层的压缩,铅-锌复合、钙溶液作用下屏障材料试样渗透系数随金属浓度升高而增大。铅-锌复合作用下,金属浓度增至500mmol/L时试样渗透系数增幅达11倍,且无法满足防渗要求。相反,由于铬以阴离子络合形式存在,其对试样渗透系数影响相对小;与未污染状态测定结果相比,渗透系数增幅≤2倍。在膨润土孔隙比基础上,考虑无机盐溶液对膨润土膨胀特性的影响,建立无机盐溶液作用前后砂-膨润土竖向隔离屏障材料渗透系数统一预测方法。     

Modeling of Coupled Thermo-Hydro-Mechanical Processes with Links to Geochemistry Associated with Bentonite-Backfilled Repository Tunnels in Clay Formations

This paper presents simulation results related to coupled thermal–hydraulic–mechanical (THM) processes in engineered barrier systems (EBS) and clay host rock, in one case considering a possible link to geochemistry. This study is part of the US DOE Office of Nuclear Energy’s used fuel disposition campaign, to investigate current modeling capabilities and to identify issues and knowledge gaps associated with coupled THMC processes and EBS–rock interactions associated with repositories hosted in clay rock. In this study, we simulated a generic repository case assuming an EBS design with waste emplacement in horizontal tunnels that are back-filled with bentonite-based swelling clay as a protective buffer and heat load, derived for one type of US reactor spent fuel. We adopted the Barcelona basic model (BBM) for modeling of the geomechanical behavior of the bentonite, using properties corresponding to the FEBEX bentonite, and we used clay host rock properties derived from the Opalinus clay at Mont Terri, Switzerland. We present results related to EBS host–rock interactions and geomechanical performance in general, as well as studies related to peak temperature, buffer resaturation and thermally induced pressurization of host rock pore water, and swelling pressure change owing to variation of chemical composition in the EBS. Our initial THM modeling results show strong THM-driven interactions between the bentonite buffer and the low-permeability host rock. The resaturation of the buffer is delayed as a result of the low rock permeability, and the fluid pressure in the host rock is strongly coupled with the temperature changes, which under certain circumstances could result in a significant increase in pore pressure. Moreover, using the BBM, the bentonite buffer was found to have a rather complex geomechanical behavior that eventually leads to a slightly nonuniform density distribution. Nevertheless, the simulation shows that the swelling of the buffer is functioning to provide an adequate increase in confining stress on the tunnel wall, leading to a stabilization of any failure that may occur during the tunnel excavation. Finally, we describe the application of a possible approach for linking THM processes with chemistry, focusing on the evolution of primary and secondary swelling, in which the secondary swelling is caused by changes in ionic concentration, which in turn is evaluated using a transport simulation model.     

深部厚顶煤巷道围岩变形破坏机制模型试验研究

为研究深部厚顶煤巷道围岩变形破坏特性及其机制,以赵楼煤矿千米深井厚顶煤巷道为工程背景,开展了大比尺地质力学模型试验,对让压型锚索箱梁支护系统作用下的巷道围岩位移、应力演化规律进行的研究表明：巷道顶底板围岩竖向应力释放较两帮剧烈,水平应力释放反之,巷道顶板中部围岩是顶板竖向应力释放的主要部位。通过与现场试验结果对比验证,总结出深部厚顶煤巷道围岩变形破坏的3个主要特征：顶板变形破坏较两帮和底板严重、顶板围岩变形破坏主要发生在煤岩交界面以下的煤体中、巷中是顶板变形破坏的关键部位,并进一步分析了相应机制：顶板煤岩松软破碎、自承能力差、顶板及其巷中竖向应力释放相对更为剧烈、矩形巷道顶板受力状态差等因素,导致顶煤所受径向应力低,碎胀变形剧烈,且弯曲变形、离层严重,顶板受力结构恶化,最终导致顶板控制困难。     

Numerical analysis of canister movements in an engineered barrier system

The mid-term safety of deep geological nuclear waste repositories is based in part on the presence of a buffer, the main role of which is to isolate the environment from radionuclides. A design evaluation of such a repository is necessary to assess the potential vertical canister movement inside the drift that could reduce the buffer efficiency. A thermo-hydro-mechanical (THM) simulation is performed in a vertical cross-section of the drift. The THM couplings are described, and their influences on the mid-term (300 years) response of the engineered barrier system (EBS) are revealed. This study uses an advanced constitutive model to simulate the THM processes that occur in a specific EBS design case. The near-field simulations of the nuclear waste canister are performed in a two-dimensional finite element configuration that considers the effect of gravity. The focus of this study is on the mechanical behaviour of the buffer, which consists of two different forms of bentonite. Such an approach allows realistic consideration of the effect of the wetting and drying of the buffer material in non-isothermal conditions. Due to a specific design that includes bentonite blocks and pellets, the canister is observed to heave slightly during the re-saturation period, which extends up to 100 years.     

断层破碎带隧道突水突泥灾变演化模型试验研究

为研究断层破碎带隧道开挖扰动作用下突水、突泥灾变演化过程,建立了三维地质模型试验系统,以江西永莲隧道F2断层突水、突泥灾害为例,通过大量的材料配比及物理力学性能参数测试,研制出适用于流-固耦合模型试验的新型断层及正常围岩相似材料,对隧道突水、突泥灾害进行研究。试验结果有效地揭示了无支护条件下断层破碎带隧道的洞周位移、渗流压力、应力-应变以及突出物质量等特征参数对时效性的响应规律。随着时间的增长,渗流压力整体呈上升趋势,越靠近开挖面其波动范围及幅度越大;突出物质量在发生突水、突泥灾害前出现短时减小后迅速增加;洞周围岩拱顶以竖向位移为主,而拱腰以水平位移为主;在相同相应力状态下,拱腰位置应变比拱顶位置大。将试验灾变特征与现场实际演化过程进行对比分析,两者结果较为吻合。该系统可广泛应用于其他地下工程的模型试验研究,其研究方法及结果对类似工程研究具有一定的指导和借鉴意义。     

Performance evaluation of soil mixtures treated with graphite and used as barrier fill material for high-level radioactive waste repository

Buffer/backfill material is an important engineering barrier in a deep geological repository of high-level radioactive waste (HLW). Its thermo-hydro-mechanical (THM) performance is very important for the safe and stable operation of the HLW repository system. Natural graphite powder mixed with sodium bentonite forms a buffer/backfill material that can dissipate heat quickly and provide strong isolation. In this paper, the THM characteristics of bentonite–sand–graphite–polypropylene fiber (BSGF) mixtures, used as a buffer/backfill material, were studied through a series of laboratory tests. The influence of graphite and polypropylene fiber contents on thermal conductivity, swelling pressure, hydraulic conductivity, and strength properties of BSGF mixtures with different sand contents was analyzed. Experimental results indicated that the graphite content, the maximum graphite mesh number, and the initial dry density of bentonite–graphite mixtures influenced the thermal conductivity of bentonite–graphite mixtures. The addition of polypropylene fiber was found to enhance the shear strength and inhibit cracking without significantly affecting the expansivity, permeability, and thermal conductivity of the BSGF mixtures. This study provides a new buffer/backfill material that can improve the stability, functionality, and thermal efficiency of the HLW repository.

     

中国高放废物深地质处置的缓冲材料选择及其基本性能

人类的许多生产、生活活动均可能产生不同活度的放射性废物,其中高放废物的安全处置倍受全球科学家和广大公众所重视。目前深地质处置被国际上公认为处置高放废物的最有效可行的方法。借鉴国外成熟的技术和经验,我国采用多重工程屏障系统(包括废物固化体、废物容器及其外包装和缓冲/回填材料)和适宜的围岩地质体共同作用,来确保高放废物与生物圈的安全隔离。膨润土由于具有极低的渗透性和优良的核素吸附等性能而被国际上选作缓冲材料的基础材料。经过全国膨润土矿床筛选,我国高放废物深地质处置库缓冲材料的研究以产自高庙子膨润土矿床深部的钠基膨润土作为基本组成材料。本文介绍了高庙子膨润土矿床的地质特征以及高庙子钠基膨润土的基本特征。该膨润土与国外同类型材料相比具有蒙脱石含量高(75%左右)、杂质矿物相对较少的特点,该材料的系统和深入研究对于开发我国缓冲回填材料技术、确保高放废物的安全有效处置有重要意义。     

深井孤岛工作面巷道围岩采动应力分区演化特征

针对深井孤岛工作面煤巷大变形问题,采用现场实测手段研究了回采过程中巷道和采空区应力动态演化规律以及巷道围岩变形破坏演化特征。研究结果表明：深井孤岛工作面巷道围岩应力演化与变形破坏具有显著的阶段性特征,工作面前方大于250 m范围,巷道围岩未受采动影响,围岩应力变化较小且变形主要集中在底板与煤柱肩窝;工作面前方100～250 m支护结构受力增大,巷道浅部围岩破碎,顶底板移近及煤柱内挤变形突出,巷道出现明显的非对称变形破坏;工作面前方100 m为强烈采动影响阶段,尤其是在工作面前方20～22 m围岩垂直应力与空间主应力变化比较剧烈,顶底板移近与两帮内挤变形更加突出,巷道围岩表现出明显的大变形破坏特征。根据采空区应力分区特征分析了顶板覆岩结构的动态演化过程。结合应力与变形破坏演化特征,提出了巷道支护对策,以期为深井巷道围岩控制提供一定指导。