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。     

混合型缓冲材料砌块渗透性及其各向异性研究

缓冲材料砌块具备良好的防渗性能,是保证高放废物处置库封闭性的关键。缓冲材料砌块经单轴加载挤压成型,块体尺寸大,测试与评价其渗透性能的均匀性和各向异性,对缓冲屏障设计具有重要价值。研究制备不同干密度的混合型缓冲材料砌块,定向切割获得砌块内部不同位置、不同方向的小试样,开展刚性壁和柔性壁渗透试验,综合评价了混合型缓冲砌块不同方向的水力传导系数。研究结果表明：砌块干密度越大,砌块的水力传导系数越低。所有砌块的水力传导系数均处于10?10 cm/s数量级,沿砌块z、?、r方向的水力传导系数基本相等,表明砌块渗透性具有良好的均匀性和各向同性,且满足高放缓冲材料防渗要求。两种试验方法获得的渗透结果差异较小,柔性壁渗透条件下砌块产生10%～20%的体积膨胀,导致其水力传导系数略大于刚性壁下的平行试样。引入CT试验,分析了渗透前后砌块的微观特性变化。试验证实,在饱和渗透之后,以CT值显示的砌块密度分布趋于均匀,砌块内部存在的微裂隙愈合消失。     

混合型缓冲回填材料膨胀变形试验研究

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,对掺砂率分别为0%、10%、20%、30%、40%和50%的膨润土-砂混合物压实试样进行室内膨胀变形试验。结果表明：膨胀率随时间呈指数增长;掺砂率一定时,最大膨胀率随初始干密度的增大而线性增长;初始干密度一定时,最大膨胀率与掺砂率呈二次函数关系。引入有效黏土密度的概念对最大膨胀率进行计算,建立了任意掺砂率和初始干密度条件下膨润土-砂混合物最大膨胀率归一化模型,为混合型缓冲回填材料在高放废物地质处置中膨胀行为的预测与控制提供了依据。     

缓冲／回填材料与添加剂的选择

缓冲／回填材料是高放废物处置库的重要工程屏障之一。本文着重讨论了处置库多道屏障的意义、国内外的研究概况、添加剂的选择和选择缓冲／回填材料时应注意的问题。     

砌块干密度对回填施工接缝砌块体系的膨胀特性影响研究

通过室内模拟试验,采用膨润土粉末对压实膨润土砌块之间的接缝区进行二次填充,利用自主设计的刚性壁膨胀仪,以砌块干密度为基本变量,对恒体积条件下不同干密度砌块接缝以及砌块顶部的膨胀应力进行监测,分析接缝密封后砌块体系的膨胀特性。试验表明:经二次填充后的含接缝砌块体系,其膨胀应力优先向接缝区域发展,径向膨胀应力发展快于轴向,有利于砌块接缝区域的封闭。在相同接缝充填的条件下,随着砌块初始干密度的增大,砌块体系接缝区域的最终膨胀应力增大,到达最大膨胀应力时间缩短,接缝区域愈合速度加快。由于接缝的存在,砌块区膨润土吸水膨胀后首先对接缝内孔隙进行充填,轴向应力降低,产生“应力补偿”现象。砌块干密度越低,应力补偿现象越明显。根据砌块的轴向应力曲线将砌块轴向应力发展过程分为3个阶段:快速增长阶段、稳步发展阶段和应力调整阶段。其中快速发展阶段主要受砌块初始干密度的控制,而稳步增长阶段则受到水分迁移、侧壁摩擦力以及接缝愈合速率的影响更多。相较于完整样,含充填接缝的砌块体系膨胀应力分布状态趋向于等向应力分布,提高了整个屏障体系的均质化程度。     

高效废物处置库的混合型缓冲回填材料压缩特性研究

高放废物处置库中缓冲回填材料需要预先压缩到一定密实度,其压缩特性对处置库的安全设计、施工及运营有重要影响。目前,国内初步考虑将膨润土-砂混合物作为缓冲回填材料的首选。采用WG型单杠杆固结仪,对不同干密度、掺砂率的膨润土-砂混合物进行侧限压缩试验研究。试验结果表明：随着干密度的增大,压缩系数呈二次曲线减小;随着掺砂率的增大,压缩系数呈非线性增大。通过引入有效黏土密度和有效含水率的概念,对不同干密度、掺砂率的膨润土-砂混合物的压缩系数进行解释,并根据试验数据得到了回归的数学模型,试图为缓冲回填材料的配比优化研究提供相关依据。     

考虑开挖损伤的高放废物地质处置库温度-渗流-应力耦合数值模拟方法

高放废物地质处置库处于温度?渗流?应力（THM）多场耦合环境中,对高放废物处置库进行安全评估时,需进行多场耦合分析。然而,高放废物处置库开挖引起硐壁附近围岩应力重分布,产生损伤,导致围岩热学参数（T）、渗流参数（H）和力学参数（M）发生变化,且在空间上分布不均匀,这将会对运营期处置库THM耦合演化过程产生显著影响。通过分析高放废物处置库温度?渗流?应力三场的耦合原理和处置库围岩损伤的分布和演化规律,定义了损伤变量和损伤演化准则,并将损伤变量与热学参数、渗流参数、力学参数以及多场耦合参数（Biot系数、Biot模量和温度排水系数）建立联系,将围岩损伤与温度?渗流?应力建立联系,形成了一个弹塑性损伤温度?渗流?应力多场耦合数值模型,然后利用建立的模型对瑞士Mont Terri高放废物地质处置库围岩加热试验进行模拟,对比了模拟值和试验值,比较了考虑开挖损伤和不考虑开挖损伤对高放废物地质处置库温度?渗流?应力的影响,并分析了在多场耦合作用下开挖损伤的演化规律。     

掺砂率对高放废物处置库中缓冲/回填材料收缩特性的影响

缓冲/回填材料的收缩特性对高放废物处置库的长期安全性和稳定性具有重要影响。以高庙子（GMZ） 膨润土-砂混 合物缓冲/回填材料为研究对象,探究了0~50%掺砂率下,试样蒸发失水过程中的收缩特性。试验结果表明：（1） 试样的水 分蒸发过程可分为常速率阶段、减速率阶段和残余阶段,且掺砂率对各阶段水分蒸发过程均有显著影响;（2） 掺砂率对试 样缩限值基本没有影响,但收缩应变却随着掺砂率的增大而减小;试样收缩系数在掺砂率为30%时达到最大,之后随掺砂 率的增大而减小;（3） 在不同掺砂率下,试样收缩均呈现出明显的各向异性;（4） 掺砂率越高,试样进气点对应的含水率 越大,最终孔隙比也越大。     

掺砂率对膨润土与砂混合物膨胀特性的影响

膨润土与砂混合物的膨胀特性是评估核废料深层地质处置工程长期性能的重要指标。对比不同膨润土及其与砂混合物的膨胀试验结果可知,对纯膨润土及其低掺砂率混合物,浸水膨胀完成后蒙脱石孔隙比em与竖向应力?v在双对数坐标内呈惟一的线性关系,利用该线性关系可预测浸水完成后不同竖向应力下的体积变化量及不同初始状态对应的膨胀力;对高掺砂率混合物,在砂骨架形成之前,em-?v线性关系成立,随着竖向应力的增大,砂骨架形成,对应的em值脱离em-?v线性关系,混合物中掺砂率越大,脱离该线性关系时的竖向应力就越小。砂骨架形成前,砂颗粒被蒙脱石包围,外力由蒙脱石承担,最终变形量由试样中单位体积蒙脱石的含量决定;砂骨架形成后,竖向应力最终由砂骨架和蒙脱石共同承担。利用砂骨架孔隙比的概念可确定各种不同掺砂率混合物形成砂骨架时的应力起偏点。同时,还可确定混合物能够形成砂骨架的掺砂率范围。     

Experiment and validation of numerical simulation of coupled thermal,hydraulic and mechanical behaviour in the engineered buffer materials

Evaluation of the coupled heat transfer, water flow and stress changes in the engineered clay barrier is an important issue in the performance assessment of the high‐level radioactive waste disposal. To demonstrate the function of the engineered barrier system, the large‐scale experiment is conducted, which is called Big Bentonite facility (BIG‐BEN). The facility consists of an electric heater surrounded by glass beads, carbon steel overpack, buffer material and man‐made rock. The buffer is a mixture of bentonite and sand. The heater is operated at 0·8 kW. Water is injected from the interface between the buffer and the man‐made rocks at the pressure of 0·05 MPa. The duration of the experiment is 20 months. The change in temperature and swelling pressure are continuously monitored and gravimetric water content is measured by sampling. The coupled thermal, hydraulic and mechanical processes are simulated with a finite element code THAMES, which can simulate the fully coupled phenomena in the saturated and unsaturated clay under anisothermal condition. To examine the validity of the code, all the parameters used in the model are evaluated from the other laboratory tests. The simulated results are compared with the measured ones without calibration of the parameter values using the results from the BIG‐BEN experiment. It can be concluded that the changes in temperature and gravimetric water content within the buffer can be simulated reasonably well and that the mechanical effect such as swelling pressure is difficult to realize. Copyright © 2000 John Wiley & Sons, Ltd.     

复合型滑坡固液耦合过程数值模拟分析——以无山坪滑坡为例

固液耦合作用是碎屑流向泥石流转化形成复合型滑坡灾害的关键因素, 会导致成灾范围和规模放大, 是防灾减灾领域研究中的热点和难点问题之一。文中采用自主研发的滑坡后破坏数值模拟平台(LPF3D, Landslides post failure 3D), 以2014年9月强降雨诱发的重庆奉节无山坪滑坡为例, 探讨了滑坡在水动力作用下远程成灾的动力过程, 揭示了固液耦合影响机制。研究结果显示: 水动力作用在滑坡运动过程中主要体现为液化和拖曳两种, 两种力学作用的增程效应明显, 往往使得碎屑流转化为泥石流, 导致远程成灾; 基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法的两相耦合计算模型, 考虑流体状态方程、固体黏塑性本构方程和相间作用力的共同影响, 基本还原了强降雨条件下重庆奉节无山坪滑坡两相运动过程; 数值计算结果显示无山坪滑坡最大运动速度为34 m/s, 最大堆积厚度为21.5 m, 堆积面积为0.12 km2, 最远运动距离为1300 m, 模拟结果同实际滑坡的堆积形态基本一致。综上认为, 在高位远程滑坡风险调查与预测过程中, 需充分考虑强降雨工况下孔隙水压力和固液相间作用, 基于LPF3D方法的数值模拟为高位远程滑坡的风险定量评估提供了依据。     

高放处置罐铁释放诱发膨润土矿物相变研究进展

作为高放废物处置罐候选金属材料,低碳钢在处置库服役期间,其腐蚀产物侵入缓冲屏障,导致缓冲材料矿物相变与性能变异,威胁多重屏障体系的长期安全稳定。本文详细综述了国内外处置库深部还原环境所处的弱碱性化学场与中低温度场的变化趋势,认为处置库深部化学-温度还原条件可导致处置罐Fe腐蚀释放Fe~(2+)。在处置库长期运行过程中,蒙脱石与Fe~(2+)接触发生矿物相变,一方面Fe~(2+)置换蒙脱石八面体晶格中的Al~(3+)和Mg~(2+),还原Fe~(3+)或直接占据空位,生成次生矿物;另一方面Fe~(2+)交换蒙脱石层间的Na~+、K~+和Ca~(2+),转化为铁基蒙脱石。矿物相变可诱发缓冲屏障性能变异甚至退化。基于"抗矿物转化"理念,提出了下一阶段缓冲材料矿物相变研究方向,为地下实验室碳素钢选型、缓冲屏障验证试验设计以及屏障体系安全评价提供科学依据。     

青藏高原热融湖横向扩张速率对湖下融区发展影响的数值模拟

热融湖是高纬度和高海拔富冰多年冻土区重要的自然景观。这些湖由于富冰多年冻土或地下冰的融化而形成,由于湖水向周边多年冻土传递热量而持续扩张。以青藏高原北麓河地区一个热融湖的信息和冻土监测资料为基础,运用柱坐标系下伴有相变的热传导模型模拟了以不同的横向扩张速率演化的热融湖湖下融区的发展过程。结果表明：在青藏高原多年冻土厚度为75 m的北麓河盆地,分别以横向扩张速率0.10 m·a^-1、0.15 m·a^-1、0.20 m·a^-1和0.25 m·a^-1演化的热融湖,在湖形成分别达760 a、703 a、671 a和652 a时,湖下形成贯通融区,相应的多年冻土从上向下融化的平均速率分别为8.22 cm·a^-1,8.89 cm·a^-1,9.31 cm·a^-1和9.74 cm·a^-1。热融湖的横向扩张速率对湖下的融区发展和土壤热状况有重要的影响,在现场调查资料的基础上选取正确的热融湖横向扩张速率是热融湖对多年冻土热状况作用数值模拟研究的必要前提。     

A hydro-geochemical analysis of the saturation process with salt water of a bentonite crushed granite rock mixture in an engineered nuclear barrier

A MX-80 sodium bentonite crushed granite rock mixture is being saturated in the Äspö Hard Rock Laboratory managed by SKB (the Swedish Company of nuclear waste management) as part of the “Backfill and Plug Test Project”. The Äspö Hard Rock Laboratory is placed in the Swedish Island of Äspö, an underground full-scale laboratory where different testing construction procedures and handling techniques are being studied. The groundwater of Äspö has a variable salt concentration according to the zone considered. The added water during the mixing process of both materials had an average salt concentration of 6 g/L. However, backfill is being saturated with salt water containing higher salt content (up to 16 g/L, 50 / 50 of NaCl and CaCl₂ by mass) to speed up the saturation process. The mixture swelling capacity is small due to the low backfill bentonite content, but its activity is still large if compared with natural clayey soils. A coupled hydro-chemical approach was used to simulate the backfill hydration process, comparing the results with in situ measurements. An intrinsic permeability law, depending on salt concentration in the liquid phase, was incorporated into the model. The retention curve was also determined taking into account the effect of the chemical species on backfill behaviour. The simulation of the saturation process shows the importance of studying these problems with a HC (hydro-chemical) formulation, especially if long term behaviour of such mixtures is going to be reproduced.     

有机骨架材料充填地下溶洞的支护性能及稳定性分析

基于有机骨架材料的吸附作用,分析有机物质降低岩石矿物电解质的电导性质的作用机理,通过渗透试验、抗疲劳试验等验证了有机骨架材料良好的透水性能、抗疲劳性能、抗冲击性能及胶结泥化性能,在静载条件下对实际溶洞进行充填应用,验证了充填效果及材料性能,并建立仿真模型研究了下沉位移的变化规律。结果表明：有机复合材料能够使矿物元素活度系数变小,介电常数降低,与矿物颗粒结合后会形成稳定的晶格结构;有机骨架材料作为治理溶洞的充填材料,其结构性、耐久性都优于传统的充填材料,可满足岩溶地面塌陷治理工程中强度、稳定性与渗透性的材料要求,有效的提高了基础的抗沉降能力;实际充填施工过程中的数值分析与现场监测的位移变化规律与沉降趋势都具有较好的一致性,表明数值模拟的计算参数选取合理,得出的仿真变形规律可应用于指导工程施工。