核废料处置概念库近场热-水-应力耦合模型及数值分析

特别考虑了缓冲层中温度梯度水分扩散、水蒸汽扩散对水连续性及能量守恒的影响,进一步完善了所建立的分析饱和-非饱和介质中热-水-应力耦合现象的控制方程,并针对试验资料,使用所开发的有限元程序对一个核废料处置概念库近场的热-水-应力耦合过程进行了数值模拟,考察了缓冲层及岩体中若干点的温度、饱和度、孔隙水压力及主应力的变化、分布情况,并将部分结果与国外类似软件的计算数据作了对比,结果显示,在定性和定量上二者的规律有某种一致性,从而得出了一定的认识。     

核废料处置概念库开挖及封闭后近场热-水-应力耦合数值分析

考虑了缓冲层中温度梯度水分扩散、水蒸汽扩散对水连续性及能量守恒的影响,进一步完善了饱和-非饱和介质中热-水-应力耦合现象的控制方程。应用缓冲材料的实验资料,对核废料处置概念库开挖及封闭后近场的热-水-应力耦合过程进行了数值模拟,以考察围岩中的位移、塑性区、主应力、孔隙水压力和温度的分布及变化。认为开挖是引起洞室围岩中的变形及应力重新分布的主要原因,但坑道封闭后的热-水-应力耦合过程对变形及应力状态也产生了明显的影响。     

核废物地质处置模型试验近场热-水-应力耦合数值模拟

笔者描述了所建立的饱和-非饱和介质中热-水-应力耦合现象的控制方程。针对国际合作项目DECOVALEX II 中Task-2的核废物地质处置轴对称模型试验及计算参数,使用所研制的有限元程序进行了热-水-应力耦合过程模拟。对缓冲层及岩体中若干部位的温度、含水量及接触应力的分布、变化进行了分析, 并将其与量测值和使用THAMES程序的计算结果作了比较,看到了三者的异、同之处,并指出了可能的影响原因。通过与量测值和THAMES程序的计算结果的对比,显示了笔者所研制的有限元程序在热-水-应力耦合数值分析中是可靠和实用的。     

孔隙气压对核废物地质处置热-流-固耦合影响的有限元分析

为考察孔隙气体压力对高放废物地质处置中的热-流-固耦合过程的影响,借用Leiws等建立的可变形孔隙介质中非等温空气流和水流模型,在其水连续性方程中加入了温度梯度引起的水分扩散项,研制出相应的热-水-气-应力耦合弹塑性二维有限元程序。针对一个假定的高放废物地质处置库模型,在相同的初始温度、孔隙水压力和岩体应力条件下,取3种缓冲层中的初始孔隙气体压力,通过数值模拟考察了处置库近场的主应力、饱和度、气和水的流速、温度和孔隙压力的分布与变化。结果显示,当缓冲层中的初始孔隙气压力较高时,其对围岩中应力影响较大。     

热-水-应力耦合条件下三项因素对核素迁移影响的有限元分析

目前在放射性核素随地下水迁移的研究中还很少涉及温度场和应力场的影响。针对这一问题,引入渗透迁移方程,将所开发的饱和-非饱和孔隙介质中热-水-应力耦合弹塑性模型及其二维有限元程序进行了扩展和改进,使之可以同步地对温度场、渗流场、应力场和放射性核素浓度场的变化进行解析。对一个假想的核废料处置库算例,通过分别改变影响地下水中核素迁移的3个因素：渗透系数、分配系数和分子扩散系数,考察了在热-水-应力-迁移耦合作用条件下近场放射性核素浓度的分布及变化,从而认识到：当缓冲层的渗透系数小到一定程度后,缓冲层中核素迁移基本不再受渗流场的影响;缓冲层分配系数越小,分子扩散系数越大,核素迁移越快。     

核废物地质处置中热-水-应力耦合对迁移影响的三维有限元模拟

将所建立的热-水-应力-迁移耦合模型及开发的有限元程序,由二维分析拓展到三维分析,并从方法论研究的角度,以一个简单的核废物地质处置模型为算例,进行热-水-应力-迁移耦合过程的三维数值模拟,考察了近场的温度、饱和度、核素浓度、孔隙水压力、位移、正应力、流速等的分布与变化,认为计算结果符合规律,得出了若干结论：为了精确地模拟放射性核素迁移,就必须将温度场、渗流场、应力场和核素浓度场进行耦合分析;核废物埋存若干年后将在处置孔壁附近产生较高的压应力;缓冲层内各点的核素浓度达到相对稳定的时间要比温度和饱和度达到相对稳定的时间长得多。     

渗透系数对渗流速度影响的热-水-应力耦合二维有限元分析

使用建立的饱和-非饱和介质中热-水-应力耦合弹塑性模型,取一组真实的缓冲材料、岩体及贮存容器（用加热器代替）的物理力学指标作为基本计算条件,以一个假想的核废料处置库为模拟对象,就高、中、低3种渗透系数进行了二维有限元数值分析,考察了近场的渗流速度大小及方向的变化,认识到：在其他计算参数相同的条件下,缓冲材料的渗透系数越高,近场的渗流速度越大,缓冲层达到饱和状态也越快;当缓冲层达到饱和状态后,如果玻璃固化体继续放热,有可能使得近场的温度梯度的作用强于水力梯度的作用,导致渗流速度方向发生逆转,即水分由内向外迁移;依渗透系数不同,其渗流速度的大小、方向有显著差异,这也势必引起放射性核素随地下水流动扩散的复杂多变。     

考虑溶质浓度影响的热-水-应力-迁移耦合模型及数值模拟

高放射性核废料地质处置库围岩中地下水的密度因溶质浓度不同而发生变化,这将影响到饱和-非饱和孔隙介质中近场和远场的热-水-应力耦合过程, 同时温度场、应力场也要对地下水中的核素及矿物质迁移产生作用。考虑这两个因素,建立和引入了相关的应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和渗透迁移方程,并研制出了对应分析孔隙介质中热-水-应力-迁移耦合问题的二维有限元程序。通过对一个假定的核废料地下处置库在核素泄漏后多场耦合过程的数值计算,考察了近场围岩中的温度、应力、孔隙水压力、核素浓度的分布及随时间的变化。结果初步显示了所建模型及程序可模拟热-水-应力-迁移耦合现象,因而具有一定的实用性。     

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。     

地质系统热-水-力耦合作用的随机建模初步研究

热-水-力(THM)耦合作用是岩石力学与环境地质中的重要基础理论问题,核废料地质处置库周围的缓冲材料和围岩中的热-水-力耦合现象将影响其力学稳定性、热传导性和渗透性,进而影响放射性核素在裂隙岩体中的迁移规律。核废料或放射性废料的地下深埋处置是国际上正在研究的永久性隔离的有效方法之一。因此,对核废料地质处置法安全性评估的一个重要内容就是对裂隙岩体中力学稳定性与构造应力、地下水渗流及热载荷等的耦合作用之数值模拟和评估。这已成为当前刻不容缓的重要的环境影响评价课题。笔者研究了温度场-渗流场-应力场中热传导系数和渗透率以及岩体力学参数的空间变异性,用实验方法研究三场耦合效应及裂隙岩体的场性能等效处理,试图建立热-水-力耦合作用的随机性数学模型及可视化数值模拟方法,为核废料地质处置安全性评估提供直观的新方法。     

简谐线源荷载作用下热流固耦合地基的动力响应

基于Biot波动理论和广义热弹性理论,对简谐线源荷载（力荷载和热荷载）作用下的热-流-固耦合地基的动力响应问题进行了研究。将地基看成是均质各向同性、完全饱和的多孔半空间介质,利用无量纲化和Fourier变换方法对热-流-固耦合控制方程进行简化,得到了变换域内应力分量、位移分量、温度分布及超孔隙水压力的一般解,并利用Fourier逆变换得到了相应的积分形式解答。通过数值计算对按热-流-固耦合理论、饱和多孔弹性理论和热弹性理论得到的结果进行了比较,同时分析了热-流-固耦合条件下热荷载激振频率对竖向应力、竖向位移、温度分布以及超孔隙水压力的影响。     

非饱和地质体中水-应力耦合二维有限元方法及对锚杆支护的分析

从建立应力平衡方程、水连续性方程入手,采用Galerkin方法将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散,开发出了一个用于分析饱和-非饱和岩土介质中水-应力耦合弹塑性问题的二维有限元程序。然后就一个假定的处于渗流场中的饱和-非饱和土体使用预应力锚杆的支护效果问题进行了模拟计算。结果表明,在有地下水赋存的饱和-非饱和条件下,预应力锚杆的作用主要体现在减少了土体中的塑性区,而对位移的约束依部位而异,其对渗流场的影响不大。     

On the use of effective stress in three-dimensional hydro-mechanical coupled model

In the last decades, a number of hydro-mechanical elastoplastic constitutive models for unsaturated soils have been proposed. Those models couple the hydraulic and mechanical behaviour of unsaturated soils, and take into account the effects of the degree of saturation on the stress–strain behaviour and the effects of deformation on the soil–water characteristic response with a simple reversible part for the hysteresis. In addition, the influence of the suction on the stress–strain behaviour is considered. However, until now, few models predict the stress–strain and soil–water characteristic responses of unsaturated soils in a fully three-dimensional Finite Element code. This paper presents the predictions of an unsaturated soil model in a Three-dimensional Framework, and develops a study on the effect of partial saturation on the stability of shallow foundation resting on unsaturated silty soil. Qualitative predictions of the constitutive model show that incorporating a special formulation for the effective stress into an elastoplastic coupled hydro-mechanical model opens a full range of possibilities in modelling unsaturated soil behaviour.     

热−水−力耦合条件下黏土岩蠕变特性研究

黏土岩作为放射性核废料处置的备选介质,长期处于热-水-力耦合的复杂条件下。为研究围岩的长期稳定性,开展了一系列不同围压和偏应力下的黏土岩加温-降温排水蠕变试验。得出以下结论：温度的升高会提升黏土岩的蠕变速率,延长衰减蠕变阶段的时间,但是降温过程中试样主要以冷缩变形为主,并未见明显的蠕变变形;围压的降低以及偏应力的增加会提高黏土岩的蠕变速率,并且这种影响会随温度的升高明显加剧。基于试验结果,在Perzyna过应力理论的基础上引入蠕变硬化、蠕变损伤以及热损伤,建立了黏土岩热-水-力耦合蠕变模型。通过ABAQUS软件及其子程序对该模型进行数值实现,模拟结果与试验结果的对比初步表明该模型可以很好地描述热-水-力耦合条件下黏土岩的蠕变特性。     

基于DDA方法一种流-固耦合模型的建立及裂隙体渗流场分析和应用

以非连续变形分析方法（DDA）为基础并采用稳态流体计算方法将二者结合进行裂隙岩体流-固耦合分析。利用DDA方法生成裂隙岩体模型,在此基础上采用矩阵搜索等方法形成新的裂隙水通网络模型。采用稳态迭代算法和立方定律求得裂隙水压力,并把裂隙水压力作为线载荷施加到块体边界,在DDA算法中每个迭代步完成后更新裂隙开度和水压值,与DDA算法结合研究裂隙水与块体之间相互作用关系。利用以上裂隙岩体流-固耦合计算方法研究了某水封油库开挖和运行过程洞室围岩流量和密封性,为该工程预测水封效果提供了有益的主要依据,也是国内首次采用DDA方法做大型工程的流-固耦合模型分析。     

Numerical investigation into the effects of geometrical and loading parameters on lateral spreading behavior of liquefied layer

Numerical simulation of liquefaction-induced lateral spreading in gently sloped sandy layers requires fully coupled dynamic hydro-mechanical analysis of saturated sandy soil subjected to seismic loading. In this study, a fully coupled finite element model utilizing a critical-state two-surface-plasticity constitutive model has been applied to numerically investigate the effects of surface/subsurface geometry on lateral spreading. Using a variable permeability function with respect to excess pore pressure ratio is another distinctive feature of the current study. The developed code has been verified against the results of the well-known VELACS project. Lateral spreading phenomenon has been the focus of an extensive parametric study using the developed code. Numerical modeling of three different geometrical forms of surface and subsurface of liquefiable layer indicates that the amount and direction of lateral spreading are noticeably affected by the geometrical conditions. Also, parametric studies by the developed numerical model show that the effects of layer height, maximum ground acceleration, and loading frequency on the level of lateral spreading are significantly different for the examined geometrical condition.     

Fully coupled hydro-mechanical numerical manifold modeling of porous rock with dominant fractures

Coupled hydro-mechanical (HM) processes are significant in geological engineering such as oil and gas extraction, geothermal energy, nuclear waste disposal and for the safety assessment of dam foundations and rock slopes, where the geological media usually consist of fractured rock masses. In this study, we developed a model for the analysis of coupled hydro-mechanical processes in porous rock containing dominant fractures, by using the numerical manifold method (NMM). In the current model, the fractures are regarded as different material domains from surrounding rock, i.e., finite-thickness fracture zones as porous media. Compared with the rock matrix, these fractured porous media are characterized with nonlinear behavior of hydraulic and mechanical properties, involving not only direct (poroelastic) coupling but also indirect (property change) coupling. By combining the potential energy associated with mechanical responses, fluid flow and solid–fluid interactions, a new formulation for direct HM coupling in porous media is established. For indirect coupling associated with fracture opening/closure, we developed a new approach implicitly considering the nonlinear properties by directly assembling the corresponding strain energy. Compared with traditional methods with approximation of the nonlinear constitutive equations, this new formulation achieves a more accurate representation of the nonlinear behavior. We implemented the new model for coupled HM analysis in NMM, which has fixed mathematical grid and accurate integration, and developed a new computer code. We tested the code for direct coupling on two classical poroelastic problems with coarse mesh and compared the results with the analytical solutions, achieving excellent agreement, respectively. Finally, we tested for indirect coupling on models with a single dominant fracture and obtained reasonable results. The current poroelastic NNM model with a continuous finite-thickness fracture zone will be further developed considering thin fractures in a discontinuous approach for a comprehensive model for HM analysis in fractured porous rock masses.