高放废物处置库黏土围岩温度-渗流-应力耦合数值分析_张娟.pdf

引用格式：张娟，梁海安，赵红亮，等高放废物处置库黏土围岩温度渗流应力耦合数值分析安全与环境工程，（）：，（）：高放废物处置库黏土围岩温度渗流应力耦合数值分析张娟，梁海安，赵红亮，仇岩（东华理工大学土木与建筑工程学院，江西 南昌 ）摘要：深地质高放射性废物处置库运营过程中，围岩通常处在复杂的温度渗流应力多场共同影响的地质环境中，在温度渗流应力耦合作用下，合理地确定高放废物处置库硐室间距范围对处置库设计和长期安全稳定性评价尤为重要。基于国内外研究资料，针对塔木素预选区高放废物处置库黏土围岩，使用 有限差分软件模拟计算了种不同的硐室间距，并通过对围岩温度场、渗流场、应力场和变形场进行对比分析，对高放废物处置库硐室间距进行了优化。结果表明：在温度渗流应力三场耦合作用下，高放废物处置库黏土围岩相邻硐室间距最优设计值为 ；当硐室间距小于 时，废物罐中心温度峰值超过了最高温度设计值 ，当硐室间距大于 时，相邻硐室间的影响逐渐减弱，温度峰值逐渐趋近于单硐室。研究结果可为我国高放废物处置库黏土围岩硐室间距优化设计提供参考依据。关键词：高放废物处置库；黏土围岩；温度渗流应力耦合；数值模拟中图分类号：；文章编号：（）收稿日期：开放科学（资源服务）标识码（）：基金项目：国家自然科学基金项目（）作者简介：张娟（），女，硕士研究生，主要研究方向为核废料深地质处置。：通讯作者：梁海安（），男，博士，副教授，主要从事岩土工程与地下空间工程方面的研究。：，（，）：，第 卷第期 年月安 全 与 环 境 工 程 ，：；中国是能源大国，随着人们日益增长的能源需求以及生态环境保护意识的增强，新能源开发显得尤为重要。核能作为一种新能源，具有能量密度大、成本费用低、不产生大气污染等优势，但使用过程中会产生具有毒性大、半衰期长、放热等特点的高放射性废物（以下简称高放废物）。在高放废物深地质处置过程中，围岩通常处于复杂的温度渗流应力多场共同影响的地质环境中，在温度渗流应力耦合作用下对高放废物处置库硐室间距进行优化是处置库设计和长期安全稳定性评价的关键。目前，国内外诸多学者对高放废物处置库黏土围岩温度渗流应力三场耦合进行了大量的研究。在硐室间距设计方面，刘月妙等在温度应力耦合作用下，利用二维有限差分软件对高放废物处置库在不同硐室间距时的情况进行了模拟计算，以获得温度场、应力场、变形场的变化规律，计算结果表明当废物罐中线距离为倍沉积隧洞孔径时，缓冲材料中最高温度控制在 左右；刘文岗等使用三维有限差分软件对数百年内高放废物地质处置库围岩进行了热力耦合模拟与分析，结果表明在设定的释热强度下，为处置坑合理间距；等利用 软件，分别对高放废物处置库竖向和水平向处置方式进行了模拟计算，并研究了隧道间距和废物罐间距对废物罐表面温度的影响，计算结果表明对于竖向处置方式，较合理的隧道间距和废物罐间距分别为、，而水平向处置方式则为、；通过建立高放废物处置库三维热分析数值模型，结果发现减小废物罐间距对温度场的影响比减小隧道间距更为明显。在岩体温度渗流应力耦合本构模型方面，龚哲等基于不同温度下 黏土的不排水三轴试验，建立了基于准则的 黏土热力耦合弹塑性损伤模型，得到了热力耦合损伤演化方程，并将模型在 有限元软件中进行了本构模型程序开发，通过原位试验对模型进行了验证；等通过分析巷道黏土围岩在开挖过程中的水力耦合行为和剪切带应变局部化演化，研究了黏土岩巷道周围大规模开挖下开挖损伤区的扩展情况，并进行了现场试验结果与数值模拟结果的相互验证；侯会明等 将损伤变量与围岩热理论模型参数、渗流模型参数、热流体力学模型参数和多场耦合作用模型参数建立联系，从而形成了一个岩体弹塑性损伤应力温度渗流三场耦合作用模型，并分析了在多场耦合作用影响下的围岩开挖破坏演化规律；赵艺伟等 建立了考虑开挖损伤影响的高放废物地质处置库围岩温度渗流耦合模型；等 提出了干热岩固流热传质耦合模型；赵阳升等 提出了干热岩地热开发的块裂介质固流热耦合模型；等 针对盐矿水溶开采、油页岩原位热解开采提出了岩体变形渗流传热传质的耦合理论模型。基于上述研究，本文采用 有限差分软件中最为传统、应用最为广泛的 岩体弹塑性损伤模型，建立了一个将岩体热学参数、渗流参数和力学参数结合起来的岩体弹塑性损伤温度渗流应力耦合关系模型，并根据国内外研究资料建立模型，使用 有限差分软件对塔木素预选区高放废物处置库黏土围岩在温度渗流应力耦合作用下进行数值模拟计算，对种不同硐室间距下处置库温度场、渗流场、应力场和变形场的变化特征进行对比分析，初步得到黏土围岩力学、水力学和热力学特征，最终确定高放废物处置库黏土围岩设计中更为合理的硐室间距范围，为我国高放废物处置库黏土围岩硐室间距优化设计提供参考依据。数值方法建立目前国内外对于温度渗流应力三场耦合中所采用的岩体温度渗流应力耦合本构模型如表所示，不同研究领域所使用的岩体温度渗流应力耦合本构模型都不尽相同，本文采用了最为传统、应用最为广泛的 岩体弹塑性损伤模型，建立了一个将岩体热学参数、渗流参数和力学参数结合起来的黏土围岩岩体弹塑性损伤温度渗流应力耦合关系模型，其三场耦合作用过程中各耦合阶第期张娟等：高放废物处置库黏土围岩温度渗流应力耦合数值分析表国内外常用的岩体温度渗流应力耦合本构模型汇总 分类依据公式及物理量含义说明岩体弹塑性损伤温度渗流应力多场耦合模型 岩体弹塑性损伤模型：槡岩体渗流控制方程：岩体温度控制方程：（）上式中：、分别为岩体第一和第二偏应力不变量（）；为岩体 有效应力系数；为 模量（）；（）为岩体等效体积比热容（）；为流体孔隙水压力增量（）；为温度（）；为岩体渗透流速（）；为黏土围岩渗透率（）；为流体密度（）；为流体比热容（）；为流体流速（）；为单位时间内岩体的热流量（）；为初始温度（）；为固体基质体积模量（）；为固体基质应变；为岩体孔隙水压力（）；、为与岩石内摩擦角和黏聚力有关的试验常数；为流体与岩体热效应耦合系数；为岩体热膨胀系数（）。岩体弹脆性损伤温度渗流应力多场耦合模型 岩体屈服函数：（，）（）（，）（）岩体渗流控制方程：岩体温度控制方程：（）上式中：、分别为广义剪应力和平均应力（）；为 角（）；为岩体黏聚力（）；为岩体单轴抗压强度（）；为 模量（）；为岩体孔隙水压力（）；为温度（）；为岩体渗透流速（）；为黏土围岩渗透率（）；（）为岩体等效体积比热容（）；为流体密度（）；为流体比热容（）；为单位时间内岩体的热流量（）；为流体渗透流速（）；表示热源项；为流体与岩体热效应耦合系数。岩体变形渗流传热传质的耦合理论模型 岩体变形控制方程：，（），（），），岩体渗流控制方程：上式中：为岩体剪切模量（）；为岩体泊松比；（）、（）分别为裂缝和基质流体的耦合系数；为热效应的耦合系数；，为方向的温度梯度（）；为流体质量（）；为流体累计速率（）；为流体源项；为时刻渗透流速（）；为岩体 有效应力系数。块裂介质固流热耦合模型 岩体变形控制方程：（），岩体温度场方程：，岩体渗流控制方程：（）（）上式中：、为拉梅常数；为岩体位移（）；为体力（）；为岩体热膨胀系数（）；为岩体温度（）；为岩体热传导系数（）；为岩体热容系数（）；为岩体密度（）；为水的密度（）；为比流量（）；为裂缝空隙率（）；，为方向的温度梯度（）；为岩石强度系数。干热岩固流热传质耦合模型 岩体变形控制方程：（）（），（），岩体渗流控制方程：（，），岩体温度场方程：，上式中：（）、（）为拉梅常数关于温度的函数；为岩体位移（）；为方向的外力（）；为岩体热膨胀系数（）；，为方向的温度梯度（）；为岩体有效应力系数；，为岩体孔隙压力偏导数；为岩石渗透率（）；为气体密度（）；为岩体孔隙水压力（）；为岩体体积应变；为热解气体质量 （）；为岩石密度（）；为岩石比热容（）；为岩石温度（）；为岩石导热系数（）；，为方向的温度梯度（）；为岩体热传递源汇项。段的作用机制如图所示。围岩弹塑性损伤模型高放废物处置库黏土围岩是一种固结程度高、结构坚硬致密的岩石，所以本文采用了最为传统、应用最为广泛的 岩体弹塑性损伤模型。由摩尔库仑屈服函数定义的岩体剪切准则为槡（）由拉应力定义的岩体拉伸准则为（）（）上式中：、分别为岩体最大、最小主应力（）；为岩体抗拉强度（）；为岩体内聚力（）；为岩体内摩擦角（）。当时，则岩体受剪破坏。根据第一强度准则 可知，当时，则岩体受拉破坏。围岩渗流模型高放废物处置库黏土围岩基本处于饱和状态，安全与环境工程 ：第 卷图黏土围岩温度渗流应力三场耦合作用机制 孔隙中流体的运动速度较为缓慢，其有效应力系数和岩石塑性应变受到低孔隙水压力的影响较小。因此，本文采用达西定律来描述黏土围岩的渗流状态：（）式中：为渗透流速（）；为黏土围岩渗透率（）；为孔隙水压力增量（）；为流体的动力黏度系数（）。其中，动力黏度系数随温度的变化关系可表示为（）（）式中：为温度（）。单位体积孔隙介质中流体质量的改变是围岩中孔隙水渗流的最直接驱动力之一，其改变与围岩温度、孔压和围岩的体积变形直接相关，也是围岩温度场和应力场对渗流场产生相互耦合作用的关键之处，本文所采用的围岩渗流本构方程为（）其中，（）（）（）（）上式中：为 模量（）；为流体质量（）；为 流 体 密 度（）；为 孔 隙 水 压 力 增 量（）；为 有效应力系数；为流体热膨胀系数（）；为流体体积模量（）；为岩体孔隙率（）；为固体基质体积模量（）；为岩体热膨胀系数（）。高放废物处置库黏土围岩中，流体在孔隙介质中满足质量守恒定律：（）（）（）将公式（）和（）代入公式（）中，可得到围岩渗流方程为（）孔隙介质热传导模型根据热动力学理论可以推导出孔隙介质热传导方程为（）（）式中：（）为 岩 体 等 效 体 积 比 热 容 （）；为温度（）；为流体密度（）；为流体比热容（）；为流体流速（）；为单位时间内岩体的热流量（）；为初始温度（）；为固体基质体积模量（）；为固体基质应变；为孔隙水压力（）。对于静态、各向同性的岩体，由傅里叶定理可以得出岩体热流量与温度梯度之间的关系为 （）式中：为岩体等效热传导系数（）。由局部热平衡假定，可得到围岩等效热传导系数 和等效体积比热容（）分别如下：（）（）（）（）（）式中：为岩体孔隙率（）；、分别为固体、流体热传导系数（）；为固体基质密度（）；为流体密度（）；为固体基质比热容（）；为流体比热容（）。黏土围岩在温度渗流应力耦合作用下的数值分析根据高放废物处置库场址筛选的技术路线，在候选围岩中建立特殊场址地下实验室是处置库建设的必要环节，因此在建立特殊场址地下实验室之前，需根据实际的地层情况和处置库概念建立高放废物处置库数值分析模型，并通过 有限差分软件，对塔木素高放废物处置库黏土围岩在温度渗流应力三场耦合作用下的硐室间距优化设计进行数值模拟研究。数值分析模型建立根据比利时高放废物黏土围岩处置库概念模型，本文建立水平处置方式的高放废物处置库数值分析模型。处置库硐室直径为，废物罐直径为，并将其放置于处置库硐室中，废物罐外回第期张娟等：高放废物处置库黏土围岩温度渗流应力耦合数值分析填 厚的膨润土。由于高放废物处置库硐室沿硐室轴线延伸，在硐室各处情况一致，因此对模型进行简化，不在硐室轴线上进行延展，模型尺寸设置为 ，处置库硐室间距分别为、，并将模型共计划分为 个网格、个节点。高放废物处置库硐室间距为 的几何模型，见图。图高放废物处置库硐室间距为 的几何模型 在高放废物处置库硐室周围设置监测点，在废物罐中心至膨润土与黏土围岩界面之间以 的间隔设置监测点，黏土围岩中每隔 设置监测点，监测点布置如图所示。通过监测最终得到各监测点的温度、孔隙水压力、最大主应力、最小主应力和变形的变化特征。图高放废物处置库硐室周围监测点布置示意图 模型边界条件及参数确定建立的塔木素黏土围岩处置库模型共设有种边界条件，分别为热学边界、力学边界和渗流边界。其中，与硐室轴线方向平行的个面采取自由散热边界，与硐室轴线方向垂直的个面设置为不散热边界；与硐室轴线方向平行的上边界采用自由边界、底部为固定边界，限制水平位移和竖向位移，侧面限制水平位移；模型四周均为透水边界，设