【摘要】：核電是一種成熟、清潔、可調(diào)度和經(jīng)濟(jì)的技術(shù),在加強(qiáng)能源供應(yīng)安全和減緩氣候變化過程中正發(fā)揮越來越重要的作用。伴隨核電事業(yè)的高速發(fā)展,安全有效地處理和處置高放廢物成為了不可回避的問題。深部地質(zhì)處置高放廢物被認(rèn)為是目前技術(shù)可靠、安全可行的處置方法。高放廢物地質(zhì)處置庫包含多重屏障位于距地表500-1000m的地下,圍巖作為阻止放射性物質(zhì)進(jìn)入環(huán)境的最后自然屏障,其物理力學(xué)性質(zhì)是決定地質(zhì)處置庫能否長期安全運營的重要因素。綜合而言,高放廢物地質(zhì)處置庫的圍巖所處環(huán)境具有埋深大、滲透壓大、溫度高等特點,短期內(nèi)受開挖擾動、地下水滲透等因素共同作用,巖體初始應(yīng)力場出現(xiàn)變化,從而引起圍巖力學(xué)特性和滲透特性發(fā)生變化。并且從長期角度看,地質(zhì)處置庫圍巖因地應(yīng)力、滲流、核素衰變放熱、化學(xué)侵蝕而導(dǎo)致時效力學(xué)特征和滲透特性的改變,也將對處置庫的長期安全性能產(chǎn)生顯著影響。因此,開展對滲流條件下地下實驗室及處置庫近場圍巖時效力學(xué)行為與滲透率演化規(guī)律的深入研究,有助于確定合理的工程設(shè)計與實施方案,對我國2050年高放廢物地質(zhì)處置庫的成功建設(shè)與運營具有重要意義。本文首先利用分?jǐn)?shù)階微積分方法,以低滲介質(zhì)中常見的非達(dá)西滲流問題為研究對象,建立了分?jǐn)?shù)階Swartzendruber方程,從新的角度分析了非達(dá)西滲流現(xiàn)象;以高放廢物地質(zhì)處置庫為研究背景,開展了甘肅北山花崗巖三軸壓縮條件下的滲流實驗,獲得了在不同應(yīng)力條件下北山花崗巖滲透率的演化特征,探討了滲透率演化內(nèi)在機(jī)理,并分析了體積應(yīng)變與滲透演化的相關(guān)關(guān)系,建立了峰值強(qiáng)度前滲透率與體積應(yīng)力的函數(shù)關(guān)系;開展了不同圍壓下的花崗巖分級加載蠕變實驗,獲得了花崗巖三軸蠕變破壞特征,分析了穩(wěn)定蠕變、非穩(wěn)定蠕變階段下的變形和變形速率,運用分形導(dǎo)數(shù)理論建立了考慮損傷演化的花崗巖蠕變本構(gòu)模型,通過單級加載實驗驗證了模型的有效性;在此基礎(chǔ)上,結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)開展了花崗巖蠕變滲流實驗,獲得了流固耦合條件下聲發(fā)射信號特征、滲透率演化特征和蠕變變形特征,分析了巖石滲透率與變形速率、體積應(yīng)變之間隨時間的演化關(guān)系,并對比了蠕變壓縮與常規(guī)壓縮滲透率演化規(guī)律的特征;進(jìn)一步運用基于高斯混合模型的統(tǒng)計方法實現(xiàn)了對聲發(fā)射事件的聚類分析,得到了穩(wěn)定蠕變和非穩(wěn)定蠕變過程中張拉裂紋與剪切裂紋的數(shù)量與比例關(guān)系,進(jìn)一步揭示了花崗巖蠕變變形破壞的內(nèi)在機(jī)理;將所構(gòu)建的分形導(dǎo)數(shù)蠕變本構(gòu)模型拓展到三維空間,并在數(shù)值積分化處理后將其嵌入到數(shù)值軟件計算平臺,模擬分析了開挖后深部地下實驗室近場圍巖蠕變變形及其對滲透率的影響。本文主要的研究工作與成果歸納如下:1.針對低滲介質(zhì)非達(dá)西滲流問題,應(yīng)用分?jǐn)?shù)階微積分方法建立了新的非達(dá)西滲流運動方程。首先從Darcy定律出發(fā),在Caputo導(dǎo)數(shù)定義下運用Laplace變換法得到了冪函數(shù)形式的Hansbo滲流運動方程。其次,針對Hansbo方程分段函數(shù)區(qū)間難以確定的特點,建立了連續(xù)函數(shù)形式的分?jǐn)?shù)階Swartzendruber運動方程,并證明了當(dāng)?(28)1時分?jǐn)?shù)階方程與原Swartzendruber方程函數(shù)表達(dá)式一致。最后,基于分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)Swartzendruber運動方程,對膨潤土和土石混合體兩類介質(zhì)的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合,分?jǐn)?shù)階滲流模型對兩類滲流實驗數(shù)據(jù)吻合結(jié)果良好。2.通過開展花崗巖三軸壓縮滲流實驗,系統(tǒng)研究了花崗巖變形破壞特征與滲透率演化規(guī)律。實驗結(jié)果表明,甘肅北山深部花崗巖的水測初始滲透率在10~(-19)m~2左右,滲透率隨應(yīng)力演化表現(xiàn)為先減小后增加的“V”型演化趨勢,其最小值出現(xiàn)在峰值強(qiáng)度前,較初始值下降1個數(shù)量級,并在峰值破壞前增大1~2個數(shù)量級。建立了滲透率與體積應(yīng)力的雙指數(shù)函數(shù)數(shù)量關(guān)系,對峰前實驗數(shù)據(jù)擬合結(jié)果效果較好。圍壓對峰值強(qiáng)度起強(qiáng)化作用,滲透壓表現(xiàn)為弱化作用。滲透率下降階段,圍壓對滲透率起抑制作用,滲透壓起促進(jìn)作用,而二兩者在擴(kuò)容階段對滲透率未成規(guī)律性影響,說明了花崗巖滲透率演化是由裂紋擴(kuò)展與貫通所共同決定的。滲透率最小值對應(yīng)的體積應(yīng)變小于擴(kuò)容點處體積應(yīng)變。3.開展了不同圍壓下的分級加載三軸蠕變實驗。首先得到了花崗巖試件蠕變變形的特征規(guī)律,即表現(xiàn)為低圍壓下的張拉破壞與高圍壓下的剪切破壞。其次,對瞬時應(yīng)變與蠕變應(yīng)變的分析結(jié)果表明,前者與偏應(yīng)力呈線性關(guān)系,后者與偏應(yīng)力成指數(shù)關(guān)系,并且蠕變變形占比隨應(yīng)力增加呈上升趨勢。在此基礎(chǔ)上,針對西原模型存在未考慮損傷因素、難以描述加速階段的問題,根據(jù)元件組合原理,引入分形導(dǎo)數(shù)理論構(gòu)建了考慮損傷的蠕變本構(gòu)方程。通過實驗結(jié)果驗證,該模型可以很好的描述花崗巖三階段蠕變問題,擬合效果較原西原方程更理想。并且參數(shù)取值結(jié)果表明,西原方程是新方程的特殊情況。4.結(jié)合聲發(fā)射測試技術(shù),進(jìn)一步開展了不同圍壓下的花崗巖蠕變滲流室內(nèi)實驗。在蠕變實驗過程中,按相同時間間隔利用壓力脈沖衰減法對花崗巖滲透率進(jìn)行了測量,并用聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)實時記錄了聲發(fā)射特征參數(shù)。實驗結(jié)果表明,與三軸壓縮滲流規(guī)律相似,花崗巖滲透率隨偏應(yīng)力水平的提高總體上呈現(xiàn)先減小后增加的整體趨勢。不同點在于,巖樣滲透率在體積擴(kuò)容點前出現(xiàn)了滲透率趨于穩(wěn)定的階段,即在該階段內(nèi)未出現(xiàn)因體積壓縮變形、偏應(yīng)力增大而導(dǎo)致滲透率減小的現(xiàn)象,滲透率在此階段基本保持不變;擴(kuò)容點后,滲透率隨體積應(yīng)變減小而增大,進(jìn)入加速蠕變階段,滲透率呈指數(shù)增長。論文還分析了裂紋的閉合、擴(kuò)展與貫通是蠕變條件下花崗巖滲透率分階段演化的主要原因,得出滲透率與體積應(yīng)變的量化關(guān)系適合以分段函數(shù)描述的結(jié)論。研究了聲發(fā)射特征參數(shù)中的振鈴計數(shù)率與能量率,發(fā)現(xiàn)兩者與蠕變速率呈正相關(guān)關(guān)系,與圍壓大小負(fù)相關(guān),累計振鈴計數(shù)-時間曲線與應(yīng)變-時間曲線演化趨勢相同。研究結(jié)果表明,相較于體積壓縮階段,體積擴(kuò)容階段的聲發(fā)射事件活躍,表現(xiàn)為振鈴計數(shù)率、能量率的明顯增加,可以作為判別加速蠕變破壞階段的前兆特征。在獲得以上認(rèn)識的基礎(chǔ)上,運用高斯混合模型對聲發(fā)射事件特征參數(shù)RA、AF進(jìn)行了統(tǒng)計聚類分析,得到了蠕變實驗中聲發(fā)射事件對應(yīng)的裂紋破壞模式。統(tǒng)計聚類結(jié)果表明,張拉裂紋是穩(wěn)定蠕變階段的主要破壞形式,巖樣最終的蠕變破壞是以剪切裂紋數(shù)量的顯著上升為標(biāo)志,并且高圍壓下剪切裂紋為主要破壞形式。5.基于本文建立的變系數(shù)分形導(dǎo)數(shù)本構(gòu)模型,將其按三維應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行拓展,并轉(zhuǎn)換為數(shù)值積分形式嵌入到OpenGeoSys有限元數(shù)值計算平臺。以深部地下實驗室開挖后蠕變變形過程為工程背景,對蠕變變形及其對近場圍巖滲透性能的影響進(jìn)行了數(shù)值計算與分析。數(shù)值模擬結(jié)果顯示,不同圍壓條件下圍巖蠕變變形主要集中在大約3m范圍的近場圍巖中;隨著圍壓增大,地下實驗室頂部和底部近場圍巖的蠕變變形相應(yīng)增大,而圍壓對側(cè)面的蠕變變形影響較小,且發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)蠕變變形對近場圍巖滲透性能的影響不明顯。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TU45
【圖文】：

驗室在復(fù)雜應(yīng)力條件下的滲透性和穩(wěn)定性分析提供基礎(chǔ)數(shù)與步驟裝置簡介軸壓縮滲透實驗在四川大學(xué)新能源與低碳技術(shù)研究院法國ial V4 三軸巖石力學(xué)實驗系統(tǒng)上進(jìn)行(圖 3.1)。該實驗系統(tǒng) 3 套獨立控制模塊組成，可提供最大軸壓 500MPa、水壓最大可達(dá) 50MPa，能夠進(jìn)行單軸和三軸壓縮實驗、滲驗等。采用線性差分位移傳感器（LVDT）測量軸向位移石試件中部的環(huán)向變形引伸計測量。整套設(shè)備能夠通過流量等 4 種方式進(jìn)行加載，可以實時對荷載、位移、試件值進(jìn)行記錄，并能夠在實驗過程中同步繪制荷載-位移間關(guān)系曲線。

其測試原理為(如圖3.2)：被測試件連接入口端、出口端兩個容器，容器內(nèi)充滿測試流體，施加初始滲透壓p0，使得兩個容器及試件內(nèi)部滲透壓達(dá)到平衡狀態(tài)；瞬時對入口端容器施加滲透壓 p ，在入口端滲透壓達(dá)到0p p 的同時，關(guān)閉入口、出口端閥門，以保證兩個容器及試件內(nèi)部三者聯(lián)通并與外部隔絕沒有流體交換；兩個容器由于內(nèi)部滲透壓差 p 的存在，會驅(qū)動測試流體經(jīng)過被測巖石試件發(fā)生流動，表現(xiàn)為入口端容器壓力逐漸下降到最終平衡壓力fP ，出口端壓力逐漸上升到fP ；記錄入口端、出口端隨時間的壓力變化值，通過壓降公式(3.2)計算指數(shù)衰減系數(shù) 進(jìn)而得到 k：dtu fu dVP P p eV V (3.2)其中1 1( )f u dkAC L V V

圖 3.3 花崗巖標(biāo)準(zhǔn)試件Fig.3.3 Illustration photosofgranite samples衍射物相定量分析技術(shù)是測量巖石中各種礦物含量的量分析的理論基礎(chǔ)是：物質(zhì)具有各自獨立特征的衍射衍射圖譜與其他成分互不相關(guān)，礦物試樣總體的衍射的衍射圖譜疊加而成，單相成分的衍射強(qiáng)度隨該相成因而可以根據(jù)衍射線強(qiáng)度計算巖石試樣的不同礦物成分分析實驗設(shè)備采用日本理學(xué) TTR-Ⅲ多功能 X 射線“沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物 X 射線衍射分，其中黏土成分相對占比采用“K 值法”計算確定。測試花崗巖巖樣的礦物成分為石英、鉀長石、斜長石石和黏土，各成分含量占比為 26.0%、18.1%、27和 9.4%。其中黏土礦物成分包括蒙皂石、伊利石和綠為 7%、75%和 18%�；◢弾r試件 X 射線衍射圖譜見4000[hgyt.asc][hgye.asc][hgyn.asc].3463

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2800471