本文關(guān)鍵詞： 高放廢物處置 稀疏不規(guī)則裂隙巖體 熱源 裂隙水流速 三維水流-傳熱 溫度應(yīng)力 模型試驗(yàn) 離散元模擬　出處：《北京交通大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：地下深部處置是高放射核廢物永久處置的一種可行方案。為評估高放廢物處置庫的安全性,需要研究處置庫近場裂隙巖體水流-傳熱對溫度與應(yīng)力影響的規(guī)律。本文的研究內(nèi)容和主要結(jié)果如下:(1)選取高放廢物處置庫重要預(yù)選場區(qū)甘肅北山地區(qū)的花崗巖,制作750mm(寬)×300mm (厚)×1000mm (高)的稀疏不規(guī)則裂隙巖體模型,研究熱源溫度和裂隙水流速度對巖石溫度和應(yīng)力的影響。結(jié)果表明,斜裂隙水主要從側(cè)部進(jìn)水口流向側(cè)部出水口,豎裂隙水主要從頂部進(jìn)水口流向底部出水口,斜與豎裂隙在交匯處存在微小流量交換;由于熱源與巖石間存在間隙,加熱熱源后,間隙中的水始終發(fā)生著自然對流換熱現(xiàn)象,呈現(xiàn)出上層巖石溫度較高的特性;巖石熱傳導(dǎo)和斜裂隙水流對溫度分布起控制作用,豎裂隙水流對巖石橫向熱傳導(dǎo)起阻滯作用;由于熱源位置的局部性、巖石熱傳導(dǎo)及水流傳熱的不規(guī)則性,上層巖石形成從左向右為主的傳熱路徑,中、下層巖石形成從上向下為主的傳熱路徑;由于上、下層巖石溫度梯度較小,巖石收縮受熱拉應(yīng)力,中層巖石溫度梯度較大,巖石膨脹受熱壓應(yīng)力;熱源溫度越高,裂隙水流速越低,巖石溫度越高,并且?guī)r石應(yīng)力越大,系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需要的時(shí)間越長;填砂裂隙強(qiáng)化了裂隙介質(zhì)的熱導(dǎo)能力,巖石溫度和熱應(yīng)力均高于無填充時(shí)巖石溫度和熱應(yīng)力;試驗(yàn)過程中裂隙水無相變產(chǎn)生,溫度與水流速度對測點(diǎn)水壓影響很小。(2)建立了稀疏不規(guī)則裂隙巖體模型水流-傳熱對溫度和應(yīng)力影響的三維離散元模型,對比分析了模型試驗(yàn)各工況下裂隙巖體的溫度和應(yīng)力,同時(shí)分析了裂隙開度與邊界條件對裂隙巖體溫度的影響。離散元模擬表明,從瞬態(tài)到穩(wěn)態(tài),巖石的溫度梯度逐漸減小,裂隙兩側(cè)巖石等溫線的不連續(xù)性逐漸增大,斜裂隙水流對遠(yuǎn)離熱源的中層巖石的傳熱路徑影響越來越明顯,上層巖石形成從下向上為主的傳熱路徑,中、下層巖石形成從左向右為主的傳熱路徑;模型邊界間隙對遠(yuǎn)離熱源巖石的溫度和傳熱路徑影響較明顯;上、中、下三層巖石均受熱壓應(yīng)力,應(yīng)力增量隨溫度梯度的增大而增大,大主應(yīng)力的方向近似垂直于斜裂隙面與豎裂隙面的交線。由于現(xiàn)有3DEC軟件不能考慮水的熱物性參數(shù)隨溫度的變化,離散元模擬中巖石熱傳導(dǎo)與豎裂隙水流的耦合早于斜裂隙,巖石熱傳導(dǎo)與斜裂隙水流和鄰近熱源側(cè)的豎裂隙水流對溫度分布起控制作用;熱源溫度越低,裂隙水流速越高,裂隙開度越大,巖石溫度越低,并且?guī)r石應(yīng)力越小,系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需要的時(shí)間越短;裂隙水低流速時(shí)的熱傳導(dǎo)占主導(dǎo)作用,裂隙水高流速時(shí)的對流傳熱占主導(dǎo)作用,裂隙交匯處存在局部熱對流。(3)考慮HLW玻璃固化體冷卻30a后的熱功率與高放廢物處置庫近場裂隙水流-傳熱作用,利用3DEC軟件分析了裂隙水流-傳熱對高放廢物處置庫近場溫度的影響。裂隙水流離廢物罐越遠(yuǎn),裂隙附近巖石溫度越低,巖石熱傳導(dǎo)與裂隙水流傳熱的耦合作用越微弱,對巖體的中部水平剖面的溫度場影響越不明顯,對巖體中部垂直剖面的溫度場影響較明顯;由于裂隙水流的吸熱降溫作用,裂隙巖體模型的廢物罐表面膨潤土溫度低于完整巖體模型廢物罐表面膨潤土溫度,且縮短了達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需要的時(shí)間;距廢物罐較近的裂隙水流上游區(qū)域廢物罐表面膨潤土溫度顯著低于裂隙水流下游區(qū)域廢物罐表面膨潤土溫度,距廢物罐較遠(yuǎn)的裂隙水流對上、下游區(qū)域廢物罐表面膨潤土溫度影響較小;在設(shè)定條件下,裂隙巖體模型的廢物罐表面膨潤土最高溫度約是完整巖體模型廢物罐表面膨潤土最高溫度的75%,裂隙水流速度從0. 2mm/s增大到0. 5mm/s,廢物罐表面膨潤土最高溫度降低了約4%,裂隙開度從0. 5mm增大到0. 7mm,廢物罐表面膨潤土最高溫度升高了約3%。
[Abstract]:In order to evaluate the safety of high - level radioactive waste disposal bank , it is necessary to study the influence of water flow - heat transfer on temperature and stress in the near - field fractured rock mass . ( 2 ) A three - dimensional discrete element model of water flow - heat transfer on temperature and stress is established , and the influence of fracture opening degree and boundary condition on the temperature of fractured rock mass is analyzed . ( 3 ) Considering the thermal power of the HLW glass cured body and the near - field crack water flow - heat transfer function of the high - discharge waste disposal bank , the influence of the fracture water flow - heat transfer on the near - field temperature of the high - discharge waste disposal tank is analyzed by 3DEC software . The temperature of the surface of the waste tank surface of the fractured rock mass model is lower than that of the surface bentonite of the waste tank at the lower reaches of the rock mass .

【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TU45

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1474249