岩土力学 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (2): 549-562.doi: 10.16285/j.rsm.2021.0993

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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

魏天宇1, 2,王旭宏3,吕涛3,胡大伟1, 2,周辉1, 2,洪雯4   

  1. 1. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室,湖北 武汉 430071;2.中国科学院大学,北京 100049; 3. 中国核电工程有限公司,北京 100840;4. 武汉电力职业技术学院,湖北 武汉 430000
  • 收稿日期:2021-07-05 修回日期:2021-10-27 出版日期:2022-02-11 发布日期:2022-02-22
  • 通讯作者: 胡大伟,男,1981年生,博士,研究员,博士生导师,主要从事岩体工程多场耦合效应等方面的研究工作。E-mail: dwhu@whrsm.ac.cn E-mail:ty_wee@foxmail.com
  • 作者简介:魏天宇,男,1996年生,博士研究生,主要从事高放废物处置中缓冲材料的多场耦合等方面的研究工作
  • 基金资助:
    国家重点研发计划(No. 2018YFC0809600, No. 2018YFC0809601);国家自然科学基金(No. 51779252);中国地质调查局地质调查项目 (No. DD20190128);中国科学院科技服务网络计划(STS计划)项目(No.KFJ-STS-QYZD-174)。

Analysis of the influence of wetting expansion and sand mixing rate on the THM coupling process of hybrid buffer material

WEI Tian-yu1, 2, WANG Xu-hong3, LÜ Tao3, HU Da-wei1, 2, ZHOU Hui1, 2, HONG Wen4   

  1. 1. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan, Hubei 430071, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Beijing 100840, China; 4. Wuhan Electric Power Vocational and Technical College, Wuhan, Hubei 430000, China
  • Received:2021-07-05 Revised:2021-10-27 Online:2022-02-11 Published:2022-02-22
  • Supported by:
    This work was supported by the National Key Research and Development Program of China (2018YFC0809600, 2018YFC0809601), the National Natural Science Foundation of China (51779252), the Geological Survey Project of China Survey (DD20190128) and the Science and Technology Service Network Initiative of the Chinese Academy of Sciences (KFJ-STS-QYZD-174).

摘要: 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。

关键词: 高放废物, 屏障系统, 湿化膨胀, 混合型缓冲材料, 数值模拟, 多场耦合

Abstract: The hybrid buffer material added with the auxiliary aggregate not only retains the material’s sealing and anti-seepage ability, but also overcomes the defect of low thermal conductivity and inferior construction performance of pure bentonite blocks. As an alternative for the buffer material of high-level radioactive waste repository, it is becoming a new research hotspot. Based on the previous research data and the permeation theory of unsaturated porous media, a 3D calculation model containing one tunnel and a single wellbore is established using COMSOL Multiphysics, which considering the wetting expansion of bentonite and the real-time change of material physical parameters (density, saturation, thermal conductivity, etc.). By simulating the THM coupling process of the hybrid buffer material (bentonite-sand mixture) in the barrier system for 100 years, the time evolution and spatial distribution of each physical quantity are analyzed, and the influences of wetting expansion and sand mixing rate on the evolution process of the barrier system are discussed. The temperature and saturation of the material in the system are related to the distance from the vitrified HLW and the rock wall. The stress in the tunnel and wellbore is mainly compressive stress, and the deformation tends to compress first and then expand. The wetting expansion of bentonite-based materials has little effect on temperature evolution, but it will slightly accelerate the saturation process and cause significant time evolution and regional distribution differences in the stress and strain of the material. The stress in the area close to the rock wall in the wellbore and roadway rises quickly, and significant vertical displacement occurs at the junction of the roadway floor and the wellbore. Increasing the mixing rate can reduce the surface temperature of the tank effectively, enhance the heat transfer capacity of the barrier system, reduce the maximum historical stress of the buffer material, and control the vertical displacement on the axis of the borehole. On the other side, it will also weaken the anti- seepage capability of the system.

Key words: high-level radioactive waste, barrier system, wetting expansion, hybrid buffer material, numerical simulation, multiphysics coupling

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[1] 吕茂淋, 朱珍德, 周露明, 葛鑫梁, . 基于相场法的预制双裂隙岩体水力压裂扩展数值模拟研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(6): 1850-1862.
[2] 马登辉, 韩迅, 蔡正银, 关云飞, . 静压桩的桩侧土压力分布规律数值分析[J]. 岩土力学, 2024, 45(6): 1863-1872.
[3] 陈磊, 张强, 贾朝军, 雷明锋, 黄娟, 胡晶, . 强降雨对库岸堆积体边坡稳定性影响的离心模型试验和数值模拟研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(5): 1423-1434.
[4] 豆红强, 谢森华, 简文彬, 王浩, 郭朝旭, . 球状风化花岗岩类土质边坡土-岩界面优势流潜蚀特性研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(4): 950-960.
[5] 周慧颖, 李树忱, 王曼灵, 袁超, 张俊艇, 冯健鹏, . 气孔杏仁状玄武岩随机三维模型构建与 单轴压缩力学行为研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(4): 1214-1232.
[6] 文磊, 刘 钟, 马晓华, 张振. 粉土地基中劲性复合桩抗压承载特性与荷载传递机制研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(2): 511-524.
[7] 刘新荣, 王浩, 郭雪岩, 罗新飏, 周小涵, 许彬, . 考虑消落带岩体劣化影响的典型危岩岸坡稳定性研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(2): 563-576.
[8] 朱寅斌, 李长冬, 周佳庆, 项林语, 姜茜慧, 朱文宇, . 考虑基质渗透性的粗糙单裂隙非达西流动特性研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(2): 601-611.
[9] 华涛, 申林方, 王志良, 李泽, 徐则民. 基于近场动力学的岩石水力压裂数值模拟及裂隙网络定量分析[J]. 岩土力学, 2024, 45(2): 612-622.
[10] 黄生根, 张义, 霍昊, 陈常青. 软土地区深基坑支护工程格构柱变形规律研究[J]. 岩土力学, 2023, 44(S1): 533-538.
[11] 王凯, 付强, 徐超, 艾子博, 李丹, 王磊, 舒龙勇, . 原生煤岩组合体界面力学效应数值模拟研究[J]. 岩土力学, 2023, 44(S1): 623-633.
[12] 乔亚飞, 闫凯, 赵腾腾, 丁文其, . 软土地区超深圆形竖井的坑底隆起特性与机制[J]. 岩土力学, 2023, 44(9): 2707-2716.
[13] 张坤勇, 张梦, 孙斌, 李福东, 简永洲, . 考虑时空效应的软土狭长型深基坑地连墙变形计算方法[J]. 岩土力学, 2023, 44(8): 2389-2399.
[14] 尹鑫晟, 舒营, 梁禄钜, 张世民, . 考虑渗流的饱和粉土地层盾构开挖面稳定分析[J]. 岩土力学, 2023, 44(7): 2005-2016.
[15] 季雨坤, 王钦科, 赵国良, 张健, 马建林, . 斜坡上嵌岩抗拔桩竖向承载变形特性模型试验及数值模拟[J]. 岩土力学, 2023, 44(6): 1604-1614.
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[1] 张鸿飞,程效军,高 攀,周鑫鑫. 隧道衬砌空洞探地雷达图谱正演模拟研究[J]. , 2009, 30(9): 2810 -2814 .
[2] 张安康,陈士海,杜荣强,魏海霞. 岩石类材料的能量基率相关弹塑性损伤模型[J]. , 2010, 31(S1): 207 -210 .
[3] 王小军,屈耀辉,魏永梁,杨印海,达益正. 郑西客运专线湿陷性黄土区试验路堤的沉降观测与预测研究[J]. , 2010, 31(S1): 220 -231 .
[4] 陈 瑜,曹 平,蒲成志,刘业科,李 娜. 水-岩作用对岩石表面微观形貌影响的试验研究[J]. , 2010, 31(11): 3452 -3458 .
[5] 张其一,栾茂田. 复合加载情况下非均质地基上条形基础的极限承载力研究[J]. , 2009, 30(5): 1281 -1286 .
[6] 王俊卿,李 靖,李 琦,陈 立. 黄土高边坡稳定性影响因素分析 ——以宝鸡峡引水工程为例[J]. , 2009, 30(7): 2114 -2118 .
[7] 常林越,王金昌,朱向荣. 多级线性荷载下饱和软黏土一维大应变固结解析解[J]. , 2009, 30(8): 2343 -2347 .
[8] 龚彦峰,张俊儒. 隧道单层衬砌设计方法研究及应用[J]. , 2011, 32(4): 1062 -1068 .
[9] 常方强 ,贾永刚. 黄河口不同强度粉土液化特性的试验研究[J]. , 2011, 32(9): 2692 -2696 .
[10] 宋勇军 ,雷胜友 ,韩铁林 . 一种新的岩石非线性黏弹塑性流变模型[J]. , 2012, 33(7): 2076 -2080 .