多边界条件下缓冲/回填材料的膨胀特性

高放废物处置库中缓冲/回填材料的膨胀特性是评价其屏障性能的关键因素。受试验仪器等条件的限制,以往的膨胀试验基本都是在恒体积和恒应力这两种极端边界条件下开展的,无法有效反映处置库中的复杂应力–应变环境。研发了一套新型的多边界条件膨胀仪,集成了恒体积、恒应力和柔性等刚度3种边界条件。利用该膨胀仪对中国高庙子(GMZ)缓冲/回填材料开展了一系列膨胀试验,分析了边界条件对试样膨胀特性的影响。结果表明:研发的多边界条件膨胀仪具有操作简单、性能稳定等特点,能有效地模拟各种边界条件;边界条件对试样膨胀指标具有重要影响,对应的最终膨胀力关系为:恒体积柔性等刚度恒应力边界条件,最终膨胀率关系为:恒应力柔性等刚度恒体积边界条件;膨胀平衡极限(SEL)曲线可作为评价土体在复杂边界条件下水化时的最终体变和膨胀力的参考。研究结果对进一步认识土体的膨胀特性和指导高放废物处置库中缓冲/回填材料的设计具有一定参考意义。     

考虑侧壁摩阻的围岩裂隙中膨润土-砂混合物侵入过程及其模型

高放废物处置库建设与运营期间,作为缓冲/回填材料的高压实膨润土-砂混合物侵入裂隙,在降低围岩渗透性的同时,会引起膨润土的流失与可能的核素外泄,危及处置库的运营安全.针对膨润土-砂混合物侵入围岩裂隙问题,开发试验装置,开展不同裂隙宽度(0.1,0.3,0.5,1.0 mm)情况下,不同含砂率(0％,15％和30％)的膨润...     

化–力耦合条件下膨润土的体变特性

在处置库长期运营中,由于地下水水位、温度等变化导致地下水离子浓度变化,围岩和废物罐的限制产生反压力,不可预知的地质构造活动或者地质环境变化导致附加应力变化都会影响缓冲/回填材料的体变。为模拟缓冲/回填材料在地下水离子浓度和附加应力变化下的体变情况,在不同化学–力学应力路径下,以不同浓度NaCl溶液和去离子水作为入渗溶液,采用高压固结仪对干密度1.6 g/cm~3的膨润土试样进行膨胀–压缩–回弹试验,从宏观和微观的角度系统地分析膨润土在化–力耦合条件下的体变特性。结果表明,随着NaCl溶液浓度增加,膨润土试样的最终膨胀率及压缩指数减小。通过对经历淡化(入渗溶液由盐溶液替换为去离子水)–盐化(入渗溶液由去离子水替换为原盐溶液)循环与未经历该循环的试样体变特性对比发现宏观结构塑性性状在一定程度上表现出不可逆性状,而微观结构性状是可逆的。在淡化循环下,随着循环前溶液浓度的增加以及循环时竖向应力的减小,循环膨胀率随之增加。     

膨润土-砂混合型缓冲/回填材料研究现状与展望

高放废物处置中,膨润土-砂混合型缓冲/回填材料力学性质的研究对高放废物地下处置库的建设具有重要意义。在总结国内外缓冲/回填材料研究现状和成果基础上,该文认为试验仪器的研制、开发添加不同材料的混合材料、考虑高温-高压-高吸力条件的试验研究、模型试验、热-水-力-化耦合模型的建立和数值分析是今后一段时间内混合型缓冲/回填材料研究的重点。     

缓冲/回填材料的热损伤与纵波速度关系研究

采用岩石力学试验系统、超声波检测仪、扫描电镜等设备对缓冲/回填材料在25℃～300℃范围内的力学特性和纵波速度进行研究。结果表明:在200℃以前,缓冲/回填材料的应力–应变曲线斜率、单轴强度随温度的上升而呈增大趋势;200℃～300℃的应力–应变曲线斜率、单轴强度随温度升高都有不同程度的降低。缓冲/回填材料的平均纵波速度在25℃～100℃时呈增大趋势,在100℃～300℃呈减小趋势。因此,纵波波速与单轴强度相关性与缓冲/回填材料的特性不同。     

煤岩剪切–渗流耦合试验装置研制

详细介绍自主研发的煤岩剪切–渗流耦合试验装置的结构和功能。该装置系统包括伺服控制加载系统,流体源加载系统,剪切盒及其密封系统,控制与数据采集系统,煤岩断面三维扫描系统5个部分。其中,剪切密封系统可实现高性能综合试验条件下密封效果良好;伺服控制加载系统可提供常法向(剪切)荷载、常法向(剪切)位移加载方式以及不同荷载加载速率与不同位移加载速率的加载方式,并可通过控制与数据采集系统对试验全过程进行实时操控;流体源加载系统可提供高至5 MPa水头压力或气压,并保持稳定;试件剪切变形、法向变形采用位移传感器与变形传感器双重监测手段,可保证高精度条件下完成剪切–渗流耦合试验;煤岩断面三维扫描系统可采集煤岩断面三维信息,便于进一步研究断面特征与裂隙渗流耦合机制。利用该装置对完整砂岩进行试验,结果表明:该煤岩剪切–渗流耦合试验装置满足预期试验功能要求,试验过程稳定,操作简便,试验数据精度高。既可应用于研究裂隙岩体的水力学特性及岩质边坡滑坡机制,也可应用于开展原岩地应力状态及采动影响条件下煤层内部煤岩剪切破断过程及其与煤层瓦斯渗透性耦合机制的试验研究。     

施工接缝对缓冲材料水–力特性影响研究进展

在详细阐述处置库中施工接缝封闭和自愈合过程的基础上,全面回顾和总结了有关施工接缝对缓冲材料膨胀力、渗透系数、界面水力强度和自愈合性能影响的研究成果。接缝的存在使缓冲材料的膨胀性能及防渗性能明显弱化,特别是在处置库运行初期,接缝作为力学薄弱区极有可能在高水压环境下发生水力劈裂。总体而言,考虑接缝对缓冲材料水–力特性影响的试验研究还远远不够,主要是通过物理试验,采用整体平均化的方法来分析接缝对缓冲材料总体膨胀力和渗透系数的影响,这种方法的不足在于难以表述接缝处真实的水–力特性指标;现有试验仪器不能实时监测接触界面膨胀力和孔隙水压力的分布情况,无法有效揭示界面的应力传递特征与水分传输特性,这也是导致相关机理分析缺乏的一个重要原因。为此,提出在细化影响因素、深入机理分析及数值模拟等方面开展进一步研究的建议。     

低渗透介质温度–应力–渗流耦合三轴仪研制及其应用

 详细介绍研制的低渗透介质温度–应力–渗流耦合三轴仪,该试验系统可以在常温～90 ℃范围、三轴室活塞最大轴向力1 000 kN、围压40 MPa内对直径50和100 mm的标准试样进行轴向和径向渗透试验。解决长时间、高温(＜90 ℃)条件下试样气体渗透密封性、微流量气体体积量测以及长时间试验温度保持均匀、恒定等技术问题,确保复杂条件下低渗透介质渗透性测试。应用研制的三轴仪,对雅砻江锦屏II级电站辅助洞白山组大理岩进行渗透性测试。试验结果表明：研制的三轴仪可以满足温度–应力–渗流耦合试验的要求,试验过程稳定、试验数据精度较高,可用于石油/天然气地下能源储存、低渗透油气田开发、高瓦斯矿井瓦斯抽放、放射性废料地质深埋处置等工程中围岩介质渗透特性研究,可为工程安全和环境评估提供基本参数。     

缓冲/回填材料——膨润土颗粒及其混合物研究进展

膨润土颗粒是一种用于填充高放废物地质处置库中各种施工接缝和空隙的缓冲/回填材料。从膨润土颗粒的制备方法、填充技术与堆积性质、热传导特性、水力特性、结构演化规律及力学特性等6个方面,全面回顾和总结了近年来对膨润土颗粒的研究成果与最新进展,并分别指出了各方面值得进一步深入研究的几个课题。研究表明,膨润土颗粒可由多种方法制备,也可采用多种技术填充到处置库中,其堆积干密度和均匀性与充填技术、级配、堆积方式等因素有关,其热传导系数与干密度、含水率和温度等因素有关,其水力–力学特性与级配、干密度及温度等因素有关。通水水化或降低吸力过程中,颗粒混合物由初始松散结构逐渐转变为胶结融合结构,及至水化饱和后基本达到宏观上的均一化结构,但微观层次的均一化过程仍将持续漫长的时间。考虑到处置库实际运营工况的复杂性,科学高效的颗粒混合物填充技术、多场(热–水–化–力)耦合条件下的颗粒混合物水力–力学特性及结构演化规律是今后值得深入探索的研究方向。     

膨润土渗透试验误差分析和可行性探究

在高放废物深地质处置缓冲/回填材料研究中,缓冲材料作为填充在废物罐和地质体之间的最后一道人工屏障,起着水力学屏障的重要作用,阻止地下水流至废物罐表面,同时阻止废物核素渗漏至围岩中.因此,研究膨润土的渗透性可以为处置库设计提供重要的基础参数.通过6组膨润土常规变水头渗透试验,分析渗透系数随时间的变化关系,得出渗透系数随时间的变化曲线.根据膨润土物理化学特性、变水头渗透原理和试验的环境条件,分析渗透系数变化曲线形成的原因和数据测量的准确性,进而进行渗透系数的误差分析,并根据误差产生的原因提出改进试验方案,即采取封闭试验系统消除水分蒸发的影响,并进行可行性分析.     

中国高放废物深地质处置

介绍了中国高放废物地质处置计划的背景、初步技术战略和长远规划。中国的高放废物地质处置研究始于1985年，计划于21世纪中叶建成国家高放废物处置库。位于我国西北片肃省的北山地区被选为最有远景的处置库预选区。1999-2004期问，在该区开展了初步的场址特性评价研究，包括地表地质、水文地质和地球物理调查、4口钻孔（北山1#，2#，3#及矿孔）的施丁及钻孔现场试验，并获得了大量成果。在缓冲回填材料、放射性核素迁移以及天然类比等方面也取得了进展。     

常含水率下非饱和高庙子膨润土加砂混合物的水力-力学性质

对非饱和高庙子膨润土与砂混合物击实样进行常含水率下的不排水等向压缩和不排水三轴剪切试验,研究非饱和高庙子膨润土与砂混合物的水力-力学特性,拟模拟深层地质处置工程中缓冲/回填材料在不排水状态下受力时的性状。试验研究表明:在不排水等向压缩和不排水三轴剪切试验中,固结应力和剪应力的增大引起非饱和土试样孔隙比减小,饱和度增大,吸力减小;在不排水剪切试验中,应力-应变曲线呈外凸的形状,试样发生体积收缩和侧向膨胀变形,净围压对试样的初始刚度、不排水剪切强度和变形有较大的影响。     

Interface shear behaviour of tunnel backfill materials in a deep-rock nuclear waste repository in Finland

The need for environmental protection and safety in facilities dedicated for the final safe disposal of spent nuclear fuel is paramount. Highly engineered multi-barriers are widely used in such waste containment facilities in order to provide a tight seal for the waste they contain. In Finland, several research studies have been conducted to investigate the feasibility of the final safe disposal of spent nuclear fuel in crystalline bedrock by incorporating the KBS-3V multi-barrier repository concept. As the saturation of the tunnels in a repository progresses, the pre-compressed bentonite buffer may swell and generate very high swelling pressure in the range of 7–15 MPa. Such high swelling pressure can cause the upheaval and the compression of the tunnel backfill that would eventually decrease the density of the buffer. For various reasons, the current KBS-3V design suggests that the saturated density of the buffer should be maintained within a narrow range of 1950–2050 kg/m³ at all times. As the swelling of the buffer directly influences the saturated density of the buffer, it must be controlled by designing a tunnel backfill that possesses an adequate amount of interface shear strength to sustain any additional pressure that is exerted by the swelling of the buffer. This study presents the findings of a series of direct shear box tests conducted on various tunnel backfill interfaces. Additionally, different types of rock profiles were also tested with the selected backfill materials. Based on the results, it was observed that the interface shear behaviour of different backfill-rock interfaces varied significantly with the surface roughness of the rock, while clay blocks resulted in similar shear behaviour with all the backfill materials.     

高庙子膨润土在高温高压下的强度特性研究

高庙子膨润土是中国高放废物地质库的首选缓冲/回填材料,将长期在高温(100℃左右)高压(数十兆帕)条件下工作。为了探讨高庙子膨润土在高温高压条件下的强度特性,使用高温高压土工三轴仪,共做了81个三轴不排水剪切试验,系统研究了干密度、围压、温度和含水率对其强度特性的影响。研究结果表明:(1)围压和干密度对高庙子膨润土的破坏形态的影响很大;(2)高庙子膨润土的强度随含水率增大而减小;温度和干密度对其强度的影响比较复杂,干密度较低时,偏应力–轴向应变曲线的位置随温度升高而上移;但干密度较高时的情况则完全相反;(3)分别建立了高庙子膨润土的黏聚力和内摩擦角随干密度、含水率和温度变化的公式。本文的研究成果为分析缓冲材料的热–水–力耦合性状提供了科学依据。     

GRIMSEL现场的气体渗透试验

自1976年以来，日本核废料管理基金会与研究中心（RWMC）一直在进行核废料处置的研究。最近，RWMC非常关注核废料处置库的监测、遥控以及现场勘查技术等重要的社会公众与技术问题。其中，处置库溢山气体是一项重要的安全可靠性评估项目。这项名为“工程屏障的气体渗透试验”（GMT）的研究是在瑞士Nagra的Grimsel现场实验室进行的。GMT集中研究在粮仓形的处置库中由核废料产生的气体在工程屏障中的渗透问题。在Grimsel现场，一个按比例缩小的工程屏障库由一个具有透气孔的混凝土仓和砂-膨润土缓冲材料组成，缓冲材料被放置在一个专门建造的洞室中。混凝土仓直径为2．5m，高为2．5m，放置在直径为4m的从上到下开挖而成的竖井中。在工程屏障饱和及水渗透试验之后，气体分两个阶段被注入地窖中。气体第一次被注入之后，重复进行水渗透试验，以便观察工程屏障库的变化。第二次气体注入的时候，在工程屏障及岩石圈中采用一种可以多点取样的鸡尾酒气体跟踪器。在气体注入之后，小心挖掘出工程屏障库，然后用各种方法来进行鉴定，并采用实验室以及建模程序来进行现场的模拟研究。     

高压实高庙子膨润土GMZ01的膨胀力特征

 高放废物深地质处置中，缓冲/回填材料系统起着工程屏障、水力学屏障、化学屏障、传导和散失放射性废物衰变热等重要作用，是高放废物地质处置库长期安全性和稳定性的有效保障。前人研究表明，膨润土是理想的缓冲/回填材料。在归纳总结压实膨润土膨胀力的室内试验研究成果的基础上，采用恒体积试验法研究高压实高庙子膨润土GMZ01的膨胀力特性，该膨润土已经被确定为我国高放废物地质处置库首选缓冲材料。结果表明，高压实高庙子膨润土GMZ01膨胀力随时间的变化曲线是一条渐近线，而时间/膨胀力与时间之间存在很好的线性关系；膨胀力发展过程曲线与吸水量曲线具有明显的阶段性特征；高压实高庙子膨润土的膨胀力和干密度之间存在指数关系，干密度是影响膨胀力的一项重要的因素。所取得的膨胀力特性成果，对于高庙子膨润土膨胀性能的正确判定具有非常重要的意义。     

温度对GMZ膨润土的膨胀性能影响研究

在25℃,40℃,60℃和90℃的蒸馏水中对高庙子(GMZ)膨润土进行了膨胀性能试验。由于在试验条件下渗透膨胀占主导地位,GMZ膨润土的膨胀性能随温度的升高而增大,其中最大膨胀率随温度线性增加,而膨胀力随温度呈指数增加。压实GMZ膨润土的膨胀性能可用em=Kp^D-3表示。N2吸附试验结果表明温度对GMZ膨润土的表面分维D基本没有影响。在渗透膨胀条件下,采用扩散双层模型计算发现膨胀系数K与温度T_c之间存在线性关系,并且通过GMZ膨润土和Bikaner膨润土的膨胀试验进行了验证。将K–T_c线性关系与e_m–p分形关系相结合,提出了温度作用下GMZ膨润土膨胀性能的一种简便定量评价方法。     

低固结压力下土–膨润土防渗墙填料渗透和扩散系数测试

渗透和扩散是污染物在防渗屏障中迁移的重要方式,当前对低固结压力下土–膨润土防渗墙渗透系数和扩散系数测试是否必须采用柔性壁渗透仪、是否必须对试样进行固结尚无统一看法。按土–膨润土防渗墙施工工艺制备填料,使用柔性壁渗透仪测试了30,50和100 k Pa有效固结压力下填料渗透系数,进行刚性壁土柱渗透–扩散试验测试了10 k Pa固结压力下填料渗透系数和扩散系数,基于加速沥出试验原理提出快速测定高塌落度填料有效扩散系数的透析试验方法。柔性壁渗透试验结果表明,填料流入和流出渗透系数均随水力梯度增大而增大,存在起始水力梯度,柔性壁渗透试验的起始水力梯度在6.82~8,随固结压力由30 k Pa增至100 k Pa,渗透系数由5.21×10~(-8)降至3.78×10~(-8) cm/s。10 k Pa固结压力下,刚性壁渗透–扩散试验测得起始水力梯度为5.67,渗透系数为7.14×10~(-8) cm/s,试验不存在侧壁渗漏,填料中Cl~-有效扩散系数为3.12×10~(-6) cm~2/s。透析试验填料未经固结,测得有效扩散系数为4.45×10~(-6) cm~2/s。掺入6.02%膨润土后,粉土渗透系数降低约4个数量级,有效扩散系数仅降低约一半,扩散将是膨润土系防渗墙中污染物迁移的主要方式。