核废料处置概念库近场热-水-应力耦合模型及数值分析

特别考虑了缓冲层中温度梯度水分扩散、水蒸汽扩散对水连续性及能量守恒的影响,进一步完善了所建立的分析饱和-非饱和介质中热-水-应力耦合现象的控制方程,并针对试验资料,使用所开发的有限元程序对一个核废料处置概念库近场的热-水-应力耦合过程进行了数值模拟,考察了缓冲层及岩体中若干点的温度、饱和度、孔隙水压力及主应力的变化、分布情况,并将部分结果与国外类似软件的计算数据作了对比,结果显示,在定性和定量上二者的规律有某种一致性,从而得出了一定的认识。     

亥废料处置概念库近场热-水-应力耦合模型及数值分析

特别考虑了缓冲层中温度梯度水分扩散、水蒸汽扩散对水连续性及能量守恒的影响，进一步完善了所建立的分析饱和-非饱和介质中热-水-应力耦合现象的控制方程，并针对试验资料，使用所开发的有限元程序对一个核废料处置概念库近场的热-水-应力耦合过程进行了数值模拟，考察了缓冲层及岩体中若干点的温度、饱和度、孔隙水压力及主应力的变化、分布情况，并将部分结果与国外类似软件的计算数据作了对比，结果显示，在定性和定量上二者的规律有某种一致性，从而得出了一定的认识。     

核废料地质处置概念库锚喷支护坑道热-水-应力耦合效应的二维离散元分析

假定一个核废料地质处置库位于具有一定水头的饱和节理岩体中,开挖完闭施作系统锚杆和喷混凝土支护。对坑道建造和一个50年期的热-水应力（T-H-M）耦合运营过程,使用UDEC程序进行数值模拟,分析无、有支护时近场围岩中的应力、变形、塑性区、温度、渗流的变化状态,以及不同场（温度、渗流、应力）耦合条件下的锚杆和喷混凝土中的承载情况。结果显示,喷混凝土和系统锚杆支护不仅具有常规的支护功能,并且可阻滞地下水从坑道表面的自由渗出,使得围岩中塑性区减小,裂隙水压力和温度升高;相比于应力单场作用的情况,在热-水-力耦合的条件下洞室围岩的稳定性下降,支护结构的受力状况变差。     

渗透系数对渗流速度影响的热-水-应力耦合二维有限元分析

使用建立的饱和-非饱和介质中热-水-应力耦合弹塑性模型,取一组真实的缓冲材料、岩体及贮存容器（用加热器代替）的物理力学指标作为基本计算条件,以一个假想的核废料处置库为模拟对象,就高、中、低3种渗透系数进行了二维有限元数值分析,考察了近场的渗流速度大小及方向的变化,认识到：在其他计算参数相同的条件下,缓冲材料的渗透系数越高,近场的渗流速度越大,缓冲层达到饱和状态也越快;当缓冲层达到饱和状态后,如果玻璃固化体继续放热,有可能使得近场的温度梯度的作用强于水力梯度的作用,导致渗流速度方向发生逆转,即水分由内向外迁移;依渗透系数不同,其渗流速度的大小、方向有显著差异,这也势必引起放射性核素随地下水流动扩散的复杂多变。     

不同耦合情况下核废料处置库中缓冲层吸力与位移变化的分析与比较

在核废料安全处置分析中,非饱和膨润土常被作为缓冲材料,缓冲层膨润土中的吸力和位移变化是影响处置库性状的两个重要的物理参数。吸力直接影响膨润土的渗透性和力学性质;而位移变化则直接影响处置库设计的成败。本文以FEBEX原位试验数据为依据,应用有限元软件CODE-BRIGHT,分析缓冲层膨润土在热-水-力不同耦合形式下吸力和位移的变化规律,通过对不同耦合模式下吸力和位移的对比,分析影响吸力与位移变化的主要因素。结果可使我们进一步了解核废料处置库中缓冲层的性状,也可为核废料处置库设计计算时选用简单而有效的耦合模型提供参考。     

热-水-应力耦合弹塑性二维有限元程序的开发与应用尝试

从已有的应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和弹塑性矩阵入手,使用Galerkin方法将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散,初步开发出了一个用于分析饱和岩土介质中热-水-应力耦合弹塑性问题的二维有限元程序,并通过2个算例进行了应用尝试。     

泥岩核废料处置库温度-渗流-应力耦合参数敏感性分析

针对比利时HADES地下实验室PRACLAY现场加热试验,应用温度-渗流-应力耦合弹塑性模型,模拟现场加热过程中泥岩核废料处置库的水力学响应特征。采用单因素分析法,就泥岩热、水、力学参数对核废料处置库围岩孔压、温度、有效应力的影响进行了三维有限元分析。并基于参数敏感性分析结果,就温度、渗流、应力三场两两耦合作用对处置库围岩水力学响应的影响程度进行了系统分析。研究结果表明：泥岩热、水、力学参数中,渗透系数、弹性模量以及导热系数对加温所导致的超孔压的值影响较大;凝聚力、内摩擦角以及热膨胀系数对孔压的影响较小,但会显著影响围岩的有效应力;导热系数对围岩温度场的分布有决定性影响,温度传递的差异会显著影响围岩的孔压和有效应力;不同的热、水、力学参数对孔压、温度以及有效应力的影响机制是不同的,温度、渗流、应力三场两两耦合作用对围岩水力学响应的影响程度也存在显著的差异性。温度场对应力场、温度场对渗流场的耦合效应十分显著,加热后,围岩超孔压的产生以及热膨胀导致的有效应力变化会显著影响处置库的稳定。该研究结果在一定程度上可以为核废料处置库泥岩的热、水、力学参数的确定及耦合机制分析提供科学依据。     

热-水-应力耦合条件下三项因素对核素迁移影响的有限元分析

目前在放射性核素随地下水迁移的研究中还很少涉及温度场和应力场的影响。针对这一问题,引入渗透迁移方程,将所开发的饱和-非饱和孔隙介质中热-水-应力耦合弹塑性模型及其二维有限元程序进行了扩展和改进,使之可以同步地对温度场、渗流场、应力场和放射性核素浓度场的变化进行解析。对一个假想的核废料处置库算例,通过分别改变影响地下水中核素迁移的3个因素：渗透系数、分配系数和分子扩散系数,考察了在热-水-应力-迁移耦合作用条件下近场放射性核素浓度的分布及变化,从而认识到：当缓冲层的渗透系数小到一定程度后,缓冲层中核素迁移基本不再受渗流场的影响;缓冲层分配系数越小,分子扩散系数越大,核素迁移越快。     

热-水-应力耦合影响的有限元分析

为了考虑应力拉压和压力（化学）溶解对裂隙开度的综合影响,对所建立的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合模型中裂隙开度的计算模型作了改进。通过一个假定的高放废物地质处置库算例,就岩体裂隙开度变化的3种工况,分析了岩体中的温度、孔（裂）隙水压力、地下水流速和主应力的变化、分布情况。结果显示：3种工况的计算域中温度场基本相同;孔（裂）隙水渗流场形态相似,但其量值有一定差别;工况1的裂隙开度在应力和压力（化学）溶解的共同作用下闭合量最大,负孔（裂）隙水压力增值最高;核废物的释热效应明显地改变了岩体自重应力场的水平分量,但对其垂直分量影响较小。     

核废物地质处置模型试验近场热-水-应力耦合数值模拟

笔者描述了所建立的饱和-非饱和介质中热-水-应力耦合现象的控制方程。针对国际合作项目DECOVALEX II 中Task-2的核废物地质处置轴对称模型试验及计算参数,使用所研制的有限元程序进行了热-水-应力耦合过程模拟。对缓冲层及岩体中若干部位的温度、含水量及接触应力的分布、变化进行了分析, 并将其与量测值和使用THAMES程序的计算结果作了比较,看到了三者的异、同之处,并指出了可能的影响原因。通过与量测值和THAMES程序的计算结果的对比,显示了笔者所研制的有限元程序在热-水-应力耦合数值分析中是可靠和实用的。     

核废物地质处置中热-水-应力耦合对迁移影响的三维有限元模拟

将所建立的热-水-应力-迁移耦合模型及开发的有限元程序,由二维分析拓展到三维分析,并从方法论研究的角度,以一个简单的核废物地质处置模型为算例,进行热-水-应力-迁移耦合过程的三维数值模拟,考察了近场的温度、饱和度、核素浓度、孔隙水压力、位移、正应力、流速等的分布与变化,认为计算结果符合规律,得出了若干结论：为了精确地模拟放射性核素迁移,就必须将温度场、渗流场、应力场和核素浓度场进行耦合分析;核废物埋存若干年后将在处置孔壁附近产生较高的压应力;缓冲层内各点的核素浓度达到相对稳定的时间要比温度和饱和度达到相对稳定的时间长得多。     

考虑温度耦合效应的竖井地基固结有限元分析

针对塑料排水板(PVD)安装热源能提升PVD性能、加速竖井地基固结这一工程现象,基于热-水-应力 (T-H-M) 三场全耦合的有限元方法来模拟利用热源进行地基处理新技术(PVTD)。首先,以微分形式与等效弱形式分别给出T-H-M耦合控制方程,并推导出其有限元方程组。然后在多场耦合有限元软件中建立饱和土的T-H-M全耦合模型,并通过与已有解析解比较,验证了模型正确性。最后,对一个经典有涂抹区的竖井地基算例,分不耦合温度(UT)、耦合温度但不考虑其对饱和土物性影响(CT)、耦合温度考虑温度对饱和土渗透性影响(CTP) 3种情况进行固结计算分析。研究结果表明,相对于无热源竖井地基,CT情况下由于热源产生的附加孔隙水压力,固结速度略有下降;CTP情况下,由于热源有效改善涂抹区的渗透性能,竖井地基固结速率明显加快。上述研究结论从理论上较好地阐明了PVTD的作用机制。     

不连续面在双重介质热-水-力三维耦合分析中的有限元数值实现

在建立双重介质热-水-力耦合微分控制方程的基础上,提出了裂隙岩体热-水-力耦合的三维力学模型,对不同介质分别建立以节点位移、水压力和温度为求解量的三维有限元格式,开发了双重介质热-水-力耦合分析的的三维有限元计算程序,在有限元数值分析中不连续面应力计算采用等厚度空间8节点节理单元进行离散,而不连续面渗流和热能计算时采用平面4节点等参单元进行离散,这样保证了不同介质之间的水量、热量交换和两类模型接触处节点水头、温度和位移相等。通过高温岩体地热开发算例,揭示了在热-水-力耦合作用下不连续面处于低应力区,其张开度随运行时间的延长呈非线性增加,非稳定渗流阶段不连续面显著地控制着渗流场的整体分布,它的水头远高于拟连续岩体介质的水头,而进入稳定渗流阶段不连续面的控渗作用不明显,由于高温岩体地热开发系统中存在大规模的热量补给,不连续面对岩体温度场分布的影响并不显著。     

考虑开挖损伤的高放废物地质处置库温度-渗流-应力耦合数值模拟方法

高放废物地质处置库处于温度?渗流?应力（THM）多场耦合环境中,对高放废物处置库进行安全评估时,需进行多场耦合分析。然而,高放废物处置库开挖引起硐壁附近围岩应力重分布,产生损伤,导致围岩热学参数（T）、渗流参数（H）和力学参数（M）发生变化,且在空间上分布不均匀,这将会对运营期处置库THM耦合演化过程产生显著影响。通过分析高放废物处置库温度?渗流?应力三场的耦合原理和处置库围岩损伤的分布和演化规律,定义了损伤变量和损伤演化准则,并将损伤变量与热学参数、渗流参数、力学参数以及多场耦合参数（Biot系数、Biot模量和温度排水系数）建立联系,将围岩损伤与温度?渗流?应力建立联系,形成了一个弹塑性损伤温度?渗流?应力多场耦合数值模型,然后利用建立的模型对瑞士Mont Terri高放废物地质处置库围岩加热试验进行模拟,对比了模拟值和试验值,比较了考虑开挖损伤和不考虑开挖损伤对高放废物地质处置库温度?渗流?应力的影响,并分析了在多场耦合作用下开挖损伤的演化规律。     

压力溶解对颗粒聚集岩体中热-水-应力耦合作用的弹塑性有限元分析

将Taron等提出的颗粒聚集体的压力溶解模型引入笔者所研制的孔隙介质热-水-应力耦合有限元程序中,并使用摩尔-库仑准则,针对一个假设的实验室尺度且位于饱和石英颗粒聚集岩体中的高放废物地质处置库模型,拟定弹性分析和弹塑性分析两种计算工况,进行4 a处置时段的数值模拟,考察了岩体中的温度、颗粒界面水膜及孔隙中的溶质浓度、迁移和沉淀质量、孔隙率及渗透系数、孔隙水压力、地下水流速和应力及塑性区的变化、分布情况。结果主要显示：弹塑性分析中由于应力调整和增大了分子扩散系数,使得塑性区的颗粒介质的溶解、迁移和沉淀有明显的变化,并对渗流场（孔隙水压力及流速）和应力场产生显著的影响。但两种工况弹性区中的颗粒介质的溶解、迁移和沉淀差别较小。