结晶岩开挖损伤区的THMC研究.docx

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结晶岩开挖损伤区的THMC研究

结晶岩开挖损伤区的THMC研究

冯夏庭1，潘鹏志1，丁悟秀1，周辉1，J.A.Hudson2

（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.ImperialCollegeandRockEngineeringConsultants,7TheQuadrangle,WelwynGardenCity,HertsAL86SG,UK）

摘要：

介绍了国际合作研究计划DECOVALEX－THMC的TASKB关于结晶岩开挖损伤区EDZ（ExcavatedDamageZone）THMC研究的部分进展情况，给出了结晶岩开挖损伤区THMC耦合研究的基本研究思路，以典型地下实验室（如瑞典Äspö硬岩实验室）的试验为基础，进行EDZ的形成与演化机理规律分析，建立弹性、弹塑性、粘弹塑性的THMC分析模型，开发高效的数值分析软件系统，并分析结晶岩开挖损伤区THMC作用行为，通过各个研究小组研究成果背靠背的对比和相关专家对分析结果的技术审查，以及修改和更新，以获得比较准确模拟结晶岩开挖损伤区的THMC模型。

在此基础上，形成结晶岩开挖损伤区THMC研究工作指南，为高放核废物地质处置研究工作提供技术支持。

关键词：

结晶岩；开挖损伤区；温度-水流-应力-化学（THMC）；弹塑性细胞自动机；指南；高放核废物

THMCStudiesoftheExcavatedDamageZoneinCrystallineRocks

FENGXiating1,PANPengzhi1,DINGWuxiu1,ZHOUHui1,J.A.Hudson2

（1.StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering,InstituteofRockandSoilMechanics,ChineseAcademyofSciences,Wuhan,430071,China）

（2.ImperialCollegeandRockEngineeringConsultants,7TheQuadrangle,WelwynGardenCity,HertsAL86SG,UK）

Abstract:

ThispaperpresentsthedevelopmentofTHMCstudiesofexcavateddamagezone（EDZ）incrystallinerock,whichisanimportantpartofinternationalDECOVALEX-THMCproject,denotedTaskB.ThebasicideaofTHMCcouplingstudiesofEDZincrystallinerockisintroduced.ThemechanismofEDZformationandevolutioncanbecharacterizedandanalyzedbasedontypicalexperimentscarriedoutinundergroundlaboratory（forexample,ÄspöHRL）.ThentheTHMCmodelofelasticity,elasto-plasticityandvisco-elasto-plasticityetc.canbebuiltandtheassociatedcodecanbedeveloped.ThebehaviorofTHMCcouplinginEDZofcrystallinerockwillbeanalyzedbyusingthiscode.Comparisonsoftheresultsbetweeneachresearchgroupandtechnicalevaluationonthemodelsofeachgroupwillbeconductedbyexpertsorscientistsmajoredinthisfield.Bydoingso,themodelandmethodofeachgroupwillbeupdatedaccordingtotheevaluationresultsandtheTHMCmodelinEDZofcrystallinerockwillbeobtainedappropriately.TheguidancedocumentofTHMCstudiesinEDZofcrystallinerockcanbecompiledbasedontheworkdescribedaboveanditcanprovidetechnicalsupportsforthestudiesofhighlevelnuclearwastedisposalinunderground.

Keywords:

crystallinerock;ExcavatedDamageZone（EDZ）;thermal-hydro-mechanical-chemical（THMC）coupling;Elasto-PlasticCellularAutomaton;guidancedocument;highlevelnuclearwastedisposal

1、引言

高放核废物含有高放射性、长半衰期的放射性核素，经过科学家们的论证，高放废物处置库安全有效性应大于一万年，而且这一时限还可能随着人类对环境安全要求的提高而延长。

因此高放废物安全处置工作具有技术难度大、研究周期长、涉及学科多、资金投入大等特点。

深地质处置目前被国际公认为处置高放废物的有效方法，其目标是将减容和稳定处理后并密封在合适容器里的高放废物放入与生物圈有足够距离的稳定安全场所中的设施里，封闭隔离，并在相当长的时期内阻止有害核素向生物圈迁移，使将来可能产生的核素泄漏和迁移引起的照射剂量不超过国家法律、法规规定的剂量限值。

地质处置库采用的是多重屏障设计，包括工程屏障和天然屏障，后者主要是指处置库周围的地质体，也称为围岩。

围岩是高放废物中的有害放射性核素进入环境的最后一道屏障，选择合适围岩是保证高放废物处置库安全的重要前提[1]。

世界各国根据各自的社会经济条件和地质条件，选择不同的处置库围岩介质，其中，包括美国、瑞典、捷克、芬兰、中国在内的数十个国家正在选用或考虑结晶岩类（花岗岩、闪长岩、片麻岩、凝灰岩等）作为核废物地质处置的围岩类型。

这类围岩具有强度高、导热性能好、孔隙度小等优点，而且其分布范围广，岩体规模较大、质地均一，具有足够的深度和体积，便于建造处置库。

结晶岩的不利条件是，岩石中存在一定数量的节理裂隙，受开挖扰动的影响，在处置库围岩附近形成一定范围的损伤区，这些损伤的存在为地下水和核素迁移提供了便利通道，在多因素（温度T、水流H、应力M、化学C）耦合作用下和长达数万年的运行过程中，如何保证处置库的安全和稳定是高放核废物地质处置亟待解决的问题。

因此，开展结晶岩开挖损伤区的THMC研究具有重要的科学意义。

事实上，20世纪80年代初以来，由于地下永久性核废物处置问题，人们开始关注THM耦合问题的研究[2-4]。

1992年开始的大型国际合作项目DECOVALEX，主要进行裂隙岩石的THM耦合试验。

模型及模拟研究，目前在THM耦合方面已经取得许多成果[5-7]。

该项目第四期DECOVALEX-THMC（2004-2007）的TASKB,重点研究结晶岩石开挖损伤区力学响应和长期化学-力学效应所引起的EDZ的力学和水力特性的时效改变过程，该过程将引起岩石长期的“弱化”或者“硬化”，同时将对渗透率和力学性能产生影响[8]。

作者所在的研究小组于2003年加入此计划，针对我国未来高放核废物地质处置工作的重点，着重开展了TASKB的相关研究工作，包括形成的基本研究思路、岩石HMC实验、自主开发的3维弹塑性细胞自动机模拟方法、典型开挖损伤区（岩块和近场）行为的模拟、技术审计方法等，并圆满的完成了本阶段的研究任务。

本文就相关研究进展进行系统总结，并指出下一阶段的研究的主要任务。

2、基本研究思路

为了对高放废物处置库围岩稳定性和渗透性的长期演化规律做出科学合理的分析预测，必须对THMC耦合作用下围岩的力学性质和渗透性质的长期演化规律有一个深刻的认知，并将之反映在THMC耦合过程的数学模型中。

针对结晶岩开挖损伤区的THMC耦合研究，形成的基本思路如下。

进行一系列岩石破裂全过程室内试验，包括干燥、蒸馏水或碱水作用若干天后岩样三轴压缩与巴西试验，获得完整应力应变曲线、破裂行为、裂纹初始应力、弹性模量、泊松比、抗拉强度。

进行现场裂隙的三维激光扫描，获得现场裂隙网络图；对开挖损伤区的深度进行测试，获得开挖损伤区的范围等，这些试验由典型地下实验室（如瑞典Äspö硬岩试验室）进行，采用上述试验数据，对岩石破裂过程和开挖损伤区的力学演化过程进行机理分析，总结规律，建立弹性、弹塑性、粘弹塑性的THMC耦合模型。

研究三维裂隙的模拟方法和高效的数值模拟算法，建立开挖损伤区THMC耦合模拟系统。

考虑到问题的复杂性，这些工作可由多个国家的多个研究团队独立进行。

利用各自建立的模型和模拟系统，对岩石破裂全过程进行模拟，得到完整的应力应变曲线、破裂过程，揭示岩石破裂过程的宏观现象和内在破裂机理，同时，对典型开挖损伤区进行BMT模拟研究，包括岩块（WB）模型域和近场（NF）模型域等。

通过将各个研究团队模拟的结果由第三方进行背靠背的对比分析，同时由国际上本领域的权威专家进行技术审计，在此基础上，形成对各自模型正确性的认识，反复修改更新各自的模型，在此基础上进一步完善所建立的模型和分析软件，以正确模拟EDZ在THMC耦合作用下的演化机制。

同时，研究力学参数和力学模型对计算结果的影响，研究网格效应和尺寸效应，进行不确定性分析研究。

在上述工作的基础上，形成结晶岩开挖损伤区THMC研究工作指南（图1），在于总结各分析模型和方法的优缺点，正确刻划开挖损伤区THMC耦合特性，达到准确测量和模拟开挖损伤区在温度、水流、应力和化学耦合作用下的长期演化性能，为那些需要了解开挖损伤区及其演化性能的学者提供技术参考。

该指南包括以下一些方面的内容，

（1）开挖损伤区（ExcavateDamageZone,EDZ）的定义；

（2）EDZ的形成与演化机制、特征、测量及其不确定性；（3）EDZ中单个岩块的裂隙行为模拟；（4）EDZ形成及其演化过程模拟；（5）技术审计的内容和方案（包括试验、现场测试、数值模拟等）。

图1结晶岩开挖损伤区THMC研究工作指南

Fig.1GuidanceforTHMCstudiesofcrystallinerockinEDZ

3、岩石破裂过程的弹塑性细胞自动机模型

将细胞自动机的思想引入到岩石力学当中，根据细胞自动机的局部作用原理，并对元胞单元赋予弹塑性性质，建立用于模拟非均质岩石在载荷作用下破裂过程的细观力学模型。

该模型包括以下几个主要的部分：

非均质材料模型、应力场求解的细胞自动机更新规则、元胞单元强度准则和弹脆塑性软化本构模型以及声发射的定义等等，基于该模型，利用VC＋＋工具，编制了相应的数值软件系统EPCA，该系统已经成功地应用于非均质岩石材料的破裂过程分析，模拟结果再现了一些典型的试验现象，并得出了一些新的规律[9,10]。

该软件系统可以考虑多种加载控制方式，例如常（变）应力速率加载控制方式，常（变）应变速率加载控制方式以及应力－应变线性组合的加载控制方式等，可以方便的模拟岩石试样在加载破裂过程的宏观变形行为，包括应力－应变全程曲线，I类全程曲线和II类全程曲线等，揭示岩石产生宏观变形行为的内在力学机理[11]。

在弹塑性细胞自动机模型的基础上，引入有效应力原理，在破裂过程中考虑渗流－应力的耦合效应，建立了渗流－应力耦合特性研究的弹塑性细胞自动机模型，该模型考虑了岩石（土）介质应力场和渗流场参数的非均质性，可以从细观角度模拟分析多孔岩土介质在应力-渗流耦合作用下的变形破裂机制，基于该模型，利用VC＋＋工具，开发了相应的数值模拟软件系统HM-EPCA，利用该软件系统模拟了岩石在应力和渗流共同作用下的破裂过程，得出应力－应变－渗透性演化曲线，再现了水力耦合作用下岩石破裂过程的典型实验现象[12]。

将弹塑性细胞自动机软件系统EPCA应用于DECOVALEX-THMC的计算分析，模拟结果与美国和日本的研究小组模拟的结果吻合较好，说明了该软件系统的正确性，并可适合于下一阶段的研究工作[8,13]。

考虑细胞与其邻居之间的空间作用方式，建立了三维细胞自动机更新规则，在二维弹塑性细胞自动机模型的基础上，发展了模拟岩石破裂过程的三维弹塑性细胞自动机模型，并利用VC＋＋工具，开发了相应的数值模拟软件系统EPCA3D，为岩石三维破裂过程提供分析工具。

利用EPCA3D，模拟了不同尺寸不同形状的岩石的单轴压缩破裂过程，模拟结果反映了岩石破裂过程中的尺寸效应和形状效应：

在一定范围内，同一种不同直径的圆柱岩石试件，其长径比越大，单轴抗压强度越小。

该结论与试验结果的规律一致[14]。

4、典型开挖损伤区的数值模拟

开挖损伤区THMC耦合过程的BMT模拟研究是大型国际合作项目DECOVALEX-THMC的一个重要组成部分，该研究以地下500米深处的一个试验探硐为研究对象（图2a）[8]，研究开挖损伤近场模型（图2b）和岩壁块体模型（图2c）力学响应和长期化学-力学效应所引起的EDZ的力学和水力特性的时效改变过程，该过程将引起岩石长期的“弱化”或者“硬化”，同时将对渗透率和力学性能产生影响。

五个不同国家的研究小组采用不同的方法（表1）进行了BMT模拟[8,15]。

通过各个国家研究小组背靠背的对比研究，来说明各自模型和方法的正确性。

通过不断的对比、研讨和修正，逐步建立准确模拟开挖损伤区THMC耦合过程行为的模型和分析软件。

表1.各个国际研究小组和数值分析器

Table1.Researchteamsandnumericalsimulator/approach

研究小组

数值分析方法

DOE:

美国能源部:

劳伦斯伯克利国家实验室

基于有限差分的TOUGH-FLAC

有限元分析器ROCMAS

CAS:

中国科学院武汉岩土力学研究所

弹塑性细胞自动机（EPCA）

FRACOM:

芬兰FRACOM有限公司

考虑离散网格传播的边界单元法FRACOD

JAEA:

日本原子能研究机构和京都大学

有限元THAMES

SKI:

瑞典核监督检查机构核瑞典皇家工学院

离散单元粒子流PFC

4.1岩壁块体（WB）模型域

岩壁块体WB（WallBlock）模型是试验探硐顶部0.1m-0.1m大小的模型（图2c），从图3和图4的对比结果可以看出，EPCA模拟的结果与美国能源部研究小组（DOE）的结果比较接近。

图5为带有裂隙的WB2和WB3模型的破裂过程，可以看出，破裂区域出现在裂纹尖端和附近，对于WB3模型，在贯通裂隙的右上角出现较大的破裂区域是由于边界效应引起的。

图2试验探硐开挖损伤区THMC耦合过程分析的两种模型域

Fig.2TwomodeldomainsconsideredfordetailedanalysisofcoupledTHMCprocessesintheEDZofadrift.

（a）开挖

（b）100年

图3WB1模型沿模型底部水平位移和垂直位移计算结果对比

Fig.3.Comparisonofcalculatedhorizontalandverticaldisplacementalongthebottom（driftwallsurface）boundaryofthewallblockmodelWB1.（a）forthesituationatexcavation,（b）after100yearsforhorizontal（left）andvertical（right）displacement.

（a）开挖

（b）100年

图4WB2模型沿模型底部水平位移和垂直位移计算结果对比

Fig.4.Comparisonofcalculatedhorizontalandverticaldisplacementalongthebottom（driftwallsurface）boundaryofthewallblockmodelWB2.（a）forthesituationatexcavation,（b）after100yearsforhorizontal（left）andvertical（right）displacement.

Steps:

7090120

（a）WB2

Steps:

204045

（b）WB3

图5WB2和WB3模型破裂过程（黑色－原先存在的节理裂隙，绿色－完整基质，黄色－原先存在裂隙的破坏，白色－完整基质的破坏）（EPCA模拟结果）

Fig.5Failureprocessesofwallblock2andwallblock3（EPCAsimulationresults）.

4.2近场模型（NF）域

近场模型NF（NearField）（图2b）取硐半径3倍的范围进行研究，图6和7是本研究小组（CAS）的EPCA模拟的近场均质模型的结果与其他国家研究小组模拟结果的对比情况，可以看出，CAS的结果与DOE和JAEA的结果比较接近。

图8是近场裂隙网络模型的破裂过程，可以看出，裂隙的存在使得破裂过程变得十分复杂。

（a）开挖（b）100年

图6均质WB模型沿x=0的水平应力分布对比

Fig.6.Comparisonofhorizontalstressprofilesatx=0forlinearelastichomogeneousrock.（a）Forthesituationatexcavation,（b）after100years.

（a）开挖（b）100年

图7均质WB模型沿y=0的垂直应力分布对比

Fig.7Comparisonofverticalstressprofilesaty=0forlinearelastichomogeneousrock.（a）Forthesituationatexcavation,（b）after100years.

Steps:

2080120145

图8近场裂隙网络模型的破裂过程（黑色－原先存在的节理裂隙，绿色－完整基质，黄色－原先存在裂隙的破坏，白色－完整基质的破坏）[13]

Fig.8Failureprocessesofnearfieldfracturepatternmodel[13]

5、技术审计

结晶岩开挖损伤区THMC研究是世界各国面临的共同科学与技术难题，涉及的学科众多，包括传热学、热力学、水力学、力学、化学等多学科的相互交叉。

为保证该项研究的正确性和可信度，需要由合理的、可信的方法对所开发出的软件、建立的模型和典型模拟结果等，进行技术审计。

技术审计方法可以有：

（1）不同国家的研究小组采用不同的方法和模型，对大型地下实验室的测试结果进行模拟，将模拟的结果与实测结果进行对比，检查各个方法、模型和软件的正确性。

例如，各个研究小组对岩石单轴压缩破坏过程进行模拟，然后与Äspö地下实验室的岩石单轴压缩破裂过程试验进行对比，并经专家组进行评估。

结果表明，要比较准确的模拟岩石的破裂过程，需要考虑岩石的非均质性、各向异性、非连续性等特性。

（2）不同国家的研究小组采用不同的方法和模型，针对同一问题进行背靠背的研究，然后有第三方对各自的结果进行对比，找出差异，分析原因，检查各个方法、模型和软件的正确性。

Decovalex-THMCTaskB的BMT模拟研究就是典型的针对同一个问题研究的例子，先经过背靠背的计算，然后进行对比，发现瑞典SKI小组和芬兰FRACOM小组的计算结果与其他研究小组的结果相差较大，经过专家对结果的评估、分析，出现这些偏差是由于这两个小组所用的模型无法考虑内部温度效应的缘故，而日本JAEA小组计算的位移有偏差是由于边界条件施加不正确造成的。

根据专家评估的结论并反馈给各个研究小组，存在的问题和不足得到了有效的更正。

（3）编制技术审计方法和指南，邀请由国际上本领域的权威专家组成第三方专家组，可以对该项研究进行技术审计，通过评估各个研究小组所采用的模型和模拟结果，提出修改建议和意见，并反馈给各个研究小组，从而保证各个研究小组模型和方法的正确性，这是制定结晶岩开挖损伤区THMC研究工作指南必不可少的部分。

技术审计可包括：

研究方法的合理性、分析模型的合理性、软件的合理性、所采用的数据的合理性等。

6、讨论与结论

结晶岩开挖损伤区的THMC研究是高放核废物地质处置的重要研究内容，基于对高放废物地质处置方式可能涉及的物理－化学过程的理解，通过对模拟处置库—地下实验室围岩THMC耦合过程试验监测数据的分析，提出数学模型并验证其可靠性，利用数值模拟手段进行理论预测，科学论证在万年以上时间尺度内核素迁移的规律，为制定结晶岩开挖损伤区THMC研究工作指南提供科学依据。

开展相关的室内与现场实验研究室十分必要的。

为了揭示HMC作用下的结晶岩变形破坏机理，本研究小组首先进行了三种不同岩石（如花岗岩、灰岩、砂岩）下列条件下的HMC实验：

1）标准圆柱试件受不同化学溶液浸泡若干时间后无应力、单轴、三轴压缩实验；

2）带两个预制裂纹标准圆柱试件受不同化学溶液浸泡若干时间后无应力、单轴、三轴压缩实验；

3）不同化学溶液浸泡若干时间后带预制裂纹标准圆柱试件在改化学溶液一定流速作用下单轴压缩实验；

4）标准圆柱试件受不同化学溶液浸泡若干时间后三轴压缩下的CT实时扫描实验；

5）带预制裂纹的标准圆柱试件受不同化学溶液浸泡若干时间后有、无渗透压三轴压缩下CT实时扫描实验；

6）不同化学溶液流速情况下板状试件破裂全过程的显微镜实时观察与记录实验；

7）不同化学溶液流速情况下带有2或3个预制裂纹板状试件破裂全过程的显微镜实时观察与记录实验；

8）不同化学溶液在一定压力作用下板状试件破裂全过程的显微镜实时观察与记录实验；

9）不同化学溶液在一定压力作用下带有2或3个预制裂纹板状试件破裂全过程的显微镜实时观察与记录实验；

10）不同化学溶液流速情况下标准圆柱试件蠕变过程实验；

11）不同化学溶液流速情况下带两个预制裂纹标准圆柱试件蠕变过程实验。

在此基础上，结合具体的结晶岩开挖损伤区，进行THMC过程研究。

首先选择Äspö硬岩地下实验室的花岗岩，进行了干燥、蒸馏水或碱水作用40或90天后花岗岩岩样三轴压缩与巴西试验，获得了这些环境影响下的完