國家高放廢物深地質(zhì)處置庫建設(shè)的工程實踐指南——《高壓實膨潤土多場耦合緩沖性能及理論》

內(nèi)容提要

本書是一部有關(guān)膨潤土多場耦合緩沖性能及理論研究的學(xué)術(shù)專著，系統(tǒng)介紹了近20年來作者及其團隊圍繞膨潤土基緩沖材料的水力屏障、力學(xué)屏障、化學(xué)屏障與熱力學(xué)屏障性能方面的研究成果。

本書共分六篇18章，內(nèi)容涉及高放廢物深地質(zhì)處置慨念，緩沖/回填材料與膨潤土屏障性能；水力屏障性能：持水特性、飽和-非飽和和滲透特性及氣體遷移特性；力學(xué)屏障性能：膨脹、壓縮與抗剪強度及其模型；化學(xué)屏障性能：吸附、擴散特性及改性潤土的化學(xué)阻滯特性；熱力學(xué)屏障性能：導(dǎo)熱性能及其水-熱耦合模型；以及熱-水-力耦合本構(gòu)模型。

適用人群

本書可供工程地質(zhì)、非飽和土力學(xué)及環(huán)境地質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域的科研、工程技術(shù)與管理人員，以及高等院校相關(guān)專業(yè)的師生參考。

根據(jù)高放廢物深地質(zhì)處置的多屏障庫設(shè)計概念，緩沖/ 回填材料 (人工屏障) 的主要功能是維護(hù)處置庫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的工程屏障，阻止地下水滲流的水力學(xué)屏障，阻滯核素遷移的化學(xué)屏障，以及傳導(dǎo)-擴散庫內(nèi)核素輻射、衰變熱的熱力學(xué)屏障等。以蒙脫石為主要成分的高壓實膨潤土因具有極強的膨脹性、超低的滲透性、良好的導(dǎo)熱性和超強的化學(xué)吸附性等，被公認(rèn)為是最適合的緩沖/ 回填材料。

本書是項目團隊 20年研究成果的總結(jié)，是一本聚焦我國擬建深地質(zhì)處置庫的首選緩沖/ 回填材料——內(nèi)蒙古高廟子 (ＧＭＺ) 膨潤土研究的成果專著。

本書取得的學(xué)術(shù)成果

1

以GＭZ膨潤土為研究對象,開展了耦合條件下高壓實膨潤土持水特性試驗,構(gòu)建了考慮溫度、干密度和化學(xué)影響的高壓實膨潤土持水曲線模型；開展了考慮化學(xué)（去離子水、鹽溶液和堿溶液）、溫度(20~80℃)影響的恒體積、無側(cè)限高壓實膨潤土飽和與非飽和滲透試驗，建立了考慮化學(xué)、溫度影響的高壓實膨潤土飽和與非飽和滲透模型。

2

研發(fā)了溫控-超低滲巖土介質(zhì)氣體滲透試驗裝置，開展了剛性及柔性邊界條件下，飽和超低滲介質(zhì)氣體滲透試驗，構(gòu)建了水-力耦合條件下飽和超低滲介質(zhì)氣體突破模式甄別概念模型。

3

開展了熱-水-力-化耦合條件下膨脹力試驗及膨脹變形試驗，探究了吸力、溫度、化學(xué)、應(yīng)力誘導(dǎo)各向異性等因素對壓實膨潤土材料膨脹特性的影響。

4

研制了溫-濕-化控制的非飽和高壓固結(jié)試驗裝置，開展了考慮吸力、溫度、化學(xué)、應(yīng)變速率等因素影響的GMZ膨潤土壓縮特性試驗,分析了耦合條件下非飽和膨潤土力學(xué)行為及其機理;基于溫濕控制的高壓實GMZ膨潤土流變試驗,建立了膨脹和壓縮變形時效性模型;同時, 基于既有的飽和土彈-熱-黏模型和非飽和土彈-黏塑模型,構(gòu)建并驗證了非飽和土彈-熱-黏塑模型。

5

開展了GMZ膨潤土對稀土元素鑭/銪/鐿等的吸附過程試驗,解釋了溫度、化學(xué)溶液等對吸附過程的影響機理;開展了在化學(xué)影響的膨潤土中模擬核素擴散試驗,分析評價了離子種類、離子強度、溶液ｐH和干密度等因素對GMZ膨潤土中鑭和銪兩種稀土元素擴散性能的影響;提出了基于 ８-羥基喹啉、氧化石墨烯、海藻酸鈉三種物質(zhì)的GMZ膨潤土改性方法,分析評價了改性GMZ膨潤土對稀土元素的吸附和擴散性能。

6

開展了高壓實膨潤土、膨潤土-砂混合物及改性膨潤土的導(dǎo)熱特性試驗，分析了干密度、各向異性等因素對其導(dǎo)熱特性的影響機理，構(gòu)建了高壓實膨潤土的導(dǎo)熱性能預(yù)測模型。

7

在凈應(yīng)力-偏應(yīng)力-總吸力空間中, 定義了剪切邊界面、加載-坍塌 (LC) 邊界面和吸力邊界面, 以描述膨潤土剪切、壓縮和吸力變化過程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線從彈性到彈塑性的平滑過渡, 以及邊界面內(nèi)的彈塑性變形。

8

定義了臨界飽和狀態(tài)概念并明確了其物理意義; 基于臨界飽和線, 在獨立變量框架下, 建立了熱-水-力耦合條件下膨潤土的臨界飽和本構(gòu)模型; 隨后結(jié)合邊界面塑性理論, 將模型擴展至三軸應(yīng)力狀態(tài)

9

基于高壓實膨潤土微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征, 借助彈塑性理論, 分析研究了高壓實膨潤土化-水-力耦合作用機制, 構(gòu)建了高壓實膨潤土的化-水-力耦合本構(gòu)模型。

院士寄語

如何實現(xiàn)高放廢物的安全有效處置是保障核能可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，更是一個亟待解決的世界性難題。深地質(zhì)處置被公認(rèn)是最為可行的方法，即將高放廢物封存在距地表以下500~1000深、合適的穩(wěn)定巖體中的處置庫內(nèi)， 通過天然與人為設(shè)置的種種屏障來阻止核素的遷移與泄漏，以實現(xiàn)對高放廢物的永久處置。

根據(jù)圍巖性質(zhì)差異，國際在建或擬建的處置庫大致可分為單屏障庫與多屏障庫兩種類型。 硬巖中的多屏障庫中,緩沖/ 回填材料 (人工屏障) 的設(shè)計功能包括: 維護(hù)處置庫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的工程屏障作用，阻止地下水滲流的水力學(xué)屏障作用，阻滯核素遷移的化學(xué)屏障作用，以及對輻射熱具有良好熱傳導(dǎo)和擴散性能的導(dǎo)體作用。以蒙脫石為主要成分的高壓實膨潤土具備上述的多種屏障功能，被認(rèn)為是最適合的人工屏障緩沖/回填材料。

處置庫建設(shè)與運營過程中，圍巖中的地下水向庫內(nèi)滲透，引起高壓實、富含蒙脫石的膨潤土吸水膨脹，以密封高壓實膨潤土材料砌置與回填施工縫隙以及圍巖中因處置庫開挖卸載產(chǎn)生的裂縫，形成阻障圍巖中地下水入滲、庫內(nèi)高放廢物輻射擴散等的人工屏障；同時，這一屏障功能的形成與發(fā)揮過程，還將不可避免地遭受到圍巖地下水及其化學(xué)成分，庫內(nèi)核廢料衰變產(chǎn)生的熱，圍巖約束下的緩沖/ 回填材料內(nèi)產(chǎn)生機械應(yīng)力，以及地下水入滲引起的庫內(nèi)金屬構(gòu)件的腐蝕、微生物的降解和地下水的放射性輻解等過程將會產(chǎn)生大量的氫氣、二氧化碳和甲烷等氣體的耦合作用。尤其是，在處置庫萬年或更長的運營周期中，上述因素的影響過程常呈現(xiàn)強、弱循環(huán)變化特征。

我國高放廢物深地質(zhì)處置與國際上發(fā)達(dá)國家相比，我國高放廢物深地質(zhì)處置工作晚起步近半個世紀(jì)。但21世紀(jì)以來，我國高放廢物深地質(zhì)處置工作進(jìn)展迅速，目前已確定甘肅北山花崗巖體作為首座處置庫建設(shè)場地，內(nèi)蒙古高廟子(ＧＭＺ)膨潤土為首選緩沖/ 回填材料，2021年開始地下實驗室建設(shè)，并計劃于21世紀(jì)中葉建成地下處置庫。

20余年來，葉為民教授及其團隊緊密圍繞我國首座高放廢物深地質(zhì)處置庫建設(shè)這一國家戰(zhàn)略問題，借助工程地質(zhì)學(xué)、非飽和土力學(xué)與多場耦合理論，開展了熱-水-力-化耦合作用的高壓實膨潤土工程行為研究，取得了豐富的理論與技術(shù)成果。①建立了多場、多相耦合高壓實膨潤土水力特性理論。開展了耦合高壓實膨潤土的土水特征試驗研究，建立 了考慮溫度、化學(xué)影響的土水特征模型和溫控飽和滲透與非飽和滲透模型，成功將土水特征研究拓展至化學(xué)場，以及巖土介質(zhì)的非飽和滲透模型拓展至溫度場；②構(gòu)建了耦合超低滲巖土介質(zhì)氣體滲透理論。研發(fā)了首臺多場多相耦合超低滲介質(zhì)氣體滲流過程試驗系 統(tǒng)，實現(xiàn)0.0001mL/min超低滲量測;開展了溫控高壓實膨潤土氣體滲透/突破研究,構(gòu)建了考慮溫度影響的超低滲介質(zhì)氣體滲透模型與突破模式甄別模型;③建立了熱-水-力-化控制的膨潤土強度與變形理論。開展了吸力、 溫度、化學(xué)等影響的GMZ膨潤土力學(xué)特性試驗,建立了膨脹和壓縮變形時效性模型與非飽和膨潤土彈-熱-黏塑模型；在有效應(yīng)力中引入滲透應(yīng)力Ｐπ 概念，建立了化-滲-力耦合作用下工程屏障材料的本構(gòu)模型。

該專著從特殊土工程地質(zhì)學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、放射性化學(xué)、非飽和土力學(xué)等多學(xué)科角度，研發(fā)了實驗設(shè)備與先進(jìn)試驗技術(shù)，完成了大量的試驗研究并積累了翔實的數(shù)據(jù)，構(gòu)建了理論模型，獲得了重要的科學(xué)結(jié)論。專著的出版對于豐富工程地質(zhì)、特別是非飽和土工程學(xué)、非飽和土力學(xué)與多場耦合理論，服務(wù)國家深地質(zhì)處置庫建設(shè)，具有極其重要的理論與工程實踐價值。

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本文摘自科學(xué)出版社2025年11月出版的《高壓實膨潤土多場耦合緩沖性能及理論》一書，內(nèi)容有刪節(jié)。標(biāo)題為編者所加。

（本文編輯：韋沁 weiqin@cspm.com.cn）

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