國(guó)家高放廢物深地質(zhì)處置庫(kù)建設(shè)的工程實(shí)踐指南——《高壓實(shí)膨潤(rùn)土多場(chǎng)耦合緩沖性能及理論》

內(nèi)容提要

本書是一部有關(guān)膨潤(rùn)土多場(chǎng)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(tuán)隊(duì)圍繞膨潤(rùn)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(rùn)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(qiáng)度及其模型；化學(xué)屏障性能：吸附、擴(kuò)散特性及改性潤(rùn)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(kù)設(shè)計(jì)概念，緩沖/ 回填材料 (人工屏障) 的主要功能是維護(hù)處置庫(kù)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(kuò)散庫(kù)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(shí)膨潤(rùn)土因具有極強(qiáng)的膨脹性、超低的滲透性、良好的導(dǎo)熱性和超強(qiáng)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(xiàng)目團(tuán)隊(duì) 20年研究成果的總結(jié)，是一本聚焦我國(guó)擬建深地質(zhì)處置庫(kù)的首選緩沖/ 回填材料——內(nèi)蒙古高廟子 (ＧＭＺ) 膨潤(rùn)土研究的成果專著。

本書取得的學(xué)術(shù)成果

1

以GＭZ膨潤(rùn)土為研究對(duì)象,開展了耦合條件下高壓實(shí)膨潤(rùn)土持水特性試驗(yàn),構(gòu)建了考慮溫度、干密度和化學(xué)影響的高壓實(shí)膨潤(rùn)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(shí)膨潤(rùn)土飽和與非飽和滲透試驗(yàn)，建立了考慮化學(xué)、溫度影響的高壓實(shí)膨潤(rùn)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(yàn)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(yàn)，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(yàn)及膨脹變形試驗(yàn)，探究了吸力、溫度、化學(xué)、應(yīng)力誘導(dǎo)各向異性等因素對(duì)壓實(shí)膨潤(rùn)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(yàn)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(rùn)土壓縮特性試驗(yàn),分析了耦合條件下非飽和膨潤(rùn)土力學(xué)行為及其機(jī)理;基于溫濕控制的高壓實(shí)GMZ膨潤(rùn)土流變?cè)囼?yàn),建立了膨脹和壓縮變形時(shí)效性模型;同時(shí), 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(yàn)證了非飽和土彈-熱-黏塑模型。

5

開展了GMZ膨潤(rùn)土對(duì)稀土元素鑭/銪/鐿等的吸附過程試驗(yàn),解釋了溫度、化學(xué)溶液等對(duì)吸附過程的影響機(jī)理;開展了在化學(xué)影響的膨潤(rùn)土中模擬核素?cái)U(kuò)散試驗(yàn),分析評(píng)價(jià)了離子種類、離子強(qiáng)度、溶液ｐH和干密度等因素對(duì)GMZ膨潤(rùn)土中鑭和銪兩種稀土元素?cái)U(kuò)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(rùn)土改性方法,分析評(píng)價(jià)了改性GMZ膨潤(rùn)土對(duì)稀土元素的吸附和擴(kuò)散性能。

6

開展了高壓實(shí)膨潤(rùn)土、膨潤(rùn)土-砂混合物及改性膨潤(rùn)土的導(dǎo)熱特性試驗(yàn)，分析了干密度、各向異性等因素對(duì)其導(dǎo)熱特性的影響機(jī)理，構(gòu)建了高壓實(shí)膨潤(rùn)土的導(dǎo)熱性能預(yù)測(cè)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(rùn)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(dú)立變量框架下, 建立了熱-水-力耦合條件下膨潤(rùn)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(kuò)展至三軸應(yīng)力狀態(tài)

9

基于高壓實(shí)膨潤(rùn)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(shí)膨潤(rùn)土化-水-力耦合作用機(jī)制, 構(gòu)建了高壓實(shí)膨潤(rùn)土的化-水-力耦合本構(gòu)模型。

院士寄語

如何實(shí)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(gè)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(kù)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(shí)現(xiàn)對(duì)高放廢物的永久處置。

根據(jù)圍巖性質(zhì)差異，國(guó)際在建或擬建的處置庫(kù)大致可分為單屏障庫(kù)與多屏障庫(kù)兩種類型。 硬巖中的多屏障庫(kù)中,緩沖/ 回填材料 (人工屏障) 的設(shè)計(jì)功能包括: 維護(hù)處置庫(kù)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(duì)輻射熱具有良好熱傳導(dǎo)和擴(kuò)散性能的導(dǎo)體作用。以蒙脫石為主要成分的高壓實(shí)膨潤(rùn)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(kù)建設(shè)與運(yùn)營(yíng)過程中，圍巖中的地下水向庫(kù)內(nèi)滲透，引起高壓實(shí)、富含蒙脫石的膨潤(rùn)土吸水膨脹，以密封高壓實(shí)膨潤(rùn)土材料砌置與回填施工縫隙以及圍巖中因處置庫(kù)開挖卸載產(chǎn)生的裂縫，形成阻障圍巖中地下水入滲、庫(kù)內(nèi)高放廢物輻射擴(kuò)散等的人工屏障；同時(shí)，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(kù)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(jī)械應(yīng)力，以及地下水入滲引起的庫(kù)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(huì)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(kù)萬年或更長(zhǎng)的運(yùn)營(yíng)周期中，上述因素的影響過程常呈現(xiàn)強(qiáng)、弱循環(huán)變化特征。

我國(guó)高放廢物深地質(zhì)處置與國(guó)際上發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)高放廢物深地質(zhì)處置工作晚起步近半個(gè)世紀(jì)。但21世紀(jì)以來，我國(guó)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(kù)建設(shè)場(chǎng)地，內(nèi)蒙古高廟子(ＧＭＺ)膨潤(rùn)土為首選緩沖/ 回填材料，2021年開始地下實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，并計(jì)劃于21世紀(jì)中葉建成地下處置庫(kù)。

20余年來，葉為民教授及其團(tuán)隊(duì)緊密圍繞我國(guó)首座高放廢物深地質(zhì)處置庫(kù)建設(shè)這一國(guó)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(chǎng)耦合理論，開展了熱-水-力-化耦合作用的高壓實(shí)膨潤(rùn)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(chǎng)、多相耦合高壓實(shí)膨潤(rùn)土水力特性理論。開展了耦合高壓實(shí)膨潤(rùn)土的土水特征試驗(yàn)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(chǎng)，以及巖土介質(zhì)的非飽和滲透模型拓展至溫度場(chǎng)；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(tái)多場(chǎng)多相耦合超低滲介質(zhì)氣體滲流過程試驗(yàn)系 統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)0.0001mL/min超低滲量測(cè);開展了溫控高壓實(shí)膨潤(rùn)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(rùn)土強(qiáng)度與變形理論。開展了吸力、 溫度、化學(xué)等影響的GMZ膨潤(rùn)土力學(xué)特性試驗(yàn),建立了膨脹和壓縮變形時(shí)效性模型與非飽和膨潤(rùn)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(shí)驗(yàn)設(shè)備與先進(jìn)試驗(yàn)技術(shù)，完成了大量的試驗(yàn)研究并積累了翔實(shí)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(duì)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(chǎng)耦合理論，服務(wù)國(guó)家深地質(zhì)處置庫(kù)建設(shè)，具有極其重要的理論與工程實(shí)踐價(jià)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(shí)膨潤(rùn)土多場(chǎng)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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