高放廢物處置庫近場裂隙水流-傳熱-處置室間距相互作用的三維數(shù)值分析

高俊義

(延安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 延安 716000)

由于高放廢物地質(zhì)處置庫(以下簡稱處置庫)周圍巖體本身一般都存在一定數(shù)量的構(gòu)造裂隙，前期開挖、爆破的施工過程以及處置庫運營期間高放廢物放熱和地質(zhì)活動還會使巖體產(chǎn)生新的較大開度的裂隙，裂隙水的形態(tài)和運動規(guī)律將是影響處置庫對核素擴散阻滯行為的關(guān)鍵，因此，裂隙水流動和巖石熱傳導(dǎo)之間的相互耦合作用是評估處置庫安全運營的重要組成部分[1]。

在處置庫概念設(shè)計中處置規(guī)模的估算主要根據(jù)處置室間距的計算來完成。在概念設(shè)計階段，處置庫中處置室間距的確定主要以熱學(xué)計算分析結(jié)果為依據(jù)。高俊義等[2]開展了裂隙水流速度對處置庫近場溫度影響的三維離散元分析，并未涉及不同處置室間距以及交叉裂隙水流-傳熱對處置庫近場溫度影響。張勇等[3]考慮一個包括分布熱源、飽和單裂隙水流和兩側(cè)無限大巖石的高放廢物地質(zhì)處置庫近場三維水流傳熱模型，分析了分布熱源作用下單裂隙巖體的三維水流傳熱特征，并未考慮多排熱源作用下，多裂隙水流-傳熱對處置庫近場溫度影響。呂濤等[4]，王勝等[5]，劉文崗等[6]，劉月妙等[7]，趙宏剛等[8]均未考慮處置庫在裂隙水流-傳熱條件下不同處置室間距的熱導(dǎo)作用。鑒于此，開展處置庫多裂隙水流-傳熱-處置室間距相互作用機理研究顯得十分必要。

1 處置庫概念模型

參考文獻[9]中水平處置庫概念模型，如圖1所示，地下處置深度為500 m，概念模型分4塊處置區(qū)域，每塊處置區(qū)域分布3條巷道，巷道長分別設(shè)置為24 m、32 m、40 m，每條巷道內(nèi)設(shè)置4個廢物罐，共12個廢物罐，相鄰巷道和廢物罐中心間距分別設(shè)置為6 m、8 m、10 m，廢物罐均水平放置在巷道內(nèi)，周圍設(shè)置300 mm厚的膨潤土，處置庫圍巖為花崗巖。

圖1 處置庫概念模型

2 離散元模擬計算

2.1 熱流耦合理論

3DEC是一種基于不連續(xù)體有限元法的三維數(shù)值程序，是在二維UDEC的基礎(chǔ)上形成的計算程序，模擬不連續(xù)介質(zhì)(例如節(jié)點巖體)對靜態(tài)或動態(tài)荷載的響應(yīng)。不連續(xù)體在設(shè)置邊界條件的情況下進行計算。其主要傾向于巖體工程項目的分析，利用Jest命令流可以方便地生成各種節(jié)理、裂隙。進行人工或自動網(wǎng)格生成，在巖體中呈現(xiàn)出一系列不連續(xù)性的節(jié)點結(jié)構(gòu)。定義模型尺寸，輸入相關(guān)參數(shù)，劃分模型網(wǎng)格后即可開始計算。

熱傳導(dǎo)模塊可以進行材料瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模擬計算。熱對流模塊中，忽略流體在固體中的滲透性，假定飽和流體在裂隙內(nèi)流動，當(dāng)固體溫度與裂隙內(nèi)流體溫度存在溫差時，會發(fā)生彼此之間的對流換熱(熱流耦合)，光滑的裂隙內(nèi)水流符合立方定律。

2.2 計算模型

通常要求處置庫中廢物罐表面的最高溫度應(yīng)小于90 ℃，而且處置巷道及廢物罐之間的間距最小[10-12]。本文假定高放廢物衰變釋熱溫度為80 ℃，處置室中心間距分別取6 m、8 m、10 m進行數(shù)值模擬計算，開展處置庫多裂隙水流-傳熱-處置室間距相互作用的研究。

對于高放廢物玻璃固化體單個水平處置區(qū)域的數(shù)值計算，模型尺寸分別設(shè)置為30 m(40 m、50 m)[長]×24 m(32 m、40 m)[寬]×20 m[高]，本文僅考慮水平鉆孔處置所用的BV55 V型處置容器，其外徑為550 mm、外部高度為1 610 mm[13-14]的等效巖石尺寸模擬廢物衰變釋熱。模型尺寸如圖2所示，模型網(wǎng)格劃分如圖3所示，圖2、3中僅顯示相鄰巷道和廢物罐中心間距為6 m的情況，相鄰巷道和廢物罐中心間距為8 m和10 m的情況類同?？紤]水平處置巷道上、下兩條水平裂隙與切割巷道中部的一條豎裂隙正交的三條裂隙，建立多廢物罐作用下飽和多裂隙巖體水流-傳熱模型；圖2B中1、2、3、4為外側(cè)巷道廢物罐表面附近膨潤土溫度觀察點，5、6、7、8為內(nèi)側(cè)巷道廢物罐表面附近膨潤土溫度觀察點。模型的兩條水平裂隙近似模擬實際巖體中橫向局部貫通的裂隙通道，分別位于處置巷道的上、下部，豎裂隙近似模擬實際巖體中縱向局部貫通的裂隙通道。

2.3 參數(shù)與工況

模型所采用花崗巖和裂隙水的熱物理參數(shù)來源于甘肅北山地區(qū)花崗巖的實測值，列于表1，在處置概念設(shè)計-500 m條件下地溫為19 ℃[4]。其中花崗巖與水的對流換熱系數(shù)為30 W/(m2·℃)。本模型假定花崗巖與裂隙水的初始溫度均為19 ℃。

表1 花崗巖、膨潤上、廢物罐與水的熱物理參數(shù)

模型考慮4種工況：在處置室中線間距為6 m的條件下，對比分析裂隙水流動傳熱對處置庫近場溫度分布影響；在裂隙開度和裂隙水流速度相同，不同處置室中線間距(6 m、8 m、10 m)條件下，對比分析裂隙水流傳熱對處置庫近場溫度分布影響。廢物罐釋熱時間均為302 d，計算工況列于表2。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 巖體裂隙水流動對處置庫溫度影響

在處置室中線間距6 m，裂隙水靜止與流動條件下，巖體剖面溫度場如圖4所示。

由圖4(A、C)可知，由于靜止的裂隙水只起到熱存儲和熱傳導(dǎo)作用，使巖體等溫線規(guī)則性地向廢物罐群周邊輻射。由圖4(B、D)可知，由于裂隙水流動-傳熱作用，使巖體等溫線不規(guī)則性地向廢物罐群周邊輻射，具體表現(xiàn)為水平裂隙水流上游區(qū)域(0～6 m)溫度梯度顯著大于其下游區(qū)域(24～30 m)。由于裂隙水流進水口水溫(19 ℃)與裂隙外圍巖石溫度(隨廢物罐釋熱時間而不斷升高)相差較大，熱流耦合(主要體現(xiàn)為裂隙水吸熱降溫)作用強烈導(dǎo)致裂隙水流上游區(qū)域(0～6 m)溫度梯度較大；由于裂隙水流出水口水溫(在裂隙水流上、中游區(qū)域吸熱后傳到下游區(qū)域的溫度遠大于19 ℃)與裂隙外圍巖石溫度相差較小，熱流耦合作用較弱導(dǎo)致裂隙水流下游區(qū)域(24～30 m)溫度梯度較小。對比圖4(A、C)知，流動的裂隙水顯著改變了處置庫近場的溫度場，使巖體溫度降低。

表2 離散元模擬工況

圖2 相鄰巷道和廢物罐中心間距均為6 m時模型尺寸和邊界條件(尺寸單位：m)

圖3 相鄰巷道中心間距和廢物罐中心間距均為6 m時模型網(wǎng)格劃分

圖4 處置室間距6 m時巖體剖面溫度場(單位：℃)

圖5 裂隙水靜止和流動條件下廢物罐表面膨潤土?xí)r間-溫度曲線

裂隙水在靜止與流動條件下，廢物罐表面膨潤土?xí)r間-溫度曲線如圖5所示。

由圖5A知，裂隙水靜止時，廢物罐表面膨潤土的8個觀察點溫度在0～10 d迅速上升，10～50 d溫度上升幅度減小，50 d后溫度上升幅度進一步減小，且各觀察點溫度隨時間差異趨于減小。由圖5B可知，裂隙水流動時，廢物罐表面膨潤土的觀察點溫度在0～50 d與裂隙水靜止時相當(dāng)，50 d后溫度上升幅度進一步減小，對比裂隙水靜止時，廢物罐表面膨潤土的觀察點溫度在廢物罐釋熱約200 d后趨于穩(wěn)態(tài)，即裂隙水流動明顯縮短模型達到穩(wěn)態(tài)所需要的時間。另外，圖5(A和B中1觀察點溫度最大值為76 ℃和70 ℃)溫度與圖4(A和B中1觀察點溫度76 ℃和70 ℃)相同，其余觀察點溫度后文中類同，不再贅述。裂隙水流動傳熱作用使水流下游區(qū)域(3、4)溫度高于裂隙水流上游區(qū)域(1、5)。

3.2 處置室間距對處置庫溫度影響

處置室中線間距在8 m(工況3)和10 m(工況4)條件下，巖體剖面溫度場如圖6所示。

圖6 處置室間距為8 m和10 m時的巖體剖面溫度場(單位：℃)

處置室中線間距為8 m時，對比圖6(A、C)和圖4(B、D)知，溫度場分布規(guī)律相當(dāng)，但是，當(dāng)處置室中線間距由6 m增大到8 m后，水平裂隙水流下游區(qū)域溫度減小(由60 ℃減小到55 ℃)，豎向裂隙水流下游區(qū)域溫度減小(由55 ℃減小到50 ℃)。這是由于在裂隙水流傳熱效果相同情況下，隨著處置室中線間距增大，廢物罐釋熱后溫度疊加效應(yīng)減弱。對比圖6(A、C)和圖6(B、D)可知，中部水平剖面[x(8～32 m)，y(8～24 m)]區(qū)域眾值溫度(65 ℃)高于[x(10～40 m)，y(10～30 m)]區(qū)域(55 ℃)，即廢物罐群圍成區(qū)域均值溫度隨處置室中線間距的增大而減小；中部豎向剖面[x(0～40 m)，z(0～10 m)]區(qū)域均值溫度(50 ℃)高于[x(0～50 m)，z(0～10 m)]區(qū)域(45 ℃)，即裂隙水流下游區(qū)域均值溫度隨處置室中線間距的增大而減小。理由同前。

處置室中線間距在8 m(工況3)和10 m(工況4)條件下，廢物罐表面膨潤土?xí)r間-溫度曲線如圖7所示。

圖7 處置室間距8 m和10 m時廢物罐表面膨潤土?xí)r間-溫度曲線

對比圖7和圖5B可知，處置室中線間距為8 m和10 m時，廢物罐表面膨潤土?xí)r間-溫度曲線與處置室中線間距為6 m時規(guī)律類似，差異是處置室中線間距為8 m(圖7A，工況3)時，巷道內(nèi)排6、7觀察點溫度在釋熱8 d后升溫幅度開始減小，原因在于此觀察點位于裂隙水流下游區(qū)域，受水平和垂直裂隙水流傳熱影響較大。處置室中線間距分別為6 m、8 m和10 m時，均為巷道外排觀察點溫度(3、4)最高，這是因為水平和垂直裂隙水流共同把熱量從裂隙水流上游區(qū)域傳到下游區(qū)域，而巷道外排觀察點(3、4)正好位于水平和垂直裂隙水流的下游區(qū)域；巷道內(nèi)排觀察點(5、6)溫度最低，由于此觀察點正好位于水平裂隙水流的上游區(qū)域，水平裂隙水流傳熱到下游區(qū)域，同時垂直與水平裂隙交匯處水流傳熱到垂直裂隙水流的下游區(qū)域。處置室中線間距為6 m、8 m和10 m時，對應(yīng)廢物罐表面膨潤土觀察點最高溫度為74.9 ℃、71.9 ℃和69.3 ℃，處置室中線間距越大，廢物罐表面膨潤土觀察點溫度越低。

3.3 處置室間距對裂隙出水口水溫影響

處置室中線間距在6 m、8 m和10 m條件下，裂隙出水口時間-水溫曲線如圖8所示。

圖8 裂隙出水口時間-水溫曲線

由圖8(A)知，處置室中線間距為6 m和8 m時，裂隙出水口水溫-時間曲線類似，且在廢物罐釋熱250 d后基本達到穩(wěn)態(tài)，裂隙H出水口水溫約為60 ℃和52 ℃，裂隙V出水口水溫約為56 ℃和50 ℃。這是由于兩條水平裂隙均位于巷道上、下1 m處，裂隙水流動傳熱對此影響較小，垂直裂隙出水口距巷道廢物罐(10.44 m和10.77 m)遠于水平裂隙(6.08 m和8.06 m)。圖8(B)知，與6 m和8 m的不同處在于，處置室中線間距為10 m時，垂直裂隙出水口水溫(45 ℃)高于水平裂隙(38 ℃)，原因在于垂直裂隙出水口距巷道廢物罐(11.18 m)與水平裂隙(10.05 m)距離較近的情況下，垂直裂隙水流經(jīng)過其兩邊廢物罐釋熱的溫度疊加效應(yīng)較強，且豎裂隙水流速大于橫裂隙，而水平裂隙水流未受到這種溫度疊加效應(yīng)，這與圖6(D)達穩(wěn)態(tài)時，垂直裂隙出水口水溫高于水平裂隙規(guī)律吻合。

綜合上述分析可知，裂隙出水口水溫均在廢物罐釋熱約250 d后達到穩(wěn)態(tài)。處置室中線間距為6 m和8 m時，水平裂隙出水口水溫高于垂直裂隙；處置室中線間距為10 m時，水平裂隙出水口水溫低于垂直裂隙；處置室中線間距越大，裂隙出水口水溫越低，模型達到穩(wěn)態(tài)所需要的時間越短。

4 結(jié)論

(1)在相同處置室間距條件下，流動的裂隙水顯著改變了處置庫近場的溫度場，使巖體溫度降低，縮短模型達到穩(wěn)態(tài)所需要的時間。

(2)由于處置室間距越大，溫度疊加效應(yīng)減弱，處置庫近場溫度越低，并且廢物罐表面膨潤土溫度越低，裂隙出水口水溫越低，模型達到穩(wěn)態(tài)所需要的時間越短。

(3)水平和垂直裂隙水流共同傳熱使處置庫近場裂隙水流下游區(qū)域溫度顯著高于裂隙水流上游區(qū)域。

(4)由于裂隙出水口觀察點到廢物罐路徑差異，處置室中線間距為6 m和8 m時，水平裂隙出水口水溫高于垂直裂隙出水口水溫；處置室中線間距為10 m時，水平裂隙出水口水溫低于垂直裂隙。