高放廢物處置庫黏土圍巖溫度-應(yīng)力耦合測試方法展望

張龍鵬，梁海安，2，楊 婷，唐 毯，張 娟

（1.東華理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330013；2.核資源與環(huán)境國家重點實驗室（東華理工大學(xué)），江西 南昌 330013）

0 引言

高放廢物處置庫圍巖在放射性廢物放熱及高地應(yīng)力復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定是關(guān)系到處置庫安全性的關(guān)鍵問題。黏土巖作為高放廢物處置庫的地質(zhì)屏障候選圍巖［1］，在溫度-應(yīng)力耦合的長期作用下圍巖的穩(wěn)定一直以來都是處置庫安全評價的研究重點［2］。從上世紀(jì) 90 年代起，比利時就開始在 HADES 地下實驗室中對 Boom 黏土巖進(jìn)行現(xiàn)場加熱實驗，瑞士、法國相繼在 2004 年和 2006 年開始進(jìn)行現(xiàn)場加熱實驗。二十多年來，比利時、瑞士、法國完成了小尺寸（small-scale）和大尺寸（large-scale）現(xiàn)場加熱試驗，并對現(xiàn)場提取的黏土巖巖樣進(jìn)行了室內(nèi)試驗研究。目前這三個國家的現(xiàn)場加熱試驗已進(jìn)入足尺（full-scale）試驗階段。國外現(xiàn)場加熱試驗規(guī)模及歷程如表 1 所示。

表1 國外主要黏土巖國家現(xiàn)場加熱試驗概況

根據(jù)國外的加熱試驗研究，黏土巖的熱傳導(dǎo)性能及溫度對黏土巖力學(xué)性質(zhì)的影響是黏土巖溫度-應(yīng)力耦合的關(guān)鍵因素。本文從以上兩個方面對國內(nèi)外對黏土巖的溫度-應(yīng)力耦合特性研究的試驗方法現(xiàn)狀進(jìn)行了初步總結(jié)，并對其未來發(fā)展方針提出了展望。

1 高放廢物處置庫黏土圍巖熱學(xué)參數(shù)測定的主要方法

黏土巖熱學(xué)參數(shù)的測定方法主要分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法。由于黏土巖的滲透系數(shù)一般比較低，許多學(xué)者在研究黏土巖傳熱時往往只考慮熱傳導(dǎo)這一種傳熱方式［15］。

1.1 高放廢物處置庫黏土圍巖熱傳導(dǎo)系數(shù)的測定方法

目前高放廢物處置庫黏土圍巖測試實踐中，黏土巖的熱傳導(dǎo)系數(shù)常由現(xiàn)場試驗或室內(nèi)試驗測試得到。

黏土巖導(dǎo)熱系數(shù)的室內(nèi)測量方法分為瞬態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法。瞬態(tài)法具有測試時間短，樣品量小，樣品制備簡單等優(yōu)點。其基本原理是對處于熱平衡的黏土巖試樣施加熱場，通過監(jiān)測試樣溫度變化，結(jié)合非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程，計算出待測試樣的熱物理參數(shù)。黏土巖熱傳導(dǎo)系數(shù)瞬態(tài)測試方法有瞬態(tài)熱線法（THW）、瞬態(tài)熱帶法（THS）、瞬態(tài)熱橋法（THB）、瞬態(tài)熱探針法（THP）、瞬態(tài)平面熱源法（TPS）、熱線法（HWM）、激光閃射法（LFM）等［16］。

常用的穩(wěn)態(tài)法有防護(hù)熱板法（GHP）、熱流計法（HFM）、水流量平板法（WFP）、圓管法等。由于穩(wěn)態(tài)法測試所需的時間較長，試樣內(nèi)部溫度場達(dá)到動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，可能會造成介質(zhì)內(nèi)部水分的移動和結(jié)構(gòu)的擾動［17］。當(dāng)測試巖樣達(dá)到溫度場穩(wěn)定狀態(tài)時，可將巖樣內(nèi)的熱量傳導(dǎo)視為一維傳導(dǎo)狀態(tài)［18］，這時測量溫度梯度和試樣單位面積上的熱流量，就可以確定材料的導(dǎo)熱系數(shù)。C?té 等［19］采用導(dǎo)熱系數(shù)比較穩(wěn)定的 Pyrex 玻璃開發(fā)出了穩(wěn)態(tài)法精確測量巖石導(dǎo)熱系數(shù)的設(shè)備。Kodikara 等［20］采用紅外線熱成像技術(shù)測量黏土巖導(dǎo)熱系數(shù)方法，可以同時測試多點的熱傳導(dǎo)系數(shù)。但該方法測定過程中，黏土巖表面直接暴露在空氣中，不可避免地與空氣發(fā)生對流換熱［21］，測定結(jié)果的準(zhǔn)確性有待商榷。

黏土圍巖高放廢物處置庫現(xiàn)場試驗是在實際地質(zhì)構(gòu)造、水分遷移等條件下，最接近真實情況，可信度高，但代價昂貴，時間周期長。在鉆孔或豎井中放置地下?lián)Q熱器完成現(xiàn)場測試，又稱熱響應(yīng)測試法，最早由 Mogensen 于 1983 年提出［22］。該方法的關(guān)鍵在于求解一定邊界條件和初始條件下的地下?lián)Q熱器微分方程［23］。目前主要采用的模型有線熱源模型、柱熱源模型、圓盤形熱源模型和球形熱源模型，其中線熱源模型和柱熱源模型的基本假定及解析形式如表 2 所示。

1.2 高放廢物處置庫黏土巖比熱容的測定方法

巖土比熱容可根據(jù)三相物質(zhì)的組成比例進(jìn)行計算，計算公式如下表示

式中：Cd、Cw、Ca分別為固體、液體、氣體的比熱容，kJ/（kg?K）；md、mw、ma分別單位體積中固體、液體、氣體的質(zhì)量，kg；m為單位體積巖土的質(zhì)量，kg。

測定均質(zhì)材料比熱容的方法有混合法、差分比熱量熱法（差分絕熱量熱法、差分弛豫時間量熱法和差分非絕熱量熱法）、差示掃描量熱法（DSC）及電流量熱法等［26］。DSC 法和混合冷卻法是目前測定固體比熱容的常用方法。DSC 法測量溫度范圍廣、簡單易行且結(jié)果準(zhǔn)確，被認(rèn)為是一種較好的比熱容測定方法。

上述黏土巖熱傳導(dǎo)系數(shù)的室內(nèi)測試方法及現(xiàn)場測試的方法使用的理論模型中，同樣可以根據(jù)試驗數(shù)據(jù)反算出黏土巖的比熱容。

在國外黏土巖高放廢物處置庫場址篩選工作中，研究人員在特定場址地下實驗室對黏土巖進(jìn)行了長期的現(xiàn)場加熱試驗來獲得黏土巖的熱學(xué)性能。如比利時根據(jù)在 HADES 地下實驗室進(jìn)行加熱試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過數(shù)值模擬軟件多次模擬反演得到最接近實際監(jiān)測數(shù)據(jù)的一組 Boom clay 的熱傳導(dǎo)系數(shù)和比熱容等重要的熱學(xué)參數(shù)；瑞士根據(jù)在 Mont Terri 地下實驗室進(jìn)行的加熱試驗，得到 Oplinus 黏土巖的熱傳導(dǎo)系數(shù)；法國同樣在 BURE地下實驗室進(jìn)行了長期現(xiàn)場加熱試驗反演得到 Callovo-Oxfordian 黏土巖的熱傳導(dǎo)系數(shù)。

2 溫度對高放廢物處置庫黏土圍巖力學(xué)性質(zhì)的研究方法

2.1 高放廢物處置庫黏土圍巖熱膨脹性質(zhì)的研究方法

由放射性廢料衰變產(chǎn)生熱膨脹引起巖體或結(jié)構(gòu)的膨脹變形，將會對工程的穩(wěn)定性造成威脅。目前對巖石等多孔材料的熱膨脹系數(shù)的測定方法，多為對試樣加熱，記錄試樣各個方向上的變形，可根據(jù)試驗要求的不同選擇不同材質(zhì)的傳感器。隨著科技的提升，監(jiān)測試樣變形的傳感器靈敏度不斷提升，熱膨脹測試的精度也隨之提高。Belmokhtar等［27］使用高精度的 LVDT 系統(tǒng)測量 COx 黏土巖在常溫到 100 ℃ 的熱膨脹系數(shù)，最小精度可達(dá) 0.1 μm，精度得到很大的提升。

表2 常用熱源模型

在現(xiàn)場可在圍巖中布置變形傳感器，通過加熱試驗對巖體變形進(jìn)行監(jiān)測，直接獲得高放廢物處置庫黏土圍巖巖體的熱膨脹性質(zhì)。

2.2 高放廢物處置庫黏土圍巖熱應(yīng)力的研究方法

熱應(yīng)力是巖體由于受到遠(yuǎn)場巖石介質(zhì)約束，近場巖石介質(zhì)熱膨脹受到抑制產(chǎn)生［28］。熱應(yīng)力是溫度影響巖石（體）應(yīng)力狀態(tài)的重要因素之一，研究熱應(yīng)力的影響對工程穩(wěn)定性具有十分重要的作用。

在國外的研究中，通過現(xiàn)場加熱試驗，監(jiān)測圍巖中不同方位上應(yīng)力、孔壓隨溫度的變化，獲得黏土巖的熱應(yīng)力變化及分布情況。

2.3 高放廢物處置庫黏土圍巖熱損傷的研究方法

劉泉聲等［29］引入損傷力學(xué)，以巖樣的彈性模量作為損傷變量，提出了熱損傷的定義，巖石的熱損傷可用下式表達(dá)：

式中：D（T）表示在溫度為T時巖樣的損傷因子；ET表示在溫度為T時巖樣的彈性模量；E0表示在 20 ℃ 時巖樣的彈性模量。

根據(jù)熱損傷的定義，可通過室內(nèi)試驗，對黏土巖進(jìn)行加熱處理后，通過單軸抗壓試驗獲得黏土巖彈性模量隨溫度的變化情況。同樣地，在試驗中還可以獲得黏土巖的抗壓強(qiáng)度、泊松比等力學(xué)及變形性質(zhì)隨溫度升高的改變。這種方法在宏觀上反映了升溫對黏土巖力學(xué)性質(zhì)的影響。

在微觀上，左建平等［30］使用電鏡掃描觀察細(xì)粉砂巖高溫加熱開裂現(xiàn)象，直接觀察到巖石熱開裂產(chǎn)生、發(fā)展過程。張衛(wèi)強(qiáng)［31］對熱處理后的灰?guī)r、砂巖和花崗巖進(jìn)行了電鏡掃描、X 射線衍射分析，研究了溫度升高對巖樣熱開裂發(fā)生、發(fā)展過程及對礦物結(jié)構(gòu)的影響。此外還有巖石 CT、聲發(fā)射等方法，可對巖石損傷發(fā)生、發(fā)展機(jī)制進(jìn)行直觀的分析。

3 總結(jié)與展望

本文通過文獻(xiàn)調(diào)研，從黏土巖的熱學(xué)性能測試以及溫度對黏土巖力學(xué)性質(zhì)的影響兩個方面對黏土巖溫度-應(yīng)力耦合特性測試方法進(jìn)行了總結(jié)回顧。

1）黏土巖熱學(xué)性能可通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗獲得，在室內(nèi)熱學(xué)性能測試方法一般分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法，可根據(jù)方法及熱源的不同選擇不同的模型進(jìn)行求解；

2）瞬態(tài)法試驗操作簡單，測試時間短，對巖樣擾動??；穩(wěn)態(tài)法測試結(jié)果準(zhǔn)確，但需要長時間加熱使巖樣達(dá)到熱平衡，容易對巖樣造成擾動，使測試結(jié)果失真；

3）現(xiàn)場測試常用的方法為對對巖體施加熱干擾，監(jiān)測巖體的溫度場變化，通過熱源模型反算或使用數(shù)值模擬軟件反演的方式獲得；現(xiàn)場加熱實驗最接近巖體真實情況，但試驗成本較大，測試時間漫長；

4）溫度對黏土巖力學(xué)性質(zhì)的影響，也可通過室內(nèi)試驗及現(xiàn)場加熱試驗進(jìn)行研究，現(xiàn)場加熱試驗多在特殊廠址地下實驗室進(jìn)行，在圍巖中布置多個溫度、應(yīng)力、變形、滲透等傳感器，對加熱過程進(jìn)行監(jiān)測；

5）黏土巖熱損傷可通過室內(nèi)試驗，從宏觀和微觀的角度進(jìn)行評價與分析。在宏觀上，主要通過對熱處理后的巖樣進(jìn)行單軸壓縮實驗，獲得不同溫度下黏土巖的彈性模量后進(jìn)行定量評價；在微觀上，主要通過電鏡掃描、巖石 CT、聲發(fā)射等方式直觀地觀察微裂紋隨溫度升高的發(fā)展、通過 X 射線衍射等方式分析礦物成分的變化，對巖石熱損傷機(jī)制進(jìn)行定性分析。

過去二十余年，為探明處置庫黏土圍巖的溫度-應(yīng)力耦合性質(zhì)，國外的現(xiàn)場加熱試驗經(jīng)歷了小尺寸（smallscale）、大尺寸（large-scale）到足尺（full-scale）加熱試驗“三步走”的測試方法。與現(xiàn)場實驗相配合，國內(nèi)外同時開展了大量的室內(nèi)試驗研究，提供對處置庫黏土圍巖溫度-應(yīng)力耦合測試的多種研究方法。

結(jié)合以上研究成果，為未來黏土巖高放廢物處置庫場址安全性評估工作提出以下幾點建議：

1）測試過程滲流、化學(xué)場的影響不可避免地對實驗結(jié)果造成影響，應(yīng)考慮這方面多場耦合的疊加影響，并設(shè)計更加合理的現(xiàn)場原位試驗設(shè)備及測試方案；

2）室內(nèi)試驗多采用無裂隙或微裂隙的均質(zhì)巖塊，對于高放廢物黏土巖宏觀尺寸下的溫度-應(yīng)力耦合的真實響應(yīng)而言缺乏代表性，因此需通過大量室內(nèi)試驗并與現(xiàn)場試驗結(jié)果驗證室內(nèi)試驗的準(zhǔn)確性；

3）足尺加熱試驗規(guī)模大、周期長、需要大量人力物力支持，因此可根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果先進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果對試驗方案進(jìn)行優(yōu)化；

4）在未來的現(xiàn)場加熱試驗中，為安全起見，需按順序先后進(jìn)行小尺寸、大尺寸、足尺加熱試驗，對黏土巖高放廢物處置庫巖層溫度-應(yīng)力耦合進(jìn)行系統(tǒng)的研究。Q