緩沖區(qū)膨潤(rùn)土材料均勻化研究進(jìn)展與展望

鄧榮升

(1.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海，200092；2.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，200092)

高放廢物安全處置是核能可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的重大問(wèn)題，自20世紀(jì)80年代以來(lái)，它就受到了我國(guó)科學(xué)家的關(guān)注[1]。目前，國(guó)際著名核廢料管理機(jī)構(gòu)如瑞典SKB[2]、芬蘭POSIVA[3]和瑞士NAGRA[4]等均采用“多重屏障系統(tǒng)”的深地質(zhì)處置方案[1]，即廢物罐內(nèi)部放置高放廢物、外側(cè)填充緩沖材料，最外層圍巖體作為天然屏障。緩沖區(qū)材料普遍選用膨潤(rùn)土塊體[5]，這是因?yàn)樵摬牧暇哂懈吲蛎浶?、低滲透性以及良好的吸附性能。然而，在處置庫(kù)的施工過(guò)程中，不可避免存在各種施工接縫[6]，包括塊體與處置罐體、塊體與圍巖以及塊體內(nèi)部之間的間隙。為此，KARNLAND 等[7-8]提出采用高密度膨潤(rùn)土顆粒和膨潤(rùn)土粉末組成的混合物(GBM)填充各類施工接縫，或者直接作為緩沖材料。該材料的顯著優(yōu)勢(shì)[9]在于易儲(chǔ)存、運(yùn)輸，施工操作性強(qiáng)；此外，作為間隙回填材料，它與膨潤(rùn)土塊體具有很好的兼容性。

由此可見，高放廢物處置庫(kù)緩沖區(qū)材料在初始狀態(tài)下具有高度非均勻特性，主要體現(xiàn)在膨潤(rùn)土顆?；旌衔飪?nèi)部顆粒與粉末之間以及膨潤(rùn)土塊體與顆粒混合物之間的干密度存在差異。值得注意的是，WIECZOREK 等[10]在FEBEX 原位實(shí)驗(yàn)中，拆除由膨潤(rùn)土塊體和其顆?；旌衔锝M成的工程屏障，發(fā)現(xiàn)緩沖區(qū)材料經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)10 a 水化作用后，兩者在干密度和含水量空間分布的差異性仍持續(xù)存在。SáNCHEZ等[11]認(rèn)為緩沖材料干密度的時(shí)間-空間分布對(duì)于處置庫(kù)安全運(yùn)營(yíng)具有重要影響，采用平均干密度指標(biāo)并不能完全表征膨潤(rùn)土材料的水力學(xué)性能；MONKI 等[12]認(rèn)為緩沖區(qū)低密度區(qū)域可能成為地下水入滲和核素外泄的優(yōu)先通道，并可能促進(jìn)微生物的活動(dòng)，進(jìn)而損害緩沖材料的巖土工程特性。因此，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)緩沖材料均勻化過(guò)程對(duì)于處置庫(kù)的長(zhǎng)期安全運(yùn)營(yíng)具有顯著意義。

國(guó)內(nèi)學(xué)者主要研究了含接縫的膨潤(rùn)土塊體的水力特性[13-15]，而對(duì)不同時(shí)間尺度下緩沖材料的均勻化過(guò)程關(guān)注較少，同時(shí)，對(duì)膨潤(rùn)土塊體與顆?；旌衔镆约邦w?；旌衔飪?nèi)部均勻化研究較少。目前研究成果大多零散地分布在SKB、Posiva 和NAGRA 等機(jī)構(gòu)的研究報(bào)告中，缺乏必要的整理。為此，本文分析緩沖區(qū)材料不均勻性的來(lái)源、國(guó)內(nèi)外相關(guān)試驗(yàn)研究以及均勻化過(guò)程的影響因素，并指出需關(guān)注的相關(guān)研究，以期為今后我國(guó)的處置庫(kù)建設(shè)提供參考。

1 緩沖區(qū)膨潤(rùn)土材料不均勻可能來(lái)源

本文選取歐洲2 個(gè)代表性高放廢物處置庫(kù)模型：

1) 基于KBS-3沉積隧道回填模型；

2) 基于Nagra概念處置庫(kù)模型。

1.1 初始狀態(tài)下材料的不均勻性

瑞典核廢料管理機(jī)構(gòu)SKB 提出的處置庫(kù)模型如圖1 所示[2]，高放廢物處置罐體豎向放置在沉積隧道中，外側(cè)高壓實(shí)膨潤(rùn)土塊體作為工程屏障，膨潤(rùn)土顆?；旌衔镉糜谔畛鋰鷰r體與塊體之間的間隙。

瑞士核廢料管理機(jī)構(gòu)Nagra 采用如圖2 所示的處置庫(kù)模型[4]，處置罐體水平放置在由高壓實(shí)膨潤(rùn)塊體組成的基座上，膨潤(rùn)土顆?；旌衔镒鳛橹饕木彌_材料填充處置罐體與圍巖之間的區(qū)域。

圖2 瑞士SF/HLW存儲(chǔ)庫(kù)模型[4]Fig.2 Model of Swiss SF/HLW repository[4]

處置庫(kù)工程屏障安裝完成后，緩沖區(qū)的不均勻性主要來(lái)自材料之間的干密度的差異性，主要包括：

1) 膨潤(rùn)土顆?；旌衔飪?nèi)部高密度顆粒與粉末；

2) 膨潤(rùn)土塊體與膨潤(rùn)土顆?；旌衔?。

此外，膨潤(rùn)土材料在運(yùn)輸、安裝過(guò)程中，極易從周邊環(huán)境吸收水分，引起材料表面微小裂隙的產(chǎn)生和塊體的分解；不完全水化作用導(dǎo)致塊體表面和內(nèi)部存在干密度差異。為此，MüLLER等[16-17]建議材料在儲(chǔ)存、運(yùn)輸過(guò)程中與周邊環(huán)境之間的含水率差異不應(yīng)超過(guò)5%。

1.2 運(yùn)營(yíng)過(guò)程中地下水沖蝕引起膨潤(rùn)土損失后的不均勻性

處置庫(kù)運(yùn)營(yíng)期間圍巖裂隙將成為地下水的滲流通道，緩沖區(qū)膨潤(rùn)土材料在水化作用下發(fā)生顯著膨脹，在侵入前端形成密度較小的凝膠狀前緣，甚至出現(xiàn)游離態(tài)膨潤(rùn)土膠體顆粒(如圖3 所示[18])。侵入-沖蝕行為的長(zhǎng)期作用引起外側(cè)膨潤(rùn)土材料出現(xiàn)質(zhì)量損失[18-19]，緩沖區(qū)核心帶與外側(cè)的干密度產(chǎn)生差異。

圖3 緩沖材料侵蝕示意圖[18]Fig.3 Depiction of erosion of buffer material[18]

2 緩沖區(qū)膨潤(rùn)土材料均勻化試驗(yàn)

2.1 安裝過(guò)程中均勻化試驗(yàn)

膨潤(rùn)土顆?；旌衔锍跏紶顟B(tài)下的不均勻性主要通過(guò)顆粒填充試驗(yàn)進(jìn)行研究，按照試驗(yàn)類型可以分為現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)。在瑞士Mont Terri 巖石實(shí)驗(yàn)室開展的FE 試驗(yàn)主要基于KALE等[4]提出的處置庫(kù)模型，即將罐體水平放置在由高壓實(shí)膨潤(rùn)土塊體組成的基座上，膨潤(rùn)土顆?；旌衔镒鳛橹饕木彌_材料。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用回填機(jī)械填充膨潤(rùn)土顆?；旌衔锊牧?，其均勻性有明顯提升(如圖4所示)。

圖4 FE試驗(yàn)不同截面平均干密度分布[16]Fig.4 Average dry density distribution of different sections in FE[16]

SELLIN 等[20]開展了如圖5 所示的室內(nèi)矩形槽試驗(yàn)，探究了顆?；旌衔锏慕M成和壓實(shí)方式對(duì)其均勻性的影響，發(fā)現(xiàn)單一組份的顆?；旌衔飪?nèi)部存在較大的間隙，顆粒和間隙之間存在明顯的密度差異，均勻性較差；采用適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)頻率和功率進(jìn)行壓實(shí)填充，可以有效提高顆?；旌衔锏木鶆蛐?如圖5(c)所示)。

圖5 采用Wyoming膨潤(rùn)土粉末填充MX-80高密度顆粒之間的間隙試驗(yàn)[20]Fig.5 Gap-filling test using Wyoming bentonite powder between MX-80 high density pellets[20]

MüLLER等[21]在FE項(xiàng)目中研究了膨潤(rùn)土顆?；旌衔镫x析效應(yīng)的影響因素，結(jié)果如圖6 所示[21]。從圖6可見：在沒有附加措施(如邊坡覆蓋)的情況下，顆?；旌衔锒逊e邊坡前部會(huì)發(fā)生小型崩塌，回填材料中出現(xiàn)“杉樹狀”離析效應(yīng)；而采用邊坡覆蓋等措施可以提高顆?；旌衔锏亩逊e均勻性。

圖6 回填期間的各種措施對(duì)離析效應(yīng)的影響[21]Fig.6 Influence of segregation effects depending on various measures during backfilling[21]

綜上所述，顆?；旌衔镌诎惭b過(guò)程中的均勻性與填充技術(shù)、顆粒級(jí)配以及堆積方式密切相關(guān)。MüLLER 等[16]研究表明：膨潤(rùn)土顆?；旌衔锞哂凶悦軐?shí)的粒度分布特征，通過(guò)優(yōu)化材料顆粒級(jí)配設(shè)計(jì)可以有效限制離析效應(yīng)；水平螺旋輸送法(例如改進(jìn)螺旋鉆的數(shù)量和尺寸、優(yōu)化壓實(shí)工具)并增加其他附加措施(如邊坡覆蓋等)可以提高填充區(qū)材料的均勻性。因此，改進(jìn)現(xiàn)有的填充機(jī)械設(shè)備和方式是今后的研究重點(diǎn)。

2.2 初始差異性的均勻化試驗(yàn)

緩沖區(qū)材料初始安裝狀態(tài)下不均勻性試驗(yàn)主要為室內(nèi)中小尺度模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)大尺度原位試驗(yàn)。

2.2.1 室內(nèi)中小尺度模型試驗(yàn)

1) 膨潤(rùn)土塊體-施工工藝間隙均勻化。膨潤(rùn)土塊體在工藝間隙下遇水發(fā)生自由膨脹，隨著水化作用進(jìn)行，沿著浸濕路徑的含水量將出現(xiàn)梯度變化，其特征為隨離進(jìn)水口距離增加而減??；同時(shí)，試樣中出現(xiàn)干密度和膨脹力差異性分布[22-23]。根據(jù)膨潤(rùn)土塊體與間隙的相對(duì)位置，試驗(yàn)主要可以分為3類(如圖7所示[24])。

圖7 膨潤(rùn)土塊體-間隙均勻化試驗(yàn)類型[24]Fig.7 Illustration of bentonite block-gap homogenization test[24]

軸向膨脹試驗(yàn)中工藝間隙位于塊體上方，BIAN 等[25]將試樣從上(間隙入水口位置)到下劃分為間隙、上部、中部和下部4 個(gè)區(qū)域，并測(cè)定了4個(gè)區(qū)域不同水化作用時(shí)間下的微觀孔隙結(jié)構(gòu)變化(壓力汞試驗(yàn))以及含水量和干密度分布。試樣可以分為上部壓縮區(qū)和下部膨脹區(qū)(如圖8 所示)。從圖8可見：隨著水化作用進(jìn)行，壓縮區(qū)干密度增大而膨脹區(qū)干密度減小，試樣逐漸趨于均勻化；試樣微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征變化與試樣干密度和含水量密切相關(guān)，上部和間隙區(qū)域出現(xiàn)了新的中間孔隙(孔徑為0.04～2.00 μm)，同時(shí)，在均勻化過(guò)程中壓縮區(qū)中間孔隙和大孔隙顯著減少，膨脹區(qū)中間孔隙和不可測(cè)孔隙(孔徑＜0.06 μm)增加。

圖8 試樣不同水化時(shí)間下干密度分布[25]Fig.8 Dry density distribution of specimens at different time[25]

在室內(nèi)徑向外側(cè)和內(nèi)側(cè)膨脹試驗(yàn)中，塊體與間隙之間的干密度差異性隨水化作用時(shí)間增長(zhǎng)而降低，然而，在試驗(yàn)時(shí)間尺度下兩者之間差異仍持續(xù)存在。值得注意的是，SKB 機(jī)構(gòu)在中等尺度Big Berth(BB)徑向外側(cè)膨脹模型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)[26]：在試驗(yàn)初期，間隙區(qū)域出現(xiàn)試樣剝落現(xiàn)象，且呈泥漿狀。隨著間隙水不斷向試樣核心區(qū)遷移，試樣初始間隙區(qū)出現(xiàn)干燥裂紋，裂紋之間的連通可能形成新的入滲通道。

陳寶等[13]開展了不同工藝間隙寬度條件下的膨脹力和滲透試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)接縫導(dǎo)致整體膨脹力減小、滲透性增大。ZHANG 等[15]采用膨潤(rùn)土粉末、泥漿和顆粒作為間隙回填材料，隨著水化作用進(jìn)行，密封材料與塊體之間結(jié)構(gòu)面逐漸消失。許韜等[14]模擬了含接縫的膨潤(rùn)土砌塊的愈合過(guò)程，發(fā)現(xiàn)接縫的存在極大地增加了緩沖材料的滲透性，但隨著水化作用推移，接縫的滲透率會(huì)顯著降低。

綜上所述，國(guó)內(nèi)關(guān)于膨潤(rùn)土塊體的研究主要集中在其水力特性和自愈合過(guò)程，較少關(guān)注緩沖材料的不均勻性以及一定時(shí)間尺度下殘余不均勻程度。國(guó)外學(xué)者從宏觀層面研究了均勻化過(guò)程中干密度和含水量的變化，對(duì)微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征變化規(guī)律有一定的認(rèn)識(shí)，然而，目前對(duì)中等尺度膨脹試驗(yàn)間隙區(qū)域出現(xiàn)干縮裂紋的機(jī)理和水分遷移過(guò)程尚不清楚。因此，加強(qiáng)不同尺度下均勻化過(guò)程機(jī)理的認(rèn)識(shí)，同時(shí)注重宏觀現(xiàn)象與微觀特征之間的聯(lián)系，是今后需要進(jìn)一步研究的工作。

2) 膨潤(rùn)土塊體-膨潤(rùn)土顆?；旌衔锞鶆蚧?。關(guān)于膨潤(rùn)土塊體與膨潤(rùn)土顆?；旌衔锞鶆蚧芯?，JOHANNESSON 等[27]發(fā)現(xiàn)隨著水化作用進(jìn)行，塊體和顆?；旌衔锱蛎浟χg的差異性降低。塊體和顆?；旌衔锱蛎浟Πl(fā)展模式存在明顯差異，顆?；旌衔锱蛎浟χ饾u增大直至穩(wěn)定，而塊體的膨脹力在初期發(fā)展快，出現(xiàn)首次波峰后開始降低，隨后膨脹力繼續(xù)增大直至穩(wěn)定(如圖9所示)。

圖9 膨潤(rùn)土塊體和顆?；旌衔锱蛎浟Πl(fā)展[27]Fig.9 Swelling pressure development of bentonite blockpellets[27]

目前，人們對(duì)膨潤(rùn)土塊體與顆?；旌衔锞鶆蚧^(guò)程中的膨脹力發(fā)展模式、干密度和含水量分布的研究較為充分，然而，對(duì)均勻化過(guò)程的內(nèi)在機(jī)理認(rèn)知還存在不確定性[28]，今后需加強(qiáng)關(guān)于膨潤(rùn)土塊體與顆粒混合物均勻化過(guò)程內(nèi)在機(jī)理的研究。

3) 膨潤(rùn)土顆粒混合物中高密度顆粒-粉末均勻化。膨潤(rùn)土顆粒混合物由高密度顆粒和粉末混合組成，初始狀態(tài)下宏觀尺度干密度呈現(xiàn)高度的不均勻性。微觀尺度具有典型的多孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其孔隙包括顆粒間大孔隙、膨潤(rùn)土材料內(nèi)部集團(tuán)間孔隙和集團(tuán)內(nèi)部孔隙；同時(shí)混合物的多孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會(huì)隨水化作用而發(fā)生改變，進(jìn)而影響材料的水力特性。

VAN GEET 等[29]采用μ-CT 技術(shù)測(cè)試了FoCa膨潤(rùn)土顆粒和粉末混合物恒定體積水化作用(試樣底部進(jìn)水)下均勻化過(guò)程，結(jié)果如圖10所示[29]。從圖10 可見：在初始狀態(tài)下，顆粒和粉末之間界限明顯；在水化開始15 d 時(shí)，底部顆粒優(yōu)先吸水膨脹并開始逐漸分解，與其接觸的粉末經(jīng)壓縮密度增大，兩者之間的差異性減??；隨著水化作用進(jìn)行，試樣上部開始吸水膨脹，試樣內(nèi)部整體趨于均勻化；試樣完全飽和后，不會(huì)出現(xiàn)100 μm 尺度規(guī)模的優(yōu)先路徑。

圖10 混合物水化作用下均勻化過(guò)程[29]Fig.10 Bentonite pellets-powder homogenization under hydration[29]

目前，人們借助μ-CT技術(shù)對(duì)膨潤(rùn)土顆?；旌衔锞鶆蚧^(guò)程有一定的認(rèn)識(shí)，然而，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)混合物微觀結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律、評(píng)估不同時(shí)間尺度下殘余干密度梯度和膨脹力差異仍存在較大難度。因此，今后對(duì)材料的流體力學(xué)模型的研究需要考慮材料時(shí)間一空間分布的影響。

2.2.2 現(xiàn)場(chǎng)大尺度原位試驗(yàn)

1) 膨潤(rùn)土塊體-施工工藝間隙均勻化。為研究工藝間隙對(duì)緩沖材料長(zhǎng)期性能和均勻化的影響，MOKNI 等[30]在Tournemire 地下試驗(yàn)室開展了三類現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試，調(diào)查了2 種主要類型工藝間隙(如圖11所示)，包括環(huán)形工藝間隙(膨潤(rùn)土塊體與圍巖之間的間隙)和膨潤(rùn)土塊體之間的工藝間隙[30]。結(jié)果表明，工藝間隙的存在導(dǎo)致形成新的水化來(lái)源(環(huán)形間隙)和入滲通道(膨潤(rùn)土塊體間和內(nèi)部間隙)，顯著影響緩沖材料的飽和動(dòng)力學(xué)特性。

圖11 有無(wú)接縫膨潤(rùn)土塊體[30]Fig.11 Bentonite block with or without technological voids[30]

2) 膨潤(rùn)土塊體與顆?；旌衔镆约盎旌献陨淼木鶆蚧?。在瑞士Mont Terri開展了顆粒混合物填充間隙空間的大尺度現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)[31]，研究表明：顆?；旌衔镏饕畛鋮^(qū)域經(jīng)過(guò)水化作用趨于均勻化，緩沖區(qū)材料在同一截面不同位置的干密度穩(wěn)定在較小范圍內(nèi)；工程屏障的初始狀態(tài)對(duì)材料最終的干密度和含水量分布產(chǎn)生重要影響。由于入水口位置位于緩沖區(qū)底部，該區(qū)域優(yōu)先吸水膨脹，導(dǎo)致工程屏障底部的低密度區(qū)域長(zhǎng)期持續(xù)存在(如圖12(a)所示)；然而，相對(duì)于初始狀態(tài)，緩沖區(qū)的干密度整體分布均勻性有明顯提高，膨潤(rùn)土塊體干密度降至與顆?；旌衔锔擅芏认嘟?。

圖12 不同截面沿Y軸顆粒混合物干密度分布Fig.12 Dry density of GBM from different sampling sections as a function of coordinate Y

綜上所述，材料初始水化區(qū)域的膨脹變形具有不可逆性，并將成為工程屏障的高含水量和低密度區(qū)域，且長(zhǎng)期持續(xù)存在；而室內(nèi)小尺度試驗(yàn)借助μ-CT技術(shù)發(fā)現(xiàn)材料整體基本趨于均勻化。兩者結(jié)果的差異性可能是來(lái)自于觀測(cè)時(shí)間尺度、試樣尺度和注水口位置等因素的影響。NISHIMOTO等[32]通過(guò)土工離心機(jī)測(cè)試了處置庫(kù)的長(zhǎng)期水力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)膨潤(rùn)土局部最大膨脹力直至試驗(yàn)結(jié)束也未收斂，具有時(shí)間依賴性。因此，如何借助室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確評(píng)估處置庫(kù)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的水力學(xué)行為，可能是今后需重點(diǎn)關(guān)注的方向。

2.3 運(yùn)營(yíng)過(guò)程中地下水沖蝕引起膨潤(rùn)土損失后的均勻化試驗(yàn)

目前針對(duì)地下水沖蝕引起膨潤(rùn)土損失后，緩沖區(qū)均勻化過(guò)程的相關(guān)研究成果較少。黃依藝等[18]發(fā)現(xiàn)圍巖裂隙的開度和初始干密度對(duì)侵入速率、侵入距離和膨潤(rùn)土材料最終損失的質(zhì)量有重要影響。然而，試驗(yàn)過(guò)程對(duì)膨潤(rùn)土質(zhì)量損失引起緩沖區(qū)材料干密度的重新分布研究較少。DUECK等[28]開展了地下水沖蝕后緩沖區(qū)自我愈合和均勻化的中等尺度試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)3 a水化，試樣不同位置的膨脹力發(fā)展基本趨于穩(wěn)定(如圖13 所示)，由于開挖孔的影響，試樣不同位置的膨脹力具有較大差異，位于開挖孔隙位置的膨脹力最低。

圖13 具有開挖孔試樣不同位置膨脹力時(shí)程曲線[28]Fig.13 Swelling pressure with time at different positions of specimen with excavation hole[28]

具有開挖孔試樣不同位置的干密度分布如圖14 所示，從圖14 可見：靠近開挖孔附近區(qū)域的干密度顯著低于試樣初始干密度。由此可見，膨潤(rùn)土質(zhì)量損失對(duì)緩沖區(qū)材料干膨脹力和干密度有較大影響，在試驗(yàn)觀察時(shí)間下，試樣未達(dá)到完全均勻化。

圖14 具有開挖孔試樣不同位置干密度分布[28]Fig.14 Distribution of dry density at different positions of specimen with excavation hole[28]

地下水沖蝕引起緩沖區(qū)膨潤(rùn)土材料損失，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)部不同位置干密度存在差異性分布，在試驗(yàn)觀察時(shí)間內(nèi)其不均勻性長(zhǎng)期存在。因此，需評(píng)估膨潤(rùn)土質(zhì)量損失后緩沖區(qū)的不均勻程度對(duì)處置庫(kù)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的影響。

3 緩沖區(qū)膨潤(rùn)土材料不均勻的影響因素

3.1 熱水力

處置庫(kù)在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，靠近圍巖裂隙的緩沖膨潤(rùn)土材料與水接觸，水化作用膨脹，干密度降低；同時(shí)，由于高放廢物放熱，靠近高放廢物的膨潤(rùn)土材料水分蒸發(fā)收縮，含水量降低，干密度增加。因此，處置庫(kù)在長(zhǎng)期熱水力作用下，靠近巖體和處置罐體的緩沖區(qū)材料干密度會(huì)存在差異。

為研究溫度和水化作用對(duì)工程屏障膨潤(rùn)土材料的最終狀態(tài)的影響，在瑞士Grimsel 地下試驗(yàn)室開展了全尺度現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)(FEBEX)[33-34]。其中，圍繞放熱廢物罐的緩沖區(qū)采用高壓實(shí)膨潤(rùn)土塊填充，水化作用5 a 后對(duì)部分屏障膨潤(rùn)土進(jìn)行第1 次拆除，剩余部分繼續(xù)水化13 a后進(jìn)行拆除。在熱-水-化作用下18 a后，緩沖區(qū)膨潤(rùn)土材料干密度分布無(wú)明顯的變化(如圖15(b)所示)。

圖15 FEBEX現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)不同階段放熱和冷卻截面干密度分布[33]Fig.15 Distribution of dry density in sections in heating and cooling area at different stages of FEBEX in situ test[33]

從圖15(a)可以看出：將第1 次拆除部分放熱罐體后，隨著水化作用進(jìn)行，靠近罐體和靠近巖體的膨潤(rùn)土材料干密度差異減小，促進(jìn)緩沖區(qū)的整體均勻化。

3.2 時(shí)間(膨潤(rùn)土蠕變行為)

FEBEX 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究表明，緩沖區(qū)膨潤(rùn)土材料在長(zhǎng)達(dá)18 a 熱水力作用下干密度梯度差異仍然持續(xù)存在，因此，評(píng)估材料長(zhǎng)期蠕變行為對(duì)于工程屏障最終均勻化狀態(tài)的影響具有重要意義。

蠕變過(guò)程太慢，無(wú)法在試驗(yàn)室進(jìn)行研究。VILLAR等[34]研究了膨潤(rùn)土材料在自然界中的存在狀態(tài)，即研究了一層天然膨潤(rùn)土干密度是否存在初始梯度。若干密度梯度隨時(shí)間推移而消失，則表明蠕變緩慢過(guò)程對(duì)材料的均勻化過(guò)程有積極的作用。即使在地質(zhì)時(shí)間尺度下，蠕變行為對(duì)于膨潤(rùn)土材料的均勻化的影響也可以忽略。然而，該方法目前存在諸多局限性和不確定性。因此，今后仍需關(guān)注膨潤(rùn)土材料的蠕變行為對(duì)處置庫(kù)緩沖區(qū)長(zhǎng)期安全性能的影響。

3.3 工藝間隙尺寸

HARRINGTON 等[35]開展了3 種不同間隙的試驗(yàn)，間隙位于試樣上方(入水口位置)。圖16所示為間隙尺寸對(duì)膨潤(rùn)土均勻化的影響。從圖16(a)可見：試樣間隙越大，試樣內(nèi)部含水量差異越小，整體含水量越低。從圖16(b)可見：試樣間隙越大，不同位置的平均膨脹力差異越大。造成這2種差異的主要原因是膨脹力隨干密度增加呈非線性變化，相同干密度(含水量)變化引起的膨脹力差異不同。

圖16 間隙尺寸對(duì)膨潤(rùn)土均勻化的影響[35]Fig.16 Effect of gap size on bentonite homogenization[35]

3.4 重力離析效應(yīng)

HARRINGTON 等[35]在初始間隙中填充水分，研究?jī)A斜試樣在膨脹過(guò)程中重力離析效應(yīng)的影響，結(jié)果如圖17所示。從圖17可見：鈉基膨潤(rùn)土含水率增加到約150%時(shí)(100 mm位置)，試樣上下側(cè)含水量出現(xiàn)一定差異；而當(dāng)鈣基膨潤(rùn)土距試樣底部距離超過(guò)80 mm后，上下側(cè)含水量出現(xiàn)顯著差異。這是因?yàn)樵陂g隙位置自由膨脹過(guò)程中，由于重力離析效應(yīng)的作用，膨潤(rùn)土材料黏土結(jié)構(gòu)中較重的碎屑開始沉積，這種效應(yīng)可能會(huì)影響材料的長(zhǎng)期均質(zhì)化。此外，重力離析效應(yīng)對(duì)鈣基膨潤(rùn)土的影響更明顯。

圖17 含水率相對(duì)于容器底部距離的分布[35]Fig.17 Distribution of moisture ratio with distance from base of vessel[35]

3.5 摩擦因素

DUECK等[24]開展了內(nèi)壁具有不同摩擦形式的長(zhǎng)圓管試驗(yàn)，結(jié)果如圖18所示。從圖18可見：膨潤(rùn)土塊體在內(nèi)壁光滑的長(zhǎng)管水化作用過(guò)程中，軸向和徑向膨脹力均呈現(xiàn)先增大后穩(wěn)定的變化規(guī)律。而在矩形和三角形內(nèi)壁長(zhǎng)管中，塊體軸向膨脹力初期迅速增大，隨后降低出現(xiàn)波谷，再次發(fā)展至穩(wěn)定段；塊體徑向膨脹力先增大后出現(xiàn)一定程度降低。同時(shí)，在矩形和三角形內(nèi)壁長(zhǎng)管中，塊體軸向和徑向穩(wěn)定膨脹力差異明顯大于內(nèi)壁圓滑的長(zhǎng)管中膨脹力差異，因此，摩擦效應(yīng)在一定程度上可能影響膨潤(rùn)土材料的均勻化過(guò)程。

圖18 摩擦形式對(duì)膨潤(rùn)土均勻化的影響[24]Fig.18 Effect of friction forms on bentonite homogenization[24]

綜上所述，熱水力因素以及緩沖區(qū)膨潤(rùn)土材料之間的初始差異性是影響緩沖區(qū)材料均勻化最主要因素，工藝間隙尺寸、材料在膨脹過(guò)程中的重力離析效應(yīng)以及摩擦因素對(duì)膨潤(rùn)土材料均勻化過(guò)程有不同程度的影響。FEBEX 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，在初始階段，緩沖區(qū)材料在熱水力作用下形成的干密度不均勻分布會(huì)持續(xù)存在，其行為具有不可逆轉(zhuǎn)性。而室內(nèi)試驗(yàn)認(rèn)為材料之間的干密度差異在水化作用過(guò)程中顯著降低，試樣整體基本趨于均勻化。目前，人們對(duì)于不同時(shí)間尺度和試樣尺寸下均勻化過(guò)程之間的差異尚不清楚。

4 結(jié)論

1) 緩沖區(qū)的不均勻性主要來(lái)自于儲(chǔ)存、運(yùn)輸過(guò)程中材料的離析效應(yīng)、初始安裝狀態(tài)下材料之間的干密度差異性以及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中地下水沖蝕引起膨潤(rùn)土損失后的緩沖區(qū)材料重分布。

2) 在初始階段，緩沖區(qū)材料在熱水力作用下形成的干密度不均勻分布會(huì)持續(xù)存在，即使緩沖區(qū)整體趨于飽和狀態(tài)，這種不均勻性也不會(huì)消失。今后需重點(diǎn)關(guān)注這種行為的不可逆轉(zhuǎn)性。

3) 膨潤(rùn)顆?；旌衔飪?nèi)部干密度的差異性隨水化作用的進(jìn)行逐漸降低，然而，在試驗(yàn)觀察時(shí)間內(nèi)兩者差異性仍然存在；借助μ-CT技術(shù)觀察膨潤(rùn)土顆?；旌衔锼^(guò)程，發(fā)現(xiàn)高密度顆粒和低密度粉末之間界限消失，兩者基本趨于均勻化，試樣完全飽和后不會(huì)出現(xiàn)100 μm規(guī)模的優(yōu)先路徑。

4) 熱水力因素以及材料之間的初始差異性是影響緩沖區(qū)材料均勻化最主要因素，工藝間隙尺寸、材料在膨脹過(guò)程中的重力離析效應(yīng)以及摩擦因素對(duì)膨潤(rùn)土材料均勻化過(guò)程有不同程度的影響。

5) 普遍采用的平均干密度并不能完全表征膨潤(rùn)土材料的水力學(xué)性能，如何預(yù)測(cè)處置庫(kù)運(yùn)營(yíng)期間材料的時(shí)間和空間分布、評(píng)估最終殘余不均勻程度對(duì)處置庫(kù)的影響有待進(jìn)一步研究。