高放废物处置库非饱和多场耦合数值模拟与参数分析

为对高放废物处置库进行安全评估,建立了岩土材料饱和非饱和的渗流温度应力(THM)多场耦合数值模型,对处置库(处置容器、缓冲材料和围岩)进行非饱和THM多场耦合数值模拟。基于COMSOL Multiphysics软件平台,以北山花岗岩高放废物处置库和内蒙古高庙子膨润土为研究对象,对高放废物处置库进行长达500a的数值模拟,对比分析耦合与非耦合的模拟结果,并对渗透率、导热系数和地下水深度等参数进行敏感性分析。结果表明:耦合模拟的温度比非耦合模拟的温度低13℃;地下潜水面由0m上升到1000m的时候,缓冲材料完全饱和的时间由703a下降到了28a;围岩的固有渗透率下降5个数量级时,缓冲材料的饱和时间由28a上升到了250a;各个物理场相互耦合,共同影响处置库的长期稳定性。     

膨润土-砂混合物缓冲层径向热传导性

膨润土-砂混合物作为高放废物处置库缓冲材料,在核废料衰变热影响作用下,其稳定性及物理力学性能产生显著变化,这对缓冲回填材料的包封阻隔作用及处置库的安全运行产生重要影响。本研究采用自行设计的装置对按比例缩小后的不同干密度、含水率、掺砂率试样进行热传导模拟试验,并对试验过程进行热-力耦合数值模拟分析,得到了缓冲层温度、应力和应变的变化及分布情况。结果表明,增大试样干密度、含水率和掺砂率均可提高导热性,应力和应变也随之增大,且不同含水率试样产生的结果变化显著;缓冲层靠近热源的位置温度、应力和应变最大,且沿径向方向减小,初始时刻各值变化显著。     

核废料处置库近场的热-水-力耦合分析

为研究高放射性核废料地质处置的热-水-力耦合过程，以FEBEX原位试验为计算模型，利用有限元软件code-bright进行数值模拟分析，得到热-水-力耦合作用下处置库关闭后近场膨润土和岩石内温度、饱和度、吸力、应力及位移的变化规律，其结果可为核废料处置库的规划、设计以及缓冲／回填材料的选取提供参考．     

高放废物地质处置：进展与挑战

随着我国核能事业的飞速发展,高水平放射性废物的处理和处置,即将成为一个重大的安全和环保问题。在介绍国内外进展的基础上,重点讨论了高放废物地质处置面临的挑战：处置库场址地质演化的精确预测、深部地质环境特征、多场耦合条件下(中(高)温、应力作用、水力作用、化学作用、生物作用和辐射作用等)深部岩体、地下水和工程材料的行为、低浓度超铀放射性核素的地球化学行为与随地下水迁移行为及处置系统的安全评价。     

初始孔隙率对高放射性废物处置库缓冲材料性状的影响

采用高放射性核废料处置库(high-level radioactive nuclear waste repsitory, HLWR)模型试验,以核废料处置库近场的缓冲层GMZ01膨润土为研究对象,建立轴对称模型.采用有限元(finit element method, FEM)软件Code-Bright,考虑热-水-力(thermo-hydromechanical, THM)耦合作用,研究作为缓冲层的GMZ01膨润土在处置库关闭后,不同压实度(初始孔隙率)对处置库渗流场、应力、温度的影响,得到了不同初始孔隙率膨润土在处置库封闭运行后温度、饱和度、吸力、应力等性状随时间的变化.实验结果可为中国北山核废料处置库的规划、设计、可行性分析提供一定的参考.     

高放废物处置库缓冲回填材料热-水-力耦合研究进展

用于高放废物处置库中的缓冲回填材料,在处置库运行期间产生的热-水-力耦合作用下,其性状发生改变,这将对缓冲回填材料的防护性能产生重要影响,进而引发一系列安全稳定性问题。因此,关于缓冲回填材料热-水-力耦合研究愈来愈受到广泛关注。在总结和分析国内外有关膨润土热-水-力耦合作用研究的基础上,从温度场、应力场和变形场等方面对当前的研究成果进行了归纳和总结,在此基础上指出,基于室内试验及数值模拟研究成果,开展深层地下现场试验研究是该领域当前发展的重要趋势,相关研究可为处置库运行时热-水-力耦合行为预测及处置库的规划、设计及建造提供理论参考。     

柯尔碱膨润土作为高放废物处置库回填材料可行性分析

回填材料作为深地质处置库工程屏障的重要组成部分,其选材和性能研究历来是高放废物处置技术研究关注的重点内容。通过对新疆柯尔碱膨润土的渗透性、对核素阻滞性、膨胀性及导热性等关键参数的分析,结果表明其渗透性和导热性满足IAEA推荐要求,对核素钚的分配系数优于日本高放废物处置库所选用回填材料,膨胀性优于我国高庙子膨润土,认为柯尔碱膨润土性能满足高放废物处置库对回填材料的要求,可作为我国高放废物处置库回填材料。     

盐溶液及掺砂率对高庙子膨润土强度的影响

高庙子膨润土已被选为我国高放核废物处置库基质材料,研究其力学性能对处置库工程的设计有着重要意义.处置库预选区甘肃北山地区的地下水中盐溶解固体含量较高,需要研究盐溶液作用下缓冲/回填材料的工程性质.研究了高庙子钠基膨润土(GMZ07)及其掺砂率分别为0%, 30%和50%的混合物在不同NaCl浓度下的强度特性,并进行扫描电镜测试.试验结果表明,在纯水饱和条件下,掺砂膨润土试样的应力应变曲线呈现明显的应变硬化,但其峰值强度低于纯膨润土的峰值强度.随着NaCl浓度的升高,盐溶液饱和的掺砂混合物和纯膨润土的剪切强度均明显增大,内摩擦角变大,但黏聚力变化不大.当NaCl浓度升高和坚向荷载增大时,掺砂混合物的强度增加量明显高于纯膨润土,并在NaCl浓度和压力较高的情况下,掺砂混合物的强度大于纯膨润土的强度.最后,在掺砂混合物试样中引入膨润土有效干密度的概念,并结合微观结构的分析,解释了不同NaCl浓度下掺砂混合物的剪切机理.     

高水平放射性废物地质处置:关键科学问题和相关进展

 如何安全处置高水平放射性废物是科学、技术和工程界面临的挑战性问题。本文介绍高放废物的安全处置方法,废物质处置地下实验室的建设及其实验进展,重点讨论了高放废物地质处置中,处置库场址地质演化的精确预测、深部地质环境特征、多场耦合条件下（中高温、地壳应力、水力作用、化学作用、生物作用和辐射作用等）深部岩体、地下水和工程材料的行为、低浓度超铀放射性核素的地球化学行为与随地下水迁移行为、处置系统的安全评价等关键科学问题。     

高放废物地质处置安全评价研究

高放废物安全处置是放射性废物管理的重难点问题之一。目前全球拥有核工业的国家正在积极探索安全处置高放废物的高科技研究新课题,但至今尚无高放废物处置库投入运作。本文综述了国内外高放废物地质处置安全评价研究工作,介绍了我国高放废物地质处置库安全评价的一些进展,旨在为我国高放废物地质处置安全评价提供建议与参考。     

高温后花岗岩循环加卸载力学行为数值模拟

高放核废料处置库在开挖和使用过中围岩不断承受周期荷载,进而影响了高放核废料处置库的安全稳定。基于此,本文使用数值模拟方法研究了高温作用后花岗岩循环加卸载力学行为,在得到一组可以反映高温作用后花岗岩三轴压缩力学行为细观参数的基础上,分析了温度及围压对循环加卸载应力-应变曲线、弹性模量和破裂过程的影响。研究结果表明,常温下循环加卸载应力-应变曲线与单调加载吻合较好,循环加卸载造成宏观裂纹两侧晶粒脱落；600°C高温处理后,单轴循环加、卸载过程都会对应微裂纹增加,导致应力-应变曲线偏离较多。而高围压限制了卸载过程微裂纹数目增加及Felicity效应,循环加卸载峰值强度与单调加载差距明显减小,但循环加卸载会造成宏观裂纹两侧出现晶粒压碎现象。弹性模量随循环次数变化主要分为峰前阶段、峰后破裂阶段及残余强度阶段。600°C处理后试样内存在大量热裂纹,弹性模量峰前阶段会存在明显上升阶段,且对围压更加敏感。     

交叉型裂纹扩展模拟的一种有效方法

结合广义有限元法(GFEM)和扩展有限元法(XFEM)的特点,提出了一种新的数值方法——广义扩展有限元法(GXFEM).阐述了广义扩展有限元法的基本原理,对相关公式进行推导,探讨数值实现中需注意的重要问题,给出利用广义扩展有限元法进行断裂分析时应力强度因子的计算方法,编写了广义扩展有限元法程序.通过算例进行了应力强度因子的计算,模拟了结构裂纹的扩展过程.算例结果表明,利用广义扩展有限元法计算交叉裂纹扩展问题,不需要进行过密的网格划分,且网格在裂纹扩展后无需重新剖分,具有相当高的计算精度.     

好氧性垃圾填埋场的热变形分析

好氧性垃圾填埋场内的高温会产生温度应力,引起不均匀沉降,进而会引起衬垫以及排水、排气管道发生破坏。为了避免这些设施发生破坏,必须对高温引起足够重视。本文主要采用数值模拟的方法,对垃圾填埋场在温度作用下的变形进行分析。结果表明:垃圾填埋场在温度作用下,中部发生的变形量是最大的,为24.02 mm;垃圾填埋场的填埋深度与地表变形值之间的关系式为:y=5.32+0.95x;填埋场的应变具有对称性,应变最大值发生在顶端,为8.03×10-4.     

有宽限板应力强度因子计算的无网格法

采用全局径向基函数和移动最小二乘近似两种近似函数对平面线弹性断裂力学进行数值计算,用移动最小二乘近似时,选取一种新型的权函数-正态权函数,计算出两条平行裂纹和”条平行周期性裂纹的应力强度因子及其修正系数。与有限元法相比这一方法较具有较高的精度;并验证了采用全局径向基函数近似不能准确的模拟裂纹尖端应力场的奇异性。     

钻孔卸压布孔参数的数值模拟

钻孔卸压是解决冲击地压有效方法之一。为了研究布孔参数对卸压效果的影响,采用RFPA2D数值模拟软件,模拟钻孔直径、钻孔间距、钻孔深度、应力对卸压效果的影响。通过模拟及理论分析,得出在其他外界因素一定的条件下,卸压效果随孔径的增大而提高;钻孔时煤体中的应力越大,卸压效果越显著的论断。模拟结果表明：煤岩体在高应力状态35 MPa下,钻孔直径200 mm时,钻孔间距为3.5 m,钻孔直径400 mm时,钻孔间距为4.5 m卸压效果好;在一般应力状态25 MPa下,钻孔直径200 mm时,钻孔间距为2.0 m,钻孔直径400 mm时,钻孔间距为3.0 m卸压效果好。     

裂纹表面线性分布力作用下I型应力强度因子的解析解

对于I型裂纹,考虑到裂纹表面受线性分布约束应力作用,利用复变函数方法,从两个基本的解析函数出发,推导出应力强度因子(SIF)和裂纹张开位移(COD)的解析解.数值计算了3种形式的应力分布,即右梯形分布(情况I)、均匀分布(情况II)和左梯形分布(情况III).通过对3种形式的应力强度因子和裂纹张开位移进行对比,发现裂纹表面约束应力的分布形式和位置对应力强度因子和裂纹张开位移有很大影响;随着约束应力区远离裂纹中心,应力强度因子减小,而裂纹中心张开位移随之增大.     

甘肃省陇东地区粘土岩基本特性研究

高放废物地质处置库围岩的选择至关重要,各有核国家都对处置库可能的围岩进行了系统研究.从国外经验和国内前期研究成果来看,我国粘土岩是高放废物地质处置库建设中重要的候选围岩之一.对陇东地区进行了地质调查,介绍了该地区的区域构造和区域地质特征,重点对该地区的粘土岩的基本性质进行研究.研究结果结果表明,该地区的粘土岩真密度在2...     

水电能源开发中的关键工程地质体力学问题

本文首先讨论了能源开发建设所面临的工程问题和科学问题，简述了工程地质体力学的内涵和应解决的核心问题．特别介绍了笔者研究团队最近几年的研究成果，提出了相关科学问题的研究方向．主要内容包括：传统固体力学中关于点破坏的概念，研究地质体有很大的局限性，论述了用破坏程度描述地质体破坏状态的合理性，以及基于监测与数值模拟相结合的破坏状态概念——破裂度；基于破裂演化原理，讨论了工程地质灾害的两个防灾理念，强调了状态判断的合理性及数值模拟方法的重要性；讨论了地质体稳定性分析方法的评价标准，并对目前常见的几种评价方法做了简要的评述；提出了数值模拟地质体的非连续、非均匀性的两尺度力学模型和计算框架；论述了代表性体积单元尺度上的应变强度分布函数，该函数比本构关系表征材料的破坏特性更为合适；综述了地质体孔隙裂隙渗流及与破裂场耦合模型的计算模型；结合汶川地震次生地质灾害的现象，指出了拟静力计算方法的不合理性，介绍了关于地震作用下地质体边坡稳定性的数值模拟新方法．     

复合地基沉降计算传统方法参数取值研究

针对国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB50007-)修编工作中有关复合地基沉降计算问题的讨论,基于郑州地区较完整的高层、小高层住宅楼及河南省体育中心等14栋建筑沉降监测资料,研究了复合地基变形计算中分层总和法模型参数的取值问题.分别采用地基处理规范方法和本文分析方法对刚性基础条件下复合地基工程沉降进行了数值计算,并和实测结果进行了比较分析.研究表明,复合地基的变形计算,可采用规范的"当量模量法"和上下分别计算附加应力系数的应力扩散法,其中的下卧土层沉降变形经验系数,可通过地区沉降数据回归获取,无经验时也可参考建筑地基处理规范.