高放廢物深地質(zhì)處置庫(kù)緩沖材料——高廟子膨潤(rùn)土基本特性研究.pdf

1、隨著核科學(xué)的發(fā)展，核技術(shù)廣泛應(yīng)用于國(guó)防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。核工業(yè)發(fā)展的同時(shí)也產(chǎn)生了大量的核廢物，或稱(chēng)放射性廢物。其中，高放廢物的放射性水平高、毒性大、發(fā)熱量大，若不加以安全處置，會(huì)對(duì)自然環(huán)境和人類(lèi)社會(huì)產(chǎn)生巨大的破壞作用。因此，高放廢物的處置是核廢物管理中最為重要的課題，已引起國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注。目前，深地質(zhì)處置被國(guó)際上公認(rèn)為處置高放廢物最有效可行的方法。中國(guó)深地質(zhì)處置的概念模型采用多重工程屏障系統(tǒng)(包括廢物固化體、廢物容器、外

2、包裝、緩沖材料)和適宜的地質(zhì)體共同作用來(lái)確保高放廢物與生物圈的安全隔離。膨潤(rùn)土由于具有極低的滲透性和優(yōu)良的核素吸附等性能，被國(guó)際上多個(gè)國(guó)家選作緩沖材料。根據(jù)礦床位置、礦區(qū)地質(zhì)特征、礦床成因、礦床儲(chǔ)量、礦區(qū)自然地理、開(kāi)采技術(shù)條件與交通等因素的綜合對(duì)比研究，內(nèi)蒙古興和縣高廟子膨潤(rùn)土礦床被確定為我國(guó)高放廢物地質(zhì)處置庫(kù)緩沖材料供給基地的首選礦床。本文以非飽和土理論為依據(jù)，利用先進(jìn)的非飽和土試驗(yàn)方法，對(duì)高廟子鈉基膨潤(rùn)土的基礎(chǔ)特性進(jìn)行研究，為深地質(zhì)

3、處置庫(kù)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。 本文的主要研究?jī)?nèi)容及取得的研究成果包括： 1.綜述了高放廢物深地質(zhì)和緩沖材料的研究進(jìn)展。闡述了非飽和土的水力-力學(xué)行為的相關(guān)概念，包括：吸力的定義和組成；持水曲線(xiàn)的概念和特點(diǎn)，以及各種擬合公式；非飽和滲透性函數(shù)的特點(diǎn)及公式；非飽和土中的有效應(yīng)力和凈應(yīng)力；膨潤(rùn)土的微觀結(jié)構(gòu)研究及膨脹力等。介紹了與本論文有關(guān)的試驗(yàn)方法，試驗(yàn)技術(shù)和試驗(yàn)裝置，包括吸力的量測(cè)方法、持水曲線(xiàn)的確定、微結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法、非飽和滲

4、透系數(shù)的測(cè)定、和膨脹力的測(cè)量方法等。 2.分析歸納了高廟子鈉基膨潤(rùn)土的一些基本性質(zhì)特征：蒙脫石含量較高，陽(yáng)離子交換容量和比表面積較大，液限較高，具有很好的不滲透性、高膨脹性和良好的導(dǎo)熱性能；含水量相同時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨初始干密度的增加而增大；干密度相同時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)隨著膨潤(rùn)土含水量的增加而增加；飽和滲透系數(shù)隨溫度的增加而增加，也隨干密度的增加而增加。標(biāo)準(zhǔn)試樣和膨脹試樣的壓汞試驗(yàn)結(jié)果表明，膨脹引起了孔隙量的增加，土中存在

5、小孔和大孔兩種孔隙，膨脹使膨潤(rùn)土中的大孔隙減少，小孔隙增加，膨潤(rùn)土的微結(jié)構(gòu)趨于均勻化；膨脹力和干密度之間存在指數(shù)關(guān)系，干密度是影響膨脹力的一項(xiàng)重要外部因素。 3. 采用汽相法和滲析法，首次獲取了自由和側(cè)限條件下高廟子膨潤(rùn)土的持水曲線(xiàn)。結(jié)果表明：高吸力范圍內(nèi)，自由和側(cè)限條件下的持水特征無(wú)明顯不同，含水量隨吸力的變化不大：在低吸力范圍內(nèi)，自由條件下含水量隨吸力的降低產(chǎn)生突變，側(cè)限條件下含水量隨吸力降低的變化較為平緩。壓汞試驗(yàn)和環(huán)境掃

6、描電鏡試驗(yàn)結(jié)果表明：自由狀態(tài)下，膨潤(rùn)土集合體內(nèi)吸收的水量非常有限，大量的水進(jìn)入了集合體間的孔隙中。側(cè)限條件下，隨著吸力的降低，內(nèi)部膨脹力不斷發(fā)展，集合體間的孔隙被大量壓縮，轉(zhuǎn)變成了較小的孔隙，膨潤(rùn)土的孔隙出現(xiàn)了均質(zhì)分布?？紤]到壓汞儀自身的限制，提出了一種計(jì)算殘余孔隙量的新方法。采用雙電層理論對(duì)干密度為1.7g/cm3的高壓實(shí)高廟子膨潤(rùn)土在自由條件下的體變特征進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。 4. 采用瞬時(shí)截面法，完成了側(cè)限條件

7、下高壓實(shí)高廟子膨潤(rùn)土的非飽和滲透試驗(yàn)。結(jié)果表明：干密度為1.7g/cm3的高廟子膨潤(rùn)土在側(cè)限條件下的水力滲透系數(shù)介于1.13×10-13m/s和8.41×10-15m/s之間。水力滲透系數(shù)并不是隨著吸力一直減小，當(dāng)吸力為65MPa左右，滲透系數(shù)最小；當(dāng)吸力大于65MPa時(shí)，滲透系數(shù)隨著吸力的增加而增加；當(dāng)吸力小于65MPa時(shí)，滲透系數(shù)隨著吸力的增加而減小。 5. 采用CODE BRIGHT(考慮溫度和吸力的劍橋模型有限元程序)軟

8、件，模擬分析了側(cè)限條件下高廟子膨潤(rùn)土的非飽和滲透特性。結(jié)果表明：吸力的數(shù)值解與實(shí)測(cè)值吻合較好，吸力值從試樣的頂部到底部逐漸減小，并隨著水化時(shí)間的增加而減小；試樣底部的飽和度明顯高于試樣頂部的飽和度，底部試樣剛注水0.5個(gè)月就基本飽和，而整個(gè)試樣在注水4個(gè)月后基本飽和。 綜上所述，本文首次對(duì)我國(guó)高放廢物處置庫(kù)首選緩沖材料——高廟子膨潤(rùn)土的基本特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，獲取了自由和側(cè)限條件下高壓實(shí)高廟子膨潤(rùn)土的持水曲線(xiàn)并分析了曲線(xiàn)特征；研