高放廢物黏土巖地質處置庫預選區圍巖物理特性及力學性質

饒耕瑋,劉曉東*,劉平輝,戴朝成,梁海安

(1.東華理工大學地球科學學院,南昌 330013;2.核資源與環境國家重點實驗室,南昌 330013)

高放廢物(高水平放射性廢物)的安全處置問題變得日益緊迫[1],目前國際認可的處置方法是深地質處置,即通過地質屏障(圍巖)與工程屏障相結合的多重屏障系統實現永久隔離放射性廢物,從而達到保障人類生命健康和環境安全的目的[2-4]。因此對高放廢物地質處置庫的圍巖研究成為安全處置廢物的重要評價指標之一。花崗巖作為中國高放廢物處置庫的重點備選圍巖之一[5],研究開展較早,成果較為深入。例如：劉月妙等[6]對北山花崗巖的基本物理力學性能及時溫效應進行了研究；殷黎明[7]進行北山花崗巖的節理水及力學特性研究；趙星光等[8]進行新場巖體地應力場分布規律研究。相比花崗巖,中國以黏土巖作為處置庫圍巖的篩選工作開展較晚。至2009年啟動了黏土巖作為處置庫圍巖的選址及評價工作起,王長軒等[9]、劉曉東等[10-11]對黏土巖高放廢物處置庫篩選的前期工作進行了較全面的研究,薛凱喜等[12]對中外黏土巖的物理、力學及工程特性方面的成果進行了較為系統的梳理,證實了黏土巖作為高放廢物處置庫圍巖的可行性,而對高放廢物深地處置的緩沖材料(工程屏障),在滲透性[13]、熱傳導性[14]等方面已有較為成熟的研究和可靠的數據結果。相比之下,黏土巖作為高放廢物處置庫圍巖(地質屏障)在物理、力學方面的相關研究較少。

為此對高放廢物地質處置庫塔木素黏土巖預選區開展巖石物理特性、巖石力學強度以及巖石礦物成分分析實驗,以探究其作為地質屏障的可行性,準確可靠獲得預選區不同深度泥巖(黏土巖)的物理、力學數據,驗證塔木素巴音戈壁盆地因格井坳陷作為中國高放廢物黏土巖處置預選區在工程力學上的可行性,并通過與法國瑞士[15-17]等國外高放廢物黏土巖圍巖數據的對比,直觀體現塔木素預選區圍巖的優越性。

1 研究區概況

塔木素位于中國內蒙古高原西部,地勢總體呈現西高東低,平均海拔約為1 300 m。北部有巴彥諾爾至額濟納旗的鐵路,交通較為便利,且人煙稀少,經濟相對落后(主要依靠畜牧業和周邊的礦產業),常年干旱少雨,蒸發強烈,區內水系不發育[18],從運輸和經濟人文角度評價適合作為高放廢物地質處置選址區域；預選區地處巴音戈壁盆地內,屬天山地槽褶皺系和華北地臺的過渡區域,南臨狼山-白云鄂博臺緣坳陷帶及華北地臺阿拉善臺隆,北部為天山地槽褶皺系中北山晚期華力西褶皺帶(圖1)。盆地呈近東西向展布,以宗乃山-沙拉扎山隆起為界分為南北兩個拗陷,北部拗陷包括查干德勒蘇拗陷、蘇紅圖拗陷和拐子湖拗陷,南部拗陷包括銀根拗陷和因格井拗陷[19],且構造多屬控盆構造,從地質角度看沒明顯活動構造,滿足安全處置的基本要求。

圖1 預選區位置及鉆井分布Fig.1 Pre-selection area location and drilling distribution map

2 樣品采集與實驗

樣品選取巴音戈壁盆地塔木素地區因格井坳陷ZKH36-15、ZKH36-16、ZKH36-32等8個鉆井,不同深度的64個泥巖巖心樣品開展了巖石物理力學實驗,實驗項目包括巖石礦物成分分析、巖石物理特性實驗、巖石力學強度實驗3個方面。

巖石的物理特性實驗在野外現場完成,對巖心進行現場切割至標準尺寸為φ50 mm×100 mm的巖樣,天平稱量其質量后放入105 ℃的烘箱中烘24 h,待其冷卻至室溫后再次稱量巖樣質量,并根據公式推算出其含水量、天然塊體密度等物理特性。樣品礦物組分分析送至江西省地質科學研究所進行,鏡下觀察在Leitz偏光顯微鏡下完成。巖石力學實驗在東華理工大學試驗教學中心完成,鉆孔巖心樣品按照工程巖體實驗標準,通過巖石切割機(型號DQ-1)、取心機(型號ZS-50)和磨平機(型號SHM-200)等設備進行精加工。

3 結果與分析

3.1 礦物組分分析

在沉積、成巖過程中由于不同程度的地質影響,導致巖石的礦物組分,內部構造有所差異[20-21],因此研究巖體的物理力學特征,分析其礦物成分及其內部構造是必要因素。

選取塔木素因格井坳陷地區4個鉆井不同的深度的13個泥巖樣品進行礦物組分分析(表1)可知:泥巖樣品以白云石、泥質為主。將上述樣品的粉末樣至偏光顯微鏡下觀察可見(圖2):淺層泥巖樣品呈泥質結構-泥晶結構,塊狀構造；深層泥巖呈含粉砂泥質-泥晶結構,紋層狀構造。成分由泥質礦物、碳酸鹽礦物、石英、黃鐵礦等組成,泥質礦物具泥晶結構,由隱晶質石英、白云母及黏土礦物組成；碳酸鹽礦物以白云石為主,具泥粉晶結構。石英呈次棱狀,粒徑為0.01～0.03 mm。偶見細脈狀碳酸鹽薄層分布于泥質物之中[圖2(a)],呈薄層脈狀紋層分布于黏土礦物中,個別巖石樣品含少量瀝青[圖2(b)]。泥質含量為25%～55%,變化幅度較大,礦物之間的結構構造有較大差別。

表1 泥巖樣品礦物組成Table 1 Mineral composition of mudstone samples

圖2 粉末樣鏡下照片Fig.2 Photos of powder sample under microscope

3.2 物理特性分析

3.2.1 含水率

含水率指巖石中自由水的質量占巖石總質量的百分比,間接反映了巖石內部的孔隙率,含水率越高則巖石內部孔隙越多。樣品測量在現場進行,以保障測量值為自然狀態下的含水率,每個層位選取3個樣品測量求其平均值以減小誤差。據式(1)求其含水率,得出泥巖樣品含水率最低可達1.11%,最高也僅有2.52%,可見其含水率整體較低,孔隙率低,巖石較為致密程。

w=(m0-ms)/ms×100%

(1)

式(1)中：w為含水率；m0為烘干前樣品質量；ms樣品烘干冷卻后稱量的質量。

3.2.2 天然塊體密度

天然塊體密度是巖體在天然含水狀態下單位體積內的質量。因其與巖石的致密程度和孔隙發育程度存在一定的相關性,使其成為評價工程巖體穩定性的重要因素。試驗采用量積法,測量標準尺寸為直徑50 mm、高100 mm樣品的天然塊體密度,將分析數據投圖(圖3)可清楚地看出預選區泥巖樣品天然塊體密度隨深度變化情況,可見泥巖樣品的天然塊體密度隨深度的增加而增大,在600 m附近密度較高(平均可達2.45 g/cm3),推測巖樣隨著埋深的增加,受自重地應力增大,使其內部更致密,密度增大,間接表明巖石中孔隙減少。

圖3 天然塊體密度隨深度的變化Fig.3 Change of natural block density with depth

3.2.3 顆粒密度

顆粒密度指巖石固體礦物顆粒部分單位體積內的質量。采用比重瓶法,對樣品進行3次平行測定,通過式(2)計算并選取平均值以減小誤差。通過測量,得到其顆粒密度最小值為2.41 g/cm3，最大值為2.72 g/cm3,均值為2.62 g/cm3。

(2)

式(2)中:ps為顆粒密度,g/cm3;m1為樣品烘干后的質量，g；ms為比重瓶和蒸餾水的質量，g；m2為比重瓶、樣品和蒸餾水的質量，g；ρwt為常溫下蒸餾水的密度，g/cm3。

3.2.4 孔隙率

孔隙率指散粒材料表觀體積中材料內部的孔隙占總體積的比例。孔隙率越高的巖石裂隙越多,滲透系數越大[22],從而導致部分力學特性下降。巖石的孔隙率一般不能通過實測,只能通過式(3)計算。得出泥巖樣品的孔隙率最低僅有2.58%,最高達6.64%,均值不超過5%,整體孔隙率較低。

(3)

式(3)中：n為孔隙率；ρd為天然塊體密度，g/cm3。

3.3 力學性質分析

圍巖力學性能研究是處置庫建造可行性的基礎指標。為了初步評價黏土圍巖(泥巖)施工和建造條件,對塔木素因格井坳陷地區泥巖進行了系統的力學特性研究,采用單軸、三軸等常用測試手段獲得了該地區泥巖的力學參數,為高放射性廢物地質處置庫黏土圍巖場址篩選提供參考[23-24]。

3.3.1 抗拉強度實驗

1)巴西劈裂實驗

巴西劈裂法(BRAZI)可間接測量樣品的拉伸強度。通過式(4)計算泥巖樣品的抗拉強度為

(4)

式(4)中:σt為樣品的抗拉強度,MPa；P為最大荷載,N；D為巖石樣品的直徑,mm；H為巖石樣品的高度,mm。得出樣品泥巖的抗拉強度如表2所示。

表2 泥巖樣品抗拉強度試驗結果Table 2 Tensile strength test results of mudstone samples

分析可知,預選區泥巖樣品抗拉強度變化較大,最小值為6.59 MPa,最大可達12 MPa,但整體抗拉強度較高,均值可達10 MPa。將分析數據投圖可清楚地看出抗拉強度與埋深關系(圖4),從圖4中可以看出，樣品抗拉強度與埋深沒有明顯的線性關系(R為相關系數),推測即使是同一層位的巖石樣品,受復雜的地質作用影響,其內部結構構造有所差異導致。

圖4 抗拉強度與埋深的關系Fig.4 Relationship between tensile strength and buried depth

2)點荷載實驗

相比一些常規的巖石強度實驗測定,點荷載實驗具有各向異性上的優勢,通過測量垂直和水平2個方向點荷載值的差異性(表3),分析預選區泥巖樣品的各向異性。通過式(5)計算破壞荷載，通過式(6)計算巖石的點荷載強度。

P=CR′

(5)

(6)

式中：P為最大荷載，N；C為儀器內活塞面積，C=1 590 mm2；R′為油壓表讀數,MPa；De為加載點間距離；P為總荷載值。

由表3可知,垂直方向的點荷載大于水平方向,且巖樣的破壞面隨加載方向不同而變化,體現了點荷載實驗的各向異性及其強度受巖石自身控制的特性。

表3 泥巖樣品點荷載試驗結果Table 3 Point load test results of mudstone samples

將垂向方向上的點荷載強度與水平方向的點荷載強度相比,可得出巖樣的各向異性程度Ia,其值越大,則各向異性越明顯,取Ia=1.6。且單軸抗壓強度一般為點荷載的20倍左右,抗拉強度為點荷載的2倍左右,得出垂向上加載時的抗拉強度約為10.1 MPa,抗壓強度約為117.3 MPa，水平方向加載時的抗拉強度約為6.1 MPa,抗壓強度約為61.3 MPa。

3.3.2 抗壓特性實驗

巖石的抗壓強度不僅反映其力學性質和巖體計算中的重要指標,也是巖體工程分類和工程巖體穩定性評價的關鍵考量因素。由于高放廢物地質處置的基本概念是把高放廢物埋在距地表500 m以下的地質體中,為使討論有實際價值,選取埋深500 m以下的樣品進行分析。

1)常溫單軸實驗

選取塔木素因格井坳陷地區ZKH0-16、ZKH8-14、ZKH36-16三個鉆井500 m埋深以下的樣品進行單軸壓縮強度及彈性參數測試(表4),圖5所示為其抗壓試驗的應力-應變(σ-εa)曲線。從表4可以看出，塔木素泥巖單軸抗壓強度都較高,ZKH8-14、ZKH36-16鉆孔的巖心樣品強度都大于92 MPa,ZKH0-16鉆孔巖心樣品測量值相對較小,最低也大于59 MPa,該地區總體的平均值為92.9 MPa。

表4 泥巖樣品單軸壓縮變形試驗結果Table 4 Uniaxial compression deformation test results of mudstone samples

由圖5可知,樣品隨著應變的增加應力增大直至破碎,如圖5(a)所示；樣品在出現宏觀破裂后仍有一定的承載能力,如圖5(b)所示,在破碎后應力下降,但在20 MPa左右時趨于穩定；部分樣品可見脆性破壞的特性,如圖5(c)、圖5(d)所示,在到達其應力最大值時,應變不變,應力曲線垂直下降,趨近于0。

圖5 樣品單軸應力-應變曲線Fig.5 Uniaxial strain curve of sample

2)常溫三軸實驗

為獲得預選區泥巖樣品在不同圍壓條件下的短期強度及形變參數,在圍壓為10、20、30 MPa條件下對泥巖樣品進行了三軸壓縮試驗,測試結果如表5所示,圖6所示為樣品三軸抗壓試驗的應力-應變曲線。

表5 泥巖樣品常溫三軸壓縮試驗結果Table 5 Triaxial compression test results of mudstone samples at room temperature

通過圖6可知,樣品的軸向破壞強度和殘余強度隨著圍巖的增大而增大,且伴隨著形變增加,由圖6(a)可知，當應力達最大值時,均出現脆性破壞特征,與圍壓無明顯相關性,但在10 MPa條件下,樣品破裂后仍有一定的承載能力,圖6(b)表示樣品破碎后應力下降且伴隨體積的迅速膨脹現象。

圖6 常溫三軸下抗壓試驗的應力-應變曲線Fig.6 Stress-strain curve of triaxial compression test at room temperature

巖樣的實際破壞特征可如圖7(紅線為破裂軌跡)所示,可見在10 MPa圍壓下的樣品呈典型的脆性破壞,當圍壓在20 MPa時,巖石呈現張-剪破壞,在圍壓增加到30 MPa時,樣品呈明顯的剪切破壞,屬于單斜面剪切破壞類型。

3)高溫三軸實驗

考慮到高放射性廢物會釋放出大量的熱量,且為了讓實驗數據更有說服力,保持圍壓與上文相同的情況下(10、20、30 MPa),在溫度分別為90、60 ℃的條件下進行三軸壓縮試驗,得出不同溫度、不同圍壓條件下的數據，如表6所示。

從圖8可以看出，深部樣品(500 m以下)在受到外力的作用下發生變形或破壞與其所處的溫度的關系。隨著溫度的增加,應力與應變曲線的變化更緩慢,且溫度越高,巖石的破壞峰值強度越低。當溫度達到90 ℃圍壓在30 MPa時,巖石的破壞特征變為塑性變形。

圖8 不同圍壓和溫度下樣品的應力-應變曲線Fig.8 Stress strain curves of samples under different confining pressures and temperatures

4 結論

(1)預選區泥巖樣品的宏觀特征表現為顆粒大小、分布均勻且結構致密,礦物成分以泥質、白云石為主。泥質含量與結構隨埋藏深度不同有所差異,淺層巖樣呈泥質結構-泥晶結構,塊狀構造；深層泥巖呈泥晶結構、含粉砂泥質結構,紋層狀構造(個別巖石樣品含少量瀝青)。

(2)預選區泥巖樣品的天然含水率、天然塊體密度、顆粒密度、孔隙率等基礎物理特性研究和分析數據表明,該地區黏土巖的內部結構較為致密。

(3)預選區泥巖樣品的點荷載強度主要受巖石本身控制,抗拉強度平均為10 MPa,且不隨巖樣埋深的變化而變化,與國外黏土圍巖相比,抗拉力學性能更為優越(瑞士Opalinus黏土巖抗拉強度約1 MPa；法國Callovo-Oxfordian泥巖抗拉強度在0.9～5.4 MPa)。

(4)預選區泥巖樣品的單軸抗壓強度最小值也高于59 MPa,相比國外黏土圍巖抗壓性能更為優越(瑞士Opalinus黏土巖抗壓強度為23.1～28.1 MPa；法國Callovo-Oxfordian泥巖抗壓強度為12～49 MPa)。

(5)通過常溫條件下的巖石三軸試驗,可見泥巖的軸向破壞強度、殘余強度和形變都會隨著圍壓的增大而增大。巖石表現為脆性破壞的特征,并伴有體積的迅速膨脹現象；考慮到高放射性廢物會釋放出大量的熱量,對樣品進行熱-力耦合三軸試驗,結果表明隨著溫度的升高,泥巖中的孔隙水加速揮發,導致其孔隙水壓力迅速降低,力學強度隨之下降,應力-應變曲線斜率變緩,并在90 ℃、30 MPa圍壓情況下呈現明顯的塑性變形特征。