高放廢物處置庫黏土圍巖溫度-應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 土木與建筑工程學院，江西 南昌 330013；2.核資源與環境國家重點實驗室（東華理工大學），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力復雜環境下的穩定是關系到處置庫安全性的關鍵問題。黏土巖作為高放廢物處置庫的地質屏障候選圍巖［1］，在溫度-應力耦合的長期作用下圍巖的穩定一直以來都是處置庫安全評價的研究重點［2］。從上世紀 90 年代起，比利時就開始在 HADES 地下實驗室中對 Boom 黏土巖進行現場加熱實驗，瑞士、法國相繼在 2004 年和 2006 年開始進行現場加熱實驗。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）現場加熱試驗，并對現場提取的黏土巖巖樣進行了室內試驗研究。目前這三個國家的現場加熱試驗已進入足尺（full-scale）試驗階段。國外現場加熱試驗規模及歷程如表 1 所示。

表1 國外主要黏土巖國家現場加熱試驗概況

根據國外的加熱試驗研究，黏土巖的熱傳導性能及溫度對黏土巖力學性質的影響是黏土巖溫度-應力耦合的關鍵因素。本文從以上兩個方面對國內外對黏土巖的溫度-應力耦合特性研究的試驗方法現狀進行了初步總結，并對其未來發展方針提出了展望。

1 高放廢物處置庫黏土圍巖熱學參數測定的主要方法

黏土巖熱學參數的測定方法主要分為穩態法和非穩態法。由于黏土巖的滲透系數一般比較低，許多學者在研究黏土巖傳熱時往往只考慮熱傳導這一種傳熱方式［15］。

1.1 高放廢物處置庫黏土圍巖熱傳導系數的測定方法

目前高放廢物處置庫黏土圍巖測試實踐中，黏土巖的熱傳導系數常由現場試驗或室內試驗測試得到。

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

常用的穩態法有防護熱板法（GHP）、熱流計法（HFM）、水流量平板法（WFP）、圓管法等。由于穩態法測試所需的時間較長，試樣內部溫度場達到動態穩定狀態，可能會造成介質內部水分的移動和結構的擾動［17］。當測試巖樣達到溫度場穩定狀態時，可將巖樣內的熱量傳導視為一維傳導狀態［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熱系數。C?té 等［19］采用導熱系數比較穩定的 Pyrex 玻璃開發出了穩態法精確測量巖石導熱系數的設備。Kodikara 等［20］采用紅外線熱成像技術測量黏土巖導熱系數方法，可以同時測試多點的熱傳導系數。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生對流換熱［21］，測定結果的準確性有待商榷。

黏土圍巖高放廢物處置庫現場試驗是在實際地質構造、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換熱器完成現場測試，又稱熱響應測試法，最早由 Mogensen 于 1983 年提出［22］。該方法的關鍵在于求解一定邊界條件和初始條件下的地下換熱器微分方程［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

巖土比熱容可根據三相物質的組成比例進行計算，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、氣體的質量，kg；m為單位體積巖土的質量，kg。

測定均質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、簡單易行且結果準確，被認為是一種較好的比熱容測定方法。

上述黏土巖熱傳導系數的室內測試方法及現場測試的方法使用的理論模型中，同樣可以根據試驗數據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行了長期的現場加熱試驗來獲得黏土巖的熱學性能。如比利時根據在 HADES 地下實驗室進行加熱試驗監測數據，通過數值模擬軟件多次模擬反演得到最接近實際監測數據的一組 Boom clay 的熱傳導系數和比熱容等重要的熱學參數；瑞士根據在 Mont Terri 地下實驗室進行的加熱試驗，得到 Oplinus 黏土巖的熱傳導系數；法國同樣在 BURE地下實驗室進行了長期現場加熱試驗反演得到 Callovo-Oxfordian 黏土巖的熱傳導系數。

2 溫度對高放廢物處置庫黏土圍巖力學性質的研究方法

2.1 高放廢物處置庫黏土圍巖熱膨脹性質的研究方法

由放射性廢料衰變產生熱膨脹引起巖體或結構的膨脹變形，將會對工程的穩定性造成威脅。目前對巖石等多孔材料的熱膨脹系數的測定方法，多為對試樣加熱，記錄試樣各個方向上的變形，可根據試驗要求的不同選擇不同材質的傳感器。隨著科技的提升，監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 系統測量 COx 黏土巖在常溫到 100 ℃ 的熱膨脹系數，最小精度可達 0.1 μm，精度得到很大的提升。

表2 常用熱源模型

在現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行監測，直接獲得高放廢物處置庫黏土圍巖巖體的熱膨脹性質。

2.2 高放廢物處置庫黏土圍巖熱應力的研究方法

熱應力是巖體由于受到遠場巖石介質約束，近場巖石介質熱膨脹受到抑制產生［28］。熱應力是溫度影響巖石（體）應力狀態的重要因素之一，研究熱應力的影響對工程穩定性具有十分重要的作用。

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

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，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：

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。

根據熱損傷的定義，可通過室內試驗，對黏土巖進行加熱處理后，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度、泊松比等力學及變形性質隨溫度升高的改變。這種方法在宏觀上反映了升溫對黏土巖力學性質的影響。

在微觀上，左建平等［30］使用電鏡掃描觀察細粉砂巖高溫加熱開裂現象，直接觀察到巖石熱開裂產生、發展過程。張衛強［31］對熱處理后的灰巖、砂巖和花崗巖進行了電鏡掃描、X 射線衍射分析，研究了溫度升高對巖樣熱開裂發生、發展過程及對礦物結構的影響。此外還有巖石 CT、聲發射等方法，可對巖石損傷發生、發展機制進行直觀的分析。

3 總結與展望

本文通過文獻調研，從黏土巖的熱學性能測試以及溫度對黏土巖力學性質的影響兩個方面對黏土巖溫度-應力耦合特性測試方法進行了總結回顧。

1）黏土巖熱學性能可通過室內和現場試驗獲得，在室內熱學性能測試方法一般分為穩態法和瞬態法，可根據方法及熱源的不同選擇不同的模型進行求解；

2）瞬態法試驗操作簡單，測試時間短，對巖樣擾動小；穩態法測試結果準確，但需要長時間加熱使巖樣達到熱平衡，容易對巖樣造成擾動，使測試結果失真；

3）現場測試常用的方法為對對巖體施加熱干擾，監測巖體的溫度場變化，通過熱源模型反算或使用數值模擬軟件反演的方式獲得；現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）溫度對黏土巖力學性質的影響，也可通過室內試驗及現場加熱試驗進行研究，現場加熱試驗多在特殊廠址地下實驗室進行，在圍巖中布置多個溫度、應力、變形、滲透等傳感器，對加熱過程進行監測；

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

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

結合以上研究成果，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、化學場的影響不可避免地對實驗結果造成影響，應考慮這方面多場耦合的疊加影響，并設計更加合理的現場原位試驗設備及測試方案；

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

3）足尺加熱試驗規模大、周期長、需要大量人力物力支持，因此可根據室內試驗結果先進行數值模擬，根據數值模擬的結果對試驗方案進行優化；

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