层状盐岩体流变损伤耦合与天然气储库长期稳定性研究

国家天然气、石油战略储备库的建设已经展开，但我们仍然缺少层状盐岩中天然气储库长期稳定性问题的研究理论和经验。万一发生施工或运营过程中的事故，将对国家能源战略储备产生极大的危害。因此，开展层状盐岩中储气洞库围岩的流变－损伤耦合与天然气储库长期稳定性问题研究，建立有自主知识产权的理论和技术系统，具有十分重大的理论、学术和现实意义。.本项目根据岩石流变力学原理，建立层状盐岩中天然气存储洞库的数学力学模型，采用实验、理论和数值分析方法，研究层状盐岩包括加速损伤的流变－损伤耦合特性，建立存储洞库和洞库群的数学力学模型，预测层状盐岩中天然气存储洞库长期稳定性，为国家盐岩中天然气储库工程的开发与设计提供可靠的理论和技术支持，为不远的将来核废料地下处置提供技术积累。

1. 进行了一批层状盐岩试样的实验室试验研究，获得了层状盐岩的常规力学特性和流变-损伤-破坏特性的试验成果，并用于修正已建立的本构模型。.2. 建立并完善了描述层状盐岩体的含第三阶段加速蠕变和加速损伤的蠕变－损伤全过程应力－应变－时间关系的模型，根据流变-损伤-破坏试验获得的数据，进一步验证了模型的正确性，对材料参数进行了修正。.3. 初步研究了盐岩自低应力到高应力水平下的流变-损伤-破坏特性，得到了全程流变-损伤曲线，获得了过渡蠕变、稳态流变和加速流变各阶段的盐岩变形与损伤发展规律。结果表明，分级加载条件下，盐岩的过渡蠕变不容忽视；盐岩的流变-损伤随时间增长与荷载水平加大而发展，由稳态流变-损伤到加速流变-损伤并没有十分明显的界限；损伤严重时，损伤引起的变形将在总变形中起决定性作用；一旦损伤变量超过损伤增速界限，宏观上流变/损伤达到加速阶段。.4. 考虑层状盐岩流变中的塑性屈服，也就是剪切损伤和拉伸损伤，采用数值分析方法研究了含夹层盐岩体中油气储库围岩的流变变形，分析了泥岩夹层与相邻盐岩的差异变形特性；研究了洞库附近的损伤和扩容，进而对储库的密闭性问题进行了探讨。 .5. 通过有限差分法含夹层盐岩储库的流变-损伤耦合数值分析研究，得到了盐岩与夹层间的变形与损伤差异特性。在储库内压较低时，围岩流变-损伤逐渐发展，围岩的损伤范围逐渐加大，严重损伤深度可达洞室直径的3倍。在低内压条件下，泥岩夹层的严重损伤比盐岩出现的晚，但后期泥岩的损伤却会比盐岩的严重。在较高内压条件下，严重损伤范围变小，小于1.5倍洞室半径，泥岩与盐岩的流变-损伤特性的差别不是很明显。.6. 对盐岩层核废料处置库的温度应力耦合分析结果表明，处置库围岩温度的升高，也存在明显的过渡阶段与稳态阶段特征。处置库净间距对处置库围岩温度场的叠加程度有很大影响，宽度4m的处置库较合理的净间距为8m，此时，处置100年后，处置库围岩最高温度可达135C。处置库洞室侧壁与底板均有拉应力出现，在底角处有应力集中，对围岩的稳定性不利。高放核废料盐岩处置库围岩的变形量很大，当处置库开挖运营几百年后，洞库几近完全闭合，可增强地质屏障的作用。因此，在盐岩层中建造核废料处置库是非常有利的。