高放废物地质处置裂隙岩体水力耦合作用下核素运移机理研究

高放废物深地质处置中，核素随地下水迁移对生物圈产生的影响是必须要考虑的环境安全问题。本项目拟采用实验研究、理论分析及数值模拟相结合的方法，分析不同边界条件下节理的力学变形行为，从而建立合适的节理本构模型；研究不同应力条件下裂隙岩体的水力耦合特性，揭示地下水在裂隙岩体内的运移规律；研究裂隙交叉处粒子的分配量与流入流量及流出流量之间的关系，考虑对流、弥散、吸附以及基质内扩散的影响，建立核素运移方程，采用时间域随机行走粒子示踪法（TDRW）求解，建立核素运移计算体系；分析弥散、吸附、基质内扩散及不同应力条件对核素运移的影响，揭示核素在裂隙岩体内的运移规律；最终形成系统地模拟水力耦合作用下裂隙岩体内核素运移的数值计算方法，将其应用于Sellafield高放废物地质处置库工程，为高放废物地质处置的安全性评价提供理论基础和计算分析方法。

伴随着核电的飞速发展，接踵而来的是其运行过程中大量放射性核废料的产生，这对人类生存和生态环境构成了长久和严重的危害。目前世界公认的比较安全的高放废物处置方法是地质处置。在高放废物地质处置中，核素随地下水在裂隙岩体内迁移是处置库安全运行的核心问题，也是当今国际研究的热点。目前有关核素迁移方面的研究才刚开始起步，对迁移物理机制和数值模拟方法方面还有很多不足之处。为此，本项目结合国际合作项目DECOVALEX 2011，采用离散裂隙网络模型研究了裂隙岩体的水力耦合特性，分析了应力及基质内扩散效应对核素在裂隙岩体内迁移规律的影响，为核废料处置的建设提供了理论基础，并给出了一套系统地模拟核素随地下水在裂隙岩体内迁移的数值软件，具体研究成果如下：.1）研究了不同边界条件下节理的变形行为，建立了适用于两种边界条件的SA节理本构模型，将其嵌入到离散元计算软件UDEC中，并通过数值单轴压缩和直剪试验验证了本构程序的正确性，为裂隙岩体水力耦合计算提供理论基础和计算方法。.2）结合monte-carlo法，给出了裂隙网络生成程序；通过在奇异块体内虚加人工节理，实现了所有块体的网格划分，编制了相应的网格划分程序，建立裂隙岩体水力耦合计算模型。.3）研究了裂隙交叉处溶质分配量与流出及流入流量之间的关系，揭示了不同类型裂隙交叉处核素的分配规律。考虑对流、弥散、吸附及基质内扩散等机制，建立了核素运移方程。.4）分析了欧拉法和拉格朗日法求解核素迁移方程的优缺点，采用时间域随机行走粒子跟踪法（TDRW）求解核素迁移方程；结合UDEC的水力学计算结果，编制了TDRW法的实现程序。通过对比分析单条节理内及简单裂隙网络内粒子迁移的解析解与计算值，验证了该程序的正确性，为核素迁移规律的研究提供了计算方法。.5）依托国际合作项目DECOVALEX 2011，采用上述研究方法，研究了实际工程中裂隙岩体的尺寸效应，分析了应力及基质内扩散效应对裂隙岩体内核素迁移规律的影响；通过结果分析可知，随着应力比的增大，裂隙岩体的单宽渗透流量率与平均渗透率均减小；核素的迁移时间逐渐增长, (Aq/Q)的值也不断增大，粒子渗出百分比（c/c0）的峰值逐渐减小，到达一定渗出浓度所需的时间也逐渐增加，粒子扩散到岩石基质内的百分比不断增大，粒子与基质的相互作用不断加强。这是因为随着压应力的增加，岩体内节理的闭合量增加，使得其相应的水力