花岗岩分数阶非达西渗流模型研究

Non-linear seepage mechanics in rock of low permeability is the common problem in underground disposal of high-level radioactive waste and deep energy extraction. To solve the difficulties of multiple parameters determining in experimental non-linear seepage equations, and challenges in multi-scale connection between laboratory and engineering scale, the project plans to find a new method for modelling Non-Darcian flow in granite from Beishan Gansu preselected area. With the non-locality advantages of fractional calculus, a new fractional seepage equation is to be established. Furthermore, the material properties of Beishan granite, permeability coefficient function will be adopted to fractional Non-Darcy seepage equation which expands the idea of modeling on the low permeability rock. This research will provide a reliable theoretical basis for seepage evolution in surrounding rocks of HLW repository and other large-scale underground engineering.

本项目拟针对我国高放废物地下处置、深部地下能源开采等工程的共性基础问题，开展我国高放废物地质处置甘肃北山预选区花岗岩非线性渗流问题分析与研究，探讨低速非线性渗流运动过程建模新方法。从北山预选区花岗岩的基本物理力学性质入手，针对当前非线性渗流方程参数过多、难以确定，以及实验室尺度外推到工程尺度的难题，将分数阶微积分理论与方法引进到花岗岩非线性渗流问题的研究中，从而建立花岗岩分数阶非达西渗流运动方程，结合渗透系数演化函数模型，建立低渗岩体介质渗流新模型，为评价高放废物地下处置库等大型地下空间的近场渗流演化特性提供可靠的理论基础。

本项目针对我国高放废物地下处置、深部地下能源开采等工程的共性基础问题，探索我国高放废物地质处置甘肃北山花岗岩区非达西渗流、溶质反常输运过程建模新方法，将分数阶微积分理论运用到花岗岩非达西渗流问题的研究中。首先，引入分数阶导数方法表征固液相互作用导致的渗流记忆效应，建立了描述孔隙介质中高速非达西渗流的分数阶导数模型，以及描述低速非达西渗流的分数阶导数模型，初步实现了达西、非达西渗流的统一描述。其次，建立了分数阶扩散模型以及分数阶对流扩散模型，与经典整数阶模型对比分析了分数阶扩散模型在描述孔隙介质中非达西渗流、反常扩散方面的优势，揭示了分数阶扩散模型基于连续时间随机行走理论的微细观机理。再者，提出了精确计算花岗岩渗透率的分数阶瞬态法，开展了三轴压缩条件下花岗岩瞬态渗流试验，获得了花岗岩在温度、渗流影响下三轴压缩应力应变关系曲线，揭示了渗透压、温度、围压对花岗岩渗透率演化的影响规律。最后，基于变系数分形导数本构模型，以地下实验室开挖后蠕变变形过程为工程背景，利用OpenGeoSys有限元数值计算平台，实现了蠕变变形对近场围岩渗透性能影响的数值计算与分析。为评价高放废物地下处置库等大型地下空间的近场渗流演化特性提供了可靠的理论基础。