遍有节理岩体的双重孔隙—裂隙介质中热—水—应力—迁移耦合模型与数值模拟

在一定的轴向压力、温度、水头和溶质浓度条件下,对模拟遍有节理岩体的单重和双重孔隙-裂隙类岩石试样进行渗流试验；通过渗出流量及其溶质浓度改变的反演分析，求出不同类岩石试样对应的渗透系数、贮水率、阻滞系数和扩散系数等；根据相关的理论和试验结果，建立遍有节理岩体的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力-迁移耦合的数学模型,开发相应的二维及三维弹塑性有限元程序；针对国内外的室内和现场试验结果进行对比计算,以检证数学模型和程序的正确性。本研究可深化和拓展对高度非线性的双重介质中热-水-应力-迁移耦合现象机理的认识，充实、完善与创新相关的理论。其成果的应用有望能使得建在花岗岩等遍有节理岩体中的高放射性核废物地质处置工程的设计与施工更加安全、可靠与经济。这特别对我国的核工业部门有着重要的实用意义。同时所得成果对深层石油开采、地热开发与利用等领域涉及的热-流-固-输运耦合现象的研究也具有有较高的借鉴价值。

我国、日本、瑞典、瑞士、加拿大等国家拟在花岗岩中进行高放射性核废物的地质处置，而花岗岩是一种遍有节理、同时具有孔隙和裂隙的岩体，其可称为双重孔隙—裂隙介质。目前尚未开发出针对双重孔隙-裂隙介质的热—水—应力—迁移（THMM）耦合模型。有鉴于此，在一定的轴向压力、温度、水头和溶质浓度条件下，对模拟遍有节理岩体的单重和双重孔隙-裂隙类岩石试样进行室内及数值渗流试验；通过渗出流量及其溶质浓度改变的反演分析，求出不同类岩石试样对应的渗透系数、贮水率、阻滞系数和扩散系数等；根据相关的理论和试验结果，建立遍有节理岩体的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力-迁移耦合的数学模型，开发相应的二维及三维弹塑性有限元程序；针对国内外的室内和现场试验结果进行对比计算，以验证数学模型和程序的正确性。所取得的主要成果有：(1) 双重孔隙—裂隙介质中热-水-应力-迁移耦合模型的建立及其有限元分析；（2）裂隙剪胀效应对双重孔隙介质热-水-应力耦合现象影响的有限元分析；（3）应力腐蚀和压力溶解作用下双重孔隙岩体中THMM耦合过程的有限元分析；（4）裂隙开度-刚度变化对双重孔隙岩体中THMM耦合过程影响的数值模拟；（5）存在边界流时压力溶解对颗粒聚集岩体中THM耦合作用的有限元模拟；（6）热-水-力共同作用下圆形洞室弹塑性解析解。本研究可深化和拓展对高度非线性的双重介质中热-水-应力-迁移耦合现象机理的认识，充实、完善与创新相关的理论。其成果的应用有望能使得建在花岗岩等遍有节理岩体中的高放射性核废物地质处置工程的设计与施工更加安全、可靠与经济。这特别对我国的核工业部门有着重要的实用意义。同时所得成果对深层石油开采、地热开发与利用等领域涉及的热-流-固-输运耦合现象的研究也具有较高的借鉴价值。