三维双重孔隙-裂隙介质热-水-应力-迁移耦合模型及其有限元分析张玉军①*, 张维庆②① 中国科学院武汉岩土力学讨论所, 岩土力学与工程国家重点实验室, 武汉 430071;收稿日期: 2024-10-29; 接受日期: 2024-04-29国家重点基础讨论进展计划(“973”计划)(批准号: 2024CB732101)和岩土力学与工程国家重点实验室前沿探究性项目(批准号: SKLQ008)资助摘要建立了一种饱和-非饱和的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力-迁移耦合三维模型,关键词双重孔隙-裂隙介质 热-水-应力-迁移耦合 三维模型有限元分析其特点是应力场和温度场是单一的, 但具有不同的孔隙渗流场、裂隙渗流场和孔隙浓度场、裂隙浓度场, 以及可考虑裂隙的组数、间距、方向、连通率和刚度对本构关系 的影响, 并研制出相应的三维有限元程序. 通过与已有算例的对比, 验证了该模型和 程序的可靠性. 针对一个假定的高放废物地质处置库, 就岩体和缓冲层均为非饱和介 质和放射性核素泄漏的情况进行了数值分析, 考察了岩体中的温度、负孔隙水压力、 地下水流速、核素浓度和正应力的状态. 结果显示, 缓冲层中的温度、负孔隙水压力及 核素浓度呈现非线性的变化、分布; 尽管裂隙水饱和度平均仅为孔隙水饱和度的 1/9, 但因裂隙的渗透系数比孔隙的渗透系数大 4 个数量级, 故裂隙中地下水的流速约是孔 隙中相应值的 6 倍; 应力分布集中的区域位于缓冲层和处置孔壁交界两侧附近.合课题的探讨[3~6]. 笔者也曾就国内外类似讨论工作中的缺点作了改进, 建立了一种双重孔隙-裂隙介质 热-水-应力耦合模型[7], 其特点是较严格地推导了应 力平衡、水连续性及能量守恒三大控制方程, 全耦合 求解, 用于饱和-非饱和的遍有节理的岩体, 可考虑 裂隙的组数、间距、方向、连通率、开度、刚度的影 响,并研制出相应的二维有限元程序. 但该模型也不 够完善, 即没有考虑核素迁移的耦合分析.梁冰等人[8] 充分考虑了地下水变密度对核素浓 度分布的影响, 建立了孔隙-裂隙岩体中核素随地下 水 迁 移 的 耦 合 数 值 模 型 ; Sonnenthal 等 人 [9] 使用 1引言在自然界中, 类似于花岗岩和凝灰岩这样遍有节理、同时具有岩石孔隙和岩体裂隙的介质可称为双 重孔隙-裂隙介质. 中国、日本、瑞典、瑞士和加拿大 等国家拟在花岗岩中进行高放射性核废物的地质处置, 而美国已在内华达州的凝灰岩中完成了坑道规模试验(DST), 并将在尤卡山(Yucca Mountain)地区建 成世界...
