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裂隙岩体渗透性分析的细化管网模型及其应用研究

王鑫永  
【摘要】:随着核能源在我国的迅速发展,高放核废料的妥善处置已日渐成为核安全及环境保护领域的关键问题之一。目前,高放核废料经封存埋置于地底处置库已被视为一种安全且行之有效的方法,同时地下实验室也被作为开发和验证高放废物地质处置技术、评价场址适宜性的关键设施。本文以我国西北某地核废料实验室场址裂隙花岗岩体渗透性为研究目标,编译三维渗流分析程序TPMFLOW。通过在现场实测岩体露头数据,经参数统计分析,应用程序进行三维离散裂隙网络模型建模、优化及模型修正。分别采用程序等效管网模型模块及沟槽流管网模型(TPM)模块进行计算,通过两种管网模型探讨研究场址均质区Ⅰ~Ⅵ的表征单元体尺度及渗透张量参数,最后应用有限元软件建模初步预测了该区域的较大场址范围流体渗流特征。研究工作及相应成果归纳如下:(1)通过在现场的近景摄影测量工作结合三维点云模型重建技术得到区域结构面特征参数,应用程序TPMFLOW进行圆盘形三维离散裂隙网络模型的随机建模,并进行直径修正、体密度修正以及深度修正,以排除理论公式计算裂隙直径、体密度的误差,更贴合现场钻孔结构面数据。最后进行模型的优化工作,提高密集型裂隙模型计算效率。(2)应用修正后裂隙模型生成等效管网模型,将三维离散裂隙网络等效为圆形变截面管单元,计算节点水头分布及管单元流速分布并进行可视化。最后提取出均质区Ⅰ~Ⅳ的表征单元体尺度与渗透张量结果并可视化,得到计算结果基本符合预期:模型REⅤ尺度与典型迹长大致比值为7~11倍;从整体来看,靠近断裂带F31~F34的均质区Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ渗透性均较高,而其余均质区渗透张量数量级基本保持在10~(-10) m/s~10~(-11)m/s左右。(3)为更好地还原裂隙间渗流的“假想沟槽流”特征,提出一种沟槽流管网模型TPM,模型采用自建的管单元流量分配原理以及流量重分配原理,将各管单元承担的流量流域分配、重分配步骤等效为导水系数的增减过程,以此构成理论基础。应用此模型预测了均质区Ⅰ~Ⅳ的渗透张量分布情况并进行可视化,结果表明沟槽流管网模型计算结果在数值上大部分略大于等效管网模型情况,但两者空间方向渗透性强弱趋势基本一致,且前者计算的空间方向渗透系数不规则体相对较光滑,更符合空间渗透性变化的一般规律;均质区Ⅲ-1、Ⅲ-2及Ⅲ-3应用该模型的渗透系数预测结果与地研院现场钻孔实测数据相比,在数量级上基本一致。(4)应用各均质区等效渗透张量参数等数据建立有限元模型,对周边区域大场址的渗流特性进行初步分析及预测,发现该模型在第一种边界条件下表现为越接近断裂带的均质区其整体渗流速度越大,且与介质的渗透张量参数密切相关;此边界条件下除了均质区Ⅱ内渗流朝向为向北以外,研究场址区域模型整体渗流方向为断裂带F31、F34流向F33方向,该渗流方向上的模型等效渗透系数数量级也较小,渗透性规律基本符合预期。总体来讲,该区域渗透性不强,适宜作为核废料处置库及地下实验室建址的预选区。


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