張龍鵬，梁海安，2，楊 婷，唐 毯，張 娟

（1.東華理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330013；2.核資源與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東華理工大學(xué)），江西 南昌 330013）

0 引言

高放廢物處置庫圍巖在放射性廢物放熱及高地應(yīng)力復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定是關(guān)系到處置庫安全性的關(guān)鍵問題。黏土巖作為高放廢物處置庫的地質(zhì)屏障候選圍巖［1］，在溫度-應(yīng)力耦合的長期作用下圍巖的穩(wěn)定一直以來都是處置庫安全評價(jià)的研究重點(diǎn)［2］。從上世紀(jì) 90 年代起，比利時(shí)就開始在 HADES 地下實(shí)驗(yàn)室中對 Boom 黏土巖進(jìn)行現(xiàn)場加熱實(shí)驗(yàn)，瑞士、法國相繼在 2004 年和 2006 年開始進(jìn)行現(xiàn)場加熱實(shí)驗(yàn)。二十多年來，比利時(shí)、瑞士、法國完成了小尺寸（small-scale）和大尺寸（large-scale）現(xiàn)場加熱試驗(yàn)，并對現(xiàn)場提取的黏土巖巖樣進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究。目前這三個(gè)國家的現(xiàn)場加熱試驗(yàn)已進(jìn)入足尺（full-scale）試驗(yàn)階段。國外現(xiàn)場加熱試驗(yàn)規(guī)模及歷程如表 1 所示。

表1 國外主要黏土巖國家現(xiàn)場加熱試驗(yàn)概況

根據(jù)國外的加熱試驗(yàn)研究，黏土巖的熱傳導(dǎo)性能及溫度對黏土巖力學(xué)性質(zhì)的影響是黏土巖溫度-應(yīng)力耦合的關(guān)鍵因素。本文從以上兩個(gè)方面對國內(nèi)外對黏土巖的溫度-應(yīng)力耦合特性研究的試驗(yàn)方法現(xiàn)狀進(jìn)行了初步總結(jié)，并對其未來發(fā)展方針提出了展望。

1 高放廢物處置庫黏土圍巖熱學(xué)參數(shù)測定的主要方法

黏土巖熱學(xué)參數(shù)的測定方法主要分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法。由于黏土巖的滲透系數(shù)一般比較低，許多學(xué)者在研究黏土巖傳熱時(shí)往往只考慮熱傳導(dǎo)這一種傳熱方式［15］。

1.1 高放廢物處置庫黏土圍巖熱傳導(dǎo)系數(shù)的測定方法

目前高放廢物處置庫黏土圍巖測試實(shí)踐中，黏土巖的熱傳導(dǎo)系數(shù)常由現(xiàn)場試驗(yàn)或室內(nèi)試驗(yàn)測試得到。

黏土巖導(dǎo)熱系數(shù)的室內(nèi)測量方法分為瞬態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法。瞬態(tài)法具有測試時(shí)間短，樣品量小，樣品制備簡單等優(yōu)點(diǎn)。其基本原理是對處于熱平衡的黏土巖試樣施加熱場，通過監(jiān)測試樣溫度變化，結(jié)合非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程，計(jì)算出待測試樣的熱物理參數(shù)。黏土巖熱傳導(dǎo)系數(shù)瞬態(tài)測試方法有瞬態(tài)熱線法（THW）、瞬態(tài)熱帶法（THS）、瞬態(tài)熱橋法（THB）、瞬態(tài)熱探針法（THP）、瞬態(tài)平面熱源法（TPS）、熱線法（HWM）、激光閃射法（LFM）等［16］。

常用的穩(wěn)態(tài)法有防護(hù)熱板法（GHP）、熱流計(jì)法（HFM）、水流量平板法（WFP）、圓管法等。由于穩(wěn)態(tài)法測試所需的時(shí)間較長，試樣內(nèi)部溫度場達(dá)到動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，可能會造成介質(zhì)內(nèi)部水分的移動和結(jié)構(gòu)的擾動［17］。當(dāng)測試巖樣達(dá)到溫度場穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，可將巖樣內(nèi)的熱量傳導(dǎo)視為一維傳導(dǎo)狀態(tài)［18］，這時(shí)測量溫度梯度和試樣單位面積上的熱流量，就可以確定材料的導(dǎo)熱系數(shù)。C?té 等［19］采用導(dǎo)熱系數(shù)比較穩(wěn)定的 Pyrex 玻璃開發(fā)出了穩(wěn)態(tài)法精確測量巖石導(dǎo)熱系數(shù)的設(shè)備。Kodikara 等［20］采用紅外線熱成像技術(shù)測量黏土巖導(dǎo)熱系數(shù)方法，可以同時(shí)測試多點(diǎn)的熱傳導(dǎo)系數(shù)。但該方法測定過程中，黏土巖表面直接暴露在空氣中，不可避免地與空氣發(fā)生對流換熱［21］，測定結(jié)果的準(zhǔn)確性有待商榷。

黏土圍巖高放廢物處置庫現(xiàn)場試驗(yàn)是在實(shí)際地質(zhì)構(gòu)造、水分遷移等條件下，最接近真實(shí)情況，可信度高，但代價(jià)昂貴，時(shí)間周期長。在鉆孔或豎井中放置地下?lián)Q熱器完成現(xiàn)場測試，又稱熱響應(yīng)測試法，最早由 Mogensen 于 1983 年提出［22］。該方法的關(guān)鍵在于求解一定邊界條件和初始條件下的地下?lián)Q熱器微分方程［23］。目前主要采用的模型有線熱源模型、柱熱源模型、圓盤形熱源模型和球形熱源模型，其中線熱源模型和柱熱源模型的基本假定及解析形式如表 2 所示。

1.2 高放廢物處置庫黏土巖比熱容的測定方法

巖土比熱容可根據(jù)三相物質(zhì)的組成比例進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下表示

式中：Cd、Cw、Ca分別為固體、液體、氣體的比熱容，kJ/（kg?K）；md、mw、ma分別單位體積中固體、液體、氣體的質(zhì)量，kg；m為單位體積巖土的質(zhì)量，kg。

測定均質(zhì)材料比熱容的方法有混合法、差分比熱量熱法（差分絕熱量熱法、差分弛豫時(shí)間量熱法和差分非絕熱量熱法）、差示掃描量熱法（DSC）及電流量熱法等［26］。DSC 法和混合冷卻法是目前測定固體比熱容的常用方法。DSC 法測量溫度范圍廣、簡單易行且結(jié)果準(zhǔn)確，被認(rèn)為是一種較好的比熱容測定方法。

上述黏土巖熱傳導(dǎo)系數(shù)的室內(nèi)測試方法及現(xiàn)場測試的方法使用的理論模型中，同樣可以根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)反算出黏土巖的比熱容。

在國外黏土巖高放廢物處置庫場址篩選工作中，研究人員在特定場址地下實(shí)驗(yàn)室對黏土巖進(jìn)行了長期的現(xiàn)場加熱試驗(yàn)來獲得黏土巖的熱學(xué)性能。如比利時(shí)根據(jù)在 HADES 地下實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行加熱試驗(yàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過數(shù)值模擬軟件多次模擬反演得到最接近實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)的一組 Boom clay 的熱傳導(dǎo)系數(shù)和比熱容等重要的熱學(xué)參數(shù)；瑞士根據(jù)在 Mont Terri 地下實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的加熱試驗(yàn)，得到 Oplinus 黏土巖的熱傳導(dǎo)系數(shù)；法國同樣在 BURE地下實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了長期現(xiàn)場加熱試驗(yàn)反演得到 Callovo-Oxfordian 黏土巖的熱傳導(dǎo)系數(shù)。

2 溫度對高放廢物處置庫黏土圍巖力學(xué)性質(zhì)的研究方法

2.1 高放廢物處置庫黏土圍巖熱膨脹性質(zhì)的研究方法

由放射性廢料衰變產(chǎn)生熱膨脹引起巖體或結(jié)構(gòu)的膨脹變形，將會對工程的穩(wěn)定性造成威脅。目前對巖石等多孔材料的熱膨脹系數(shù)的測定方法，多為對試樣加熱，記錄試樣各個(gè)方向上的變形，可根據(jù)試驗(yàn)要求的不同選擇不同材質(zhì)的傳感器。隨著科技的提升，監(jiān)測試樣變形的傳感器靈敏度不斷提升，熱膨脹測試的精度也隨之提高。Belmokhtar等［27］使用高精度的 LVDT 系統(tǒng)測量 COx 黏土巖在常溫到 100 ℃ 的熱膨脹系數(shù)，最小精度可達(dá) 0.1 μm，精度得到很大的提升。

表2 常用熱源模型

在現(xiàn)場可在圍巖中布置變形傳感器，通過加熱試驗(yàn)對巖體變形進(jìn)行監(jiān)測，直接獲得高放廢物處置庫黏土圍巖巖體的熱膨脹性質(zhì)。

2.2 高放廢物處置庫黏土圍巖熱應(yīng)力的研究方法

熱應(yīng)力是巖體由于受到遠(yuǎn)場巖石介質(zhì)約束，近場巖石介質(zhì)熱膨脹受到抑制產(chǎn)生［28］。熱應(yīng)力是溫度影響巖石（體）應(yīng)力狀態(tài)的重要因素之一，研究熱應(yīng)力的影響對工程穩(wěn)定性具有十分重要的作用。

在國外的研究中，通過現(xiàn)場加熱試驗(yàn)，監(jiān)測圍巖中不同方位上應(yīng)力、孔壓隨溫度的變化，獲得黏土巖的熱應(yīng)力變化及分布情況。

2.3 高放廢物處置庫黏土圍巖熱損傷的研究方法

劉泉聲等［29］引入損傷力學(xué)，以巖樣的彈性模量作為損傷變量，提出了熱損傷的定義，巖石的熱損傷可用下式表達(dá)：

式中：D（T）表示在溫度為T時(shí)巖樣的損傷因子；ET表示在溫度為T時(shí)巖樣的彈性模量；E0表示在 20 ℃ 時(shí)巖樣的彈性模量。

根據(jù)熱損傷的定義，可通過室內(nèi)試驗(yàn)，對黏土巖進(jìn)行加熱處理后，通過單軸抗壓試驗(yàn)獲得黏土巖彈性模量隨溫度的變化情況。同樣地，在試驗(yàn)中還可以獲得黏土巖的抗壓強(qiáng)度、泊松比等力學(xué)及變形性質(zhì)隨溫度升高的改變。這種方法在宏觀上反映了升溫對黏土巖力學(xué)性質(zhì)的影響。

在微觀上，左建平等［30］使用電鏡掃描觀察細(xì)粉砂巖高溫加熱開裂現(xiàn)象，直接觀察到巖石熱開裂產(chǎn)生、發(fā)展過程。張衛(wèi)強(qiáng)［31］對熱處理后的灰?guī)r、砂巖和花崗巖進(jìn)行了電鏡掃描、X 射線衍射分析，研究了溫度升高對巖樣熱開裂發(fā)生、發(fā)展過程及對礦物結(jié)構(gòu)的影響。此外還有巖石 CT、聲發(fā)射等方法，可對巖石損傷發(fā)生、發(fā)展機(jī)制進(jìn)行直觀的分析。

3 總結(jié)與展望

本文通過文獻(xiàn)調(diào)研，從黏土巖的熱學(xué)性能測試以及溫度對黏土巖力學(xué)性質(zhì)的影響兩個(gè)方面對黏土巖溫度-應(yīng)力耦合特性測試方法進(jìn)行了總結(jié)回顧。

1）黏土巖熱學(xué)性能可通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)獲得，在室內(nèi)熱學(xué)性能測試方法一般分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法，可根據(jù)方法及熱源的不同選擇不同的模型進(jìn)行求解；

2）瞬態(tài)法試驗(yàn)操作簡單，測試時(shí)間短，對巖樣擾動小；穩(wěn)態(tài)法測試結(jié)果準(zhǔn)確，但需要長時(shí)間加熱使巖樣達(dá)到熱平衡，容易對巖樣造成擾動，使測試結(jié)果失真；

3）現(xiàn)場測試常用的方法為對對巖體施加熱干擾，監(jiān)測巖體的溫度場變化，通過熱源模型反算或使用數(shù)值模擬軟件反演的方式獲得；現(xiàn)場加熱實(shí)驗(yàn)最接近巖體真實(shí)情況，但試驗(yàn)成本較大，測試時(shí)間漫長；

4）溫度對黏土巖力學(xué)性質(zhì)的影響，也可通過室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場加熱試驗(yàn)進(jìn)行研究，現(xiàn)場加熱試驗(yàn)多在特殊廠址地下實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，在圍巖中布置多個(gè)溫度、應(yīng)力、變形、滲透等傳感器，對加熱過程進(jìn)行監(jiān)測；

5）黏土巖熱損傷可通過室內(nèi)試驗(yàn)，從宏觀和微觀的角度進(jìn)行評價(jià)與分析。在宏觀上，主要通過對熱處理后的巖樣進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，獲得不同溫度下黏土巖的彈性模量后進(jìn)行定量評價(jià)；在微觀上，主要通過電鏡掃描、巖石 CT、聲發(fā)射等方式直觀地觀察微裂紋隨溫度升高的發(fā)展、通過 X 射線衍射等方式分析礦物成分的變化，對巖石熱損傷機(jī)制進(jìn)行定性分析。

過去二十余年，為探明處置庫黏土圍巖的溫度-應(yīng)力耦合性質(zhì)，國外的現(xiàn)場加熱試驗(yàn)經(jīng)歷了小尺寸（smallscale）、大尺寸（large-scale）到足尺（full-scale）加熱試驗(yàn)“三步走”的測試方法。與現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)相配合，國內(nèi)外同時(shí)開展了大量的室內(nèi)試驗(yàn)研究，提供對處置庫黏土圍巖溫度-應(yīng)力耦合測試的多種研究方法。

結(jié)合以上研究成果，為未來黏土巖高放廢物處置庫場址安全性評估工作提出以下幾點(diǎn)建議：

1）測試過程滲流、化學(xué)場的影響不可避免地對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響，應(yīng)考慮這方面多場耦合的疊加影響，并設(shè)計(jì)更加合理的現(xiàn)場原位試驗(yàn)設(shè)備及測試方案；

2）室內(nèi)試驗(yàn)多采用無裂隙或微裂隙的均質(zhì)巖塊，對于高放廢物黏土巖宏觀尺寸下的溫度-應(yīng)力耦合的真實(shí)響應(yīng)而言缺乏代表性，因此需通過大量室內(nèi)試驗(yàn)并與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證室內(nèi)試驗(yàn)的準(zhǔn)確性；

3）足尺加熱試驗(yàn)規(guī)模大、周期長、需要大量人力物力支持，因此可根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果先進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果對試驗(yàn)方案進(jìn)行優(yōu)化；

4）在未來的現(xiàn)場加熱試驗(yàn)中，為安全起見，需按順序先后進(jìn)行小尺寸、大尺寸、足尺加熱試驗(yàn)，對黏土巖高放廢物處置庫巖層溫度-應(yīng)力耦合進(jìn)行系統(tǒng)的研究。Q