THMC耦合条件下花岗岩裂隙力学和渗透性细观演化机理及其多尺度模型研究

This project is devoted to investigate the Thermo-Hydro-Mechanical-Chemical (THMC) coupling problem of cracked granite in radioactive waste underground repositories in China. The different mechanisms of THMC coupling behavior of tensile and compressive-shear cracks are studied through mescopic approach. the tensile and compressive-shear cracks are obtained by triaxial compression tests under different confining pressures. According to mescopic observation and micro-indentation tests, permeability tests, tensile and compressive-shear crack-chemical solution interaction tests under different temperatures as well as THMC coupling creep tests on granite with tensile and compressive-shear cracks, the different mescopic structure and mescopic mechanical properties of tensile and compressive-shear cracks in the aboved tests are compared and the physical mechanism of THMC coupling in tensile and compressive-shear cracks are studied . According to the above investigations, based on the existed multiscale mechanical model of marble and HMC coupling model of sandstone, the multi-scale mechanical model, the multi-scale hydro-mechanical coupling model, the multi-scale model of tensile and copressive-shear crack-thermo-chemical solution interaction and THMC coupling multi-scale model are set up for cracked granite step by step. The numerical algorithm of THMC coupling in cracked granite is developed by FEM method. The evolution of stabilization and transfer properties of host rock of radioactive waste underground repositories under THMC coupling interaction are evaluated. The studied results can offer important theoretic and technical support for site choice, safety design and stabilization analysis of radioactive waste underground repositories in China.

本项目以我国高放废物处置库花岗岩裂隙温度(T)-渗流(H)-应力(M)-化学(C)多场耦合问题为研究核心，从细观角度揭示张拉和压剪裂隙THMC行为的不同耦合机理。利用不同围压下三轴压缩试验产生张拉和压剪裂隙，进行渗透系数测试、不同温度下张拉和压剪裂隙面-化学溶液溶蚀试验、花岗岩张拉和压剪裂隙THMC耦合蠕变试验。通过细观观察和细观压痕试验比较张拉和压剪裂隙面在上述试验中的细观形态和细观力学特性，分析张拉和压剪裂隙内THMC耦合的内在机理。在已有的大理岩力学多尺度模型和砂岩HMC耦合模型的基础上，逐步建立适合花岗岩裂隙的HM耦合多尺度模型、花岗岩裂隙面-温度-溶蚀多尺度模型和花岗岩裂隙THMC耦合多尺度模型。采用有限元方法，提出花岗岩裂隙THMC耦合多尺度数值分析方法，研究我国高放废物处置库稳定性和渗透性的长期演化特征。研究成果可为处置库的选址、设计和稳定性分析提供关键的理论与技术支持。

项目相关结果为高放废物地质处置选址、设计、安全施工和长期稳定性提供了科学依据和基础性资料。按照原定计划，本项目开展了系统研究，总体上实现了预期目标。同时，根据研究的需要及实际研究过程中产生的新思路和发现的新问题，对研究计划进行了个别必要的调整，并就几个方面的问题进行了更深入和更系统的研究，取得了一系列新的成果，在研究的深度上较预期目标有较明显的深入。主要包括：（1）完成了不同围压下三轴压缩试验分别产生张拉和压剪裂隙，对张拉和压剪破坏后裂隙面进行细观观察，测得张拉和压剪裂隙的渗透系数；（2）完成了不同温度条件下张拉和压剪裂隙面-化学溶液溶蚀试验，分析了溶液离子浓度演化，对裂隙面进行了细观观察和细观压痕试验，根据扫描电镜试验结果，对比不同形态花岗岩裂隙面在不同温度条件下化学溶液作用后微观形貌发生变化的差异；（3）完成了温度-渗流-应力-化学耦合作用下张拉和压剪破坏后花岗岩裂隙的蠕变试验，试验过程中测试渗透系数和溶液离子浓度，对试验后的试样进行细观观察和细观压痕试验，根据所揭示的张拉和压剪裂隙内温度、渗流、应力和化学耦合的内在细观机理，建立了可描述花岗岩裂隙温度-渗流-应力-化学耦合行为的多尺度模型；（4）比较张拉裂隙和压剪裂隙的细观形态，建立了适合描述花岗岩裂隙力学行为的多尺度模型；将张拉裂隙和压剪裂隙的水力开度与力学模型中获得的裂隙变形联系起来，引入有效应力，建立了描述花岗岩裂隙渗流-应力耦合行为的多尺度模型；（5）采用化学反应动力学方法描述张拉裂隙和压剪裂隙面主要矿物成份溶蚀规律，引入化学损伤，建立了花岗岩裂隙面-温度-溶蚀多尺度模型；（6）研究溶蚀对张拉裂隙和压剪裂隙变形的影响，建立描述花岗岩裂隙温度-渗流-应力-化学耦合行为的多尺度模型；（7）采用有限元的方法，提出高放废物处置库开挖扰动区和近场围岩温度-渗流-应力-化学耦合过程的数值分析方法，分析了高放废物处置库开挖扰动区和近场围岩温度-渗流-应力-化学耦合过程的长期稳定性评价及其渗透性的长期演化特征。