高放废物处置库近场裂隙水流-传热-处置室间距相互作用的三维数值分析

高俊义

(延安大学建筑工程学院，陕西 延安 716000)

由于高放废物地质处置库(以下简称处置库)周围岩体本身一般都存在一定数量的构造裂隙，前期开挖、爆破的施工过程以及处置库运营期间高放废物放热和地质活动还会使岩体产生新的较大开度的裂隙，裂隙水的形态和运动规律将是影响处置库对核素扩散阻滞行为的关键，因此，裂隙水流动和岩石热传导之间的相互耦合作用是评估处置库安全运营的重要组成部分[1]。

在处置库概念设计中处置规模的估算主要根据处置室间距的计算来完成。在概念设计阶段，处置库中处置室间距的确定主要以热学计算分析结果为依据。高俊义等[2]开展了裂隙水流速度对处置库近场温度影响的三维离散元分析，并未涉及不同处置室间距以及交叉裂隙水流-传热对处置库近场温度影响。张勇等[3]考虑一个包括分布热源、饱和单裂隙水流和两侧无限大岩石的高放废物地质处置库近场三维水流传热模型，分析了分布热源作用下单裂隙岩体的三维水流传热特征，并未考虑多排热源作用下，多裂隙水流-传热对处置库近场温度影响。吕涛等[4]，王胜等[5]，刘文岗等[6]，刘月妙等[7]，赵宏刚等[8]均未考虑处置库在裂隙水流-传热条件下不同处置室间距的热导作用。鉴于此，开展处置库多裂隙水流-传热-处置室间距相互作用机理研究显得十分必要。

1 处置库概念模型

参考文献[9]中水平处置库概念模型，如图1所示，地下处置深度为500 m，概念模型分4块处置区域，每块处置区域分布3条巷道，巷道长分别设置为24 m、32 m、40 m，每条巷道内设置4个废物罐，共12个废物罐，相邻巷道和废物罐中心间距分别设置为6 m、8 m、10 m，废物罐均水平放置在巷道内，周围设置300 mm厚的膨润土，处置库围岩为花岗岩。

图1 处置库概念模型

2 离散元模拟计算

2.1 热流耦合理论

3DEC是一种基于不连续体有限元法的三维数值程序，是在二维UDEC的基础上形成的计算程序，模拟不连续介质(例如节点岩体)对静态或动态荷载的响应。不连续体在设置边界条件的情况下进行计算。其主要倾向于岩体工程项目的分析，利用Jest命令流可以方便地生成各种节理、裂隙。进行人工或自动网格生成，在岩体中呈现出一系列不连续性的节点结构。定义模型尺寸，输入相关参数，划分模型网格后即可开始计算。

热传导模块可以进行材料瞬态与稳态热传导模拟计算。热对流模块中，忽略流体在固体中的渗透性，假定饱和流体在裂隙内流动，当固体温度与裂隙内流体温度存在温差时，会发生彼此之间的对流换热(热流耦合)，光滑的裂隙内水流符合立方定律。

2.2 计算模型

通常要求处置库中废物罐表面的最高温度应小于90 ℃，而且处置巷道及废物罐之间的间距最小[10-12]。本文假定高放废物衰变释热温度为80 ℃，处置室中心间距分别取6 m、8 m、10 m进行数值模拟计算，开展处置库多裂隙水流-传热-处置室间距相互作用的研究。

对于高放废物玻璃固化体单个水平处置区域的数值计算，模型尺寸分别设置为30 m(40 m、50 m)[长]×24 m(32 m、40 m)[宽]×20 m[高]，本文仅考虑水平钻孔处置所用的BV55 V型处置容器，其外径为550 mm、外部高度为1 610 mm[13-14]的等效岩石尺寸模拟废物衰变释热。模型尺寸如图2所示，模型网格划分如图3所示，图2、3中仅显示相邻巷道和废物罐中心间距为6 m的情况，相邻巷道和废物罐中心间距为8 m和10 m的情况类同。考虑水平处置巷道上、下两条水平裂隙与切割巷道中部的一条竖裂隙正交的三条裂隙，建立多废物罐作用下饱和多裂隙岩体水流-传热模型；图2B中1、2、3、4为外侧巷道废物罐表面附近膨润土温度观察点，5、6、7、8为内侧巷道废物罐表面附近膨润土温度观察点。模型的两条水平裂隙近似模拟实际岩体中横向局部贯通的裂隙通道，分别位于处置巷道的上、下部，竖裂隙近似模拟实际岩体中纵向局部贯通的裂隙通道。

2.3 参数与工况

模型所采用花岗岩和裂隙水的热物理参数来源于甘肃北山地区花岗岩的实测值，列于表1，在处置概念设计-500 m条件下地温为19 ℃[4]。其中花岗岩与水的对流换热系数为30 W/(m2·℃)。本模型假定花岗岩与裂隙水的初始温度均为19 ℃。

表1 花岗岩、膨润上、废物罐与水的热物理参数

模型考虑4种工况：在处置室中线间距为6 m的条件下，对比分析裂隙水流动传热对处置库近场温度分布影响；在裂隙开度和裂隙水流速度相同，不同处置室中线间距(6 m、8 m、10 m)条件下，对比分析裂隙水流传热对处置库近场温度分布影响。废物罐释热时间均为302 d，计算工况列于表2。

3 计算结果及分析

3.1 岩体裂隙水流动对处置库温度影响

在处置室中线间距6 m，裂隙水静止与流动条件下，岩体剖面温度场如图4所示。

由图4(A、C)可知，由于静止的裂隙水只起到热存储和热传导作用，使岩体等温线规则性地向废物罐群周边辐射。由图4(B、D)可知，由于裂隙水流动-传热作用，使岩体等温线不规则性地向废物罐群周边辐射，具体表现为水平裂隙水流上游区域(0～6 m)温度梯度显著大于其下游区域(24～30 m)。由于裂隙水流进水口水温(19 ℃)与裂隙外围岩石温度(随废物罐释热时间而不断升高)相差较大，热流耦合(主要体现为裂隙水吸热降温)作用强烈导致裂隙水流上游区域(0～6 m)温度梯度较大；由于裂隙水流出水口水温(在裂隙水流上、中游区域吸热后传到下游区域的温度远大于19 ℃)与裂隙外围岩石温度相差较小，热流耦合作用较弱导致裂隙水流下游区域(24～30 m)温度梯度较小。对比图4(A、C)知，流动的裂隙水显著改变了处置库近场的温度场，使岩体温度降低。

表2 离散元模拟工况

图2 相邻巷道和废物罐中心间距均为6 m时模型尺寸和边界条件(尺寸单位：m)

图3 相邻巷道中心间距和废物罐中心间距均为6 m时模型网格划分

图4 处置室间距6 m时岩体剖面温度场(单位：℃)

图5 裂隙水静止和流动条件下废物罐表面膨润土时间-温度曲线

裂隙水在静止与流动条件下，废物罐表面膨润土时间-温度曲线如图5所示。

由图5A知，裂隙水静止时，废物罐表面膨润土的8个观察点温度在0～10 d迅速上升，10～50 d温度上升幅度减小，50 d后温度上升幅度进一步减小，且各观察点温度随时间差异趋于减小。由图5B可知，裂隙水流动时，废物罐表面膨润土的观察点温度在0～50 d与裂隙水静止时相当，50 d后温度上升幅度进一步减小，对比裂隙水静止时，废物罐表面膨润土的观察点温度在废物罐释热约200 d后趋于稳态，即裂隙水流动明显缩短模型达到稳态所需要的时间。另外，图5(A和B中1观察点温度最大值为76 ℃和70 ℃)温度与图4(A和B中1观察点温度76 ℃和70 ℃)相同，其余观察点温度后文中类同，不再赘述。裂隙水流动传热作用使水流下游区域(3、4)温度高于裂隙水流上游区域(1、5)。

3.2 处置室间距对处置库温度影响

处置室中线间距在8 m(工况3)和10 m(工况4)条件下，岩体剖面温度场如图6所示。

图6 处置室间距为8 m和10 m时的岩体剖面温度场(单位：℃)

处置室中线间距为8 m时，对比图6(A、C)和图4(B、D)知，温度场分布规律相当，但是，当处置室中线间距由6 m增大到8 m后，水平裂隙水流下游区域温度减小(由60 ℃减小到55 ℃)，竖向裂隙水流下游区域温度减小(由55 ℃减小到50 ℃)。这是由于在裂隙水流传热效果相同情况下，随着处置室中线间距增大，废物罐释热后温度叠加效应减弱。对比图6(A、C)和图6(B、D)可知，中部水平剖面[x(8～32 m)，y(8～24 m)]区域众值温度(65 ℃)高于[x(10～40 m)，y(10～30 m)]区域(55 ℃)，即废物罐群围成区域均值温度随处置室中线间距的增大而减小；中部竖向剖面[x(0～40 m)，z(0～10 m)]区域均值温度(50 ℃)高于[x(0～50 m)，z(0～10 m)]区域(45 ℃)，即裂隙水流下游区域均值温度随处置室中线间距的增大而减小。理由同前。

处置室中线间距在8 m(工况3)和10 m(工况4)条件下，废物罐表面膨润土时间-温度曲线如图7所示。

图7 处置室间距8 m和10 m时废物罐表面膨润土时间-温度曲线

对比图7和图5B可知，处置室中线间距为8 m和10 m时，废物罐表面膨润土时间-温度曲线与处置室中线间距为6 m时规律类似，差异是处置室中线间距为8 m(图7A，工况3)时，巷道内排6、7观察点温度在释热8 d后升温幅度开始减小，原因在于此观察点位于裂隙水流下游区域，受水平和垂直裂隙水流传热影响较大。处置室中线间距分别为6 m、8 m和10 m时，均为巷道外排观察点温度(3、4)最高，这是因为水平和垂直裂隙水流共同把热量从裂隙水流上游区域传到下游区域，而巷道外排观察点(3、4)正好位于水平和垂直裂隙水流的下游区域；巷道内排观察点(5、6)温度最低，由于此观察点正好位于水平裂隙水流的上游区域，水平裂隙水流传热到下游区域，同时垂直与水平裂隙交汇处水流传热到垂直裂隙水流的下游区域。处置室中线间距为6 m、8 m和10 m时，对应废物罐表面膨润土观察点最高温度为74.9 ℃、71.9 ℃和69.3 ℃，处置室中线间距越大，废物罐表面膨润土观察点温度越低。

3.3 处置室间距对裂隙出水口水温影响

处置室中线间距在6 m、8 m和10 m条件下，裂隙出水口时间-水温曲线如图8所示。

图8 裂隙出水口时间-水温曲线

由图8(A)知，处置室中线间距为6 m和8 m时，裂隙出水口水温-时间曲线类似，且在废物罐释热250 d后基本达到稳态，裂隙H出水口水温约为60 ℃和52 ℃，裂隙V出水口水温约为56 ℃和50 ℃。这是由于两条水平裂隙均位于巷道上、下1 m处，裂隙水流动传热对此影响较小，垂直裂隙出水口距巷道废物罐(10.44 m和10.77 m)远于水平裂隙(6.08 m和8.06 m)。图8(B)知，与6 m和8 m的不同处在于，处置室中线间距为10 m时，垂直裂隙出水口水温(45 ℃)高于水平裂隙(38 ℃)，原因在于垂直裂隙出水口距巷道废物罐(11.18 m)与水平裂隙(10.05 m)距离较近的情况下，垂直裂隙水流经过其两边废物罐释热的温度叠加效应较强，且竖裂隙水流速大于横裂隙，而水平裂隙水流未受到这种温度叠加效应，这与图6(D)达稳态时，垂直裂隙出水口水温高于水平裂隙规律吻合。

综合上述分析可知，裂隙出水口水温均在废物罐释热约250 d后达到稳态。处置室中线间距为6 m和8 m时，水平裂隙出水口水温高于垂直裂隙；处置室中线间距为10 m时，水平裂隙出水口水温低于垂直裂隙；处置室中线间距越大，裂隙出水口水温越低，模型达到稳态所需要的时间越短。

4 结论

(1)在相同处置室间距条件下，流动的裂隙水显著改变了处置库近场的温度场，使岩体温度降低，缩短模型达到稳态所需要的时间。

(2)由于处置室间距越大，温度叠加效应减弱，处置库近场温度越低，并且废物罐表面膨润土温度越低，裂隙出水口水温越低，模型达到稳态所需要的时间越短。

(3)水平和垂直裂隙水流共同传热使处置库近场裂隙水流下游区域温度显著高于裂隙水流上游区域。

(4)由于裂隙出水口观察点到废物罐路径差异，处置室中线间距为6 m和8 m时，水平裂隙出水口水温高于垂直裂隙出水口水温；处置室中线间距为10 m时，水平裂隙出水口水温低于垂直裂隙。