高放废物处置库黏土围岩温度-应力耦合测试方法展望

张龙鹏，梁海安，2，杨 婷，唐 毯，张 娟

（1.东华理工大学 土木与建筑工程学院，江西 南昌 330013；2.核资源与环境国家重点实验室（东华理工大学），江西 南昌 330013）

0 引言

高放废物处置库围岩在放射性废物放热及高地应力复杂环境下的稳定是关系到处置库安全性的关键问题。黏土岩作为高放废物处置库的地质屏障候选围岩［1］，在温度-应力耦合的长期作用下围岩的稳定一直以来都是处置库安全评价的研究重点［2］。从上世纪 90 年代起，比利时就开始在 HADES 地下实验室中对 Boom 黏土岩进行现场加热实验，瑞士、法国相继在 2004 年和 2006 年开始进行现场加热实验。二十多年来，比利时、瑞士、法国完成了小尺寸（small-scale）和大尺寸（large-scale）现场加热试验，并对现场提取的黏土岩岩样进行了室内试验研究。目前这三个国家的现场加热试验已进入足尺（full-scale）试验阶段。国外现场加热试验规模及历程如表 1 所示。

表1 国外主要黏土岩国家现场加热试验概况

根据国外的加热试验研究，黏土岩的热传导性能及温度对黏土岩力学性质的影响是黏土岩温度-应力耦合的关键因素。本文从以上两个方面对国内外对黏土岩的温度-应力耦合特性研究的试验方法现状进行了初步总结，并对其未来发展方针提出了展望。

1 高放废物处置库黏土围岩热学参数测定的主要方法

黏土岩热学参数的测定方法主要分为稳态法和非稳态法。由于黏土岩的渗透系数一般比较低，许多学者在研究黏土岩传热时往往只考虑热传导这一种传热方式［15］。

1.1 高放废物处置库黏土围岩热传导系数的测定方法

目前高放废物处置库黏土围岩测试实践中，黏土岩的热传导系数常由现场试验或室内试验测试得到。

黏土岩导热系数的室内测量方法分为瞬态法和稳态法。瞬态法具有测试时间短，样品量小，样品制备简单等优点。其基本原理是对处于热平衡的黏土岩试样施加热场，通过监测试样温度变化，结合非稳态导热微分方程，计算出待测试样的热物理参数。黏土岩热传导系数瞬态测试方法有瞬态热线法（THW）、瞬态热带法（THS）、瞬态热桥法（THB）、瞬态热探针法（THP）、瞬态平面热源法（TPS）、热线法（HWM）、激光闪射法（LFM）等［16］。

常用的稳态法有防护热板法（GHP）、热流计法（HFM）、水流量平板法（WFP）、圆管法等。由于稳态法测试所需的时间较长，试样内部温度场达到动态稳定状态，可能会造成介质内部水分的移动和结构的扰动［17］。当测试岩样达到温度场稳定状态时，可将岩样内的热量传导视为一维传导状态［18］，这时测量温度梯度和试样单位面积上的热流量，就可以确定材料的导热系数。Côté 等［19］采用导热系数比较稳定的 Pyrex 玻璃开发出了稳态法精确测量岩石导热系数的设备。Kodikara 等［20］采用红外线热成像技术测量黏土岩导热系数方法，可以同时测试多点的热传导系数。但该方法测定过程中，黏土岩表面直接暴露在空气中，不可避免地与空气发生对流换热［21］，测定结果的准确性有待商榷。

黏土围岩高放废物处置库现场试验是在实际地质构造、水分迁移等条件下，最接近真实情况，可信度高，但代价昂贵，时间周期长。在钻孔或竖井中放置地下换热器完成现场测试，又称热响应测试法，最早由 Mogensen 于 1983 年提出［22］。该方法的关键在于求解一定边界条件和初始条件下的地下换热器微分方程［23］。目前主要采用的模型有线热源模型、柱热源模型、圆盘形热源模型和球形热源模型，其中线热源模型和柱热源模型的基本假定及解析形式如表 2 所示。

1.2 高放废物处置库黏土岩比热容的测定方法

岩土比热容可根据三相物质的组成比例进行计算，计算公式如下表示

式中：Cd、Cw、Ca分别为固体、液体、气体的比热容，kJ/（kg•K）；md、mw、ma分别单位体积中固体、液体、气体的质量，kg；m为单位体积岩土的质量，kg。

测定均质材料比热容的方法有混合法、差分比热量热法（差分绝热量热法、差分弛豫时间量热法和差分非绝热量热法）、差示扫描量热法（DSC）及电流量热法等［26］。DSC 法和混合冷却法是目前测定固体比热容的常用方法。DSC 法测量温度范围广、简单易行且结果准确，被认为是一种较好的比热容测定方法。

上述黏土岩热传导系数的室内测试方法及现场测试的方法使用的理论模型中，同样可以根据试验数据反算出黏土岩的比热容。

在国外黏土岩高放废物处置库场址筛选工作中，研究人员在特定场址地下实验室对黏土岩进行了长期的现场加热试验来获得黏土岩的热学性能。如比利时根据在 HADES 地下实验室进行加热试验监测数据，通过数值模拟软件多次模拟反演得到最接近实际监测数据的一组 Boom clay 的热传导系数和比热容等重要的热学参数；瑞士根据在 Mont Terri 地下实验室进行的加热试验，得到 Oplinus 黏土岩的热传导系数；法国同样在 BURE地下实验室进行了长期现场加热试验反演得到 Callovo-Oxfordian 黏土岩的热传导系数。

2 温度对高放废物处置库黏土围岩力学性质的研究方法

2.1 高放废物处置库黏土围岩热膨胀性质的研究方法

由放射性废料衰变产生热膨胀引起岩体或结构的膨胀变形，将会对工程的稳定性造成威胁。目前对岩石等多孔材料的热膨胀系数的测定方法，多为对试样加热，记录试样各个方向上的变形，可根据试验要求的不同选择不同材质的传感器。随着科技的提升，监测试样变形的传感器灵敏度不断提升，热膨胀测试的精度也随之提高。Belmokhtar等［27］使用高精度的 LVDT 系统测量 COx 黏土岩在常温到 100 ℃ 的热膨胀系数，最小精度可达 0.1 μm，精度得到很大的提升。

表2 常用热源模型

在现场可在围岩中布置变形传感器，通过加热试验对岩体变形进行监测，直接获得高放废物处置库黏土围岩岩体的热膨胀性质。

2.2 高放废物处置库黏土围岩热应力的研究方法

热应力是岩体由于受到远场岩石介质约束，近场岩石介质热膨胀受到抑制产生［28］。热应力是温度影响岩石（体）应力状态的重要因素之一，研究热应力的影响对工程稳定性具有十分重要的作用。

在国外的研究中，通过现场加热试验，监测围岩中不同方位上应力、孔压随温度的变化，获得黏土岩的热应力变化及分布情况。

2.3 高放废物处置库黏土围岩热损伤的研究方法

刘泉声等［29］引入损伤力学，以岩样的弹性模量作为损伤变量，提出了热损伤的定义，岩石的热损伤可用下式表达：

式中：D（T）表示在温度为T时岩样的损伤因子；ET表示在温度为T时岩样的弹性模量；E0表示在 20 ℃ 时岩样的弹性模量。

根据热损伤的定义，可通过室内试验，对黏土岩进行加热处理后，通过单轴抗压试验获得黏土岩弹性模量随温度的变化情况。同样地，在试验中还可以获得黏土岩的抗压强度、泊松比等力学及变形性质随温度升高的改变。这种方法在宏观上反映了升温对黏土岩力学性质的影响。

在微观上，左建平等［30］使用电镜扫描观察细粉砂岩高温加热开裂现象，直接观察到岩石热开裂产生、发展过程。张卫强［31］对热处理后的灰岩、砂岩和花岗岩进行了电镜扫描、X 射线衍射分析，研究了温度升高对岩样热开裂发生、发展过程及对矿物结构的影响。此外还有岩石 CT、声发射等方法，可对岩石损伤发生、发展机制进行直观的分析。

3 总结与展望

本文通过文献调研，从黏土岩的热学性能测试以及温度对黏土岩力学性质的影响两个方面对黏土岩温度-应力耦合特性测试方法进行了总结回顾。

1）黏土岩热学性能可通过室内和现场试验获得，在室内热学性能测试方法一般分为稳态法和瞬态法，可根据方法及热源的不同选择不同的模型进行求解；

2）瞬态法试验操作简单，测试时间短，对岩样扰动小；稳态法测试结果准确，但需要长时间加热使岩样达到热平衡，容易对岩样造成扰动，使测试结果失真；

3）现场测试常用的方法为对对岩体施加热干扰，监测岩体的温度场变化，通过热源模型反算或使用数值模拟软件反演的方式获得；现场加热实验最接近岩体真实情况，但试验成本较大，测试时间漫长；

4）温度对黏土岩力学性质的影响，也可通过室内试验及现场加热试验进行研究，现场加热试验多在特殊厂址地下实验室进行，在围岩中布置多个温度、应力、变形、渗透等传感器，对加热过程进行监测；

5）黏土岩热损伤可通过室内试验，从宏观和微观的角度进行评价与分析。在宏观上，主要通过对热处理后的岩样进行单轴压缩实验，获得不同温度下黏土岩的弹性模量后进行定量评价；在微观上，主要通过电镜扫描、岩石 CT、声发射等方式直观地观察微裂纹随温度升高的发展、通过 X 射线衍射等方式分析矿物成分的变化，对岩石热损伤机制进行定性分析。

过去二十余年，为探明处置库黏土围岩的温度-应力耦合性质，国外的现场加热试验经历了小尺寸（smallscale）、大尺寸（large-scale）到足尺（full-scale）加热试验“三步走”的测试方法。与现场实验相配合，国内外同时开展了大量的室内试验研究，提供对处置库黏土围岩温度-应力耦合测试的多种研究方法。

结合以上研究成果，为未来黏土岩高放废物处置库场址安全性评估工作提出以下几点建议：

1）测试过程渗流、化学场的影响不可避免地对实验结果造成影响，应考虑这方面多场耦合的叠加影响，并设计更加合理的现场原位试验设备及测试方案；

2）室内试验多采用无裂隙或微裂隙的均质岩块，对于高放废物黏土岩宏观尺寸下的温度-应力耦合的真实响应而言缺乏代表性，因此需通过大量室内试验并与现场试验结果验证室内试验的准确性；

3）足尺加热试验规模大、周期长、需要大量人力物力支持，因此可根据室内试验结果先进行数值模拟，根据数值模拟的结果对试验方案进行优化；

4）在未来的现场加热试验中，为安全起见，需按顺序先后进行小尺寸、大尺寸、足尺加热试验，对黏土岩高放废物处置库岩层温度-应力耦合进行系统的研究。Q