稀疏不规则裂隙岩体模型三维水流-传热对温度和应力影响的试验研究

选取高放射核废物处置库重要预选场区甘肃北山地区的花岗岩,制作750 mm(宽)×300 mm(厚)×1 000 mm(高)的稀疏不规则裂隙岩体模型,该模型由18块花岗岩和竖向与斜向各两条裂隙组成,在裂隙及岩石内部埋置温度传感器、水压计、直角应变花,并在模型一侧设置局部热源,研究热源温度和裂隙水流速对岩石温度和应力的影响。结果表明,竖裂隙水主要从顶部进水口流向底部出水口,斜裂隙水主要从侧部进水口流向侧部出水口,竖裂隙与斜裂隙在交汇处存在微小流量交换;由于热源处在两条斜裂隙进水口之间,并且斜裂隙长度小于竖裂隙,岩石热传导与斜裂隙水流对岩石温度分布起控制作用,竖裂隙水流对岩石横向热传导起阻滞作用;由于热传导和水流传热的不规则性,上层岩石形成从左向右为主的传热路径,中层和下层岩石形成从上向下为主的传热路径;由于上、下层岩石温度梯度较小,岩石收缩受热拉应力,而中层岩石温度梯度较大,岩石膨胀受热压应力,大主应力的方向大致垂直于斜裂隙面与竖裂隙面的交线,岩石应力增量随斜平面方向的温度梯度增大而增大;热源温度越高,裂隙水流速越低,岩石温度越高、岩石应力越大,系统达到稳态需要的时间越长。

稀疏裂隙岩体水流传热过程中热应力及位移的半解析计算方法和应用（英文）

目的:探索核废料地质处置库近场岩体在热源(核素衰变产生热量)和裂隙水流动影响下的应力和变形规律,为处置库的安全评估提供理论基础。创新点:针对包含内热源和饱和裂隙水流动的岩体,提出一种稀疏裂隙岩体水流传热过程中热应力及位移的半解析计算方法,并将该方法应用于核废物处置库近场裂隙岩体温度、热应力和位移的分布特征分析。方法:首先根据热弹性位移势法建立拉普拉斯变换域内的基本积分方程,然后将裂隙离散化,利用数值积分方法计算不含奇点的裂隙单元积分,采用解析法计算包含奇点的单元积分,再根据拉普拉斯数值逆变换将热弹性位移势转换到时间域中,最后利用中心差分法计算热应力和位移。结论:1.在处置库运营早期,岩石受分布热源影响而产生热膨胀区域的范围(即受压区域)较为有限;2.核素在经过长期的衰变过程后,热流强度大幅降低,使得处置库近场岩石中仅有热源附近的极小部分岩石为受压区域;3.裂隙水的流动传热作用使得处置库下游的温度峰值更高,且裂隙水流速越大,流动传热作用越明显,裂隙水流速对热应力和位移的影响与温度类似;4.过小的热源间距会使不同热源间传热作用叠加,从而导致处置库近场的温度、热应力和位移峰值急剧增大。