稀疏不规则裂隙岩体水流—传热对温度和应力影响的三维模型试验与离散元模拟研究

发布时间：2018-01-29 20:08

  本文关键词： 高放废物处置 稀疏不规则裂隙岩体 热源 裂隙水流速 三维水流-传热 温度应力 模型试验 离散元模拟　出处：《北京交通大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：地下深部处置是高放射核废物永久处置的一种可行方案。为评估高放废物处置库的安全性,需要研究处置库近场裂隙岩体水流-传热对温度与应力影响的规律。本文的研究内容和主要结果如下:(1)选取高放废物处置库重要预选场区甘肃北山地区的花岗岩,制作750mm(宽)×300mm (厚)×1000mm (高)的稀疏不规则裂隙岩体模型,研究热源温度和裂隙水流速度对岩石温度和应力的影响。结果表明,斜裂隙水主要从侧部进水口流向侧部出水口,竖裂隙水主要从顶部进水口流向底部出水口,斜与竖裂隙在交汇处存在微小流量交换;由于热源与岩石间存在间隙,加热热源后,间隙中的水始终发生着自然对流换热现象,呈现出上层岩石温度较高的特性;岩石热传导和斜裂隙水流对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;由于热源位置的局部性、岩石热传导及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、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,中层岩石温度梯度较大,岩石膨胀受热压应力;热源温度越高,裂隙水流速越低,岩石温度越高,并且岩石应力越大,系统达到稳态所需要的时间越长;填砂裂隙强化了裂隙介质的热导能力,岩石温度和热应力均高于无填充时岩石温度和热应力;试验过程中裂隙水无相变产生,温度与水流速度对测点水压影响很小。(2)建立了稀疏不规则裂隙岩体模型水流-传热对温度和应力影响的三维离散元模型,对比分析了模型试验各工况下裂隙岩体的温度和应力,同时分析了裂隙开度与边界条件对裂隙岩体温度的影响。离散元模拟表明,从瞬态到稳态,岩石的温度梯度逐渐减小,裂隙两侧岩石等温线的不连续性逐渐增大,斜裂隙水流对远离热源的中层岩石的传热路径影响越来越明显,上层岩石形成从下向上为主的传热路径,中、下层岩石形成从左向右为主的传热路径;模型边界间隙对远离热源岩石的温度和传热路径影响较明显;上、中、下三层岩石均受热压应力,应力增量随温度梯度的增大而增大,大主应力的方向近似垂直于斜裂隙面与竖裂隙面的交线。由于现有3DEC软件不能考虑水的热物性参数随温度的变化,离散元模拟中岩石热传导与竖裂隙水流的耦合早于斜裂隙,岩石热传导与斜裂隙水流和邻近热源侧的竖裂隙水流对温度分布起控制作用;热源温度越低,裂隙水流速越高,裂隙开度越大,岩石温度越低,并且岩石应力越小,系统达到稳态所需要的时间越短;裂隙水低流速时的热传导占主导作用,裂隙水高流速时的对流传热占主导作用,裂隙交汇处存在局部热对流。(3)考虑HLW玻璃固化体冷却30a后的热功率与高放废物处置库近场裂隙水流-传热作用,利用3DEC软件分析了裂隙水流-传热对高放废物处置库近场温度的影响。裂隙水流离废物罐越远,裂隙附近岩石温度越低,岩石热传导与裂隙水流传热的耦合作用越微弱,对岩体的中部水平剖面的温度场影响越不明显,对岩体中部垂直剖面的温度场影响较明显;由于裂隙水流的吸热降温作用,裂隙岩体模型的废物罐表面膨润土温度低于完整岩体模型废物罐表面膨润土温度,且缩短了达到稳态所需要的时间;距废物罐较近的裂隙水流上游区域废物罐表面膨润土温度显著低于裂隙水流下游区域废物罐表面膨润土温度,距废物罐较远的裂隙水流对上、下游区域废物罐表面膨润土温度影响较小;在设定条件下,裂隙岩体模型的废物罐表面膨润土最高温度约是完整岩体模型废物罐表面膨润土最高温度的75%,裂隙水流速度从0. 2mm/s增大到0. 5mm/s,废物罐表面膨润土最高温度降低了约4%,裂隙开度从0. 5mm增大到0. 7mm,废物罐表面膨润土最高温度升高了约3%。
[Abstract]:In order to evaluate the safety of high - level radioactive waste disposal bank , it is necessary to study the influence of water flow - heat transfer on temperature and stress in the near - field fractured rock mass . ( 2 ) A three - dimensional discrete element model of water flow - heat transfer on temperature and stress is established , and the influence of fracture opening degree and boundary condition on the temperature of fractured rock mass is analyzed . ( 3 ) Considering the thermal power of the HLW glass cured body and the near - field crack water flow - heat transfer function of the high - discharge waste disposal bank , the influence of the fracture water flow - heat transfer on the near - field temperature of the high - discharge waste disposal tank is analyzed by 3DEC software . The temperature of the surface of the waste tank surface of the fractured rock mass model is lower than that of the surface bentonite of the waste tank at the lower reaches of the rock mass .

【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU45

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 胡少华;章光;赵顺利;姜秀玲;陈益峰;周创兵;;孔隙水压力作用下热处理北山花岗岩变形特性试验研究[J];岩土工程学报;2016年S2期

2 刘波;金爱兵;高永涛;邓富根;;基于Morris法的单裂隙岩体温度场参数灵敏度分析[J];采矿与安全工程学报;2016年01期

3 张玉军;张维庆;;考虑双重孔隙 裂隙岩体中强度异向性的THM耦合有限元分析[J];岩石力学与工程学报;2015年S1期

4 朱峰;高学农;;温度对环氧树脂热物性影响的研究[J];广东化工;2015年09期

5 项彦勇;任鹏;;壁面局部接触裂隙岩体水流-传热的一种理论模型及计算分析[J];岩土力学;2014年10期

6 刘日成;蒋宇静;李博;王肖珊;徐帮树;;岩体裂隙网络等效渗透系数方向性的数值计算[J];岩土力学;2014年08期

7 龙伟;童富果;李彪;;裂隙岩体水-岩耦合传热研究[J];三峡大学学报(自然科学版);2014年03期

8 陈必光;宋二祥;程晓辉;;二维裂隙岩体渗流传热的离散裂隙网络模型数值计算方法[J];岩石力学与工程学报;2014年01期

9 徐维生;周创兵;;岩体裂隙网络渗流变水温影响分析[J];岩土力学;2014年01期

10 秦爱芳;王海堂;赵小龙;;热源对核废料处置库近场性状的影响[J];上海大学学报(自然科学版);2013年05期

相关博士学位论文 前1条

1 路威;裂隙岩体水流—传热模型试验与计算理论研究[D];北京交通大学;2012年

相关硕士学位论文 前1条

1 李亚萍;甘肃北山花岗岩裂隙几何学特征研究[D];中国地震局地质研究所;2005年

，

本文编号：1474249