自由膨胀条件下高压实膨润土渗透性研究

摘要

我国自1985年开始核废物的安全处理处置库的研究工作，并已初步选定甘肃北山作为我国核废物安全处置库场址。同时，初步选定高庙子膨润土作为首选的缓冲/回填材料。
　　 在深地质处置中，高压实膨润土的设计功能是，遇水吸湿引起土中吸力变化，并导致土体膨胀变形，以密封高压实膨润土块体砌置时形成的块体之间和块体与围岩之间的施工缝隙、以及围岩中因处置库开挖卸载引起的裂缝，形成阻障围岩中地下水渗入内库引起核素迁移，与库内高放废物的辐射扩散的人工屏障。由此可见，人工屏障形成与运营过程中，高压实膨润土在其有限吸湿膨胀过程中的渗透性交化规律问题，应该是高压实膨润土人工屏障功能研究的一个关键。
　　 本文在总结前人研究成果的基础上，基于瞬时截面法的基本原理，试验获取了自由膨胀条件下、高压实高庙子膨润土的非饱和渗透系数，试验过程中，吸力控制采用数显湿度计，土体膨胀变形同时采用数显位移计和数字近景摄影测量技术进行量测：试验结束后，在土柱不同位置采集膨润土试样进行了微观结构试验研究：在此基础上，采用瞬时截面法和基于微观结构的膨润土非饱和渗透系数计算方法，对所研究的高压实高庙子膨润土的非饱和渗透特性进行了计算分析。最后通过采用Code_Bright软件对高压实高庙子膨润土的一维饱和-非饱和渗透过程的数值模拟。
　　 结果表明，在自由膨胀条件下，干密度为1.7g/cm3的高庙子膨润土的非饱和渗透系数，数值上基本位于1.0×10-12m/s与1.0×10-15m/s之间，达到饱和状态时，渗透系数达到最大值．通过对比发现，侧限条件下的膨润土的渗透系数变化范围主要集中在10-15～10-13 m/s，而自由膨胀条件下膨润土的渗透系数变化范围主要集中在10-15～10-12m/s，低吸力范围内，自由膨胀条件下的高庙子膨润土的非饱和渗透系数要大于侧限条件下的非饱和渗透系数。土土水特征曲线也反映了同样的规律性，高吸力范围内，自由膨胀条件下和侧限条件下的膨润土土水特征曲线基本重合；吸力值越低，自由膨胀条件下和侧限条件下的膨润土土水特征曲线的差异越大．说明吸力值越低，自由膨胀条件下的膨润土比侧限条件下的膨润土吸收更多的水分．这可能是由于低吸力范围内的自由膨胀膨润土具有更多的孔隙，而低吸力范围内的侧限条件下的膨润土具有较少的孔隙量．
　　 压汞试验得到的膨润土的水银累计注入图可以反映膨润土在不同吸力点处的微结构的不同．吸力越低，膨润土就有可能有更多的孔隙．吸力差别不大的膨润土对应了差别不大的孔隙分布．不同吸力下的高庙子膨润土的分维值是不同的，
　　 数值模拟结果获得了试验用高压实高庙子膨润土的固有渗透系数，经过液相的相对渗透系数与液体的动力粘滞度值修正后，才可以得到最终的非饱和渗透系数。结果表明，数值模拟结果与实测结果具有较好的一致性．HM模型模拟反分析出来的固有渗透系数比H模型能够更好的预测非饱和渗透系数随吸力的变化，非饱和渗透系数的预测公式是K=3.572x10-12×(10)Se3。