非饱和土力学与能源岩土工程的协同创新：加速能源转型的多相耦合机制研究

本文聚焦能源转型背景下非饱和土力学(TC106)与能源岩土工程(TC308)的交叉研究，通过SEG23国际研讨会专家讨论，系统阐述了多相THM(热-水-力)耦合机制在放射性废物处置、地热系统、CO2封存等领域的应用，提出了跨学科协作框架，为可持续能源基础设施建设提供理论支撑。

　　

【研究背景】
在全球能源转型的紧迫背景下，传统岩土工程正面临前所未有的挑战。化石能源基础设施的改造与新型可再生能源系统的建设，都涉及复杂的地下多相介质相互作用。尤其当工程涉及非饱和带土壤时，温度波动、流体迁移与力学响应的耦合效应(THM)往往成为制约工程安全与效率的关键瓶颈。2023年10月在荷兰代尔夫特举行的第三届国际能源岩土工程研讨会(SEG23)上，来自国际土力学与岩土工程学会(ISSMGE)两大技术委员会(TC106非饱和土与TC308能源岩土)的专家展开了一场开创性对话，揭示了这两个看似独立领域间深刻的科学关联。

【研究方法】
研究通过SEG23专题研讨会的形式，汇集全球40余国学者与工业界代表。采用案例分析法，重点剖析了放射性废物工程屏障(GAST实验)、地热能源桩(Linzer隧道项目)和页岩气开采(Repsol油藏模型)三类典型场景。运用多尺度观测技术，包括动态压实层析成像、非等温界面剪切试验，以及全保真度数值模拟(涵盖裂缝扩展THM耦合算法)，系统验证了非饱和土力学原理在能源工程中的适用性。

【研究结果】

1. 放射性废物处置中的工程屏障
   通过瑞士Grimsel试验场的砂-膨润土(80/20%)动态压实层实验证实，低膨胀压的膨润土填充可有效控制气体突破压力(<0.5 MPa)，为多相流理论在长期地质封存中的应用提供实证。

2. 地热结构的THM耦合效应
   奥地利Linzer隧道项目显示，温度循环(0-40°C)会导致非饱和土-结构界面剪切强度波动达15%，需采用修正的Mohr-Coulomb准则结合湿度场变量进行设计。

3. 油气藏中的多相流模拟
   Repsol开发的裂缝扩展模型揭示，即使在水饱和率>99%的储层中，不混溶流体界面效应(类比气-水体系)仍显著影响压裂路径，天然裂缝倾角差异10°可导致人工裂缝偏转达34%。

【结论与意义】
这项跨学科研讨首次系统论证了非饱和土力学在能源转型中的核心价值：其多相耦合理论为CO₂/氢气地质封存、季节性地下储热等新兴技术提供了关键科学框架。特别值得注意的是，传统认为"饱和"的能源系统(如页岩气开采)实际上仍需应用毛细管压力-饱和度关系(P_c-S)等非饱和理论。研究呼吁建立"从分子尺度界面效应到工程尺度性能预测"的统一理论体系，并通过ISSMGE技术委员会网络推动产学研协作。该成果发表于《Geomechanics for Energy and the Environment》，为应对《巴黎协定》减排目标下的岩土工程挑战指明了创新路径。