高放废物处置库热-水-力学响应：围岩短期与长期非线性行为效应研究

本文聚焦高放废物（HLW）地质处置库热-水-力学（THM）耦合响应，重点研究了法国Cigéo项目所选Callovo-Oxfordian（COx）黏土岩围岩在热负荷下的短期（损伤、塑性）与长期（蠕变）非线性行为。通过多团队基准模拟，对比了各向异性弹塑性蠕变模型和双相场损伤模型，揭示了非线性机制对近场和远场流体压力与应力演化的关键影响，为处置库安全设计与性能评估提供了重要理论支撑。

　　

几何结构、初始与边界条件

基准研究考虑了法国高放废物（HLW）处置概念，该概念包含大量平行的水平处置孔室，其直径约为0.7–1.0米，长度（80–150米）远大于其直径。关于HLW处置库、处置孔室和废物包的详细描述见Bumbieler [22], Plua等人 [43, 44], 和 Simo等人 [48]的文献。

假设HLW处置库中的所有处置孔室同时开挖，然后同时放置相同的废物包，模型几何结构可以简化为一个二维平面应变模型，该模型代表一个垂直于处置孔室轴线的横截面。该模型考虑了处置库中一个具有代表性的处置孔室，其边界条件考虑了相邻处置孔室之间的相互作用。处置孔室的直径（D）为0.72米。计算域的范围在径向和垂直方向上均取为50D，以确保远场边界条件不受近场扰动的影响。处置孔室位于计算域的中心。模型的上边界对应于地表，下边界位于海平面以下500米的深度，这与Cigéo项目处置库的规划深度一致。处置孔室的轴线方向与主要水平应力方向平行，该方向也与COx黏土岩的各向异性方向一致。

数值模拟结果

HLW处置库的设计必须满足若干准则。其中之一是围岩远场（例如，距处置孔室壁5D距离以外）不能出现损伤。这意味着由加热引起的开挖损伤区（EDZ）的额外扩展必须受到限制，且远场不应发生损伤。因此，应力状态应同时满足剪切和拉伸准则。正如多项研究所指出的（例如参考文献 41, 42, 43, 56），在热负荷下，应力状态总是首先达到拉伸准则，尤其是在处置孔室的顶部和底部区域。因此，本研究主要关注拉伸损伤的发生。

结论

本研究展示了一项基准研究的结果，旨在探讨围岩（COx黏土岩）的非线性行为对高放废物（HLW）处置库周围热-水-力学（THM）响应的影响。有三家建模团队（UPC, LaMcube, Ineris）参与了此项基准研究。然而，Ineris的结果已经发表，其中使用了一个简单模型来描述COx黏土岩。UPC和LaMcube使用了两种先进的本构模型：一种是包含刚度、强度和蠕变三个内在各向异性的局部弹塑性蠕变模型；另一种是与塑性和/或粘塑性相结合的双相场损伤模型。这两种模型都包含了改进的Lema?tre定律来描述蠕变行为，该定律能够捕捉蠕变的主要阶段和次要阶段。