基于水力机械性能的设计标准用于HLW深地质储存库中的GMZ膨润土缓冲层，同时考虑了技术空隙效应的影响

《Computers and Geotechnics》：Hydromechanical performance-based design criteria for GMZ bentonite buffer in HLW deep geological repository considering technological void effects

　　摘要
在高放射性废物（HLW）的深地质储存库中，膨润土缓冲层与围岩之间的环形技术空隙是不可避免的，这可能会影响长期的屏障性能。为了研究具有技术空隙的膨润土缓冲层的自密封和均质化行为，开发了一个将巴塞罗那基本模型（BBM）与Richard斯方程结合的数值模型，并通过实验数据进行了验证。该模型有效捕捉了渗漏、应力和变形场的演变，为基于性能的设计标准提供了定量基础，这些标准涉及技术空隙比例和缓冲层厚度，基于关键安全指标（膨胀压力、水力传导率和水突破时间）。结果表明，对于设计干密度为1.7 Mg/m3的GMZ缓冲层，当初始技术空隙比例超过8.2%、12.4%和21%时，分别会导致膨胀压力降至1 MPa以下，水力传导率超过1 × 10^-12 m/s，以及自密封能力基本失效。因此，在工程设计中必须将技术空隙比例控制在8.2%以内。此外，水突破时间随缓冲层厚度的增加而呈指数增长，但屏障效率的边际回报递减，推荐的设计厚度范围为0.23–0.28米。值得注意的是，技术空隙的存在显著加速了水突破过程，使突破时间缩短到没有技术空隙的缓冲层的大约三分之一。这些发现强调了提高块体制造精度和实施有效技术以消除初始技术空隙对于储存库长期安全性的重要性。

引言
高放射性废物（HLW）的深地质储存库被全球公认为是长期隔离放射性废物与生物圈的最可靠策略（Wang等人，2026年）。在工程屏障系统（EBS）中，由于膨润土具有高膨胀潜力和低水力传导率，因此被用作主要缓冲材料（Ye等人，2010年；Cui，2017年）。在储存库运行过程中，膨润土缓冲层会不可避免地水化，触发“自密封”能力，使其能够填充技术空隙并恢复屏障系统的完整性（Mokni和Barnichon，2016年；Wang等人，2021年；Meng等人，2025年），如图1所示。因此，验证密封缓冲层是否满足安全标准非常重要。为了定量评估水力屏障的性能，Posiva和SKB报告（2017年）规定的安全要求是膨胀压力必须超过1.0 MPa，水力传导率必须保持在1 × 10^-12 m/s以下。
在实际施工中，预压膨润土块通常在通道中组装，这会在膨润土块之间以及块与容器/围岩之间引入技术空隙（Jia等人，2019年；Zeng等人，2020年；Zeng等人，2021a年；Villar等人，2023年；Meng等人，2023年；Li等人，2026年）。这些技术空隙成为地下水迁移的首选路径，代表了结构上的弱点，影响储存库的长期安全性。先前的研究表明，随着初始技术空隙比例的增加，膨胀压力降低，水力传导率增加（Jia等人，2019年；Bian等人，2019年；Zeng等人，2021a年）。这种行为主要是由于水化过程中的土壤质量重新分布造成的，如图2所示。水化后，膨润土块的边缘优先水化并膨胀以填充初始技术空隙，这被称为自密封。随后，当块体边缘接触刚性边界时，块体中心的土壤继续膨胀并压缩技术空隙区域的材料，这被称为均质化（Wang等人，2021年；Li等人，2026年）。在这个均质化过程中，长期实验室测试显示，技术空隙区域的干密度在10天内迅速增加到1.51 Mg/m3，随后在接下来的580天内仅增加了3%，表明实现完全均质化仍然是一个重大挑战（Zeng等人，2021b年；Villar等人，2023年）。
对具有技术空隙的预压膨润土的自密封和均质化行为进行建模对于评估HLW储存库的长期安全性至关重要。理论分析框架和简化数值模型已被广泛采用（Wang等人，2013年；Komine，2020年；Gramegna等人，2024年）。关于理论模型，Komine（2020年）基于扩散双层理论量化了具有外部环形技术空隙的预压Kunigel-V1膨润土块的自密封能力。Zeng等人（2021b年）进一步通过膨胀和摩擦的竞争分析预测了具有不同初始比例的技术空隙的预压MX80膨润土/Callovo-Oxfordian粘土岩混合物的最终均质化状态。关于数值模型，Xu等人（2019年）应用了严格的Richard斯方程来揭示非饱和渗漏，但通过经验函数（如将膨胀压力与干密度相关的方程）简化了预压膨润土的力学行为。相反，Deng等人（2025年）采用了全面的巴塞罗那基本模型（BBM）来捕捉膨润土的内在力学响应，并使用了简化的非饱和水力框架。
尽管BBM有效捕捉了膨胀-坍塌行为，Richard斯方程描述了非饱和渗漏，但准确模拟自密封和均质化行为仍然很困难（Alonso等人，1999年；Rawat等人，2020年；Pitz等人，2023年；Cai等人，2025年）。这些困难源于技术空隙条件下的三个主要挑战：i）膨胀和压缩之间的耦合导致复杂的内应力重新分布；ii）在大变形和高应力范围内出现强烈的非线性；iii）自密封和均质化阶段之间的突变边界。这些因素的耦合导致了数值不稳定性和收敛失败。此外，对于中国的实际工程来说，仍然缺乏基于水力机械建模的膨润土缓冲层性能设计分析（膨胀压力、水力传导率、水突破时间），同时考虑技术空隙效应。
为了阐明在高吸力、大变形和突变边界变化条件下具有初始技术空隙的膨润土缓冲层的自密封和均质化行为，本研究开发了一个将BBM与Richard斯方程结合的耦合水力机械模型。该模型通过GMZ膨润土的实验数据进行了验证，能够定量评估渗漏和应力场的演变。在此基础上，通过评估安全指标（膨胀压力、水力传导率、水突破时间）分析了技术空隙比例和缓冲层厚度的设计标准。结果为中国北山地下研究实验室（URL）和HLW深地质储存库提供了理论基础。

基于性能的设计公式
为了建立一种考虑初始技术空隙及其引起的自密封和均质化行为的GMZ膨润土缓冲层的定量设计方法，提出了一种基于性能的设计公式，以连接工程设计参数和长期安全指标（图3）。
根据国际储存库运营的安全要求（Posiva和SKB，2017年），通过三个核心方面评估缓冲层的水力机械性能：
非饱和流动的控制方程
考虑到预压膨润土的非饱和渗漏特性，采用了Richard斯方程作为水力控制方程（Abed和Vermeer，2009年），该方程将达西定律与流体连续性方程相结合。以压力头表示的表达式为：
(??m+??e???p)?????p????+??[????(??p+??)]=0
其中Cm是特定水容量，Se是有效饱和度，Sp是特定储水系数，Hp是压力头，t是时间，K是水力系数。

自密封和均质化
在根据实验数据验证模型之后，进行了参数化数值实验，以量化初始技术空隙的影响。在这些数值测试中，预压膨润土块的基线状态保持不变，包括初始几何形状、干密度和吸力，而初始技术空隙比例（Rtv）通过改变环形技术空隙宽度系统地变化，以评估其对自密封的影响。

水力和变形响应
根据中国HLW深地质储存库的设计，容器的外径定为0.74米。预压膨润土块呈环形，其径向厚度直接决定了水从围岩到容器表面的迁移（图3）。注意，对于B-B段，Rtv定义为“(??2r?o?c???2b?u?f)/(??2r?o?c???2c?a?n)”。上述分析表明，技术空隙比例影响自密封能力、膨胀压力和...

结论
建立了一个将BBM与Richard斯方程结合的数值模型，并通过实验结果进行了验证，以研究具有技术空隙的膨润土缓冲层的自密封和均质化行为。该模型成功揭示了渗漏、应力和变形场的演变，为深地质储存库中的缓冲层设计提供了理论基础和技术参考。主要结论如下：

关于技术空隙

作者贡献声明
Jing Ma：撰写——原始草稿、方法论、形式分析、概念化。
Yong-gui Chen：监督、资金获取、概念化。
Kun-peng Li：数据管理、调查。
Wei-min Ye：调查、撰写——审阅与编辑。
Qiong Wang：方法论、撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本文所述的工作。

致谢
本研究得到中国国家杰出青年科学基金（项目编号42125701）、国家自然科学基金（项目编号42430713）、上海市教育委员会创新计划（2023ZKZD26）、上海高校一流学科计划以及中央高校基本研究经费的支持。

Jing Ma|Yong-gui Chen|Kun-peng Li|Wei-min Ye|Qiong Wang
中国上海同济大学土木工程学院地质与水利工程系，邮编200092