工程技术

d = 222万°

11.5d3.334.13

22d4.444.13

32.5D5.554.13

41.5D3.335.13

52d4.445.13

62.5D5.555.13

71.5D3.333.13

82d4.443.13

92.5D5.553.13

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（kg/m）

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2.64E355E90.242.930.79E-6

1.82E31.2E90.31.30.24E-6

7.8E32E110.3480.4610E-6

2.1E382E90.31.930.591E-6

岩石质量热力耦合过程的数值模拟

王尚

（Liaoning Architecture职业学院，Liaoyang 111000，Liaoning）

1个概述

大多数地下项目都是土壤或岩层中人为制造的结构，因为

其所在的特殊环境受地面应力，地下水，地热和岩体的力学影响

性能变化和地下工程的稳定性受到影响。例如，高海拔和严重的寒冷

区域隧道中的霜损伤问题，放射性核废料处置室的封闭问题，高压

电缆周围粘土土壤地层的问题应承受长期的高温影响

岩体质量的热水强度（THM）耦合问题发生了。在过去的20年中，

外国专家已经对岩石群的耦合进行了大量研究。通常是脱钩的

该问题采用的方法是：分析方法，实验方法，有限差异方法和有限单位方法

等待。其中，有限元方法是解决多场耦合问题的主要，最有效的方法。

法律。张Xuefu

[1]

，Li Xianzhe，等等

[2]

，莱元，等等。

[3-4]

主要是在冷冻的土壤隧道周围

通过非线性THM耦合模拟进行构造； Tang Guozhang和Wang Xinghua

[5]

讨论

在寒冷区域建造隧道期间，温度与周围岩石的局部崩溃之间的关系；

6〜10用于验证高级废物处理库的模拟。 Rejeb

[11]

针

使用DeCovalex，这是一个国际合作项目，以处理高放射性核废料

3DEC在现场测试中模拟TM耦合过程。本文使用ANSYS

有限元分析软件，高温岩体的TM不完整耦合模型仅测试

验证温度对压力的影响得到验证。 9提供了核废料处理数据库的解决方案

当温度，压力和位移变化时，请确定最佳解决方案。这项工作是针对高温

岩石质量或低温岩石质量或实用岩石质量工程应用程序的研究

所有人都具有重要意义。

2TM耦合模型

岩石质量的THM耦合之间成对耦合效应的关系图（图1）

[12]

。 1表示由温度和温度相关的岩石质量机械性能的变化

2表示岩体质量机械性能的变化以及热力学特性的变化以及岩体质量的变化。

部分散热； 3表示导致水分运动和温度相关的温度势梯度

水特征的变化； 4代表水和热交换与岩石的固相的热对流；第五代

表面渗透性对岩石质量的机械作用； 6表示由应力引起的裂纹质量孔

程度和渗透率特征变化。

岩石质量耦合分为完整的耦合和不完整的耦合，仅在此处考虑

连续岩体的TM未完全耦合，即图1中的温度为1

引起热应力耦合。

3个数值模拟

3.1计算模型和参数

由于废热的释放较高，废物体，缓冲材料和周围的岩石中等温度将导致

程度增加。增加不仅与废物的热量释放和处置库的结构类型有关。

配方和工程材料与周围岩石的热性质有关，也与处置平台有关

废物放置的距离和密度。处置某些结构类型，处置密度

废物量越大，处置一定量废物所需的面积就越小，并且处置成本越多

低，但处置库中的温度越高。因此，合理的处置库设计和布局

它是确保核废料处置仓库安全运行的重要条件之一。

本文采用了瑞典花岗岩高级废物处理库的概念设计模型来建立计算

模型。核废料处理储层位于地面下方500m，型号高100m。

将垂直孔处置在平坦的车道上，放置废水箱，将核废料存储在废水箱中并处置

孔和扁平车道充满膨润土，表1显示了机械和热参数的处置库的间距和深度

见表2。

3.2边界条件

由于废水箱会释放热量，因此加热了高级废物处理隧道中周围岩石的热传递

来源的热传导问题。鉴于高级废玻璃固化的物体热量尚未在中国公开发表的事实

有关来源衰减等的研究数据，因此本文使用瑞典SNFWM提供的数据

并将相关的实验结果用作参考及其经验公式

[6]

为了：

摘要：为了更好地研究温度下岩体质量的机械变化过程，基于热力学和热弹性理论，给出了连续岩体质量的热力不完全耦合

控制方程。根据ANSYS有限元软件作为该平台，基于Mohr-Coulomb损坏标准，我们为高级废物处理库进行了九种不同的间距和深度设计解决方案。

热耦合过程的二维数值模拟。基于获得的温度，压力和位移变化曲线，确定方案2是最佳解决方案，可以为建立类似项目提供参考。

关键词：岩石质量；有限元方法；热力耦合；数值模拟

图1岩石质量的热水力耦合

表1核废料处理图书馆计划

表2材料机械参数和热参数

基金项目：贷款省教育部科学研究一般项目（L201354）中国国家自然科学基金会51179031）。

作者资料：王尚（Wang Sheng）1984-），男性，来自Shenyang，Liaoning，讲师，从事地下结构的教学和研究。

236··

工程技术

其中Q（t）是时间t的热源强度，Q0是初始热源强度，被视为

350w/can。

本文假设核废料处理库的挖掘和回填将在一步中完成，并且模型的上部为

边界受到10MPA的均匀分布压力，左右边界和下边界会受到位移。花岗岩开始

温度为18℃，左右边界是绝缘的。

3.3热耦合模拟过程

本文主要是耦合不同处置库间距和深度的温度场和应力场

研究了组合的瞬态数值模拟，并研究了在不同方案下的核废料处理数据库附近的P1至P4。

（见图2）在近场中的温度，压力和位移的变化超过一万年。

4ANSYS结果分析

4.1温度场分析

通过模拟9个方案的处置库，处置库的温度字段和4个

温度曲线在关键点。

可以模拟在不同时间运行的9个方案，并且核废料处理图书馆是

在操作的前10年中，四个处置库受缓冲材料的影响，没有其他

该吞吐量相互影响，第四个治疗文库的温度最高。随着时间的流逝，4

处理文库的温度场相互叠加，第三个治疗文库的温度最高。

从四个关键点的温度曲线中，处理孔处的P1和P3的温度为

增加，基本上达到大约40年来最高价值，然后核废料释放的热量更多

温度逐渐降低，并逐渐形成稳定的温度场，其中溶液的温度7为

该学位变化很大。废水储罐处的P2点的温度逐渐降低，在大约40年内，曲线的温度逐渐降低

温度的斜率逐渐变得更温和，温度变化降低，解决方案2的初始温度最高，

它的稳定温度为51.57℃。处置隧道的P4点最初受缓冲材料的影响

温度较小。随着核废料的热量消散，温度逐渐升高。解决方案

7的最高温度为20.853℃。从温度场的角度来看，计划7更糟，计划3更多

好的。

4.2变形场分析

核废料储层中周围岩石介质的温度升高后，它将扩大并引起周围的岩石。

应力场变化直接影响处置库的机械稳定性。通过数值模拟，数据

获得了4个关键点的位移时间曲线。

在对处置仓库进行了挖掘和回填后，废水罐的四角位移发生了很大变化，但近场岩石

身体的变形量相对较小，X方向的位移变化要比y方向的位移变化小得多

数量。 P1点方案7的位移最大，而方案6是最小的，相位差约为0.859mm。 P2点

方案7的位移最大，而方案3和方案6均小，差约0.578mm。 P3，P4

点方案4的位移最大，而方案3和方案6均较小。

4.3应力场分析

分析不同方案之间的压力时间关系，可以看出，点P1处的应力曲线是该方案

4的斜率是最温和的，压力从0.053MPa上升到0.17MPa，变化值为

0.117MPa，应力在方案3中的变化最大，从压缩应力1.1228MPA到

0.0344MPA，更改值为1.0884MPA。 P2点应力曲线，方案6初始应力

最高和拉伸应力为2.744MPA。其他溶液中的应力是压缩应力和数值

差异很小。当所有计划运行大约20年时，拐点就会发生，压力应达到

最大值，压缩应力值在运行的一百年内逐渐下降，在100年内，它应该

力变化很小。 P3点应力曲线，方案7应力值从最大拉力变化最大值

压力转化为最大压力应力，所有溶液在大约40年内开始变得温和，类似于压力

国家基本上是稳定的。在Point P4的所有解决方案中，方案1、4和7的应力差异很大，并且

经过100年的运行，压力仍然趋于增加，其他解决方案的压力变化平稳。

5结论

5.1本文使用ANSYS软件在核废料处置库上执行2D TM非阶段

完全耦合。尽管该论文仅对高温连续岩体进行数值模拟，但

相应的理论和方法仍然适用于其他低温岩体。

5.2从例子的角度来看，核废料处理库的TM耦合可以更现实地做出反应

温度场，应力场和周围岩体质量的位移场的分布是处置库的安装。

它为检查，关闭和安全的目的提供了重要的基础。

5.3是核废料处置仓库的温度，压力还是变形，计划2

计划3没有太大的差异，其中计划3的压力和位移变化很小。来自马stable

就自然而言，计划3更合适。从经济角度来看，由于处理3

孔间距很大，项目成本很高，因此解决方案2更合适。因此，这个核废料部门

建议选择库存储的选项2。

参考

[1]张Xuefu，su xinmin，lai yuanming，Yu Wenbing，Wu Yaping。 Kunlun山永久冻土隧道

分析工业温度的影响[J]。冰川和冷冻土壤，2003，12：622-627。

[2] Li Xianzhe，Jia Xiaoyun，Zhu Yongquan。高海拔，高空，高空和冷冻区域以及冷冻土壤隧道的建筑隧道环境

温度场的数值模拟[J]。 Shijiazhuang铁路学院杂志。 2004，12：22-25。

[3] Lai Yuanming，Wu Ziwang。耦合的非线性分析

冷区域隧道中的温度和渗水田问题

[J]。中国科学（D系列），1999，29 Suppl。 1：21-26。

[4]对于温度耦合问题的LAI YM非线性分析

冷区域隧道中的性质，渗流和应力场[J]。隧道-

Ing and Underground太空技术，1998，13（4月：435-436。

[5] Tang Guozhang，Wang Xinghua。探索寒冷区域中隧道的建筑温度场与周围岩石周围岩石的局部崩溃之间的关系

讨论[J]。采矿和冶金工程，2005，8：21-23。

[6] Liu Wengang，Wang JU，周Hongwei等。高级废物处理库中花岗岩的热耦合模拟

研究[J]。岩石力学与工程杂志，2009年，5：2875-2883。

[7] Liu Yuemiao，Wang JU，Cai Meifeng等。在热力耦合条件下，有关高释放废物处理室间距的间距的研究

研究[J]。铀地质，2009，25（6 ￥。

[8] Li Hao，Wang Luzhen，Chen Ronghua。地下深室的温度应力场[J]。长春行业

大学杂志（自然科学版，2005，9：255-258。

[9]张Yujun。近场热量压力耦合模型和核废料处置概念数据库的数值得分

分析[J]。 Geotechnology，2007，1：17-22。

[10] Jiang Zhongming，Dashnor Hoxha，Franoise Homand。核废料的地质储存

三维各向异性热水岩石偶联的数值模拟[J]。岩石力学和

工程杂志，2007，3：494-500。

[11] Rejeb A.耦合THM过程的数学模拟

通过不同的元素和离散有限的粉丝 - augères现场测试

元素方法[C] // Stephansson O，Jing L，Tsang cf eds。 c

媒介介质的固定热型机电过程。 el

Sevier：岩土工程的发展，1996，79：341-368。

[12]刘Yachen。核废料存储中周围岩介质的THM耦合过程的机械分析[J]。

地质灾难与环境保护，2006，3：54-57。

图2核废料处置库的有限元模型

237··

岩石质量热力耦合过程的数值模拟