國家高放廢物深地質處置庫建設的工程實踐指南——《高壓實膨潤土多場耦合緩沖性能及理論》

內容提要

本書是一部有關膨潤土多場耦合緩沖性能及理論研究的學術專著，系統介紹了近20年來作者及其團隊圍繞膨潤土基緩沖材料的水力屏障、力學屏障、化學屏障與熱力學屏障性能方面的研究成果。

本書共分六篇18章，內容涉及高放廢物深地質處置慨念，緩沖/回填材料與膨潤土屏障性能；水力屏障性能：持水特性、飽和-非飽和和滲透特性及氣體遷移特性；力學屏障性能：膨脹、壓縮與抗剪強度及其模型；化學屏障性能：吸附、擴散特性及改性潤土的化學阻滯特性；熱力學屏障性能：導熱性能及其水-熱耦合模型；以及熱-水-力耦合本構模型。

適用人群

本書可供工程地質、非飽和土力學及環境地質學等領域的科研、工程技術與管理人員，以及高等院校相關專業的師生參考。

根據高放廢物深地質處置的多屏障庫設計概念，緩沖/ 回填材料 (人工屏障) 的主要功能是維護處置庫結構穩定的工程屏障，阻止地下水滲流的水力學屏障，阻滯核素遷移的化學屏障，以及傳導-擴散庫內核素輻射、衰變熱的熱力學屏障等。以蒙脫石為主要成分的高壓實膨潤土因具有極強的膨脹性、超低的滲透性、良好的導熱性和超強的化學吸附性等，被公認為是最適合的緩沖/ 回填材料。

本書是項目團隊 20年研究成果的總結，是一本聚焦我國擬建深地質處置庫的首選緩沖/ 回填材料——內蒙古高廟子 (ＧＭＺ) 膨潤土研究的成果專著。

本書取得的學術成果

1

以GＭZ膨潤土為研究對象,開展了耦合條件下高壓實膨潤土持水特性試驗,構建了考慮溫度、干密度和化學影響的高壓實膨潤土持水曲線模型；開展了考慮化學（去離子水、鹽溶液和堿溶液）、溫度(20~80℃)影響的恒體積、無側限高壓實膨潤土飽和與非飽和滲透試驗，建立了考慮化學、溫度影響的高壓實膨潤土飽和與非飽和滲透模型。

2

研發了溫控-超低滲巖土介質氣體滲透試驗裝置，開展了剛性及柔性邊界條件下，飽和超低滲介質氣體滲透試驗，構建了水-力耦合條件下飽和超低滲介質氣體突破模式甄別概念模型。

3

開展了熱-水-力-化耦合條件下膨脹力試驗及膨脹變形試驗，探究了吸力、溫度、化學、應力誘導各向異性等因素對壓實膨潤土材料膨脹特性的影響。

4

研制了溫-濕-化控制的非飽和高壓固結試驗裝置，開展了考慮吸力、溫度、化學、應變速率等因素影響的GMZ膨潤土壓縮特性試驗,分析了耦合條件下非飽和膨潤土力學行為及其機理;基于溫濕控制的高壓實GMZ膨潤土流變試驗,建立了膨脹和壓縮變形時效性模型;同時, 基于既有的飽和土彈-熱-黏模型和非飽和土彈-黏塑模型,構建并驗證了非飽和土彈-熱-黏塑模型。

5

開展了GMZ膨潤土對稀土元素鑭/銪/鐿等的吸附過程試驗,解釋了溫度、化學溶液等對吸附過程的影響機理;開展了在化學影響的膨潤土中模擬核素擴散試驗,分析評價了離子種類、離子強度、溶液ｐH和干密度等因素對GMZ膨潤土中鑭和銪兩種稀土元素擴散性能的影響;提出了基于 ８-羥基喹啉、氧化石墨烯、海藻酸鈉三種物質的GMZ膨潤土改性方法,分析評價了改性GMZ膨潤土對稀土元素的吸附和擴散性能。

6

開展了高壓實膨潤土、膨潤土-砂混合物及改性膨潤土的導熱特性試驗，分析了干密度、各向異性等因素對其導熱特性的影響機理，構建了高壓實膨潤土的導熱性能預測模型。

7

在凈應力-偏應力-總吸力空間中, 定義了剪切邊界面、加載-坍塌 (LC) 邊界面和吸力邊界面, 以描述膨潤土剪切、壓縮和吸力變化過程中應力-應變曲線從彈性到彈塑性的平滑過渡, 以及邊界面內的彈塑性變形。

8

定義了臨界飽和狀態概念并明確了其物理意義; 基于臨界飽和線, 在獨立變量框架下, 建立了熱-水-力耦合條件下膨潤土的臨界飽和本構模型; 隨后結合邊界面塑性理論, 將模型擴展至三軸應力狀態

9

基于高壓實膨潤土微觀孔隙結構特征, 借助彈塑性理論, 分析研究了高壓實膨潤土化-水-力耦合作用機制, 構建了高壓實膨潤土的化-水-力耦合本構模型。

院士寄語

如何實現高放廢物的安全有效處置是保障核能可持續發展的關鍵，更是一個亟待解決的世界性難題。深地質處置被公認是最為可行的方法，即將高放廢物封存在距地表以下500~1000深、合適的穩定巖體中的處置庫內， 通過天然與人為設置的種種屏障來阻止核素的遷移與泄漏，以實現對高放廢物的永久處置。

根據圍巖性質差異，國際在建或擬建的處置庫大致可分為單屏障庫與多屏障庫兩種類型。 硬巖中的多屏障庫中,緩沖/ 回填材料 (人工屏障) 的設計功能包括: 維護處置庫結構穩定性的工程屏障作用，阻止地下水滲流的水力學屏障作用，阻滯核素遷移的化學屏障作用，以及對輻射熱具有良好熱傳導和擴散性能的導體作用。以蒙脫石為主要成分的高壓實膨潤土具備上述的多種屏障功能，被認為是最適合的人工屏障緩沖/回填材料。

處置庫建設與運營過程中，圍巖中的地下水向庫內滲透，引起高壓實、富含蒙脫石的膨潤土吸水膨脹，以密封高壓實膨潤土材料砌置與回填施工縫隙以及圍巖中因處置庫開挖卸載產生的裂縫，形成阻障圍巖中地下水入滲、庫內高放廢物輻射擴散等的人工屏障；同時，這一屏障功能的形成與發揮過程，還將不可避免地遭受到圍巖地下水及其化學成分，庫內核廢料衰變產生的熱，圍巖約束下的緩沖/ 回填材料內產生機械應力，以及地下水入滲引起的庫內金屬構件的腐蝕、微生物的降解和地下水的放射性輻解等過程將會產生大量的氫氣、二氧化碳和甲烷等氣體的耦合作用。尤其是，在處置庫萬年或更長的運營周期中，上述因素的影響過程常呈現強、弱循環變化特征。

我國高放廢物深地質處置與國際上發達國家相比，我國高放廢物深地質處置工作晚起步近半個世紀。但21世紀以來，我國高放廢物深地質處置工作進展迅速，目前已確定甘肅北山花崗巖體作為首座處置庫建設場地，內蒙古高廟子(ＧＭＺ)膨潤土為首選緩沖/ 回填材料，2021年開始地下實驗室建設，并計劃于21世紀中葉建成地下處置庫。

20余年來，葉為民教授及其團隊緊密圍繞我國首座高放廢物深地質處置庫建設這一國家戰略問題，借助工程地質學、非飽和土力學與多場耦合理論，開展了熱-水-力-化耦合作用的高壓實膨潤土工程行為研究，取得了豐富的理論與技術成果。①建立了多場、多相耦合高壓實膨潤土水力特性理論。開展了耦合高壓實膨潤土的土水特征試驗研究，建立 了考慮溫度、化學影響的土水特征模型和溫控飽和滲透與非飽和滲透模型，成功將土水特征研究拓展至化學場，以及巖土介質的非飽和滲透模型拓展至溫度場；②構建了耦合超低滲巖土介質氣體滲透理論。研發了首臺多場多相耦合超低滲介質氣體滲流過程試驗系 統，實現0.0001mL/min超低滲量測;開展了溫控高壓實膨潤土氣體滲透/突破研究,構建了考慮溫度影響的超低滲介質氣體滲透模型與突破模式甄別模型;③建立了熱-水-力-化控制的膨潤土強度與變形理論。開展了吸力、 溫度、化學等影響的GMZ膨潤土力學特性試驗,建立了膨脹和壓縮變形時效性模型與非飽和膨潤土彈-熱-黏塑模型；在有效應力中引入滲透應力Ｐπ 概念，建立了化-滲-力耦合作用下工程屏障材料的本構模型。

該專著從特殊土工程地質學、水文地質學、放射性化學、非飽和土力學等多學科角度，研發了實驗設備與先進試驗技術，完成了大量的試驗研究并積累了翔實的數據，構建了理論模型，獲得了重要的科學結論。專著的出版對于豐富工程地質、特別是非飽和土工程學、非飽和土力學與多場耦合理論，服務國家深地質處置庫建設，具有極其重要的理論與工程實踐價值。

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本文摘自科學出版社2025年11月出版的《高壓實膨潤土多場耦合緩沖性能及理論》一書，內容有刪節。標題為編者所加。

（本文編輯：韋沁 weiqin@cspm.com.cn）

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