饒耕瑋,劉曉東*,劉平輝,戴朝成,梁海安
(1.東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,南昌 330013;2.核資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330013)
高放廢物(高水平放射性廢物)的安全處置問題變得日益緊迫[1],目前國(guó)際認(rèn)可的處置方法是深地質(zhì)處置,即通過地質(zhì)屏障(圍巖)與工程屏障相結(jié)合的多重屏障系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)永久隔離放射性廢物,從而達(dá)到保障人類生命健康和環(huán)境安全的目的[2-4]。因此對(duì)高放廢物地質(zhì)處置庫的圍巖研究成為安全處置廢物的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一?;◢弾r作為中國(guó)高放廢物處置庫的重點(diǎn)備選圍巖之一[5],研究開展較早,成果較為深入。例如:劉月妙等[6]對(duì)北山花崗巖的基本物理力學(xué)性能及時(shí)溫效應(yīng)進(jìn)行了研究;殷黎明[7]進(jìn)行北山花崗巖的節(jié)理水及力學(xué)特性研究;趙星光等[8]進(jìn)行新場(chǎng)巖體地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律研究。相比花崗巖,中國(guó)以黏土巖作為處置庫圍巖的篩選工作開展較晚。至2009年啟動(dòng)了黏土巖作為處置庫圍巖的選址及評(píng)價(jià)工作起,王長(zhǎng)軒等[9]、劉曉東等[10-11]對(duì)黏土巖高放廢物處置庫篩選的前期工作進(jìn)行了較全面的研究,薛凱喜等[12]對(duì)中外黏土巖的物理、力學(xué)及工程特性方面的成果進(jìn)行了較為系統(tǒng)的梳理,證實(shí)了黏土巖作為高放廢物處置庫圍巖的可行性,而對(duì)高放廢物深地處置的緩沖材料(工程屏障),在滲透性[13]、熱傳導(dǎo)性[14]等方面已有較為成熟的研究和可靠的數(shù)據(jù)結(jié)果。相比之下,黏土巖作為高放廢物處置庫圍巖(地質(zhì)屏障)在物理、力學(xué)方面的相關(guān)研究較少。
為此對(duì)高放廢物地質(zhì)處置庫塔木素黏土巖預(yù)選區(qū)開展巖石物理特性、巖石力學(xué)強(qiáng)度以及巖石礦物成分分析實(shí)驗(yàn),以探究其作為地質(zhì)屏障的可行性,準(zhǔn)確可靠獲得預(yù)選區(qū)不同深度泥巖(黏土巖)的物理、力學(xué)數(shù)據(jù),驗(yàn)證塔木素巴音戈壁盆地因格井坳陷作為中國(guó)高放廢物黏土巖處置預(yù)選區(qū)在工程力學(xué)上的可行性,并通過與法國(guó)瑞士[15-17]等國(guó)外高放廢物黏土巖圍巖數(shù)據(jù)的對(duì)比,直觀體現(xiàn)塔木素預(yù)選區(qū)圍巖的優(yōu)越性。
塔木素位于中國(guó)內(nèi)蒙古高原西部,地勢(shì)總體呈現(xiàn)西高東低,平均海拔約為1 300 m。北部有巴彥諾爾至額濟(jì)納旗的鐵路,交通較為便利,且人煙稀少,經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后(主要依靠畜牧業(yè)和周邊的礦產(chǎn)業(yè)),常年干旱少雨,蒸發(fā)強(qiáng)烈,區(qū)內(nèi)水系不發(fā)育[18],從運(yùn)輸和經(jīng)濟(jì)人文角度評(píng)價(jià)適合作為高放廢物地質(zhì)處置選址區(qū)域;預(yù)選區(qū)地處巴音戈壁盆地內(nèi),屬天山地槽褶皺系和華北地臺(tái)的過渡區(qū)域,南臨狼山-白云鄂博臺(tái)緣坳陷帶及華北地臺(tái)阿拉善臺(tái)隆,北部為天山地槽褶皺系中北山晚期華力西褶皺帶(圖1)。盆地呈近東西向展布,以宗乃山-沙拉扎山隆起為界分為南北兩個(gè)拗陷,北部拗陷包括查干德勒蘇拗陷、蘇紅圖拗陷和拐子湖拗陷,南部拗陷包括銀根拗陷和因格井拗陷[19],且構(gòu)造多屬控盆構(gòu)造,從地質(zhì)角度看沒明顯活動(dòng)構(gòu)造,滿足安全處置的基本要求。
圖1 預(yù)選區(qū)位置及鉆井分布Fig.1 Pre-selection area location and drilling distribution map
樣品選取巴音戈壁盆地塔木素地區(qū)因格井坳陷ZKH36-15、ZKH36-16、ZKH36-32等8個(gè)鉆井,不同深度的64個(gè)泥巖巖心樣品開展了巖石物理力學(xué)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括巖石礦物成分分析、巖石物理特性實(shí)驗(yàn)、巖石力學(xué)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)3個(gè)方面。
巖石的物理特性實(shí)驗(yàn)在野外現(xiàn)場(chǎng)完成,對(duì)巖心進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)切割至標(biāo)準(zhǔn)尺寸為φ50 mm×100 mm的巖樣,天平稱量其質(zhì)量后放入105 ℃的烘箱中烘24 h,待其冷卻至室溫后再次稱量巖樣質(zhì)量,并根據(jù)公式推算出其含水量、天然塊體密度等物理特性。樣品礦物組分分析送至江西省地質(zhì)科學(xué)研究所進(jìn)行,鏡下觀察在Leitz偏光顯微鏡下完成。巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)在東華理工大學(xué)試驗(yàn)教學(xué)中心完成,鉆孔巖心樣品按照工程巖體實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),通過巖石切割機(jī)(型號(hào)DQ-1)、取心機(jī)(型號(hào)ZS-50)和磨平機(jī)(型號(hào)SHM-200)等設(shè)備進(jìn)行精加工。
在沉積、成巖過程中由于不同程度的地質(zhì)影響,導(dǎo)致巖石的礦物組分,內(nèi)部構(gòu)造有所差異[20-21],因此研究巖體的物理力學(xué)特征,分析其礦物成分及其內(nèi)部構(gòu)造是必要因素。
選取塔木素因格井坳陷地區(qū)4個(gè)鉆井不同的深度的13個(gè)泥巖樣品進(jìn)行礦物組分分析(表1)可知:泥巖樣品以白云石、泥質(zhì)為主。將上述樣品的粉末樣至偏光顯微鏡下觀察可見(圖2):淺層泥巖樣品呈泥質(zhì)結(jié)構(gòu)-泥晶結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造;深層泥巖呈含粉砂泥質(zhì)-泥晶結(jié)構(gòu),紋層狀構(gòu)造。成分由泥質(zhì)礦物、碳酸鹽礦物、石英、黃鐵礦等組成,泥質(zhì)礦物具泥晶結(jié)構(gòu),由隱晶質(zhì)石英、白云母及黏土礦物組成;碳酸鹽礦物以白云石為主,具泥粉晶結(jié)構(gòu)。石英呈次棱狀,粒徑為0.01~0.03 mm。偶見細(xì)脈狀碳酸鹽薄層分布于泥質(zhì)物之中[圖2(a)],呈薄層脈狀紋層分布于黏土礦物中,個(gè)別巖石樣品含少量瀝青[圖2(b)]。泥質(zhì)含量為25%~55%,變化幅度較大,礦物之間的結(jié)構(gòu)構(gòu)造有較大差別。
表1 泥巖樣品礦物組成Table 1 Mineral composition of mudstone samples
圖2 粉末樣鏡下照片F(xiàn)ig.2 Photos of powder sample under microscope
3.2.1 含水率
含水率指巖石中自由水的質(zhì)量占巖石總質(zhì)量的百分比,間接反映了巖石內(nèi)部的孔隙率,含水率越高則巖石內(nèi)部孔隙越多。樣品測(cè)量在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行,以保障測(cè)量值為自然狀態(tài)下的含水率,每個(gè)層位選取3個(gè)樣品測(cè)量求其平均值以減小誤差。據(jù)式(1)求其含水率,得出泥巖樣品含水率最低可達(dá)1.11%,最高也僅有2.52%,可見其含水率整體較低,孔隙率低,巖石較為致密程。
w=(m0-ms)/ms×100%
(1)
式(1)中:w為含水率;m0為烘干前樣品質(zhì)量;ms樣品烘干冷卻后稱量的質(zhì)量。
3.2.2 天然塊體密度
天然塊體密度是巖體在天然含水狀態(tài)下單位體積內(nèi)的質(zhì)量。因其與巖石的致密程度和孔隙發(fā)育程度存在一定的相關(guān)性,使其成為評(píng)價(jià)工程巖體穩(wěn)定性的重要因素。試驗(yàn)采用量積法,測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)尺寸為直徑50 mm、高100 mm樣品的天然塊體密度,將分析數(shù)據(jù)投圖(圖3)可清楚地看出預(yù)選區(qū)泥巖樣品天然塊體密度隨深度變化情況,可見泥巖樣品的天然塊體密度隨深度的增加而增大,在600 m附近密度較高(平均可達(dá)2.45 g/cm3),推測(cè)巖樣隨著埋深的增加,受自重地應(yīng)力增大,使其內(nèi)部更致密,密度增大,間接表明巖石中孔隙減少。
圖3 天然塊體密度隨深度的變化Fig.3 Change of natural block density with depth
3.2.3 顆粒密度
顆粒密度指巖石固體礦物顆粒部分單位體積內(nèi)的質(zhì)量。采用比重瓶法,對(duì)樣品進(jìn)行3次平行測(cè)定,通過式(2)計(jì)算并選取平均值以減小誤差。通過測(cè)量,得到其顆粒密度最小值為2.41 g/cm3,最大值為2.72 g/cm3,均值為2.62 g/cm3。
(2)
式(2)中:ps為顆粒密度,g/cm3;m1為樣品烘干后的質(zhì)量,g;ms為比重瓶和蒸餾水的質(zhì)量,g;m2為比重瓶、樣品和蒸餾水的質(zhì)量,g;ρwt為常溫下蒸餾水的密度,g/cm3。
3.2.4 孔隙率
孔隙率指散粒材料表觀體積中材料內(nèi)部的孔隙占總體積的比例??紫堵试礁叩膸r石裂隙越多,滲透系數(shù)越大[22],從而導(dǎo)致部分力學(xué)特性下降。巖石的孔隙率一般不能通過實(shí)測(cè),只能通過式(3)計(jì)算。得出泥巖樣品的孔隙率最低僅有2.58%,最高達(dá)6.64%,均值不超過5%,整體孔隙率較低。
(3)
式(3)中:n為孔隙率;ρd為天然塊體密度,g/cm3。
圍巖力學(xué)性能研究是處置庫建造可行性的基礎(chǔ)指標(biāo)。為了初步評(píng)價(jià)黏土圍巖(泥巖)施工和建造條件,對(duì)塔木素因格井坳陷地區(qū)泥巖進(jìn)行了系統(tǒng)的力學(xué)特性研究,采用單軸、三軸等常用測(cè)試手段獲得了該地區(qū)泥巖的力學(xué)參數(shù),為高放射性廢物地質(zhì)處置庫黏土圍巖場(chǎng)址篩選提供參考[23-24]。
3.3.1 抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)
1)巴西劈裂實(shí)驗(yàn)
巴西劈裂法(BRAZI)可間接測(cè)量樣品的拉伸強(qiáng)度。通過式(4)計(jì)算泥巖樣品的抗拉強(qiáng)度為
(4)
式(4)中:σt為樣品的抗拉強(qiáng)度,MPa;P為最大荷載,N;D為巖石樣品的直徑,mm;H為巖石樣品的高度,mm。得出樣品泥巖的抗拉強(qiáng)度如表2所示。
表2 泥巖樣品抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Tensile strength test results of mudstone samples
分析可知,預(yù)選區(qū)泥巖樣品抗拉強(qiáng)度變化較大,最小值為6.59 MPa,最大可達(dá)12 MPa,但整體抗拉強(qiáng)度較高,均值可達(dá)10 MPa。將分析數(shù)據(jù)投圖可清楚地看出抗拉強(qiáng)度與埋深關(guān)系(圖4),從圖4中可以看出,樣品抗拉強(qiáng)度與埋深沒有明顯的線性關(guān)系(R為相關(guān)系數(shù)),推測(cè)即使是同一層位的巖石樣品,受復(fù)雜的地質(zhì)作用影響,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造有所差異導(dǎo)致。
圖4 抗拉強(qiáng)度與埋深的關(guān)系Fig.4 Relationship between tensile strength and buried depth
2)點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)
相比一些常規(guī)的巖石強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)測(cè)定,點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)具有各向異性上的優(yōu)勢(shì),通過測(cè)量垂直和水平2個(gè)方向點(diǎn)荷載值的差異性(表3),分析預(yù)選區(qū)泥巖樣品的各向異性。通過式(5)計(jì)算破壞荷載,通過式(6)計(jì)算巖石的點(diǎn)荷載強(qiáng)度。
P=CR′
(5)
(6)
式中:P為最大荷載,N;C為儀器內(nèi)活塞面積,C=1 590 mm2;R′為油壓表讀數(shù),MPa;De為加載點(diǎn)間距離;P為總荷載值。
由表3可知,垂直方向的點(diǎn)荷載大于水平方向,且?guī)r樣的破壞面隨加載方向不同而變化,體現(xiàn)了點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)的各向異性及其強(qiáng)度受巖石自身控制的特性。
表3 泥巖樣品點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Point load test results of mudstone samples
將垂向方向上的點(diǎn)荷載強(qiáng)度與水平方向的點(diǎn)荷載強(qiáng)度相比,可得出巖樣的各向異性程度Ia,其值越大,則各向異性越明顯,取Ia=1.6。且單軸抗壓強(qiáng)度一般為點(diǎn)荷載的20倍左右,抗拉強(qiáng)度為點(diǎn)荷載的2倍左右,得出垂向上加載時(shí)的抗拉強(qiáng)度約為10.1 MPa,抗壓強(qiáng)度約為117.3 MPa,水平方向加載時(shí)的抗拉強(qiáng)度約為6.1 MPa,抗壓強(qiáng)度約為61.3 MPa。
3.3.2 抗壓特性實(shí)驗(yàn)
巖石的抗壓強(qiáng)度不僅反映其力學(xué)性質(zhì)和巖體計(jì)算中的重要指標(biāo),也是巖體工程分類和工程巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵考量因素。由于高放廢物地質(zhì)處置的基本概念是把高放廢物埋在距地表500 m以下的地質(zhì)體中,為使討論有實(shí)際價(jià)值,選取埋深500 m以下的樣品進(jìn)行分析。
1)常溫單軸實(shí)驗(yàn)
選取塔木素因格井坳陷地區(qū)ZKH0-16、ZKH8-14、ZKH36-16三個(gè)鉆井500 m埋深以下的樣品進(jìn)行單軸壓縮強(qiáng)度及彈性參數(shù)測(cè)試(表4),圖5所示為其抗壓試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變(σ-εa)曲線。從表4可以看出,塔木素泥巖單軸抗壓強(qiáng)度都較高,ZKH8-14、ZKH36-16鉆孔的巖心樣品強(qiáng)度都大于92 MPa,ZKH0-16鉆孔巖心樣品測(cè)量值相對(duì)較小,最低也大于59 MPa,該地區(qū)總體的平均值為92.9 MPa。
表4 泥巖樣品單軸壓縮變形試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Uniaxial compression deformation test results of mudstone samples
由圖5可知,樣品隨著應(yīng)變的增加應(yīng)力增大直至破碎,如圖5(a)所示;樣品在出現(xiàn)宏觀破裂后仍有一定的承載能力,如圖5(b)所示,在破碎后應(yīng)力下降,但在20 MPa左右時(shí)趨于穩(wěn)定;部分樣品可見脆性破壞的特性,如圖5(c)、圖5(d)所示,在到達(dá)其應(yīng)力最大值時(shí),應(yīng)變不變,應(yīng)力曲線垂直下降,趨近于0。
圖5 樣品單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Uniaxial strain curve of sample
2)常溫三軸實(shí)驗(yàn)
為獲得預(yù)選區(qū)泥巖樣品在不同圍壓條件下的短期強(qiáng)度及形變參數(shù),在圍壓為10、20、30 MPa條件下對(duì)泥巖樣品進(jìn)行了三軸壓縮試驗(yàn),測(cè)試結(jié)果如表5所示,圖6所示為樣品三軸抗壓試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
表5 泥巖樣品常溫三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Triaxial compression test results of mudstone samples at room temperature
通過圖6可知,樣品的軸向破壞強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度隨著圍巖的增大而增大,且伴隨著形變?cè)黾?由圖6(a)可知,當(dāng)應(yīng)力達(dá)最大值時(shí),均出現(xiàn)脆性破壞特征,與圍壓無明顯相關(guān)性,但在10 MPa條件下,樣品破裂后仍有一定的承載能力,圖6(b)表示樣品破碎后應(yīng)力下降且伴隨體積的迅速膨脹現(xiàn)象。
圖6 常溫三軸下抗壓試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curve of triaxial compression test at room temperature
巖樣的實(shí)際破壞特征可如圖7(紅線為破裂軌跡)所示,可見在10 MPa圍壓下的樣品呈典型的脆性破壞,當(dāng)圍壓在20 MPa時(shí),巖石呈現(xiàn)張-剪破壞,在圍壓增加到30 MPa時(shí),樣品呈明顯的剪切破壞,屬于單斜面剪切破壞類型。
3)高溫三軸實(shí)驗(yàn)
考慮到高放射性廢物會(huì)釋放出大量的熱量,且為了讓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更有說服力,保持圍壓與上文相同的情況下(10、20、30 MPa),在溫度分別為90、60 ℃的條件下進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn),得出不同溫度、不同圍壓條件下的數(shù)據(jù),如表6所示。
從圖8可以看出,深部樣品(500 m以下)在受到外力的作用下發(fā)生變形或破壞與其所處的溫度的關(guān)系。隨著溫度的增加,應(yīng)力與應(yīng)變曲線的變化更緩慢,且溫度越高,巖石的破壞峰值強(qiáng)度越低。當(dāng)溫度達(dá)到90 ℃圍壓在30 MPa時(shí),巖石的破壞特征變?yōu)樗苄宰冃巍?/p>
圖8 不同圍壓和溫度下樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 Stress strain curves of samples under different confining pressures and temperatures
(1)預(yù)選區(qū)泥巖樣品的宏觀特征表現(xiàn)為顆粒大小、分布均勻且結(jié)構(gòu)致密,礦物成分以泥質(zhì)、白云石為主。泥質(zhì)含量與結(jié)構(gòu)隨埋藏深度不同有所差異,淺層巖樣呈泥質(zhì)結(jié)構(gòu)-泥晶結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造;深層泥巖呈泥晶結(jié)構(gòu)、含粉砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu),紋層狀構(gòu)造(個(gè)別巖石樣品含少量瀝青)。
(2)預(yù)選區(qū)泥巖樣品的天然含水率、天然塊體密度、顆粒密度、孔隙率等基礎(chǔ)物理特性研究和分析數(shù)據(jù)表明,該地區(qū)黏土巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為致密。
(3)預(yù)選區(qū)泥巖樣品的點(diǎn)荷載強(qiáng)度主要受巖石本身控制,抗拉強(qiáng)度平均為10 MPa,且不隨巖樣埋深的變化而變化,與國(guó)外黏土圍巖相比,抗拉力學(xué)性能更為優(yōu)越(瑞士Opalinus黏土巖抗拉強(qiáng)度約1 MPa;法國(guó)Callovo-Oxfordian泥巖抗拉強(qiáng)度在0.9~5.4 MPa)。
(4)預(yù)選區(qū)泥巖樣品的單軸抗壓強(qiáng)度最小值也高于59 MPa,相比國(guó)外黏土圍巖抗壓性能更為優(yōu)越(瑞士Opalinus黏土巖抗壓強(qiáng)度為23.1~28.1 MPa;法國(guó)Callovo-Oxfordian泥巖抗壓強(qiáng)度為12~49 MPa)。
(5)通過常溫條件下的巖石三軸試驗(yàn),可見泥巖的軸向破壞強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度和形變都會(huì)隨著圍壓的增大而增大。巖石表現(xiàn)為脆性破壞的特征,并伴有體積的迅速膨脹現(xiàn)象;考慮到高放射性廢物會(huì)釋放出大量的熱量,對(duì)樣品進(jìn)行熱-力耦合三軸試驗(yàn),結(jié)果表明隨著溫度的升高,泥巖中的孔隙水加速揮發(fā),導(dǎo)致其孔隙水壓力迅速降低,力學(xué)強(qiáng)度隨之下降,應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率變緩,并在90 ℃、30 MPa圍壓情況下呈現(xiàn)明顯的塑性變形特征。