CN106815460A - 一种离散裂隙网络评价放射性核素在岩石裂隙中迁移的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于放射性废物处置领域，涉及一种离散裂隙网络评价放射性核素在岩石裂隙中迁移的方法。所述的方法依次包括如下步骤：野外裂隙的实测统计及参数拟合、离散裂隙网络的生成及裂隙网络中不连通性裂隙和死端裂隙的删除、计算裂隙网络中节点水头、计算裂隙网络中的放射性核素浓度。用该方法评价放射性核素在岩石裂隙中的迁移，可有效提高计算效率，从而有效的指导安全评价的源项计算工作的开展。
Description
技术领域
本发明属于放射性废物处置领域，涉及一种离散裂隙网络评价放射性核素在岩石裂隙中迁移的方法。
背景技术
高放废物是指核废物中放射性比活度高(占所有核废物放射性强度的97％),释热量大，操作和运输过程中需要特殊防护，主要包括乏燃料后处理过程中产生的高放废液及其固化体和准备直接处置的乏燃料以及相应放射性水平的其它废物。高放废物地质处置的总要求是让所处置的高放废物与人类的生存环境相隔绝。因此，高放废物地质处置都采用多重屏障系统，以阻止或减弱一旦在处置库系统失效后放射性核素由近场进入远场和生物圈。多重屏障分天然屏障(处置库围岩)和人工工程屏障(包括废物体、废物容器、外包装、缓冲材料和回填材料等)两大部分。因此，所选的处置库场地在区域构造和工程地质稳定性方面要符合选址要求，处置库围岩的渗透性要低，对核素的吸附性要好，地下水的流速要缓慢，这些是天然屏障的最基本要求。
目前，可作为处置库围岩的主要有花岗岩和粘土岩两大类，花岗岩由于其具有低渗透率，较好的导热性，较强的离子交换能力和吸附能力等优点，是当前国际上高放废物地质处置研究的重点围岩之一。我国已在甘肃北山花岗岩预选场址开展了大量的研究工作，取得了阶段性的成果。然而花岗岩中广泛分布的裂隙降低了岩体强度，同时它也构成了放射性核素在处置系统中迁移的通道，加快核素迁移的速度，缩短了核素到达生物圈的时间，因此处置库裂隙是高放废物地质处置场址评价和处置库建设所要重点考虑和研究的内容。
描述裂隙介质的典型模型有等效连续介质模型、双孔介质模拟、管道流模型、统计连续模型和离散网络模型。
发明内容
本发明的首要目的提供一种离散裂隙网络评价放射性核素在岩石裂隙中迁移的方法，从而有效提高计算效率，并有效的指导安全评价的源项计算工作的开展。
为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种离散裂隙网络评价放射性核素在岩石裂隙中迁移的方法，其依次包括如下步骤，
1)野外裂隙的实测统计及参数拟合；
输入由统计资料确定的各组裂隙面服从的密度分布参数。裂隙的几何参数不可能进行逐个测量，只能对相对不多的裂隙进行采样测量，然后根据统计分析理论求出其统计规律。根据目前对岩体裂隙几何分布的研究成果以及工程实践可知，岩体裂隙的几何参数一般服从某一种或几种概率密度分布。一般来说，裂隙中心点位置服从研究域内的均匀分布；迹长服从负指数分布或对数正态分布；产状(二维裂隙网络用裂隙的方向角描述)通常服从Bingham分布、单变量或双变量Fisher分布、双变量正态分布或对数正态分布、均匀分布等；张开度服从负指数分布或正态分布。在具体实际工程应用中，首先利用钻孔法、测线法或者测窗法从现场采集数据，然后根据数据拟合来确定裂隙几何要素分布概率密度函数以及分布函数的参数。表1所示为几种典型概率分布函数及随机变量的取值。
表1几种典型概率分布函数及随机变量的取值
2)离散裂隙网络的生成及裂隙网络中不连通性裂隙和死端裂隙的删除；
裂隙网络的生成主要采用Monte-Carlo模拟技术，在利用统计学原理获得裂隙的特征参数后，通过计算机产生随机数，进而产生符合裂隙分布概率模型的随机变量，模拟各组裂隙各要素及分布。对于二维随机裂隙网络，裂隙的形态主要由裂隙中心点、迹线长度和方向角或倾角3个参数来确定。
在三维坐标中假定一个二维裂隙生成域，将优势裂隙面产状进行视倾角转换，采用ment-carlo法生成裂隙，裂隙网络生成之后，如图1所示并非所有的裂隙都是有效的裂隙，在整个裂隙网络中，只有具有导水能力的连通裂隙才具有研究价值，不连通的裂隙在渗流场中只起贮水作用，因此程序处理中将不具导水能力的裂隙和死端裂隙进行了删除，从而最终形成连通裂隙网络。裂隙网络简化的具体做法是判断某一裂隙与其他裂隙及边界的交点数，当交点数小于等于1时即将裂隙去掉，同时将导水裂隙伸出来的孤立的一段也去掉，如此循环几次可得到对渗流和传质过程有贡献的裂隙网络。
3)计算裂隙网络中节点水头；
二维裂隙网络中水头和流速可以通过解式(1)动量守恒方程和式(2)质量守恒方程求得。
式中：式(1)右边第二项代表摩擦力引起的水头降，u为裂隙中的头流速(SI单位：m/s)，ρ为水的密度(SI单位：kg/m3)，p为水头(SI单位：m)，dh为水力半径(见式(3))，fd(无量纲)为达西摩擦因子(见式(4))，F为体积力(SI单位：N/m3)。
式中：A为裂隙横截面面积(SI单位：m2)，Z为湿周(SI单位：m)。
达西摩擦因子表示为Reynolds数(Re)数和裂隙表面粗糙度与水力半径之比的函数，对于Re<2000的层流流动，达西摩擦因子可以表示为5式，Re可以用(6)式表示。
4)计算裂隙网络中的放射性核素浓度。
元素i在裂隙网络中的迁移方程可以用(7)式表示，式中左端第二项代表对流迁移量，右端第一项代表弥散与扩散迁移量，右端第二项代表元素发生化学反应的变化量，右端第三项代表元素被裂隙壁吸附的量。
式中：A为裂隙壁的横截面(SI单位：m2)，ci为裂隙中元素i的浓度(SI单位：mol/m3)，u为裂隙中的渗流速度，Di为元素的分子扩散系数(SI单位：m2/s)，DD,i为元素i的弥散系数(SI单位：m2/s)，Rik为化学反应量(SI单位：mol/(m3·s))，Rwall,ik为裂隙壁对元素i的吸附量(SI单位：mol/(m3·s))。
在一种优选的实施方式中，本发明提供一种离散裂隙网络评价放射性核素在岩石裂隙中迁移的方法，其中步骤1)中野外裂隙的实测统计为对相对不多的裂隙进行采样测量，然后根据统计分析理论求出其统计规律。
在一种优选的实施方式中，本发明提供一种离散裂隙网络评价放射性核素在岩石裂隙中迁移的方法，其中步骤1)中所述的参数为服从一种或几种概率密度分布的参数。
在一种优选的实施方式中，本发明提供一种离散裂隙网络评价放射性核素在岩石裂隙中迁移的方法，其中所述的概率密度分布包括裂隙中心点位置服从研究域内的均匀分布；迹长服从负指数分布或对数正态分布；产状服从Bingham分布、单变量或双变量Fisher分布、双变量正态分布、对数正态分布或均匀分布；张开度服从负指数分布或正态分布。
在一种优选的实施方式中，本发明提供一种离散裂隙网络评价放射性核素在岩石裂隙中迁移的方法，其中步骤2)的离散裂隙网络的生成采用monte-carlo法。
在一种优选的实施方式中，本发明提供一种离散裂隙网络评价放射性核素在岩石裂隙中迁移的方法，其中所述的monte-carlo法利用统计学原理获得裂隙的特征参数后，通过计算机产生随机数，进而产生符合裂隙分布概率模型的随机变量，模拟各组裂隙各要素及分布。
在一种优选的实施方式中，本发明提供一种离散裂隙网络评价放射性核素在岩石裂隙中迁移的方法，其中所述的monte-carlo法对于二维随机裂隙网络，裂隙的形态主要由裂隙中心点、迹线长度和方向角或倾角3个参数来确定。
在一种优选的实施方式中，本发明提供一种离散裂隙网络评价放射性核素在岩石裂隙中迁移的方法，其中所述的monte-carlo法对不连通性裂隙和死端裂隙的删除是判断某一裂隙与其他裂隙及边界的交点数，当交点数小于等于1时即将裂隙去掉，同时将导水裂隙伸出来的孤立的一段也去掉。
在一种优选的实施方式中，本发明提供一种离散裂隙网络评价放射性核素在岩石裂隙中迁移的方法，其中步骤3)采用立方定律计算。
在一种优选的实施方式中，本发明提供一种离散裂隙网络评价放射性核素在岩石裂隙中迁移的方法，其中步骤4)利用溶质迁移方程计算所述的裂隙网络中的核素浓度。
附图说明
图1为本发明的二维裂缝网络简化示意图。
图2为具体实施方式的示例性模型中BS01孔周围原始裂隙网络和简化后的连通裂隙网络(1000m×600m)。
图3为具体实施方式的示例性模型中Pu-240输入曲线图。
图4为具体实施方式的示例性模型中水头和流速分布图。
图5为具体实施方式的示例性模型中Pu-40迁移情况图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明，但这种具体实施方式只是示例性的。
通过统计可以获得某地裂隙的倾角分布特征：1、缓倾角(<40)所占比例约9％，而陡倾角节理(>60)所占比例较大2、倾角在70～80度之间的节理最为发育平均占42％，其次是80～90度，占22.6％，再次是60～70占18％，统计过程中还发现，I类裂隙的倾向变化错综复杂，随深度的变化规律不明显，II、III类裂隙的倾向变化具有一定的规律性。对于I类节理，在50-544m段很发育，最大密度为5条/m。对于II类节理，最大密度为1.1条/m，对于III类节理，其密度较前两者更小，最大密度为0.48条/m，第IV类节理规模较大，属于断层，在模型中作为确定性裂隙或者断层带直接输入。综合以上信息建立长1000m高600m的二维随机裂隙网络剖面图(图2)。
在建立了二维随机裂隙网络模型之后，即可根据前述方法计算模型中的各个结点的水头和核素浓度。为了简化模型，在模拟过程中假设二维模型中的左右边界分别为定水头边界，其水头分别为10m和9m，放射性核素Pu-240注入模型中左下脚节点处，其输入曲线见图3，计算得到的水头和流速分布图4，计算得到的Pu-240浓度见图5。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。
Claims (10)
1.一种离散裂隙网络评价放射性核素在岩石裂隙中迁移的方法，其特征在于：依次包括如下步骤，
1)野外裂隙的实测统计及参数拟合；
2)离散裂隙网络的生成及裂隙网络中不连通性裂隙和死端裂隙的删除；
3)计算裂隙网络中节点水头；
4)计算裂隙网络中的放射性核素浓度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)中野外裂隙的实测统计为对相对不多的裂隙进行采样测量，然后根据统计分析理论求出其统计规律。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)中所述的参数为服从一种或几种概率密度分布的参数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述的概率密度分布包括裂隙中心点位置服从研究域内的均匀分布；迹长服从负指数分布或对数正态分布；产状服从Bingham分布、单变量或双变量Fisher分布、双变量正态分布、对数正态分布或均匀分布；张开度服从负指数分布或正态分布。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)的离散裂隙网络的生成采用monte-carlo法。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的monte-carlo法利用统计学原理获得裂隙的特征参数后，通过计算机产生随机数，进而产生符合裂隙分布概率模型的随机变量，模拟各组裂隙各要素及分布。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的monte-carlo法对于二维随机裂隙网络，裂隙的形态主要由裂隙中心点、迹线长度和方向角或倾角3个参数来确定。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的monte-carlo法对不连通性裂隙和死端裂隙的删除是判断某一裂隙与其他裂隙及边界的交点数，当交点数小于等于1时即将裂隙去掉，同时将导水裂隙伸出来的孤立的一段也去掉。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3)采用立方定律计算。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4)利用溶质迁移方程计算所述的裂隙网络中的核素浓度。
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