基于蒙脱石的有效密度确定缓冲材料设计参数指标的方法与流程

1.本发明涉及高放射性废物处置技术领域，具体涉及一种基于蒙脱石的有效干密度确定高放废物深地质处置库竖直处置方式中不同蒙脱石含量的缓冲材料设计参数指标的计算方法。


背景技术：

2.高放废物深地质处置库是永久处置高放废物的专门设施，目前我国采用多重屏障深地质处置方式进行处置，保护人类与环境免受电离辐射的有害影响。我国高放废物地质处置库工程屏障主要由高放废物体、处置容器和缓冲材料三部分组成。缓冲材料是处置库中多重屏障系统的重要组成部分。膨润土由于具有极低的渗透性和优良的核素吸附等性能，已被国际上多个国家选作缓冲材料，我国初步选择了内蒙古高庙子膨润土作为缓冲材料。缓冲材料的设计参数指标的确定是重中之重；而如何确定安装前缓冲材料相关参数的研究较少且较为复杂。


技术实现要素：

3.针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于蒙脱石的有效密度确定高放废物处置库竖直处置方式中不同蒙脱石含量的缓冲材料设计参数指标的计算方法。
4.为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：基于蒙脱石有效密度确定缓冲材料设计参数指标的方法，包括以下步骤：
5.(1)首先选取一种膨润土，在满足缓冲材料设计指标要求(包括渗透性和膨胀性)的条件下，确定由该种膨润土制备的安装前缓冲材料干密度的标准值。
6.(2)根据上述膨润土制备的安装前缓冲材料干密度的标准值、膨润土的蒙脱石含量标准值计算得到膨润土中蒙脱石的有效干密度；
7.(3)根据上述得到的蒙脱石的有效干密度计算得到不同蒙脱石含量的安装前缓冲材料的干密度；
8.(4)根据上述得到的安装前缓冲材料的干密度，通过对处置过程中的各个工况进行计算分析，得出安装后缓冲材料砌块平均干密度。
9.(5)根据上述得到的安装后缓冲材料砌块的平均干密度，计算出满足高放废物地质处置库对缓冲材料的功能要求和设计要求的安装后缓冲材料砌块饱和密度。
10.进一步地，所述步骤(1)中，选取一种膨润土，结合该膨润土的室内试验结果，试验中考虑处置库处置孔内间隙、外间隙、缓冲材料砌块和填充间隙的膨润土颗粒的干密度允许偏差等影响因素，同时满足渗透性和膨胀性等缓冲材料设计指标的要求，确定由所述膨润土制备的安装前缓冲材料干密度的标准值。
11.进一步地，所述步骤(3)中，对于同一种膨润土，蒙脱石含量不同，但所述蒙脱石的有效干密度为定值；以所述蒙脱石的有效干密度计算得到不同蒙脱石含量的缓冲材料的干
密度；所述蒙脱石的有效干密度为表征材料中蒙脱石含量的定量指标，其是指缓冲材料中蒙脱石的质量与缓冲材料的体积和孔隙体积之和的比值。
12.进一步地，所述步骤(4)中，所述安装后缓冲材料砌块包括缓冲材料实心砌块和缓冲材料环形砌块；所述缓冲材料实心砌块位于处置容器的顶部和底部；所述缓冲材料环形砌块位于所述处置容器的四周。
13.进一步地，所述步骤(5)中，根据处置库中处置过程的不同工况得到安装后缓冲材料砌块的干密度、孔隙比与干密度的关系得到处置孔中安装后缓冲材料砌块的饱和密度。
14.本发明采用的技术方案带来的有益效果是，基于蒙脱石有效密度确定缓冲材料设计参数指标的方法，选取一种膨润土作为缓冲材料，针对现有的我国高放废物地质处置库的发展情况，基于膨润土中蒙脱石的有效干密度得到安装后缓冲材料砌块的平均干密度及饱和密度参数，从而得到满足高放废物深地质处置库设计要求的缓冲材料设计参数指标；由于膨润土中蒙脱石含量范围分布较广，增加了膨润土的室内试验的复杂性和多样性，而本发明的方法简单，易于试验试样的制备，减少试验的工作量；在缺乏试验数据条件下，基于土的基本理论提出的通用计算方法，可直接应用于不同蒙脱石含量膨润土的缓冲材料砌块的参数的设计；具有较高的科学性、经济性、实用性和便捷性；可为高放废物地质处置库中缓冲材料的设计提供可靠数据支持。
附图说明
15.图1是本发明实施例一的基于蒙脱石有效密度确定缓冲材料设计参数指标的方法流程图；
16.图2是本发明实施例一的高放废物深地质处置库的竖直处置孔的结构示意图；
17.图3是本发明实施例一的高放废物深地质处置库的竖直处置孔的剖面示意图；
18.图4是本发明实施例二安装后缓冲材料实心砌块蒙脱石含量与缓冲材料实心砌块平均干密度的关系；
19.图5是本发明实施例二安装后缓冲材料实心砌块蒙脱石含量与缓冲材料实心砌块饱和密度的关系。
20.其中，安装后缓冲材料实心砌块1、安装后缓冲材料环形砌块2、处置容器3、外间隙4、内间隙5。
具体实施方式
21.下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
22.缓冲材料参考设计的依据为缓冲材料的功能要求和屏障系统的性质等因素进行分析。根据渗透性和膨胀性要求确定处置库中膨润土的干密度，而处置库中膨润土膨胀性、渗透性主要取决于膨润土中的蒙脱石含量，故蒙脱石含量与膨润土密度具有相关性。
23.实施例一
24.参照附图1、2，本发明实施例一的基于蒙脱石有效密度确定缓冲材料设计参数指标的方法，包括以下步骤：
25.(1)首先基于一种膨润土，结合该膨润土的室内试验结果，且考虑竖直处置方式中主要影响因素(主要包括处置孔外间隙、缓冲材料砌块和颗粒的干密度允许偏差)，在满足
缓冲材料设计指标要求(包括渗透性和膨胀性) 的条件下，得到所述膨润土制备的安装前缓冲材料干密度的标准值；
26.(2)根据上述安装前缓冲材料的干密度的标准值、膨润土中蒙脱石的含量标准值计算得到膨润土中蒙脱石的有效干密度ρ'；
27.(3)以上述安装前缓冲材料干密度的标准值为基准值，结合蒙脱石的有效干密度ρ'、膨润土中蒙脱石的含量计算得到不同蒙脱石含量的膨润土制备出的安装前缓冲材料的干密度ρ
db
；
28.(4)根据上述得到的安装前缓冲材料的干密度ρ
db
，通过对处置过程中的各个工况进行计算分析，得出安装后缓冲材料砌块平均干密度ρd；
29.(5)根据上述得到的安装后缓冲材料砌块的平均干密度，计算出满足高放废物地质处置库对缓冲材料的功能要求和设计要求的安装后缓冲材料砌块饱和密度ρ
sat
。
30.参照附图3，优选地，所述步骤(1)中，计算中考虑外间隙4、内间隙5、缓冲材料和填充间隙的膨润土颗粒的干密度允许偏差因素，同时满足对缓冲材料渗透性和膨胀性的要求，确定由所述安装前缓冲材料的干密度ρ
db
；所述外间隙4为处置孔围岩与安装后缓冲材料之间的间隙，所述内间隙5为处置容器3 与安装后缓冲材料之间的间隙。
31.优选地，所述处置容器3位于处置孔内，所述处置容器3内部的废物类型为高放废物玻璃固化体。
32.优选地，所述外间隙4的宽度为25～80mm，所述内间隙5的宽度为5～10mm，所述安装后缓冲材料环形砌块2横截面宽度约为350mm。
33.所述缓冲材料参考设计的依据为处置库对缓冲材料的功能要求和屏障系统的性质等因素。根据渗透性和膨胀性要求确定膨润土的干密度，膨润土膨胀性、渗透性主要取决于其中的蒙脱石含量。处置孔中缓冲材料饱和后的平均干密度应满足缓冲材料渗透系数﹤10-12
m/s、膨胀力2～10mpa。
34.优选地，所述步骤(2)中，所述蒙脱石的有效干密度ρ'通过公式(i)得到，所述公式(i)为：
[0035][0036]
其中，ρ'为膨润土中蒙脱石的有效干密度；r为膨润土中非膨胀性粘土的质量占比；1-r为膨润土中蒙脱石含量占比；ρ
db
为安装前缓冲材料砌块的干密度；ρ
非clay
为非膨胀性粘土的干密度2.780g/cm3。
[0037]
优选地，所述步骤(3)中，同一种膨润土，蒙脱石的有效干密度为定值，以所述蒙脱石的有效干密度通过所述公式(i)计算得到不同蒙脱石含量的安装前缓冲材料的干密度。
[0038]
优选地，所述步骤(4)中，所述安装后缓冲材料砌块包括安装后缓冲材料实心砌块1和安装后缓冲材料环形砌块2；所述安装后缓冲材料实心砌块1位于处置容器3的顶部和底部；所述安装后缓冲材料环形砌块2位于所述处置容器3 的四周。
[0039]
所述处置容器3位于处置库的处置孔中，所述处置容器3上、下部高度处的处置孔横截面面积由安装后缓冲材料实心砌块1和外间隙4的横截面面积组成；所述处置容器3中部高度处的处置孔横截面面积由处置容器3、内间隙5、安装后缓冲材料环形砌块2、外间隙4的横截面面积组成。根据单一变量原则，本发明实施例将工况分为：外间隙4变化、缓冲材料
尺寸变化、膨润土松散颗粒密度变化、缓冲材料干密度变化(包括安装后缓冲材料实心砌块干1密度变化及安装后缓冲材料环形砌块2干密度变化)、干密度边界值和间隙宽度(包括外间隙4及内间隙5)关系对安装厚缓冲材料砌块饱和密度的影响。
[0040]
假设缓冲材料完全饱和后，内间隙5(初始空气)、初始缓冲材料和外间隙 4(膨润土颗粒填充)区域的材料达到均质状态；对处置孔的缓冲材料(处置容器3中部、顶/底部高度位置)的横截面中缓冲材料的干密度进行均质化计算。
[0041]
优选地，根据缓冲材料、内外间隙分别填充膨润土颗粒的相关参数分别计算安装后缓冲材料实心砌块1和安装后缓冲材料环形砌块2的平均干密度ρd。
[0042]
所述安装后缓冲材料环形砌块2的平均干密度ρd通过公式(ii)计算得到，所述公式(ii)为：
[0043][0044]
其中，ρd为安装后缓冲材料环形砌块2的平均干密度；ρ
db
为安装前缓冲材料的干密度；ρ
dp
为膨润土松散颗粒的干密度；sc为外间隙4的横截面积；s
t
为处置孔横截面面积与处置容器3横截面面积之差；ds为处置孔中内间隙5与安装后缓冲材料环形砌块2的横截面面积之比。
[0045]
所述安装后缓冲材料实心砌块1的平均干密度ρd通过公式(iii)计算得到，内间隙5与安装后缓冲材料实心砌块1的横截面积之比为零，所述公式(iii)为：
[0046][0047]
其中，ρd为安装后缓冲材料实心砌块1的平均干密度；ρ
db
为安装前缓冲材料的干密度；ρ
dp
为膨润土松散颗粒的干密度；sc为外间隙4的横截面积；s
t
为处置孔横截面面积与处置容器3横截面面积之差。
[0048]
优选地，所述步骤(5)中，根据上述不同工况下得到的处置孔中缓冲材料的平均干密度、孔隙比与干密度的关系得到处置孔中安装后缓冲材料砌块的饱和密度ρ
sat
，所述安装后缓冲材料砌块的饱和密度ρ
sat
通过公式(iv)得到，所述公式(iv)为：
[0049][0050]
其中，ρ
sat
为安装后缓冲材料的饱和密度，ρd为安装后缓冲材料的平均干密度；e为孔隙比；ρw为温度4℃时土中水的密度1g/cm3。
[0051]
所述孔隙比e通过公式(v)得到，所述公式(v)为：
[0052][0053]
其中，gs为膨润土的颗粒密度；ρd为安装后缓冲材料砌块的平均干密度；ρw为温度4℃时土中水的密度1g/cm3。
[0054]
实施例二
[0055]
根据本发明实施例一的方法以我国高庙子钠基膨润土为例，对缓冲材料实心砌块1的设计参数进行计算，包括以下步骤：
[0056]
(1)根据高放废物地下处置库对缓冲材料的功能要求、设计要求，结果所选取的膨润土的相关实验数据，初步选取安装前实心缓冲材料干密度标准值为1.700g/cm3，此时蒙脱石含量为75％；
[0057]
具体地，假设安装后缓冲材料砌块完全饱和后，内间隙(初始空气)、初始缓冲材料砌块和外间隙(颗粒填充)区域的材料达到均质；以计算变量为缓冲材料实心砌块1干密度(即变量为蒙脱石含量)，不变量为填充的膨润土颗粒干密度、处置孔外间隙和砌块几何尺寸，计算出该工况下处置孔中安装后缓冲材料实心砌块1的平均干密度和饱和密度；确定所述安装前缓冲材料的实心砌块1干密度的标准值的参数见表1；
[0058]
表1实心砌块蒙脱石含量变化计算参数
[0059][0060]
(2)根据上述安装前缓冲材料实心砌块1干密度的标准值、蒙脱石的含量，根据公式(i)计算得到缓冲材料中蒙脱石的有效干密度ρ'为1.505g/cm3；根据膨润土试验数据，这里选取的蒙脱石含量标准值为75％；
[0061]
(3)根据公式(i)得到不同蒙脱石含量的安装前缓冲材料实心砌块1的干密度ρ
db
值，表2；
[0062]
表2不同蒙脱石含量对应的砌块干密度
[0063][0064]
(4)本发明实施例将在竖直处置孔中进行处置工作的工况分为：
①
处置孔几何尺寸(外间隙4)变化，其他不变；
②
安装后缓冲材料砌块宽度变化 (实心砌块干密度、环形砌块干密度)，其他不变；
③
安装前的砌块干密度变化，即蒙脱石含量变化，其他不变；
④
间隙填充的松散膨润土颗粒干密度变化，其他不变；
⑤
干密度边界值和间隙宽度关系对安装后缓冲材料砌块饱和密度的影响；所述安装后缓冲材料环形砌块的宽度为350mm。
[0065]
根据公式(iii)得到所述工况下的安装后缓冲材料实心砌块1的平均干密度ρd，见表3；
[0066]
表3砌块干密度变化(不同蒙脱石含量)的安装后的缓冲材料密度
[0067][0068]
(5)根据不同工况下处置孔中(即安装后)缓冲材料实心砌块1的平均干密度、孔隙比与干密度的关系，我国高庙子钠基膨润土的颗粒密度gs为 2.66g/cm3，根据公式(iv)、(v)计算得到安装后缓冲材料实心砌块1的饱和密度ρ
sat
，见表3。
[0069]
参照附图4、5、表3，根据高放废物地下处置库对缓冲材料砌块的功能要求、设计要求进行验证。
[0070]
根据我国gmz13和gmz24膨润土的膨胀力与其干密度关系的试验结果，结合我国缓冲材料设计要求与功能要求，再综合其他四种工况的计算结果，可知当蒙脱石含量为70％～78％是符合要求的，安装后缓冲材料实心砌块1饱和密度为1.930～2.030/cm3，安装前缓冲材料实心砌块1干密度的允许变化范围为1.700
±
0.03g/cm3。
[0071]
在高放废物地下处置库的竖直处置孔进行处置试验/工程前根据本发明实施例的方法计算得到的缓冲材料砌块的工程设计参数，可直接采用满足要求的膨润土制备缓冲材料砌块，为我国高放废物地下处置库建设提供可靠的依据和技术输入。
[0072]
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。