高放废物处置北山预选区深部完整岩石基本物理力学性能及时温效应
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高放废物处置库从开挖、施工、封填、监测、 直至完成其服务期限的漫长过程中，高放废物衰变 会不断产生大量的热，导致高放废物处置库中近场 和远场围岩温度的升高，引起围岩应力重新分布。 围岩在高温恒载下可能产生新的裂隙而成为核素泄 漏的潜在通道。因此，评估岩石的物理力学特性和 辐射热长期作用下的性能对于处置库的安全至关重 要，这些参数也是场址评价、未来地下实验室与处 置库的设计和建造必要的基本资料。
方。许锡昌[11]指出，75 ℃和 200 ℃分别是花岗岩弹 性模量和单轴抗压强度的门槛温度。刘泉声等[12]研 究了三峡花岗岩蠕变时，单轴应变和黏聚力随温度 与时间的变化规律。L. G. Tham 等[13～15]研究了温度 对花岗岩力学性能和蠕变特性的影响。
声发射是材料在外力作用下，其组成微粒产生 错位或裂纹等释放出能量而产生的弹性波。声发射 测试时不需要外部激励，被认为是一种良好的无损 检测手段。声发射直接反映了试样内部的损伤，因 而累积声发射数可用于表征试样的损伤度。李庶林 等[16]研究了单轴加载条件下岩石声发射的活动特 征。Q. X. Lin等[17]采用声发射定位技术研究了花岗 岩在恒载下的渐进破坏过程和破坏机制。赵兴东 等[18]研究了花岗岩破裂全过程的声发射特性。
• 2036 •
(a) 似斑状二长花岗岩
岩石力学与工程学报
2007 年
北山深部完整岩石的颗粒密度随深度变化情 况如图 2 所示，似斑状二长花岗岩随深度没有明显 变化，颗粒密度为 2.64～2.71 g/cm3。英云闪长岩的 颗粒密度为 2.67～2.87 g/cm3，其均匀性低于似斑状 二长花岗岩。这是由于部分岩性段的英云闪长岩含 浅色矿物较多，颗粒密度较小；部分岩性段的英云 闪长岩含深色矿物较多，颗粒密度较大的缘故。伟 晶岩含浅色矿物较多，其颗粒密度最低，为 2.60～ 2.62 g/cm3。
• 2035 •
respectively，the elastic modulus increases with temperature increasing to about 70 ℃，and then decreases a little with the temperature increasing higher；the crack damage stress linearly decreases and Poisson′s ratio linearly increases separately with the temperature increases. The steady state creep strain rate increases and the time to failure response at the same stress ratio reduces with the temperature increasing. The time to failure increases rapidly as the constant load decreases. The axial creep strain increases and time to failure of granite at the same stress ratio increases rapidly when confining pressure increases. Key words：high-level radioactive waste(HLW)；deep geological disposal；granite；physico-mechanical properties； time-temperature effect
(1. 北京科技大学 土木与环境工程学院，北京 100083；2. 核工业北京地质研究院，北京 100029；3. 香港大学 土木工程系，香港)
摘要：岩石物理力学性能研究是高放废物处置库选址、设计、建造和性能评价中不可或缺的一个重要研究方面。
经过全国筛选对比，已初步确定甘肃北山地区为我国高放废物处置库重点预选区。甘肃北山地区深部的主要岩石
3. Department of Civil Engineering，University of Hong Kong，Hong Kong，China)
Abstract：Physico-mechanical property is one of the important aspects for site selection，design，construction and performance assessment of high-level radioactive waste(HLW) disposal. Through a nationwide screening and comparison，Beishan area，a Gobi desert in Gansu Province，is considered as a suitable candidate for HLW geological repository in China. The dominant lithology in Beishan area is porphyritic monzonitic granite and tonalite，with high homogeneity. The deep intact rock of Beishan area has the properties of high density，low porosity，high mechanical strength，low strain and high brittleness. The strain and acoustic emission behavior of granite under constant loading with different temperatures(room temperature，50 ℃，90 ℃) and confining pressures (0，10 and 30 MPa) are studied through creep test. The results indicate that the effect of temperatures and confining pressure on the mechanical property is significant. When the confining pressure is 10 and 30 MPa
收稿日期：2006–12–20；修回日期：2007–05–11 作者简介：刘月妙(1968–)，女，1992 年毕业于华北水利水电学院水文地质与工程地质专业，现任高级工程师，主要从事核废物地质处置方面的研究 工作。E-mail：liuyuemiao@sina.com
第 26 卷 第 10 期
刘月妙，等. 高放废物处置北山预选区深部完整岩石基本物理力学性能及时温效应
到目前为止，特别是在高温条件下，有关花岗 岩流变特性的研究仍然相当有限。H. Ito 等[5～7]研究 了花岗岩在室温下的蠕变特性与破坏机制。N. L. Carter 等[8，9]研究了花岗岩在熔融或半熔融状态下的 蠕变特性。R. L. Kranz 等[10]指出，提高温度可明显 降低岩石的强度，在同一荷载水平下，温度从 24 ℃ 升高到 200 ℃时，岩石的破坏时间大概减少了二次
3.0
似斑状二长花岗岩
英云闪长岩
2.9
伟晶岩
颗粒密度/(g·cm－3)
为似斑状二长花岗岩和英云闪长岩，似斑状二长花岗岩均匀性好，两种主岩均具有高密度、低孔隙率、高力学强
度、低变形和高脆性的特性。通过一系列室内蠕变试验，研究在不同温度(室温，50 ℃，90 ℃)与围压(单轴，10 MPa，
30 MPa)条件下，北山花岗岩在不同恒定应力水平下的变形特征与声发射特性，温度和围压对岩石力学性能有着重
第 26 卷 第 10 期 2007 年 10 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.26 No.10 Oct.，2007
高放废物处置北山预选区深部完整岩石 基本物理力学性能及时温效应
Fra Baidu bibliotek
刘月妙 1，2，王 驹 2，谭国焕 3，蔡美峰 1
RADIOACTIVE WASTE DISPOSAL
LIU Yuemiao1，2，WANG Ju2，THAM L G3，CAI Meifeng1
(1. School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China； 2. Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China；
破坏的时间显著增长。随着围压的增加，轴向蠕变变形量明显增加；在相同的应力比下，导致岩石断裂破坏的时
间显著延长。
关键词：高放废物；深地质处置；花岗岩；物理力学性能；时温效应
中图分类号：TL 942+.211
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2007)10–2034–09
BASIC PHYSICO-MECHANICAL PROPERTIES AND TIME-TEMPERATURE EFFECT OF DEEP INTACT ROCK FROM BEISHAN PRESELECTED AREA FOR HIGH-LEVEL
2 北山预选区深部岩石
北山预选区深部的岩石主要是似斑状二长花岗 岩和英云闪长岩(见图 1)，夹杂少量岩浆分异过程中 形成的或后期侵入的伟晶岩等。似斑状二长花岗岩 为灰白色似斑状结构，块状构造，主要成分为石英、 斜长石、碱性长石和黑云母。英云闪长岩为花岗结 构，块状构造，主要成分为石英、钾长石、斜长石 和黑云母。英云闪长岩为加里东期侵入岩，它与主 体岩石界线明显，接触面呈平直状、舒缓波状，以
要的影响。随着温度的升高，围压为 10 和 30 MPa 时的弹性模量逐渐升高，至 70 ℃左右时达到最高，之后随温
度的升高略微降低；裂纹损伤应力呈线性显著降低，而泊松比呈线性明显升高。稳态蠕变阶段的应变速率随着温
度的升高而明显加速，在同一应力比下到达破坏的时间相应降低。随着恒载应力的降低，似斑状二长花岗岩达到
自 1985 年以来，我国已开展了高放废物处置 库选址和场址评价研究、处置库概念设计调研等工 作，并提出选用花岗岩作为高放废物地质处置库围 岩的预选围岩是可行的。经过全国筛选和地区预选， 已初步确定甘肃北山为重点预选区[19]。为了评价该 场址建造高放废物处置库的适宜性，并为设计和建 造地下实验室和处置库提供必要的参数，本文对甘 肃北山深部完整岩石的基本物理力学性能和时温效 应进行了系统的研究，同时通过声发射定位技术测 定了岩石蠕变过程中的声发射特性。
1引言
高放废物深地质处置是目前有核国家正在研 究的复杂深部地下工程，开发高放废物处置库一般 需要经过基础研究、处置库选址及场址评价、地下 实验室研究以及处置库设计、建设和关闭等阶段， 是一个长期的系统工程。从 20 世纪 50 年代开始， 美国、德国、加拿大、瑞典、瑞士、英国、法国、 比利时、芬兰、日本和中国等近 30 个国家都进行了 大量研究工作，虽经几十年努力，但至今仍没有一 个国家建成高放废物处置库，美国计划于 2010 年建 成世界上第一个高放废物处置库[1]。岩石力学问题 是高放废物处置库选址、设计、建造和运行过程中 非常重要的问题，是各阶段中不可或缺的一个重要 研究方面[2，3]。高放废物处置库选址、设计、建设 和评价过程中必须测定的岩石和岩体参数包括不连 续面、裂隙力学性能、完整岩石力学性能、岩体力 学性能和热学性能及边界条件等[4]。
方。许锡昌[11]指出，75 ℃和 200 ℃分别是花岗岩弹 性模量和单轴抗压强度的门槛温度。刘泉声等[12]研 究了三峡花岗岩蠕变时，单轴应变和黏聚力随温度 与时间的变化规律。L. G. Tham 等[13～15]研究了温度 对花岗岩力学性能和蠕变特性的影响。
声发射是材料在外力作用下，其组成微粒产生 错位或裂纹等释放出能量而产生的弹性波。声发射 测试时不需要外部激励，被认为是一种良好的无损 检测手段。声发射直接反映了试样内部的损伤，因 而累积声发射数可用于表征试样的损伤度。李庶林 等[16]研究了单轴加载条件下岩石声发射的活动特 征。Q. X. Lin等[17]采用声发射定位技术研究了花岗 岩在恒载下的渐进破坏过程和破坏机制。赵兴东 等[18]研究了花岗岩破裂全过程的声发射特性。
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(a) 似斑状二长花岗岩
岩石力学与工程学报
2007 年
北山深部完整岩石的颗粒密度随深度变化情 况如图 2 所示，似斑状二长花岗岩随深度没有明显 变化，颗粒密度为 2.64～2.71 g/cm3。英云闪长岩的 颗粒密度为 2.67～2.87 g/cm3，其均匀性低于似斑状 二长花岗岩。这是由于部分岩性段的英云闪长岩含 浅色矿物较多，颗粒密度较小；部分岩性段的英云 闪长岩含深色矿物较多，颗粒密度较大的缘故。伟 晶岩含浅色矿物较多，其颗粒密度最低，为 2.60～ 2.62 g/cm3。
• 2035 •
respectively，the elastic modulus increases with temperature increasing to about 70 ℃，and then decreases a little with the temperature increasing higher；the crack damage stress linearly decreases and Poisson′s ratio linearly increases separately with the temperature increases. The steady state creep strain rate increases and the time to failure response at the same stress ratio reduces with the temperature increasing. The time to failure increases rapidly as the constant load decreases. The axial creep strain increases and time to failure of granite at the same stress ratio increases rapidly when confining pressure increases. Key words：high-level radioactive waste(HLW)；deep geological disposal；granite；physico-mechanical properties； time-temperature effect
(1. 北京科技大学 土木与环境工程学院，北京 100083；2. 核工业北京地质研究院，北京 100029；3. 香港大学 土木工程系，香港)
摘要：岩石物理力学性能研究是高放废物处置库选址、设计、建造和性能评价中不可或缺的一个重要研究方面。
经过全国筛选对比，已初步确定甘肃北山地区为我国高放废物处置库重点预选区。甘肃北山地区深部的主要岩石
3. Department of Civil Engineering，University of Hong Kong，Hong Kong，China)
Abstract：Physico-mechanical property is one of the important aspects for site selection，design，construction and performance assessment of high-level radioactive waste(HLW) disposal. Through a nationwide screening and comparison，Beishan area，a Gobi desert in Gansu Province，is considered as a suitable candidate for HLW geological repository in China. The dominant lithology in Beishan area is porphyritic monzonitic granite and tonalite，with high homogeneity. The deep intact rock of Beishan area has the properties of high density，low porosity，high mechanical strength，low strain and high brittleness. The strain and acoustic emission behavior of granite under constant loading with different temperatures(room temperature，50 ℃，90 ℃) and confining pressures (0，10 and 30 MPa) are studied through creep test. The results indicate that the effect of temperatures and confining pressure on the mechanical property is significant. When the confining pressure is 10 and 30 MPa
收稿日期：2006–12–20；修回日期：2007–05–11 作者简介：刘月妙(1968–)，女，1992 年毕业于华北水利水电学院水文地质与工程地质专业，现任高级工程师，主要从事核废物地质处置方面的研究 工作。E-mail：liuyuemiao@sina.com
第 26 卷 第 10 期
刘月妙，等. 高放废物处置北山预选区深部完整岩石基本物理力学性能及时温效应
到目前为止，特别是在高温条件下，有关花岗 岩流变特性的研究仍然相当有限。H. Ito 等[5～7]研究 了花岗岩在室温下的蠕变特性与破坏机制。N. L. Carter 等[8，9]研究了花岗岩在熔融或半熔融状态下的 蠕变特性。R. L. Kranz 等[10]指出，提高温度可明显 降低岩石的强度，在同一荷载水平下，温度从 24 ℃ 升高到 200 ℃时，岩石的破坏时间大概减少了二次
3.0
似斑状二长花岗岩
英云闪长岩
2.9
伟晶岩
颗粒密度/(g·cm－3)
为似斑状二长花岗岩和英云闪长岩，似斑状二长花岗岩均匀性好，两种主岩均具有高密度、低孔隙率、高力学强
度、低变形和高脆性的特性。通过一系列室内蠕变试验，研究在不同温度(室温，50 ℃，90 ℃)与围压(单轴，10 MPa，
30 MPa)条件下，北山花岗岩在不同恒定应力水平下的变形特征与声发射特性，温度和围压对岩石力学性能有着重
第 26 卷 第 10 期 2007 年 10 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.26 No.10 Oct.，2007
高放废物处置北山预选区深部完整岩石 基本物理力学性能及时温效应
Fra Baidu bibliotek
刘月妙 1，2，王 驹 2，谭国焕 3，蔡美峰 1
RADIOACTIVE WASTE DISPOSAL
LIU Yuemiao1，2，WANG Ju2，THAM L G3，CAI Meifeng1
(1. School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China； 2. Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China；
破坏的时间显著增长。随着围压的增加，轴向蠕变变形量明显增加；在相同的应力比下，导致岩石断裂破坏的时
间显著延长。
关键词：高放废物；深地质处置；花岗岩；物理力学性能；时温效应
中图分类号：TL 942+.211
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2007)10–2034–09
BASIC PHYSICO-MECHANICAL PROPERTIES AND TIME-TEMPERATURE EFFECT OF DEEP INTACT ROCK FROM BEISHAN PRESELECTED AREA FOR HIGH-LEVEL
2 北山预选区深部岩石
北山预选区深部的岩石主要是似斑状二长花岗 岩和英云闪长岩(见图 1)，夹杂少量岩浆分异过程中 形成的或后期侵入的伟晶岩等。似斑状二长花岗岩 为灰白色似斑状结构，块状构造，主要成分为石英、 斜长石、碱性长石和黑云母。英云闪长岩为花岗结 构，块状构造，主要成分为石英、钾长石、斜长石 和黑云母。英云闪长岩为加里东期侵入岩，它与主 体岩石界线明显，接触面呈平直状、舒缓波状，以
要的影响。随着温度的升高，围压为 10 和 30 MPa 时的弹性模量逐渐升高，至 70 ℃左右时达到最高，之后随温
度的升高略微降低；裂纹损伤应力呈线性显著降低，而泊松比呈线性明显升高。稳态蠕变阶段的应变速率随着温
度的升高而明显加速，在同一应力比下到达破坏的时间相应降低。随着恒载应力的降低，似斑状二长花岗岩达到
自 1985 年以来，我国已开展了高放废物处置 库选址和场址评价研究、处置库概念设计调研等工 作，并提出选用花岗岩作为高放废物地质处置库围 岩的预选围岩是可行的。经过全国筛选和地区预选， 已初步确定甘肃北山为重点预选区[19]。为了评价该 场址建造高放废物处置库的适宜性，并为设计和建 造地下实验室和处置库提供必要的参数，本文对甘 肃北山深部完整岩石的基本物理力学性能和时温效 应进行了系统的研究，同时通过声发射定位技术测 定了岩石蠕变过程中的声发射特性。
1引言
高放废物深地质处置是目前有核国家正在研 究的复杂深部地下工程，开发高放废物处置库一般 需要经过基础研究、处置库选址及场址评价、地下 实验室研究以及处置库设计、建设和关闭等阶段， 是一个长期的系统工程。从 20 世纪 50 年代开始， 美国、德国、加拿大、瑞典、瑞士、英国、法国、 比利时、芬兰、日本和中国等近 30 个国家都进行了 大量研究工作，虽经几十年努力，但至今仍没有一 个国家建成高放废物处置库，美国计划于 2010 年建 成世界上第一个高放废物处置库[1]。岩石力学问题 是高放废物处置库选址、设计、建造和运行过程中 非常重要的问题，是各阶段中不可或缺的一个重要 研究方面[2，3]。高放废物处置库选址、设计、建设 和评价过程中必须测定的岩石和岩体参数包括不连 续面、裂隙力学性能、完整岩石力学性能、岩体力 学性能和热学性能及边界条件等[4]。