国家高放废物深地质处置库建设的工程实践指南——《高压实膨润土多场耦合缓冲性能及理论》

内容提要

本书是一部有关膨润土多场耦合缓冲性能及理论研究的学术专著，系统介绍了近20年来作者及其团队围绕膨润土基缓冲材料的水力屏障、力学屏障、化学屏障与热力学屏障性能方面的研究成果。

本书共分六篇18章，内容涉及高放废物深地质处置慨念，缓冲/回填材料与膨润土屏障性能；水力屏障性能：持水特性、饱和-非饱和和渗透特性及气体迁移特性；力学屏障性能：膨胀、压缩与抗剪强度及其模型；化学屏障性能：吸附、扩散特性及改性润土的化学阻滞特性；热力学屏障性能：导热性能及其水-热耦合模型；以及热-水-力耦合本构模型。

适用人群

本书可供工程地质、非饱和土力学及环境地质学等领域的科研、工程技术与管理人员，以及高等院校相关专业的师生参考。

根据高放废物深地质处置的多屏障库设计概念，缓冲/ 回填材料 (人工屏障) 的主要功能是维护处置库结构稳定的工程屏障，阻止地下水渗流的水力学屏障，阻滞核素迁移的化学屏障，以及传导-扩散库内核素辐射、衰变热的热力学屏障等。以蒙脱石为主要成分的高压实膨润土因具有极强的膨胀性、超低的渗透性、良好的导热性和超强的化学吸附性等，被公认为是最适合的缓冲/ 回填材料。

本书是项目团队 20年研究成果的总结，是一本聚焦我国拟建深地质处置库的首选缓冲/ 回填材料——内蒙古高庙子 (ＧＭＺ) 膨润土研究的成果专著。

本书取得的学术成果

1

以GＭZ膨润土为研究对象,开展了耦合条件下高压实膨润土持水特性试验,构建了考虑温度、干密度和化学影响的高压实膨润土持水曲线模型；开展了考虑化学（去离子水、盐溶液和碱溶液）、温度(20~80℃)影响的恒体积、无侧限高压实膨润土饱和与非饱和渗透试验，建立了考虑化学、温度影响的高压实膨润土饱和与非饱和渗透模型。

2

研发了温控-超低渗岩土介质气体渗透试验装置，开展了刚性及柔性边界条件下，饱和超低渗介质气体渗透试验，构建了水-力耦合条件下饱和超低渗介质气体突破模式甄别概念模型。

3

开展了热-水-力-化耦合条件下膨胀力试验及膨胀变形试验，探究了吸力、温度、化学、应力诱导各向异性等因素对压实膨润土材料膨胀特性的影响。

4

研制了温-湿-化控制的非饱和高压固结试验装置，开展了考虑吸力、温度、化学、应变速率等因素影响的GMZ膨润土压缩特性试验,分析了耦合条件下非饱和膨润土力学行为及其机理;基于温湿控制的高压实GMZ膨润土流变试验,建立了膨胀和压缩变形时效性模型;同时, 基于既有的饱和土弹-热-黏模型和非饱和土弹-黏塑模型,构建并验证了非饱和土弹-热-黏塑模型。

5

开展了GMZ膨润土对稀土元素镧/铕/镱等的吸附过程试验,解释了温度、化学溶液等对吸附过程的影响机理;开展了在化学影响的膨润土中模拟核素扩散试验,分析评价了离子种类、离子强度、溶液ｐH和干密度等因素对GMZ膨润土中镧和铕两种稀土元素扩散性能的影响;提出了基于 ８-羟基喹啉、氧化石墨烯、海藻酸钠三种物质的GMZ膨润土改性方法,分析评价了改性GMZ膨润土对稀土元素的吸附和扩散性能。

6

开展了高压实膨润土、膨润土-砂混合物及改性膨润土的导热特性试验，分析了干密度、各向异性等因素对其导热特性的影响机理，构建了高压实膨润土的导热性能预测模型。

7

在净应力-偏应力-总吸力空间中, 定义了剪切边界面、加载-坍塌 (LC) 边界面和吸力边界面, 以描述膨润土剪切、压缩和吸力变化过程中应力-应变曲线从弹性到弹塑性的平滑过渡, 以及边界面内的弹塑性变形。

8

定义了临界饱和状态概念并明确了其物理意义; 基于临界饱和线, 在独立变量框架下, 建立了热-水-力耦合条件下膨润土的临界饱和本构模型; 随后结合边界面塑性理论, 将模型扩展至三轴应力状态

9

基于高压实膨润土微观孔隙结构特征, 借助弹塑性理论, 分析研究了高压实膨润土化-水-力耦合作用机制, 构建了高压实膨润土的化-水-力耦合本构模型。

院士寄语

如何实现高放废物的安全有效处置是保障核能可持续发展的关键，更是一个亟待解决的世界性难题。深地质处置被公认是最为可行的方法，即将高放废物封存在距地表以下500~1000深、合适的稳定岩体中的处置库内， 通过天然与人为设置的种种屏障来阻止核素的迁移与泄漏，以实现对高放废物的永久处置。

根据围岩性质差异，国际在建或拟建的处置库大致可分为单屏障库与多屏障库两种类型。 硬岩中的多屏障库中,缓冲/ 回填材料 (人工屏障) 的设计功能包括: 维护处置库结构稳定性的工程屏障作用，阻止地下水渗流的水力学屏障作用，阻滞核素迁移的化学屏障作用，以及对辐射热具有良好热传导和扩散性能的导体作用。以蒙脱石为主要成分的高压实膨润土具备上述的多种屏障功能，被认为是最适合的人工屏障缓冲/回填材料。

处置库建设与运营过程中，围岩中的地下水向库内渗透，引起高压实、富含蒙脱石的膨润土吸水膨胀，以密封高压实膨润土材料砌置与回填施工缝隙以及围岩中因处置库开挖卸载产生的裂缝，形成阻障围岩中地下水入渗、库内高放废物辐射扩散等的人工屏障；同时，这一屏障功能的形成与发挥过程，还将不可避免地遭受到围岩地下水及其化学成分，库内核废料衰变产生的热，围岩约束下的缓冲/ 回填材料内产生机械应力，以及地下水入渗引起的库内金属构件的腐蚀、微生物的降解和地下水的放射性辐解等过程将会产生大量的氢气、二氧化碳和甲烷等气体的耦合作用。尤其是，在处置库万年或更长的运营周期中，上述因素的影响过程常呈现强、弱循环变化特征。

我国高放废物深地质处置与国际上发达国家相比，我国高放废物深地质处置工作晚起步近半个世纪。但21世纪以来，我国高放废物深地质处置工作进展迅速，目前已确定甘肃北山花岗岩体作为首座处置库建设场地，内蒙古高庙子(ＧＭＺ)膨润土为首选缓冲/ 回填材料，2021年开始地下实验室建设，并计划于21世纪中叶建成地下处置库。

20余年来，叶为民教授及其团队紧密围绕我国首座高放废物深地质处置库建设这一国家战略问题，借助工程地质学、非饱和土力学与多场耦合理论，开展了热-水-力-化耦合作用的高压实膨润土工程行为研究，取得了丰富的理论与技术成果。①建立了多场、多相耦合高压实膨润土水力特性理论。开展了耦合高压实膨润土的土水特征试验研究，建立 了考虑温度、化学影响的土水特征模型和温控饱和渗透与非饱和渗透模型，成功将土水特征研究拓展至化学场，以及岩土介质的非饱和渗透模型拓展至温度场；②构建了耦合超低渗岩土介质气体渗透理论。研发了首台多场多相耦合超低渗介质气体渗流过程试验系 统，实现0.0001mL/min超低渗量测;开展了温控高压实膨润土气体渗透/突破研究,构建了考虑温度影响的超低渗介质气体渗透模型与突破模式甄别模型;③建立了热-水-力-化控制的膨润土强度与变形理论。开展了吸力、 温度、化学等影响的GMZ膨润土力学特性试验,建立了膨胀和压缩变形时效性模型与非饱和膨润土弹-热-黏塑模型；在有效应力中引入渗透应力Ｐπ 概念，建立了化-渗-力耦合作用下工程屏障材料的本构模型。

该专著从特殊土工程地质学、水文地质学、放射性化学、非饱和土力学等多学科角度，研发了实验设备与先进试验技术，完成了大量的试验研究并积累了翔实的数据，构建了理论模型，获得了重要的科学结论。专著的出版对于丰富工程地质、特别是非饱和土工程学、非饱和土力学与多场耦合理论，服务国家深地质处置库建设，具有极其重要的理论与工程实践价值。

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本文摘自科学出版社2025年11月出版的《高压实膨润土多场耦合缓冲性能及理论》一书，内容有删节。标题为编者所加。

（本文编辑：韦沁 weiqin@cspm.com.cn）

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