高放废物地质处置地下实验室施工开挖围岩损伤演化分析方法与工程应用研究

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近年来,随着经济和核工业的快速发展以及能源需求的逐渐增加,核能因其清洁高效的优点,在世界范围内日益受到重视,核能目前已成为重要的低碳能源。然而,核工业的运行发展将不可避免产生核废料,通过深埋地质处置法,将其中高水平放射性废物埋存至深部地质处置库中进行处理,是如今国际公认的且实用高效的高放废物处置方法。通过建造深部地下实验室,对不同处置技术进行开发验证,可以有效地为后续建设高放废物地质处置库工程提供经验和技术积累。然而,深部地下实验室在施工开挖阶段因围岩应力重分布会产生施工开挖损伤区(EDZ),引起围岩物理力学性质发生显著变化,这将会对深部地下实验室的安全运营造成不利影响。因此,开展地下实验室施工开挖围岩损伤演化分析研究具有重要理论意义和工程应用价值。本文依托国防科工局重大项目课题,以甘肃北山高放废物深埋地质处置地下实验室作为研究背景,建立了基于Hoek-Brown准则的深部围岩弹塑性损伤本构模型,通过GA-BP神经网络反演了模型相关损伤力学参数,提出了地下实验室施工开挖损伤EDI的改进评价方法,编制了计算程序,并进行了工程应用,提出了具有工程指导意义的研究结论。论文取得如下研究成果:(1)通过北山地下实验室花岗岩力学试验,分析了深部围岩在不同损伤阶段的非线性力学特性,应用体积应变法确定了围岩特征强度参数。(2)针对深部围岩力学特性,构建弹塑性损伤本构模型,并依托FLAC3D平台开发了弹塑性损伤计算程序。提出了基于GA-BP神经网络的模型损伤参数反演方法,反演获得岩石损伤力学参数。(3)根据围岩的损伤扰动程度对围岩分区进行了详细划分和定义,提出了洞室开挖损伤EDI的改进评价方法,并通过FISH语言实现评价方法的程序化。(4)采用开发编制的程序,对北山深部地下实验室施工开挖及超载开展数值模拟分析,数值分析与模型试验结果总体一致,有效验证了本文建立的损伤本构模型、提出的分区损伤评价方法和数值计算结果的可靠性。(5)通过工程应用,揭示了洞群施工开挖与超载过程中围岩损伤演化规律,基于灰关联敏感性分析方法,获得了影响洞室开挖损伤的敏感性因素排序,提出了具有工程指导意义的研究结论。
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