深地層最終處置場緩衝材熱-水-力參數量測 及小型耦合試驗

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郭哲睿(Che-Jui Cuo) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

深地層最終處置場緩衝材熱-水-力參數量測及小型耦合試驗

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摘要(中)

膨潤土被應用於當作緩衝材料，做為深地層處置場高放射性廢棄物之工程障壁。處置孔在安裝完處置罐及緩衝材後，地下水從母岩逐漸入侵緩衝材內並使其逐漸飽和。處置場緩衝材的再飽和行為同時受到地下水及熱衰變之熱(Thermal)-水(Hydraulic)-力(Mechanical)耦合影響。
為了瞭解緩衝材料在不同密度之熱-水-力之耦合行為，藉參數試驗來求得密度1,400 kg/m³、1,500 kg/m³及1,600 kg/m³之緩衝材料熱傳導係數、水力傳導係數及土壤水分特性曲線相關參數，並利用攝取水試驗、溫度場分佈試驗及數值模擬分析，驗證實際熱-水-力耦合行為與數值模擬結果是否一致。
試驗結果得知，熱傳導係數隨密度及溫度提升而增加，相同溫度下，乾密度試體1,600 kg/m³熱傳導係數高於乾密度1,400 kg/m³；相同密度下，60°C試體熱傳導係數高於25°C試體。膨潤土回脹壓力隨膨潤土乾密度提生而增加，飽和水力傳導度隨膨潤土乾密度提生而下降，非飽和水力傳導度Abaqus模式推估結果高於vG-Mualem模式。水汽平衡法之試體體積修正結果近景攝影法與封蠟法無明顯區別，由於溫度影響水與空氣之介面張力及毛細半徑，土壤水分特性曲線隨溫度提升而下降。比較數值模擬與溫度場分佈試驗，溫度場數值模擬高估實際溫度。比較攝取水試驗與水-力參數耦合結果，數值模型設定Abaqus模式之非飽和相對水力傳導度高估實際含水量分佈；套入vG-Mualem模式則低估實際含水量分佈。

摘要(英)

bentonite is used to buffer material in an engineered barrier system for isolation of high-level radioactive wastes(HLW) in a repository. After emplacement of the buffer material, groundwater begins to be taken from the rock by the buffer. And the buffer becomes saturated gradually.
The resaturation of the buffer is considered a hydro-process occurring at elevated temperatures in the near-field of a repository. it is mainly affected by Thermal, Hydro and Mechanical factors, called T-H-M coupling effect.
In order to understand the thermal-hydraulic-mechanical coupling behavior of buffer materials at different dry densities. Through parameter test to obtain thermal conductivity, hydraulic conductivity and soil water characteristics curve with dry density 1,400 kg/m³, 1,500 kg/m³ and 1,600 kg/m³. And use water intake test, temperature distribution test and numerical simulation analysis to verify whether the actual thermal-hydraulic-mechanical coupling behavior is consistent with the numerical simulation results.
The test result shows that the thermal conductivity increases with the increase of density and temperature. At the same temperature, thermal conductivity of the dry density specimen 1,600 kg/m³ is higher than the dry density 1,400 kg/m³. At the same density, the thermal conductivity of the 60°C specimen is higher than that of the 25°C specimen. The swelling pressure of bentonite increases with the increase of dry density. Saturated hydraulic conductivity decreases with increasing dry density. Unsaturated hydraulic conductivity estimated by Abaqus model is higher than vG-Mualem model. There is no obvious difference between the close range photogrammetry and wax coating method in the volume correction result of the vapour equilibrium technique. Temperature affects the radius of the capillary tube and the pore radius of the air-water surface. Soil water characteristics curve decreases with increasing temperature. Comparing numerical simulation and temperature distribution test, the numerical simulation of temperature overestimates the actual temperature. Comparing the results of water intake test and hydraulic-mechanical parameter coupling. The numerical model sets the unsaturated relative hydraulic conductivity of the Abaqus model to overestimate the actual water content distribution.The numerical model sets the unsaturated relative hydraulic conductivity of the vG-Mualem model to underestimate the actual water content distribution

關鍵字(中)

★ MX-80膨潤土
★ 熱傳導係數
★ 水力傳導度
★ 土壤水分特性曲線
★ 近景攝影法
★ 數值模擬

關鍵字(英)

★ MX-80 bentonite
★ thermal conductivity
★ hydraulic conductivity
★ Soil water characteristics curve
★ close range photogrammetry
★ numerical simulation

論文目次

表目錄 VIII
圖目錄 IX
摘要 I
Abstract II
第1章緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究方法 2
1.3 研究目的 3
第2章文獻回顧 4
2.1 深地層處置場設計概念 4
2.2 緩衝材料之功能與要求 4
2.3 緩衝材料之膨潤土特性 6
2.4 近場安全評估研究報告 7
2.4.1 SKB TR-10-15報告 7
2.4.2 SKB TR-06-18報告 10
2.5 熱傳導相關文獻研析 10
2.5.1 熱傳導係數及量測方式 10
2.5.2 熱傳導係數相關文獻 13
2.6 回脹壓力及水力傳導度相關文獻 14
2.6.1 膨潤土定體積回脹結構變化行為(Zhu,2013) 14
2.6.2 水力傳導係數及回脹壓力試驗(SKB TR 06-30) 15
2.7 土壤水分特性曲線相關文獻 15
2.7.1 土壤吸力理論 15
2.7.2 土壤水分特性曲線 18
2.7.3 水汽平衡法建立不同溫度之土壤水分特性曲線 20
2.8 熱-水-力耦合研究報告 23
2.8.1 吸力試驗及水-力耦合參數驗證 23
2.8.2 熱-水-力小型耦合試驗 25
第3章試驗材料及規劃 28
3.1 試驗材料 29
3.1.1 MX-80膨潤土前置分樣處理 29
3.1.2 MX80膨潤土設計含水量調配 30
3.2 熱傳導係數試驗(熱探針法) 31
3.2.1 試驗設備 31
3.2.2 熱傳導試驗系統配置 35
3.2.3 熱探針校正試驗流程 36
3.2.4 熱探針試驗流程 37
3.3 水力傳導度及回脹壓力試驗 38
3.3.1 試驗設備 38
3.3.2 定體積回脹壓力及水力傳導度試驗配置系統 40
3.3.3 定體積回脹壓力試驗流程 41
3.3.4 水力傳導度試驗流程 42
3.4 土壤水分特性曲線(水汽平衡法) 43
3.4.1 試驗設備 43
3.4.2 試驗配置系統 46
3.4.3 試體壓製流程 46
3.4.4 水汽平衡法試驗流程 47
3.4.4.1 水汽平衡法試體量測流程 48
3.5 試體體量測方式 49
3.5.1 游標卡尺法 50
3.5.1.1 試驗設備 50
3.5.1.2 游標卡尺量測流程 51
3.5.2 封蠟法 51
3.5.2.1 試驗設備 51
3.5.2.2 封蠟法試驗流程 51
3.5.3 近景攝影法 52
3.5.3.1 試驗設備 53
3.5.3.2 整體系統配置 55
3.5.3.3 試驗流程 55
3.6 小型溫度場試驗及水-力參數耦合驗證試驗 60
3.6.1 攝取水試驗 60
3.6.1.1 試驗設備 60
3.6.1.2 試驗配置 61
3.6.1.3 試驗步驟 61
3.6.2 溫度場分布試驗 62
3.6.2.1 試驗設備 62
3.6.2.2 試驗流程 62
3.7 Abaqus溫度場及水-力耦合數值模型建立 62
3.7.1 水-力耦合數值模型建立與設定 62
3.7.1.1 網格邊界條件設定 63
3.7.1.2 參數設定 63
3.7.2 Abaqus溫度場數值模型建立與設定 64
3.7.2.1 網格邊界條件設定 64
3.7.2.2 參數設定 64
第4章土壤水分特性曲線試驗結果與行為模式 65
4.1 水汽平衡法試驗結果 65
4.2 游標卡尺、封蠟法及近景攝影法量測試體表體積結果 70
4.3 試體體積破損程度 72
4.4 試體體積量測結果 74
4.5 試體體積變化量 76
4.6 水氣平衡後孔隙比與土壤吸力關係 76
4.7 土壤吸力值與修正飽和度關係 81
4.8 擬合完整土壤水分特性曲線 81
第5章熱-水-力參數試驗結果與行為模式 89
5.1 熱傳導係數 89
5.2 回脹壓力 89
5.3 水力傳導度 90
5.3.1 飽和土壤水力傳導度 90
5.3.2 非飽和土壤水力傳導度 93
第6章數值模擬分析及參數驗證 95
6.1 熱傳導係數參數驗證 95
6.2 水-力耦合參數驗證 98
6.2.1 水-力耦合參數設定 98
6.2.2 水-力參數擬合結果分析 101
第7章結論與建議 105
7.1 結論 105
7.2 建議 106
參考文獻 107

參考文獻

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指導教授

黃偉慶

審核日期

2020-8-24

推文