低渗透裂隙介质渗透特征评价技术及其应用研究

论文摘要

高放废物地质处置研究的需要使得低渗透介质水文地质学受到越来越多的关注。充分理解低渗透介质,尤其是裂隙介质的水文地质特征尤为重要。本论文以我国高放废物深地质处置预选区环境水文地质特征为基础,结合我国高放废物地质处置研究进展和现状,运用数值模拟技术、同位素技术、地球物理测量技术、现场水文地质试验技术等先进的综合技术手段,在系统科学思想的指导下,研究深部环境裂隙构造空间结构特征描述技术,探究适合于低渗透裂隙介质水文地质特征评价的新技术新方法,为我国高放废物地质处置选址和场址性能评价提供技术支持。主要研究内容和成果如下:（1）裂隙介质的渗透空间结构描述是低渗透裂隙介质水文地质特征研究的重要内容。本文从裂隙调查入手,改进了传统的岩心裂隙编录技术,建立基线-三点法岩心裂隙编录新方法,并在现场裂隙调查中进行了广泛的应用。将高分辨率钻孔超声波电视测量技术应用到深部环境裂隙构造空间结构特征研究中,建立了钻孔电视测量技术方法,取得了良好的效果。应用实践表明,钻孔超声波电视测量技术具有分辨率高,精度高,测量速度快,数据分析解译手段先进等特点,是研究地下深部裂隙构造特征最直接最有效的方法之一。（2）根据北山预选区的环境水文地质条件,从国外定制了一套双栓塞水文地质试验系统,开展低渗透裂隙介质若干水文地质特征参数测量研究,建立起双栓塞水文地质试验技术,其主要内容包括先进可靠的试验设备、试验设计、试验准备、现场实施和数据综合分析等。利用双栓塞封隔技术,在甘肃北山预选区分层采集到了深部原状地下水样品。水样品分析结果显示采自钻孔深部的地下水氚含量为0,未检测到CFC。这表明深部地下水年龄较老,在50年以上,不参与现代水循环。这是首次在北山预选区获得的不含氚的深部地下水样品,为开展深部地下水环境特征研究和场址特性评价提供了宝贵的数据。（3）在充分比较研究了已有水文地质试验技术方法的基础上,提出用双栓塞斯拉格试验技术,即双栓塞斯拉格闭合试验技术和脉冲试验技术解决低渗透裂隙介质深部环境渗透特征评价的新方法,首次建立了考虑温度效应、钻孔储存效应和水位瞬时变化特征的地下水流三维数值模型,即SSLUG模型,并编写了相应的计算机程序,即SSLUG程序。完善了斯拉格试验理论模型,扩大了脉冲试验的应用范围。现场试验深度达到489m,应用实践结果表明,双栓塞斯拉格试验技术是一项适合于低渗透裂隙介质深部环境渗透特征评价的先进、可靠的技术方法。（4）应用SSLUG程序完成了参数灵敏度分析研究,研究了温度效应、钻孔储存效应、井下管状阀门的使用、钻孔竖管半径与渗透性、试验历时时间的相互关系。在此基础上,对双栓塞斯拉格试验技术应用于深部环境渗透特征评价提出了优化建议,从理论上进一步完善了双栓塞斯拉格试验技术。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 前言
• 1.1 本论文的选题依据、目的和意义
• 1.2 高放废物地质处置研究开发现状
• 1.2.1 国际高放废物地质处置研究开发进展
• 1.2.2 中国高放废物地质处置研究开发进展
• 1.3 高放废物地质处置研究开发中的水文地质问题
• 1.3.1 国外低渗透性介质水文地质学的研究进展
• 1.3.2 我国低渗透性介质水文地质学的研究进展
• 1.3.3 高放废物地质处置研究开发中的水文地质问题
• 1.4 本论文研究内容和技术路线
• 1.4.1 高放废物地质处置预选区环境水文地质特征概况
• 1.4.2 裂隙介质的渗透空间结构描述技术研究
• 1.4.3 低渗透裂隙介质渗透特性评价技术研究
• 1.4.4 低渗透裂隙介质双栓塞斯拉格试验数学模型
• 1.4.5 双栓塞斯拉格试验数学模型有限单元法求解及其应用
• 1.4.6 低渗透裂隙介质渗透特征评价技术及其结果讨论
• 2 高放废物地质处置预选区环境水文地质特征概况
• 2.1 预选区区域环境地质概况
• 2.1.1 地形地貌与气候
• 2.1.2 区域大地构造特征及演化历史
• 2.2 区域环境水文地质特征
• 2.2.1 区域地下水循环交替及水动力特征
• 2.2.2 研究区区域地下水水化学特征
• 2.2.3 地下水同位素特征
• 2.3 本章小结
• 3 裂隙介质的渗透空间结构描述技术研究
• 3.1 引言
• 3.2 改进的钻孔岩心裂隙空间结构几何参数观测编录技术
• 3.3 钻孔超声波电视测量技术
• 3.3.1 钻孔超声波电视测量基本原理
• 3.3.2 现场测量技术与数据解译分析
• 3.3.3 钻孔超声波电视在深部岩体裂隙研究中的应用
• 3.4 本章小结
• 4 低渗透裂隙介质渗透特性评价技术研究
• 4.1 引言
• 4.2 单孔双栓塞水文地质试验技术
• 4.2.1 双栓塞水文地质试验系统
• 4.2.2 双栓塞水文地质试验技术程序
• 4.2.3 试验历时过程曲线
• 4.3 深钻孔双栓塞斯拉格试验
• 4.3.1 斯拉格试验基本原理和主要特点
• 4.3.2 双栓塞斯拉格试验技术
• 4.3.3 多方法联合水文地质试验技术
• 4.4 双栓塞水文地质试验技术应用
• 4.4.1 试验目的
• 4.4.2 试验设计
• 4.4.3 现场实施
• 4.4.4 试验历时特征曲线
• 4.5 温度变化特征
• 4.6 本章小结
• 5 低渗透裂隙介质双栓塞斯拉格试验数学模型
• 5.1 引言
• 5.2 水文地质概念模型
• 5.3 钻孔储存效应
• 5.3.1 液体膨胀引起的钻孔储存效应
• 5.3.2 水位变化引起的钻孔储存效应
• 5.4 温度效应
• 5.5 双栓塞斯拉格试验理论模型
• 5.5.1 双栓塞斯拉格试验
• 5.5.2 斯拉格闭合试验
• 5.5.3 脉冲试验
• 5.6 本章小结
• 6 双栓塞斯拉格试验数学模型有限单元法求解及其应用
• 6.1 引言
• 6.2 迦辽金有限单元法
• 6.2.1 迦辽金有限元方程
• 6.2.2 三角单元剖分与基函数的构造
• 6.2.3 渗流区上的基函数
• 6.2.4 剖面流及边界条件的处理
• 6.3 单纯形搜索法求最优参数
• 6.3.1 基本原理
• 6.3.2 单纯形搜索法的计算方法
• 6.3.3 关键技术问题
• 6.4 计算机程序编制与实现
• 6.5 模型检验和实例分析
• 6.5.1 数值模型正演计算结果检验
• 6.5.2 不同模型模拟计算结果对比
• 6.5.3 实例分析
• 6.6 斯拉格试验参数灵敏度分析
• 6.6.1 解析解方法分析
• 6.6.2 数值模拟方法分析
• 6.7 应用研究
• 6.7.1 温度影响
• 6.7.2 井下管状试验阀门
• 6.7.3 竖管半径的影响
• 6.7.4 双栓塞斯拉格试验技术优化
• 6.8 本章小结
• 7 低渗透裂隙介质渗透特征评价技术及其结果讨论
• 7.1 渗透特征评价技术讨论
• 7.2 钻孔双栓塞水文地质试验结果讨论
• 8 主要结论和展望
• 8.1 主要结论
• 8.2 本论文的主要创新点
• 8.3 研究展望
• 参考文献
• 学习期间参加的学术交流活动和主要成果
• 致谢