[发明专利]高放废物处置库膨润土均质化模型和稳定性评价方法

权利要求书

1.高放废物处置库膨润土均质化模型和稳定性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：基于达西定律构建膨润土缓冲回填体系均质化数学模型，用于模拟处置库中水在缓冲回填膨润土体系中的运移过程；

步骤S2：利用构建的膨润土缓冲回填体系均质化数学模型进行模拟计算，得出处置库缓冲回填膨润土体系在长期处置过程期间，以及水运移停止的最终状态产物的物理参数；

步骤S3：根据获得物理参数推演出膨润土的湿度、渗透性能和膨胀性能随水运移时间的变化趋势，并且评价在缓冲回填体系的渗透和膨胀性能以及在长期水运移的作用下，处置库深孔的密封和稳定性；

步骤S1中构建膨润土缓冲回填体系均质化数学模型的具体步骤包括：

S11：将缓冲回填体膨润土体系划分为高压实膨润土以及外围的低密度膨润土泥；

S12：设定处置库为圆柱体形状深钻孔；

S13：根据达西定律得出圆柱形的达西定律基础变形：

其中q为单位时间的渗透流体流量，k为水力传导系数，r为圆柱体的半径，dh/dr是水力梯度，h为水头高度，△z为选取的待分析单元体的高度；

S14：将压实膨润土体划分为n个单元体：Ele1，Ele2，……,Ele n；

S15：当低密度的膨润土泥含有较高的含水率时，水从膨润土泥与压实膨润土的接触界面向压实膨润土体的n个单元体依次运移，得出运移水的体积Q为：

其中，△t为单位时间，r'为水运移起点与压实膨润土中心轴线的距离，r”为单元体中心与压实土柱体中心轴线的距离，U_e为土的吸力，γ_w为水的容重；

S16：在水运移过程中有一部分水停留在所述单元体中，引起该单元体的体积膨胀，所述单元体的径向膨胀为：

其中，△r为单元体的径向宽度，水在运移过程中，会从第n-1个单元体进入第n个单元体，少量水留在第n个单元体，其他的水继续从第n个单元体进入第n+1个单元体，△Q为进入和流出第n个单元体水量之差，即留在第n个单元体中的水量；

S17：在水的运移过程中引起的膨润土泥收缩，得出膨润土泥的体积收缩量

其中，公式中的负号表示压缩值，为第i个压实膨润土单元体膨胀量；

S18：依据步骤S16和步骤S17所得出的和△r^*，更新膨润土泥和各个单元体的其他物理参数值，最终形成膨润土缓冲回填体系均质化数学模型；

所述步骤S15中得出的单元体间运移水的体积分两个阶段：

第一个阶段为初始阶段，水从膨润土泥和压实膨润土的界面向压实膨润土运移，并且这一阶段中又分为两种情况：

第一情况：水从膨润土泥向第一个压实膨润土单元体运移是从两者的交界开始，进入第一个压实膨润土单元体的水运移量的计算公式为：

第二种情况：水从压实膨润土的各单元体之间进行运移，其进入其他压实膨润土单元体的水运移量的计算公式为：

其中，n1且Q_n表示水从压实膨润土的单元体间的运移体积，为第n-1个单元体和第n个单元体渗透系数的加权平均值，表示由于各单元体径向宽度不同其渗透系数的平均值，计算式为△U_en为第n-1和第n个单元体间的吸力差；r_n为第n个单元体中心到压实膨润土柱体中心轴的新距离；△r_n为第n个单元体的径向宽度；γ_w为水的容重；△t为一个计算步长的时间；

第二个阶段为水运移到一定程度，膨润土泥的密度增大，水从膨润土泥内部向压实膨润土的运移,这一阶段也分为两种情况：

第一种情况：水从膨润土泥向第一个压实膨润土单元体运移是从膨润土泥的中心开始，进入第一个单元体的水运移量的计算公式为：

其中，Q₁表示水从膨润土泥向第一个压实膨润土单元体的运移量，k₁为第一个压实膨润土单元体的渗透系数；为第一个单元体和膨润土泥渗透系数的加权平均值，且△U_e1为第一个单元体与膨润土泥的吸力差；R表示压实膨润土柱体的半径，即所有单元体的总径向宽度；r₁为第一个单元体中心至压实膨润土柱体中心轴的距离；r_mud为膨润土泥径向中心至压实膨润土柱体中心轴的距离；

第二种情况：水从压实膨润土的各单元体之间的运移，此时水运移的计算公式采用式(6)进行计算；

步骤S2所述的利用构建的膨润土缓冲回填体系的均质化数学模型进行模拟计算的具体操作步骤为：

S51：在已构建的膨润土缓冲回填体系的均质化数学模型中设定t个时间步长△t和n个膨润土单元体，其中，T为设定的总时长，可分为两个阶段t₁和t₂，t₁∈(1,2,3......m)，

S52：输入初始参数值：

R(0)，r_n(0)，△r_n(0)，r_mud(0)，ρ_d1(0)，ρ_d(mud)(0)，k₁(0)，U_e(0)；

S53：根据初始参数，计算出第一个时间步长的膨润土泥和各压实膨润土单元体的物理参数，即是R(1)，r_n(1)，△r_n(1)，r_mud(1)，ρ_d(n)(1)，ρ_d(mud)(1)，k_n(1)，U_en(1)，在计算中，对于第一个单元体和其他单元体，渗透系数分别取k₁(1)和加权平均值(此处n1)；

S54：根据第一个时间步长计算出的压实膨润土单元体的参数，采用步骤53中同样的计算方法，进行迭代计算并得出第t₁个(t₁为,2,3,…m)时间步长△t条件下的膨润土泥和n个(n为1，2，...，N)压实膨润土单元体的物理参数；

S55：当时，此时t＝m+1，根据第m个时间步长计算出的膨润土泥和压实膨润土单元体的参数，按照所有单元体的渗透系数都取加权平均值继续迭代计算出第t₂个(t₂为)时间步长△t条件下的膨润土泥和n个压实膨润土单元体的物理参数；

S56：如果步骤S55迭代计算出的结果不收敛，则减少时间步长的数值为△t'，同时将膨润土单元体的总数量由n增加到n+a，其中a0，再依据步骤S51-S55同样的方式计算出在△t'时间步长下的膨润土泥和n+a个压实膨润土单元体的物理参数；

S57:将步骤S56中水运移模拟计算得到的膨润土物理参数值进行收敛分析，如果结果仍不收敛则继续减小时间步长和增加单元体总数量，直至结果收敛，结束计算，得出最终的膨润土泥和单元体的密度随时间的变化趋势以及其参数值。

2.根据权利要求1所述的高放废物处置库膨润土均质化模型和稳定性评价方法，其特征在于：步骤S18中所述的其他物理参数值包括R，r,r_mud,△r,ρ_d,ρ_d(mud),k,U_e，具体计算公式为：

其中，为各膨润土单元体在时间步长的径向总膨胀量，t为自然数，表示的是运算的步数即时间步长的数量；

其中，Δr_n^*(t)表示在第t步水运移计算中，以水运移的时间为△t引起的第n个单元体的径向膨胀量；

Δr_n(t)＝Δr_n(t-1)+Δr_n^*(t)    (10)，

其中，Δr_mud^*(t)表示在第t步长的水运移计算中，经过△t时间的水的运移，膨润土泥的径向收缩量；

Δr_mud(t)＝Δr_mud(t-1)+Δr_mud^*(t)    (12)，

其中，Δr_mud(t)和Δr_mud^*(t)分别表示在第t步的水运移计算中，膨润土泥的径向宽度和径向收缩量；

其中表示单元体干密度；

其中表示膨润土泥的干密度，Δr_mud表示膨润土泥的径向宽度。