緩沖材料多場耦合實驗臺架中傳感器的布置結構及方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于高放廢物地質(zhì)處置緩沖材料多場耦合性能研究領域，具體涉及緩沖材料多場耦合實驗臺架中傳感器的布置結構與方法。目的是為緩沖材料熱-水-力-化學多場耦合大型實驗臺架的成功建造，并揭示緩沖材料在多場耦合條件下的行為提供必要前提。本結構與方法根據(jù)實驗臺架中加熱器的位置，在壓實的膨潤土塊體層中自下而上劃分3個不同的監(jiān)測區(qū)，每個監(jiān)測區(qū)中再細劃分出不同的監(jiān)測層，監(jiān)測層是垂直于試驗臺架縱軸的橫截面。其中，底部監(jiān)測區(qū)劃分出2個監(jiān)測層，中部監(jiān)測區(qū)劃分出4個監(jiān)測層，上部監(jiān)測區(qū)劃分出2個監(jiān)測層，除了位移傳感器要貫穿數(shù)個監(jiān)測層外，土應力傳感器、空隙水壓力傳感器、溫度傳感器、溫濕度傳感器和電化學腐蝕傳感器都位于監(jiān)測層內(nèi)。
【專利說明】緩沖材料多場耦合實驗臺架中傳感器的布置結構及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于高放廢物地質(zhì)處置緩沖材料多場耦合性能研究領域，具體涉及緩沖材料多場耦合實驗臺架中傳感器的布置結構及方法。
【背景技術】
[0002]放射性廢物的安全處理處置問題是影響核工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵因素，而其中高放射性廢物的安全處置問題尤為突出。高放廢物含有放射性活度高、半衰期長、毒性大、釋熱率高的放射性物質(zhì)，這些放射性物質(zhì)一旦進入生物圈，危害極大，且難以消除。對于這一問題，2006年初國防科學技術工業(yè)委員會、科學技術部和國家環(huán)境保護總局聯(lián)合發(fā)布的“高放廢物地質(zhì)處置研究開發(fā)規(guī)劃指南”明確指出，我國高放廢物地質(zhì)處置采用多重屏障(地質(zhì)介質(zhì)屬于天然屏障，廢物體、包裝容器和緩沖回填材料等屬于工程屏障)深地質(zhì)處置的方式進行處置。緩沖材料作為處置庫中多重屏障系統(tǒng)的重要組成部分，是填充在廢物罐和地質(zhì)體之間的最后一道人工屏障，起著工程屏障、水力學屏障、化學屏障、傳導和散失放射性廢物衰變熱等重要作用，是地質(zhì)處置庫安全性和穩(wěn)定性的有效保障。通過礦物學、水力學和力學方面的研究，國際上普遍認為以蒙脫石為主要成分的膨潤土是最合適的緩沖材料。經(jīng)過全國篩選，1996年已初步確定內(nèi)蒙古高廟子膨潤土為我國高放廢物處置庫的首選緩沖材料。
[0003]高放廢物地質(zhì)處置庫中的高放廢物釋熱將引起廢物體、包裝容器、緩沖材料和圍巖中溫度的升高，導致處置庫內(nèi)緩沖/回填材料和圍巖產(chǎn)生應力變化，以及材料礦物成分和性能的改變。同時，處置庫圍巖中的地下水在高壓地下水流的作用下向處置庫內(nèi)發(fā)生滲透，導致高壓實、富含蒙脫石的膨潤土遇水吸濕引起土中吸力變化，并導致土體膨脹變形，以使高壓實膨潤土塊體砌置時形成的塊體之間和塊體與圍巖之間的施工縫隙以及圍巖中因處置庫開挖卸載引起的裂縫閉合，形成阻障圍巖中地下水快速滲入處置庫內(nèi)而引起核素遷移與輻射擴散的人工屏障。此外，入滲地下水體也會與多重屏障體系發(fā)生化學反應，改變?nèi)斯て琳喜牧系木彌_性能。因此，隔離屏障在熱量和地下水等作用下要產(chǎn)生非常復雜的“熱-水-力-化學(THMC) ”耦合現(xiàn)象。
[0004]為了確保隔離屏障的長期安全性，必須對這個體系主要的現(xiàn)象進行科學的模擬試驗，而在室內(nèi)建造緩沖材料多場耦合大型實驗臺架進行長期模擬試驗，是探索模擬處置庫條件下緩沖材料的熱-水-力-化學耦合特性，建立緩沖材料長期性能評價方法的有效手段。根據(jù)目前我國的高放廢物地質(zhì)處置概念設計，裝有玻璃固化體的金屬廢物罐將被豎直放置在處置坑道中，周圍包裹一定厚度的壓實膨潤土塊組成的緩沖材料，廢物罐和緩沖材料通常稱為“人工屏障”，外圍的巖石稱為“天然屏障”。因此，緩沖材料多場耦合試驗臺架一般包括垂直罐體、膨潤土塊、加熱器、注水裝置以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分，為軸對稱結構。其中，罐體中心的加熱器是用來模擬高放廢物處置罐的衰變放熱現(xiàn)象，置于罐體周邊的注水管模擬地下水的滲透作用。溫度、相對濕度、應力、變形等測量元器件被埋置于膨潤壓實土塊中，以跟蹤分析膨潤土的物理力學現(xiàn)象。對實驗臺架中的各種傳感器進行合理布置是完成這一大型模擬實驗的關鍵技術之一。大型實驗臺架的運行周期一般是5~10年，甚至更長，且一旦開始運行無法臨時拆開進行維護，各類傳感器將長期工作在高溫高壓高濕的環(huán)境中。要保證采集到的數(shù)據(jù)真實可靠，個別傳感器出現(xiàn)故障后對整個實驗的影響較小，除了提高傳感器的材料要求、制造工藝之外，關鍵是對傳感器進行合理的布置。同時，由于施工操作空間的限制，實驗臺架中的傳感器數(shù)目有限，只有對傳感器進行合理的布設，在試驗進行過程中才能獲得理想的數(shù)據(jù)資料，進而揭示在熱-水-力-化學多場耦合條件下緩沖材料行為的變化規(guī)律。因此，亟需開發(fā)一種緩沖材料多場耦合大型實驗臺架中傳感器的布置方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種緩沖材料多場耦合實驗臺架中傳感器的布置結構及方法，為緩沖材料熱-水-力-化學多場耦合大型實驗臺架的成功建造，并揭示緩沖材料在多場耦合條件下的行為提供必要前提。 [0006]本發(fā)明的技術方案如下，一種緩沖材料多場耦合實驗臺架中傳感器的布置結構，根據(jù)實驗臺架中加熱器的位置，在壓實的膨潤土塊中自下而上劃分3個不同的監(jiān)測區(qū)；第I區(qū)為底部監(jiān)測區(qū)，為加熱器承重底座；第11區(qū)為中部監(jiān)測區(qū)，包裹在加熱器周圍；第111區(qū)為上部監(jiān)測區(qū)，覆蓋在加熱器上方；其中，第I區(qū)包含2個監(jiān)測層；第11區(qū)包含4個監(jiān)測層；第III區(qū)包含2個監(jiān)測層；加熱器外底表面與試驗臺架腔體內(nèi)底表面之間設有三個位移傳感器，加熱器外頂面與試驗臺架腔體頂蓋之間設有三個位移傳感器，所述位移傳感器豎直放置并穿透所在區(qū)域所有膨潤土層；各監(jiān)測層內(nèi)設有土應力傳感器、空隙水壓力傳感器、溫度傳感器、溫濕度傳感器和電化學腐蝕傳感器。
[0007]如上所述的一種緩沖材料多場耦合大型實驗臺架中傳感器的布置結構，其中:在所述第I區(qū)內(nèi)，位于下方的為第一監(jiān)測層，位于上方的為第二監(jiān)測層，第一、二監(jiān)測層，將I區(qū)三等分；以第一監(jiān)測層中心為原點，兩條注水管的連線為X軸，5個土應力傳感器
的坐標分別為(0，0)，
【權利要求】
1.一種緩沖材料多場耦合實驗臺架中傳感器的布置結構，其特征在于:根據(jù)實驗臺架中加熱器(5)的位置，在壓實的膨潤土塊(3)中自下而上劃分3個不同的監(jiān)測區(qū)；第I區(qū)為底部監(jiān)測區(qū)，為加熱器(5)承重底座；第11區(qū)為中部監(jiān)測區(qū)，包裹在加熱器(5)周圍；第111區(qū)為上部監(jiān)測區(qū)，覆蓋在加熱器(5)上方；其中，第I區(qū)包含2個監(jiān)測層；第11區(qū)包含4個監(jiān)測層；第111區(qū)包含2個監(jiān)測層；加熱器(5)外底表面與試驗臺架腔體(2)內(nèi)底表面之間設有三個位移傳感器(6)，加熱器(5)外頂面與試驗臺架腔體(2)頂蓋之間設有三個位移傳感器(6)，所述位移傳感器(6)豎直放置并穿透所在區(qū)域所有膨潤土層；各監(jiān)測層內(nèi)設有土應力傳感器、空隙水壓力傳感器、溫度傳感器、溫濕度傳感器和電化學腐蝕傳感器。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種緩沖材料多場耦合實驗臺架中傳感器的布置結構，其特征在于:在所述第I區(qū)內(nèi)，位于下方的為第一監(jiān)測層(11)，位于上方的為第二監(jiān)測層(12)，第一、二監(jiān)測層(11，12)，將I區(qū)三等分；以第一監(jiān)測層(11)中心為原點，兩條注水管(I)的連線為X軸，5個土應力傳感器的坐標分別為(0，0)，
3.根據(jù)權利要求2所述的一種緩沖材料多場耦合實驗臺架中傳感器的布置結構，其特征在于:在所述第II區(qū)內(nèi)，由下至上分別為第三~六監(jiān)測層(13~16)，且將第II區(qū)五等分；以第三監(jiān)測層(13)中心為原點，兩條注水管(O的連線為X軸，4個土應力傳感器的坐標分別為
4.根據(jù)權利要求3所述的一種緩沖材料多場耦合實驗臺架中傳感器的布置結構，其特征在于:在所述第III區(qū)內(nèi)，位于下方的為第七監(jiān)測層(17)，位于上方的為第八監(jiān)測層(18)，第七、八監(jiān)測層(17，18)，將III區(qū)三等分；第七監(jiān)測層(17)中傳感器的布置結構與第一監(jiān)測層(11)完全相同；第八監(jiān)測層(18 )中傳感器的布置結構與第二監(jiān)測層(12 )完全相同。
5.根據(jù)權利要求1或4所述的一種緩沖材料多場耦合實驗臺架中傳感器的布置結構，其特征在于:所述加熱器(5)外底表面與試驗臺架腔體(2)內(nèi)底表面之間的三個位移傳感器(6)，其中，第I個位于加熱器(5)外底表面邊緣，第2個距加熱器(5)外底表面中心的距離是加熱器(5)外底表面半徑的2/3，第3個距加熱器(5)外底表面中心的距離是加熱器(5)外底表面半徑的1/3，并且三個位移傳感器(6)與加熱器(5)外底表面的連線互成120°角；所述加熱器(5)外頂面與試驗臺架腔體(2)頂蓋之間的三個位移傳感器(6)，由加熱器(5)底部三個位移傳感器(6)旋轉180°得到。
6.一種緩沖材料多場耦合實驗臺架中傳感器的布置方法，包括如下步驟: 步驟1:根據(jù)實驗臺架中加熱器(5)的位置，在壓實的膨潤土塊(3)中自下而上劃分3個不同的監(jiān)測區(qū)；第I區(qū)為底部監(jiān)測區(qū)，為加熱器(5)提供承重底座；第II區(qū)為中部監(jiān)測區(qū)，包裹在加熱器(5)周圍；第111區(qū)為上部監(jiān)測區(qū)，覆蓋在加熱器(5)上方； 步驟2:將每個監(jiān)測區(qū)中再細劃分出不同的監(jiān)測層，監(jiān)測層是垂直于試驗臺架縱軸的橫截面；第I區(qū)包含第一、二監(jiān)測層(11，12)，第一監(jiān)測層到試驗臺架腔體(2)底面的垂直距離、第一監(jiān)測層(11)到第二監(jiān)測層(12)的距離、第二監(jiān)測層到加熱器(5)底部的垂直距離相等；第II區(qū)內(nèi)有第三~六監(jiān)測層(13~16)，使各個監(jiān)測層間的距離、第三監(jiān)測層(13)到加熱器(5)底部的垂直距離、第六監(jiān)測層(16)到加熱器(5)頂部的垂直距離均相等；第III區(qū)包含第七、八監(jiān)測層(17、18)，第七監(jiān)測層(17)到加熱器(5)頂面的垂直距離、第七監(jiān)測層(17)到第八監(jiān)測層(18)的距離、第八監(jiān)測層(18)到試驗臺架腔體(2)頂蓋的距離相等; 步驟3:將位移傳感器貫穿數(shù)個監(jiān)測層，并使土應力傳感器、空隙水壓力傳感器、溫度傳感器、溫濕度傳感器和電化學腐蝕傳感器位于監(jiān)測層內(nèi)。
7.根據(jù)權利要求6所述的一種緩沖材料多場耦合實驗臺架中傳感器的布置方法，其特征在于:所述步驟3中，在第一監(jiān)測層(11)內(nèi)分布5個土應力傳感器、3個空隙水壓力傳感器、3個溫度傳感器、4個溫濕度傳感器和3個電化學腐蝕傳感器；第一監(jiān)測層(11)中傳感器的布置方法是:①劃定試驗臺架腔體(2)內(nèi)壁上相對的兩條注水管(I)的連線為基準線LI，將LI分別逆時針旋轉30。、60。、90。,120°和150。，得到L2、L3、L4、L5和L6 ;②以監(jiān)測層中心為圓心，畫7個同心圓Cl~C7，半徑最大的C7位于顆粒狀膨潤土碎屑層(4)的正中，相鄰兩個同心圓之間的距離相等；?5個土應力傳感器分別位于L2與C6、L3與C4、L4與C3、L5與Cl的交點以及監(jiān)測層中心點上；@ 3個空隙水壓力傳感器分別位于LI與C7、L3與C5、L2與C3的交點之一上；? 3個溫度傳感器分別位于L2與C7、L4與C6、L6與C3的交點之一上4個溫濕度傳感器分別位于LI與C5、L1與C1、L3與C4、L5與C2的交點之一上?’⑦3個電化學傳感器分別位于L3與C7、L5與C6、L6與C5的交點之一上；第二監(jiān)測層(12)內(nèi)傳感器的位置由第一監(jiān)測層(11)中的所有傳感器沿逆時針方向旋轉180°得到。
8.根據(jù)權利要求7所述的一種緩沖材料多場耦合實驗臺架中傳感器的布置方法，其特征在于:所述步驟3中，第三監(jiān)測層(13)內(nèi)有4個土應力傳感器、2個空隙水壓力傳感器、3個溫度傳感器、3個溫濕度傳感器和3個電化學腐蝕傳感器；第三監(jiān)測層(13)中傳感器的布置方法是:①將上述第一監(jiān)測層中直線LI~L6在第三監(jiān)測區(qū)(13)中的投影分別記為LI’~L6’ ；②將顆粒狀膨潤土碎屑層(4)中點到膨潤土塊層(3)內(nèi)邊緣的距離4等分，以監(jiān)測層中心為圓心，監(jiān)測層中心到4個等分點的距離為半徑依次畫同心圓，得到Cl’~C4’；③4個應力傳感器分別位于LI’與C2’、L2’與C3’、L4’與C1’、L6’與C4’的交點之一上；④2個水壓力傳感器分別位于LI’與C4’、L4’與C3’的交點之一上；⑤3個溫度傳感器分別位于L2’與C4’、L3’與C2’、L6’與Cl’的交點之一上；? 3個溫濕度傳感器分別位于LI’與C3’、L3’與C2’、L5’與Cl’的交點之一上；? 3個電化學傳感器分別位于L2’與C2’、L5’與C4’、L6’與C3’的交點之一上； 所述第四監(jiān)測層(14)內(nèi)傳感器的位置由第三監(jiān)測層(13)中的所有傳感器沿逆時針方向旋轉90°得到； 所述第五監(jiān)測層(15)內(nèi)傳感器的位置由第三監(jiān)測層(13)中的所有傳感器沿逆時針方向旋轉270°得到；` 所述第六監(jiān)測層(16)內(nèi)傳感器的位置由第三監(jiān)測層(13)中的所有傳感器沿逆時針方向旋轉180°得到。
9.根據(jù)權利要求8所述的一種緩沖材料多場耦合實驗臺架中傳感器的布置方法，其特征在于:所述步驟3中，第七監(jiān)測層(17 )中傳感器的布置方法與第一監(jiān)測層(11)完全相同；第八監(jiān)測層(18)中傳感器的布置方法與第二監(jiān)測層(12)完全相同。
10.根據(jù)權利要求6或9所述的一種緩沖材料多場耦合實驗臺架中傳感器的布置方法，其特征在于:所述步驟3中，位移傳感器(6 )個數(shù)為6個，在加熱器(5 )底部設置三個，用于連接加熱器(5)外底表面與試驗臺架腔體(2)內(nèi)底表面，且豎直放置并穿透第I區(qū)所有膨潤土層；在加熱器(5)上方設置三個，用于連接加熱器(5)外頂面與試驗臺架腔體(2)頂蓋，且豎直放置并穿透第III區(qū)所有膨潤土層；所述加熱器(5)底部的3個位移傳感器(6)的布置方法是:第I個位于加熱器(5)外底表面邊緣，第2個距加熱器(5)外底表面中心的距離是加熱器(5)外底表面半徑的2/3，第3個距加熱器(5)外底表面中心的距離是加熱器(5)外底表面半徑的1/3，并且3個位移傳感器(6)與加熱器(5)外底表面的連線互成120°角；頂部3個位移傳感器(6)的位置由加熱器(5)底部3個位移傳感器(6)旋轉180°得到。
【文檔編號】G01N33/00GK103852561SQ201310438753
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年9月24日 優(yōu)先權日:2013年9月24日
【發(fā)明者】趙星光, 謝敬禮, 劉月妙, 王駒, 曹勝飛, 馬利科 申請人:核工業(yè)北京地質(zhì)研究院