一种模拟裂隙试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及高放废物地质处置缓冲/回填材料长期安全性能试验技术领域，特别是涉及一种缓冲/回填材料模拟裂隙试验装置及试验方法。

背景技术

高水平放射性废物简称高放废物，含有大量毒性大、半衰期长的放射性核素，释热量大，环境风险高，需要高程度的包容和隔离措施以保护人和环境不受其危害。如何实现高放废物的安全处置，是一个世界性的难题。目前，深地质处置被认为是合理可行的高放废物处置方案，世界各有核国家对此开展了大量研究工作。深地质处置的目标是通过在距地表深达500～1000m的稳定地质体中建设高放废物处置库，实现高放废物的最终安全处置，使其永久与人类生存环境隔离。高放废物处置库一般采用“多重屏障”的设计理念，废物体、包装容器和缓冲/回填材料称为“工程屏障”，处置库围岩称为“天然屏障”。

地下水是高放废物向处置库外界空间泄漏的载体。缓冲/回填材料作为填充在废物罐和地质体之间的最后一道人工屏障，起着水力学屏障的重要作用，阻止地下水(可能含有腐蚀物质)流到废物罐表面，同时阻止废物罐水溶化合物和核素渗漏到围岩中，因此必须掌握缓冲/回填材料(主要基材为膨润土)与裂隙岩体接触的界面，在不同化学成分、不同流速的地下水作用下所产生的膨胀变化、粘土颗粒物质向外移动规律、流出液体的浊度和电导等的变化规律。

研究缓冲/回填材料膨润土在土-岩界面的模拟裂隙试验需要进行不同开度、倾角裂隙的比较，研究地下水化学成分及流速、膨润土成分及密度与膨胀变形、颗粒物质向外移动规律、流出液体的浊度、电导的变化等的相互关系。而现有技术无法同时研究如此多的影响因素。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟裂隙试验装置及试验方法，以解决上述现有技术存在的问题，探究不同的液体及不同流速，流过不同开度的模拟裂隙时，缓冲/回填材料产生的膨胀变化、颗粒物质向外移动规律和流出液体的浊度、电导的变化及液体的体积值。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种模拟裂隙试验装置，包括依次连通的供液瓶、蠕动泵、除气机构、模拟裂隙机构和收集器，所述供液瓶用于盛放液体，所述模拟裂隙机构包括相互扣合的上模具和下模具，所述上模具和所述下模具之间的缝隙为模拟裂隙，所述上模具和所述下模具的中心位置设置有样品仓，所述样品仓用于盛放样品，通过改变所述上模具和所述下模具之间模拟缝隙的高度实现不同开度裂隙的模拟。

优选的，所述模拟裂隙机构的一侧设置有第一进液管，所述模拟裂隙机构的另一侧设置有第一出液管，所述第一进液管和所述第一出液管均与所述模拟裂隙连通，所述除气机构通过管路与所述第一进液管连通，所述收集器与所述第一出液管连通。

优选的，所述上模具和所述下模具之间设置有第一密封圈，所述第一进液管的进液口和所述第一出液管的出液口位于所述第一密封圈的内侧，所述第一密封圈设置在靠近所述上模具和所述下模具的边缘的凹槽中，所述上模具和所述下模具通过若干第一螺栓连接，若干所述第一螺栓位于所述第一密封圈的外侧，所述下模具的底部设置有若干支撑座。

优选的，所述除气机构包括储液柱，所述储液柱的上端设置有上盖，所述上盖上开设有排气孔，所述储液柱的下端设置有底座，所述储液柱与所述上盖和所述底座之间均设置有第二密封圈，所述上盖和所述底座通过若干第二螺栓固定，第二进液管穿过所述上盖与所述储液柱连通，所述除气机构的第二进液管与所述蠕动泵的出液端连通，第二出液管穿过所述底座与所述储液柱连通，所述第二出液管与所述第一进液管连通。

优选的，所述上模具和所述下模具均采用有机玻璃制成，所述上模具上设置有至少一个刻度条，所述刻度条的读数由所述样品仓的中心向所述上模具的边缘逐渐增大。

优选的，所述上模具的上方设置有相机。

本发明还提供了一种采用所述的模拟裂隙试验装置的模拟裂隙试验方法，包括如下步骤：

S1：组装模拟裂隙机构，对模拟裂隙机构进行密封性试验；

S2：将样品放入模拟裂隙机构的样品仓中，并将模拟裂隙试验装置的其余各结构进行连接，对模拟裂隙试验装置进行除气；

S3：数据采集：开启蠕动泵，供液瓶内的液体对样品进行侵蚀，收集器收集侵蚀后的液体并测定其浊度、电导率和体积，相机拍摄样品的膨胀变形及侵蚀照片；

S4：拆除装置，并进行样品处理。

优选的，所述S2中，对模拟裂隙试验装置进行除气包括以下步骤：

a1：采用超声清洗器对液体进行除气，然后将除气完成的液体倒入供液瓶中；

a2：将蠕动泵的进液端与供液瓶连通，蠕动泵的出液端与除气机构的第二进液管连通，除气机构的第二出液管与模拟裂隙机构的第一进液管连通，将第二出液管与第一进液管之间的管路用夹子夹紧；

a3：拧开除气机构的排气孔，向除气机构的储液柱中通入液体，液体加满后暂停蠕动泵，拧紧排气孔；

a4：将第二出液管与第一进液管之间的管路夹紧部位松开；

a5：将模拟裂隙机构的第一出液管端垫高；

a6：将第一出液管用夹子夹紧，将第一出液管的末端置于空的集液瓶内；

a7：开启蠕动泵，将液体通入模拟裂隙机构中，当液体从模拟裂隙机构的第一出液管端的第一密封圈缝隙溢出时，暂停蠕动泵，拧紧第一螺栓；

a8：将第一出液管从集液瓶中取出并与收集器连接，然后把第一出液管上的夹子打开，完成对模拟裂隙试验装置的除气。

优选的，所述S3中，数据采集包括以下步骤：

b1：设定蠕动泵的流速，并进行记录；

b2：从蠕动泵定量供液时起，24小时内，每5分钟拍一次照片，收集器每1小时取一次流出液体，测定其浊度、电导率和体积，并将每天收集器流出液体全部收集起来倒入集液瓶中，全部烘干；

b3：从蠕动泵定量供液时起，24～48小时内，每半小时拍一次照片，收集器每3小时取一次流出液体，测定其浊度、电导率和体积；

b4：从蠕动泵定量供液时起，48小时后，每5小时拍一次照片，每5小时取一次流出液体，测定其浊度、电导率和体积，当流出液体的浊度值降低至0～10NTU范围内，开始每50小时取一次流出液体，测定其浊度、电导率和体积，当流出液体浊度值降低至0～1NTU范围内，开始每200小时取一次流出液体，测定其浊度、电导率和体积，直至一星期后或24小时内样品膨胀变化不明显时，开始每天拍一次照片；

b5：直至样品72小时内膨胀变化不明显，每3天拍一次照片；

b6：直到样品膨胀一星期内膨胀变化不明显并且收集的液体的浊度在0～1NTU之间时，暂停蠕动泵；

b7：将蠕动泵进液端从供液瓶中取出，蠕动泵出液端与第一进液管连接，进气排水，进气速率控制在0.1～0.5ml/min，排水完成后，用夹子夹紧模拟裂隙机构的第一进液管和第一出液管。

优选的，所述S4中，样品处理包括以下步骤：

c1：将模拟裂隙机构放入冰箱中并在-20℃进行快速冷冻，然后迅速将下模具与上模具分离，按观察得到的物质向外移动范围，分圈收集样品并称重；

c2：将分圈收集的样品冷冻干燥，干燥结束后称重，得到每圈样品的干重，计算含水率；

c3：检测每圈样品的物质成分，并总结每圈样品的物质含水率及物质向外移动的规律；

c4：比较收集的流出液体中烘干的物质的重量、样品仓内剩余物质的干重以及模拟裂隙试验装置中其他结构内物质的干重，评价缓冲/回填材料膨润土的封堵裂隙和抗侵蚀性能，研究膨胀变形、是否发生侵蚀及侵蚀量大小与样品成分、干密度、流入液体的成分、流速，裂隙开度、倾角的相互关系。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明通过改变供液瓶中盛放的液体的化学成分研究不同液体侵蚀样品所产生的的膨胀变化、颗粒物质向外移动规律和采集流出液体的浊度、电导的变化及液体体积变化数据，通过改变裂隙装置上、下板之间的距离实现不同开度裂隙的模拟，通过设置裂隙装置与水平面的夹角实现不同倾角裂隙的模拟，通过改变蠕动泵的流速研究不同流速下液体侵蚀样品所产生的膨胀变化、物质向外移动规律和采集流出液体的浊度、电导的变化及液体体积变化数据，本发明对于高放废物处置缓冲/回填材料的长期稳定性研究有着极大的重要性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为样品在贯通模拟裂隙液体作用下发生侵蚀示意图；

图2为本发明的模拟裂隙试验装置示意图；

图3为本发明中的上模具示意图；

图4为本发明中的下模具示意图；

图5为本发明中的除气机构示意图；

图6为本发明中的相机与模拟裂隙机构示意图；

图7为本发明中的集液瓶与模拟裂隙机构示意图；

图8为本发明中的模拟裂隙试验过程示意图；

其中：100-模拟裂隙试验装置，1-第一进液管、2-下模具、3-螺纹孔、4-支撑座、5-第一密封圈、6-样品仓、7-模拟裂隙、8-第一出液管、9-刻度条、10-上模具、11-供液瓶、12-蠕动泵、13-除气机构、14-收集器、15-相机、16排气孔、17-上盖、18-底座、19-储液柱、20-第二密封圈、21-第二螺栓、22-第二进液管、23-第二出液管、24-模拟裂隙机构、25-样品、26-集液瓶。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种模拟裂隙试验装置及试验方法，以解决上述现有技术存在的问题，探究不同的液体及不同流速，流过不同开度的模拟裂隙时，缓冲/回填材料膨润土所产生的膨胀变化和物质向外移动规律以及流出液体的浊度、电导的变化及液体的体积值。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1-图8所示：本实施例提供了一种模拟裂隙试验装置100，包括依次连通的供液瓶11、蠕动泵12、除气机构13、模拟裂隙机构24和收集器14，收集器14为自动收集器，供液瓶11用于盛放液体，模拟裂隙机构24包括相互扣合的上模具10和下模具2，上模具10和下模具2之间的缝隙为模拟裂隙7，下模具2具有一定深度的槽，上模具10和下模具2的中心位置设置有样品仓6，样品仓6用于盛放样品25，通过改变上模具10和下模具2之间模拟缝隙7的高度实现不同开度裂隙的模拟，即通过改变下模具2中槽的深度(即上模具10、下模具2之间的距离)实现不同开度裂隙的模拟。本实施例通过改变供液瓶11中盛放的液体研究不同液体侵蚀样品25所产生的膨胀变化数值、物质向外移动规律和采集流出液体的浊度、电导的变化及液体体积变化数据，通过改变下模具2中槽的深度实现不同开度裂隙的模拟，通过改变蠕动泵12的流速研究不同流速下液体侵蚀样品25所产生的的膨胀变化数值、物质向外移动规律和采集流出液体的浊度、电导的变化及液体体积变化数据，本实施例对于研究高放废物地质处置缓冲/回填材料的长期稳定性有着极大的重要性。

具体地，本实施例中，模拟裂隙机构24的一侧设置有第一进液管1，模拟裂隙机构24的另一侧设置有第一出液管8，第一进液管1和第一出液管8相对设置，第一进液管1和第一出液管8均由若干支管，若干支管均匀布置，第一进液管1和第一出液管8均与模拟裂隙7连通，除气机构13通过管路与第一进液管1连通，收集器14与第一出液管8连通。

本实施例中，上模具10和下模具2之间设置有第一密封圈5，第一进液管1的进液口和第一出液管8的出液口位于第一密封圈5的内侧，第一密封圈5设置在靠近上模具10和下模具2的边缘的凹槽中，上模具10和下模具2通过若干第一螺栓连接，若干第一螺栓位于第一密封圈5的外侧，下模具2的底部设置有若干支撑座4，支撑座4的高度可以调节。

本实施例中，除气机构13包括储液柱19，储液柱19的上端设置有上盖17，上盖17上开设有排气孔16，储液柱19的下端设置有底座18，储液柱19与上盖17和底座18之间均设置有第二密封圈20，上盖17和底座18通过若干第二螺栓21固定，第二进液管22穿过上盖17与储液柱19连通，除气机构13的第二进液管22与蠕动泵12的出液端连通，第二出液管23穿过底座18与储液柱19连通，第二出液管23与第一进液管1连通。

本实施例中，上模具10和下模具2均采用有机玻璃制成，有机玻璃能够耐酸、碱且不与化学试剂反应，透明度高，上模具10上设置有至少一个刻度条9，刻度条9的读数由样品仓6的中心向上模具10的边缘逐渐增大，本实施例中设置四个刻度条9，四个刻度条9按照间隔90°设置。

本实施例中，上模具10的上方设置有相机15，相机15用于拍摄样品25的膨胀变形及侵蚀照片。如图8所示，模拟裂隙7处的圈状图案为样品25受到液体侵蚀后向外运动形成的痕迹，相机15拍摄不同的液体、不同的流速侵蚀样品25后样品25向外移动的规律。

本实施例通过改变供液瓶11盛放的液体，实现不同液体流过不同开度的模拟裂隙7时，样品25所产生的膨胀变化和物质向外移动规律和流出液体的浊度、电导的变化及液体的体积值的探究；通过改变蠕动泵12流量，实现不同流速流过不同开度的模拟裂隙7时，样品25所产生的膨胀变化和物质向外移动规律和流出液体的浊度、电导的变化及液体的体积值的探究；通过改变下模具2中槽的深度实现不同开度的模拟裂隙7，本实施例也可在样品25压制前向样品25中添加其他物质。本实施例也可通过改变模拟裂隙机构24与水平面的夹角来研究不同裂隙倾角与样品25所产生的膨胀变化和物质向外移动规律以及流出液体的浊度、电导的变化、液体的体积值之间的关系。

实施例二

本实施例提供了一种采用实施例一的模拟裂隙试验装置100的模拟裂隙试验方法，包括如下步骤：

在试验开始前，首先检测裂隙开度，先用显影液涂抹下模具2和上模具10的裂隙部分，再用三维扫描仪扫描，测定裂隙的开度，裂隙开度误差范围在1mm的±5‰；

S1：组装模拟裂隙机构24，对模拟裂隙机构24进行密封性试验；

密封性试验包括以下步骤：

d1：将第一密封圈5放入下模具2凹槽内；

d2：将第一螺栓放入螺纹孔3中，将下模具2和上模具10拧紧固定，安装支撑座4；

d3：蠕动泵12的进液端与供液瓶11连接，蠕动泵12的出液端与第一进液管1连接，第一出液管8与集液瓶26连接；

d4：设置蠕动泵12流速，观察是否有水从第一密封圈5处泄漏；

d5：密封性试水试验完成后，如果密封性良好，则先排水，再拆开上模具10和下模具2并吹干；

d6：如果密封性不好，则要重新密封，然后再进行密封性试水试验，直到密封性良好为止；

S2：记录样品25、液体、上模具10和下模具2等信息，将下模具2放置在水平台上，并调节支撑座4使下模具2处于水平状态，将样品25放入下模具2的样品仓6中，再将上模具10的样品仓6对准样品25，以水平状态慢慢放下；并将模拟裂隙试验装置100的其余各结构进行连接，将第一螺栓放入螺纹孔3中，将下模具2和上模具10固定，拧紧第一螺栓时要对称拧，并且除了靠近第一进液管1的一端直接拧到最紧状态外，其它三边都预留一定缝隙，然后对模拟裂隙试验装置100进行除气；

S2中，对模拟裂隙试验装置100进行除气包括以下步骤：

a1：采用超声清洗器对液体进行除气，然后将除气完成的液体倒入供液瓶11中；

a2：将蠕动泵12的进液端与供液瓶11连通，蠕动泵12的出液端与除气机构13的第二进液管22连通，除气机构13的第二出液管23与模拟裂隙机构24的第一进液管1连通，将第二出液管23与第一进液管1之间的管路用夹子夹紧；

a3：拧开除气机构13的排气孔16，向除气机构13的储液柱19中通入液体，液体加满后暂停蠕动泵12，拧紧排气孔16；

a4：将第二出液管23与第一进液管1之间的管路夹紧部位松开；

a5：将模拟裂隙机构24的第一出液管8端垫高；

a6：将第一出液管8用夹子夹紧，将第一出液管8的末端置于空的集液瓶26内；

a7：开启蠕动泵12，将液体通入模拟裂隙机构24中，当液体从模拟裂隙机构24的第一出液管8端的第一密封圈5缝隙溢出时，暂停蠕动泵12，拧紧全部的第一螺栓；

a8：将第一出液管8从集液瓶26中取出并与收集器14连接，然后把第一出液管8上的夹子打开，完成对模拟裂隙试验装置100的除气。

S3：数据采集：开启蠕动泵12，供液瓶11内的液体对样品25进行侵蚀，收集器14收集侵蚀后的液体并测定其浊度、电导率和体积，相机15拍摄样品25的膨胀变形及侵蚀照片；

S3中，数据采集包括以下步骤：

b1：设定蠕动泵12的流速，并进行记录；

b2：从蠕动泵12定量供液时起，24小时内，每5分钟拍一次照片，收集器14每1小时取一次流出液体，测定其浊度、电导率和体积，并将每天收集器14流出液体全部收集起来倒入集液瓶26中，全部烘干；

b3：从蠕动泵12定量供液时起，24～48小时内，每半小时拍一次照片，收集器14每3小时取一次流出液体，测定其浊度、电导率和体积；

b4：从蠕动泵12定量供液时起，48小时后，每5小时拍一次照片，每5小时取一次流出液体，测定其浊度、电导率和体积，当流出液体的浊度值降低至0～10NTU范围内(NTU为浊度)，开始每50小时取一次流出液体，测定其浊度、电导率和体积，当流出液体浊度值降低至0～1NTU范围内，开始每200小时取一次流出液体，测定其浊度、电导率和体积，直至一星期后或24小时内样品25膨胀变化不明显时，开始每天拍一次照片；

b5：直至样品2572小时内膨胀变化不明显，每3天拍一次照片；

b6：直到样品25膨胀一星期内膨胀变化不明显并且收集的液体的浊度在0～1NTU之间时，暂停蠕动泵12；

b7：将蠕动泵12进液端从供液瓶11中取出，蠕动泵12出液端与第一进液管1连接，进气排水，进气速率控制在0.1～0.5ml/min，排水完成后，用夹子夹紧模拟裂隙机构24的第一进液管1和第一出液管8。

将每天拍摄的照片、测定的收集液体的浊度、电导率和体积等及时处理，照片读数按照内圈、中圈和外圈的顺序依次读取。分圈原则按照颜色分，最内圈黑色、中圈为黄色、最外圈为白色。读取数值要精确到1mm，然后每圈4边读数相加再取平均值作为本圈数值。观察样品25的膨胀、物质向外移动规律和收集液体的浊度、电导率的变化。

S4：拆除装置，并进行样品25处理。

S4中，样品25处理包括以下步骤：

c1：将模拟裂隙机构24放入冰箱中并在-20℃进行快速冷冻，然后迅速将下模具2与上模具10分离，按观察得到的物质向外移动范围，分圈收集样品25并称重；

c2：将分圈收集的样品25冷冻干燥，冷冻干燥所用的盛放样品25的器皿选用四氟材质，冷冻干燥需要用到液氮或者-80℃超低温冰箱，器皿必须耐低温，冷冻干燥需要抽真空，器皿必须抗压，器皿内的隔板同样选用四氟材质并且固定牢固，冷冻干燥时间设置48小时以上，干燥结束后称重，得到每圈样品25的干重，计算含水率；

c3：检测每圈样品25的物质成分，并总结每圈样品25的物质含水率及物质向外移动的规律；

c4：比较收集的流出液体中烘干的物质的重量、样品仓6内剩余物质的干重以及模拟裂隙试验装置100中其他结构内物质的干重，评价缓冲/回填材料膨润土的封堵裂隙和抗侵蚀性能，研究膨胀变形、是否发生侵蚀及侵蚀量大小与样品25成分、干密度、流入液体的成分、流速，裂隙开度、倾角等的相互关系。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。