緩沖材料多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)臺(tái)架中傳感器的布置結(jié)構(gòu)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(chǎng)耦合性能研究領(lǐng)域，具體涉及緩沖材料多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)臺(tái)架中傳感器的布置結(jié)構(gòu)與方法。目的是為緩沖材料熱-水-力-化學(xué)多場(chǎng)耦合大型實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的成功建造，并揭示緩沖材料在多場(chǎng)耦合條件下的行為提供必要前提。本結(jié)構(gòu)與方法根據(jù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架中加熱器的位置，在壓實(shí)的膨潤(rùn)土塊體層中自下而上劃分3個(gè)不同的監(jiān)測(cè)區(qū)，每個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)中再細(xì)劃分出不同的監(jiān)測(cè)層，監(jiān)測(cè)層是垂直于試驗(yàn)臺(tái)架縱軸的橫截面。其中，底部監(jiān)測(cè)區(qū)劃分出2個(gè)監(jiān)測(cè)層，中部監(jiān)測(cè)區(qū)劃分出4個(gè)監(jiān)測(cè)層，上部監(jiān)測(cè)區(qū)劃分出2個(gè)監(jiān)測(cè)層，除了位移傳感器要貫穿數(shù)個(gè)監(jiān)測(cè)層外，土應(yīng)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(xué)腐蝕傳感器都位于監(jiān)測(cè)層內(nèi)。
【專利說明】緩沖材料多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)臺(tái)架中傳感器的布置結(jié)構(gòu)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高放廢物地質(zhì)處置緩沖材料多場(chǎng)耦合性能研究領(lǐng)域，具體涉及緩沖材料多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)臺(tái)架中傳感器的布置結(jié)構(gòu)及方法。
【背景技術(shù)】
[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(guān)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(zhǎng)、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(jìn)入生物圈，危害極大，且難以消除。對(duì)于這一問題，2006年初國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部和國(guó)家環(huán)境保護(hù)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(guó)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(jìn)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(xué)屏障、化學(xué)屏障、傳導(dǎo)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(xué)、水力學(xué)和力學(xué)方面的研究，國(guó)際上普遍認(rèn)為以蒙脫石為主要成分的膨潤(rùn)土是最合適的緩沖材料。經(jīng)過全國(guó)篩選，1996年已初步確定內(nèi)蒙古高廟子膨潤(rùn)土為我國(guó)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(dǎo)致處置庫內(nèi)緩沖/回填材料和圍巖產(chǎn)生應(yīng)力變化，以及材料礦物成分和性能的改變。同時(shí)，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(dǎo)致高壓實(shí)、富含蒙脫石的膨潤(rùn)土遇水吸濕引起土中吸力變化，并導(dǎo)致土體膨脹變形，以使高壓實(shí)膨潤(rùn)土塊體砌置時(shí)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(kuò)散的人工屏障。此外，入滲地下水體也會(huì)與多重屏障體系發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(fù)雜的“熱-水-力-化學(xué)(THMC) ”耦合現(xiàn)象。
[0004]為了確保隔離屏障的長(zhǎng)期安全性，必須對(duì)這個(gè)體系主要的現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)的模擬試驗(yàn)，而在室內(nèi)建造緩沖材料多場(chǎng)耦合大型實(shí)驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行長(zhǎng)期模擬試驗(yàn)，是探索模擬處置庫條件下緩沖材料的熱-水-力-化學(xué)耦合特性，建立緩沖材料長(zhǎng)期性能評(píng)價(jià)方法的有效手段。根據(jù)目前我國(guó)的高放廢物地質(zhì)處置概念設(shè)計(jì)，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(shí)膨潤(rùn)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(chǎng)耦合試驗(yàn)臺(tái)架一般包括垂直罐體、膨潤(rùn)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(duì)稱結(jié)構(gòu)。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(duì)濕度、應(yīng)力、變形等測(cè)量元器件被埋置于膨潤(rùn)壓實(shí)土塊中，以跟蹤分析膨潤(rùn)土的物理力學(xué)現(xiàn)象。對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架中的各種傳感器進(jìn)行合理布置是完成這一大型模擬實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。大型實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的運(yùn)行周期一般是5~10年，甚至更長(zhǎng)，且一旦開始運(yùn)行無法臨時(shí)拆開進(jìn)行維護(hù)，各類傳感器將長(zhǎng)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(shí)可靠，個(gè)別傳感器出現(xiàn)故障后對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的影響較小，除了提高傳感器的材料要求、制造工藝之外，關(guān)鍵是對(duì)傳感器進(jìn)行合理的布置。同時(shí)，由于施工操作空間的限制，實(shí)驗(yàn)臺(tái)架中的傳感器數(shù)目有限，只有對(duì)傳感器進(jìn)行合理的布設(shè)，在試驗(yàn)進(jìn)行過程中才能獲得理想的數(shù)據(jù)資料，進(jìn)而揭示在熱-水-力-化學(xué)多場(chǎng)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(chǎng)耦合大型實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)臺(tái)架中傳感器的布置結(jié)構(gòu)及方法，為緩沖材料熱-水-力-化學(xué)多場(chǎng)耦合大型實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的成功建造，并揭示緩沖材料在多場(chǎng)耦合條件下的行為提供必要前提。 [0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下，一種緩沖材料多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)臺(tái)架中傳感器的布置結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架中加熱器的位置，在壓實(shí)的膨潤(rùn)土塊中自下而上劃分3個(gè)不同的監(jiān)測(cè)區(qū)；第I區(qū)為底部監(jiān)測(cè)區(qū)，為加熱器承重底座；第11區(qū)為中部監(jiān)測(cè)區(qū)，包裹在加熱器周圍；第111區(qū)為上部監(jiān)測(cè)區(qū)，覆蓋在加熱器上方；其中，第I區(qū)包含2個(gè)監(jiān)測(cè)層；第11區(qū)包含4個(gè)監(jiān)測(cè)層；第III區(qū)包含2個(gè)監(jiān)測(cè)層；加熱器外底表面與試驗(yàn)臺(tái)架腔體內(nèi)底表面之間設(shè)有三個(gè)位移傳感器，加熱器外頂面與試驗(yàn)臺(tái)架腔體頂蓋之間設(shè)有三個(gè)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(rùn)土層；各監(jiān)測(cè)層內(nèi)設(shè)有土應(yīng)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(xué)腐蝕傳感器。
[0007]如上所述的一種緩沖材料多場(chǎng)耦合大型實(shí)驗(yàn)臺(tái)架中傳感器的布置結(jié)構(gòu)，其中:在所述第I區(qū)內(nèi)，位于下方的為第一監(jiān)測(cè)層，位于上方的為第二監(jiān)測(cè)層，第一、二監(jiān)測(cè)層，將I區(qū)三等分；以第一監(jiān)測(cè)層中心為原點(diǎn)，兩條注水管的連線為X軸，5個(gè)土應(yīng)力傳感器
的坐標(biāo)分別為(0，0)，
【權(quán)利要求】
1.一種緩沖材料多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)臺(tái)架中傳感器的布置結(jié)構(gòu)，其特征在于:根據(jù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架中加熱器(5)的位置，在壓實(shí)的膨潤(rùn)土塊(3)中自下而上劃分3個(gè)不同的監(jiān)測(cè)區(qū)；第I區(qū)為底部監(jiān)測(cè)區(qū)，為加熱器(5)承重底座；第11區(qū)為中部監(jiān)測(cè)區(qū)，包裹在加熱器(5)周圍；第111區(qū)為上部監(jiān)測(cè)區(qū)，覆蓋在加熱器(5)上方；其中，第I區(qū)包含2個(gè)監(jiān)測(cè)層；第11區(qū)包含4個(gè)監(jiān)測(cè)層；第111區(qū)包含2個(gè)監(jiān)測(cè)層；加熱器(5)外底表面與試驗(yàn)臺(tái)架腔體(2)內(nèi)底表面之間設(shè)有三個(gè)位移傳感器(6)，加熱器(5)外頂面與試驗(yàn)臺(tái)架腔體(2)頂蓋之間設(shè)有三個(gè)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(rùn)土層；各監(jiān)測(cè)層內(nèi)設(shè)有土應(yīng)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(xué)腐蝕傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種緩沖材料多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)臺(tái)架中傳感器的布置結(jié)構(gòu)，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(cè)層(11)，位于上方的為第二監(jiān)測(cè)層(12)，第一、二監(jiān)測(cè)層(11，12)，將I區(qū)三等分；以第一監(jiān)測(cè)層(11)中心為原點(diǎn)，兩條注水管(I)的連線為X軸，5個(gè)土應(yīng)力傳感器的坐標(biāo)分別為(0，0)，
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種緩沖材料多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)臺(tái)架中傳感器的布置結(jié)構(gòu)，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(cè)層(13~16)，且將第II區(qū)五等分；以第三監(jiān)測(cè)層(13)中心為原點(diǎn)，兩條注水管(O的連線為X軸，4個(gè)土應(yīng)力傳感器的坐標(biāo)分別為
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種緩沖材料多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)臺(tái)架中傳感器的布置結(jié)構(gòu)，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(cè)層(17)，位于上方的為第八監(jiān)測(cè)層(18)，第七、八監(jiān)測(cè)層(17，18)，將III區(qū)三等分；第七監(jiān)測(cè)層(17)中傳感器的布置結(jié)構(gòu)與第一監(jiān)測(cè)層(11)完全相同；第八監(jiān)測(cè)層(18 )中傳感器的布置結(jié)構(gòu)與第二監(jiān)測(cè)層(12 )完全相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種緩沖材料多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)臺(tái)架中傳感器的布置結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述加熱器(5)外底表面與試驗(yàn)臺(tái)架腔體(2)內(nèi)底表面之間的三個(gè)位移傳感器(6)，其中，第I個(gè)位于加熱器(5)外底表面邊緣，第2個(gè)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(gè)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(gè)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(yàn)臺(tái)架腔體(2)頂蓋之間的三個(gè)位移傳感器(6)，由加熱器(5)底部三個(gè)位移傳感器(6)旋轉(zhuǎn)180°得到。
6.一種緩沖材料多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)臺(tái)架中傳感器的布置方法，包括如下步驟: 步驟1:根據(jù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架中加熱器(5)的位置，在壓實(shí)的膨潤(rùn)土塊(3)中自下而上劃分3個(gè)不同的監(jiān)測(cè)區(qū)；第I區(qū)為底部監(jiān)測(cè)區(qū)，為加熱器(5)提供承重底座；第II區(qū)為中部監(jiān)測(cè)區(qū)，包裹在加熱器(5)周圍；第111區(qū)為上部監(jiān)測(cè)區(qū)，覆蓋在加熱器(5)上方； 步驟2:將每個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)中再細(xì)劃分出不同的監(jiān)測(cè)層，監(jiān)測(cè)層是垂直于試驗(yàn)臺(tái)架縱軸的橫截面；第I區(qū)包含第一、二監(jiān)測(cè)層(11，12)，第一監(jiān)測(cè)層到試驗(yàn)臺(tái)架腔體(2)底面的垂直距離、第一監(jiān)測(cè)層(11)到第二監(jiān)測(cè)層(12)的距離、第二監(jiān)測(cè)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(cè)層(13~16)，使各個(gè)監(jiān)測(cè)層間的距離、第三監(jiān)測(cè)層(13)到加熱器(5)底部的垂直距離、第六監(jiān)測(cè)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(cè)層(17、18)，第七監(jiān)測(cè)層(17)到加熱器(5)頂面的垂直距離、第七監(jiān)測(cè)層(17)到第八監(jiān)測(cè)層(18)的距離、第八監(jiān)測(cè)層(18)到試驗(yàn)臺(tái)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(gè)監(jiān)測(cè)層，并使土應(yīng)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(xué)腐蝕傳感器位于監(jiān)測(cè)層內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種緩沖材料多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(cè)層(11)內(nèi)分布5個(gè)土應(yīng)力傳感器、3個(gè)空隙水壓力傳感器、3個(gè)溫度傳感器、4個(gè)溫濕度傳感器和3個(gè)電化學(xué)腐蝕傳感器；第一監(jiān)測(cè)層(11)中傳感器的布置方法是:①劃定試驗(yàn)臺(tái)架腔體(2)內(nèi)壁上相對(duì)的兩條注水管(I)的連線為基準(zhǔn)線LI，將LI分別逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)30。、60。、90。,120°和150。，得到L2、L3、L4、L5和L6 ;②以監(jiān)測(cè)層中心為圓心，畫7個(gè)同心圓Cl~C7，半徑最大的C7位于顆粒狀膨潤(rùn)土碎屑層(4)的正中，相鄰兩個(gè)同心圓之間的距離相等；?5個(gè)土應(yīng)力傳感器分別位于L2與C6、L3與C4、L4與C3、L5與Cl的交點(diǎn)以及監(jiān)測(cè)層中心點(diǎn)上；@ 3個(gè)空隙水壓力傳感器分別位于LI與C7、L3與C5、L2與C3的交點(diǎn)之一上；? 3個(gè)溫度傳感器分別位于L2與C7、L4與C6、L6與C3的交點(diǎn)之一上4個(gè)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(diǎn)之一上?’⑦3個(gè)電化學(xué)傳感器分別位于L3與C7、L5與C6、L6與C5的交點(diǎn)之一上；第二監(jiān)測(cè)層(12)內(nèi)傳感器的位置由第一監(jiān)測(cè)層(11)中的所有傳感器沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)180°得到。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種緩沖材料多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(cè)層(13)內(nèi)有4個(gè)土應(yīng)力傳感器、2個(gè)空隙水壓力傳感器、3個(gè)溫度傳感器、3個(gè)溫濕度傳感器和3個(gè)電化學(xué)腐蝕傳感器；第三監(jiān)測(cè)層(13)中傳感器的布置方法是:①將上述第一監(jiān)測(cè)層中直線LI~L6在第三監(jiān)測(cè)區(qū)(13)中的投影分別記為L(zhǎng)I’~L6’ ；②將顆粒狀膨潤(rùn)土碎屑層(4)中點(diǎn)到膨潤(rùn)土塊層(3)內(nèi)邊緣的距離4等分，以監(jiān)測(cè)層中心為圓心，監(jiān)測(cè)層中心到4個(gè)等分點(diǎn)的距離為半徑依次畫同心圓，得到Cl’~C4’；③4個(gè)應(yīng)力傳感器分別位于LI’與C2’、L2’與C3’、L4’與C1’、L6’與C4’的交點(diǎn)之一上；④2個(gè)水壓力傳感器分別位于LI’與C4’、L4’與C3’的交點(diǎn)之一上；⑤3個(gè)溫度傳感器分別位于L2’與C4’、L3’與C2’、L6’與Cl’的交點(diǎn)之一上；? 3個(gè)溫濕度傳感器分別位于LI’與C3’、L3’與C2’、L5’與Cl’的交點(diǎn)之一上；? 3個(gè)電化學(xué)傳感器分別位于L2’與C2’、L5’與C4’、L6’與C3’的交點(diǎn)之一上； 所述第四監(jiān)測(cè)層(14)內(nèi)傳感器的位置由第三監(jiān)測(cè)層(13)中的所有傳感器沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)90°得到； 所述第五監(jiān)測(cè)層(15)內(nèi)傳感器的位置由第三監(jiān)測(cè)層(13)中的所有傳感器沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)270°得到；` 所述第六監(jiān)測(cè)層(16)內(nèi)傳感器的位置由第三監(jiān)測(cè)層(13)中的所有傳感器沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)180°得到。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種緩沖材料多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(cè)層(17 )中傳感器的布置方法與第一監(jiān)測(cè)層(11)完全相同；第八監(jiān)測(cè)層(18)中傳感器的布置方法與第二監(jiān)測(cè)層(12)完全相同。
10.根據(jù)權(quán)利要求6或9所述的一種緩沖材料多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(gè)數(shù)為6個(gè)，在加熱器(5 )底部設(shè)置三個(gè)，用于連接加熱器(5)外底表面與試驗(yàn)臺(tái)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(rùn)土層；在加熱器(5)上方設(shè)置三個(gè)，用于連接加熱器(5)外頂面與試驗(yàn)臺(tái)架腔體(2)頂蓋，且豎直放置并穿透第III區(qū)所有膨潤(rùn)土層；所述加熱器(5)底部的3個(gè)位移傳感器(6)的布置方法是:第I個(gè)位于加熱器(5)外底表面邊緣，第2個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)位移傳感器(6)的位置由加熱器(5)底部3個(gè)位移傳感器(6)旋轉(zhuǎn)180°得到。
【文檔編號(hào)】G01N33/00GK103852561SQ201310438753
【公開日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2013年9月24日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:核工業(yè)北京地質(zhì)研究院