[发明专利]一种气体渗透测量系统及气体渗透率计算模型

说明书

本发明属于土木工程及地质工程技术领域，提出了一种气体渗透测量系统及气体渗透率计算模型。气体渗透测量系统包括上游端气室(2)、下游端气室(3)、真空泵(4)，所述真空泵(4)与上游端气室(2)、下游端气室(3)相连；所述上游端气室(2)与主体腔室(1)底部气孔输入口相连，所述下游端气室(3)与主体腔室(1)顶部气孔输出口相连。本发明提供的气体渗透测量系统以及基于上游端气室或下游端气室内的压力变化曲线的两种气体渗透率计算方法，为深地质处置库的研究工作提供充分的理论依据。

技术领域

本发明涉及一种在土木工程(岩土)及地质工程技术领域。

背景技术

核能的开发与利用将不可避免地产生大量放射性强、毒性大、释热量高和半衰期长的高水平放射性废弃物(简称“高放废物”)，必须对其进行科学有效的处置。目前，国际社会广泛接受的处置方案为“深地质处置”，即将高放废物封存于地下500-1000米深的地质体内，借助多重屏障系统(废物罐、膨润土缓冲/回填材料及围岩)实现高放废物与人类生存环境的永久隔离；其中，高压实膨润土因具有高膨胀性、低渗透性以及良好的导热性能，在业内被认为是首选缓冲/回填材料。

在深地质处置库的运营过程中：

围岩中的地下水会冲刷和水化高压实膨润土，同时还会腐蚀金属构件(废物罐等)；同时又因为存在地下水辐解以及有机质的降解等作用，会产生大量二氧化碳、甲烷和硫化氢等气体。

因水化饱和后的高压实膨润土是一种超低渗介质(渗透率小于1×10^-19m²)，产生的气体将在膨润土中不断积聚，形成高气压(峰值压力可达30MPa)。研究表明，气体在膨润土中的渗透过程具有典型的分段特征(参考文献：[1]中国专利申请公开号：CN109655391 B一种岩土体材料气体突破/渗透特性双模块控制测试系统；[2]叶为民,刘樟荣,崔玉军等公开的“高放废物地质处置库缓冲/回填材料的气体渗透问题研究进展”,岩土工程学报,2018,40(06):1125-1134.)：当气压水平较低时，气体主要以离散渗透的形式在土体中迁移，此时的气体渗透流量十分微弱以至于无法直接测取，但由于处置库运营过程中长期处于低气压状态，因此获取该阶段的气体渗透率对处置库的气体防渗性能评价具有重要的工程价值；此外，随着气压的不断增大，并当其达到某一临界值时(气体突破压力)，气体将在高压实膨润土中形成大量优势渗流通道，随后的气体流量大幅增加且呈高度非线性增长，该现象也被称为“气体突破”，气体突破将会直接削弱高压实膨润土的力学强度与缓冲性能，因此确定气体突破压力这一数值对处置库的安全性能评价同样至关重要。

目前，饱和高压实膨润土等超低渗介质的气体渗透试验的研究方法主要是稳态法，即在试样底面施加恒定注气压力，同时使用流量计监测试样顶面的气体流量，该方法能准确获取高压实膨润土的气体突破压力(流量大幅增加)，但因其无法准确测量气体突破之前的气体流量，进而无法获取气体渗透率指标。此外，由于缺乏相关的试验装置，目前尚无法通过改变温度边界的方式去研究温度对饱和高压实膨润土等超低渗介质的气体全过程渗透特性的影响规律。

发明内容

深地质处置库的研究工作中，由于高压实膨润土中的气体渗透将不可避免的遭受核素衰变热的影响，因此开展温控条件下、饱和高压实膨润土的气体渗透问题研究，以及获取气体渗透率和气体突破压力两项评价气体全过程渗透特性的指标，对实现高放废物安全处置、保障核能行业可持续发展具有重要的现实意义。

基于上述背景，本发明公开一种气体渗透测量系统及其两个气体渗透率的计算模型，以及测量饱和超低渗介质气体全过程渗透参数的装置，能同时获取气体渗透率和气体突破压力两项指标。本发明可广泛应用于高放废物深地质处置、煤层气和页岩气开采、城市垃圾填埋和CO₂地质封存等领域的气体渗透问题研究，准确获取气体气体渗透率和气体突破压力两项指标，具有重要的理论和工程实践价值。

一种气体渗透测量系统，包括上游端气室2、下游端气室3、所述真空泵4,所述真空泵4与上游端气室2、下游端气室3相连。