地应力对高放废物黏土岩地质处置库洞室群稳定性影响的数值模拟

王 聪，李洪辉，段谟东，江春雷，张家铭

(1.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074；2.中国辐射防护研究院，山西 太原 030006)

高水平放射性废物(简称高放废物)，主要是指乏燃料后处理产生的高放废液及其固化体，它具有放射性核素活度浓度高、半衰期长、毒性大、发热率高等特性[1]。高放废物如何进行安全处置是当前核能发展和核技术利用面临的突出问题之一。经论证，目前唯一在工程与技术上可行，且被世界各国普遍认可的安全处置方式，即是将乏燃料直接处置或将高放废物进行玻璃固化后，深埋于地质体内部，通过工程屏障和天然屏障使之与人类的生存环境隔离[2]。

高放废物地质处置库场址是影响高放废物处置长期安全的关键因素之一。鉴于场址的重要性，国际上对高放废物地质处置库场址的确定都非常慎重，要求从地质条件、围岩类型与特性、经济及社会条件、建造与运输条件等方面进行比选[3-8]。目前高放废物地质处置库场址和围岩类型的比选已成为放射性废物处置设施选址的一项基本原则和要求，也是审管决策的必要条件。

高放废物地质处置库围岩类型是其选址需要考虑的重要因素。世界范围内先后对花岗岩、黏土岩、盐岩、凝灰岩等多种高放废物地质处置库围岩类型进行过研究[9-10]。随着研究的深入，当前花岗岩和黏土岩是世界有核国家高放废物地质处置库重点关注的两种围岩类型[1]。

我国高放废物地质处置库研究起步于20世纪80年代，王驹等[11]提出我国高放废物地质处置库研究分三部曲：选址—特定场址地下实验室—处置库。这一研究技术路线在于把特定场址地下实验室与处置库的建设结合起来，省去普通地下实验室这一环节，从而缩短了研究周期[12]。在过去30多年高放废物地质处置库的研究开发工作中，主要集中在处置库选址工作的研究，目前已确定甘肃北山花岗岩预选区。与花岗岩地质处置库相比，我国黏土岩地质处置库场址筛选工作起步较晚。为启动我国高放废物黏土岩地质处置库场址的筛选工作，2007年原国防科工委批复项目承担单位开展了“高放废物地质处置库围岩-黏土岩预选场址的调查研究”[1]。该项目的实施与完成，论证了我国大陆范围内存在适合作为高放废物地质处置库围岩的黏土岩主要分布在西北地区的中-新生代沉积盆地，推荐出了内蒙古阿拉善地块塔木素地区为高放废物黏土岩地质处置库的重点工作区之一。

2010年国防科工局提出了我国“十二五”高放废物处置研究开发总体思路，即重点开展场址筛选和比选工作，大力推进北山预选区研究工作，适度开展地下实验室前期研究工作,并明确提出要重点在甘肃、新疆、内蒙古开展高放废物花岗岩地质处置库场址筛选及比选工作，重点在西北地区开展高放废物黏土岩场址筛选工作[13-14]。

目前国内外研究倾向认为，相比高放废物花岗岩地质处置库，高放废物黏土岩地质处置库在阻滞核素迁移方面更具有优势[14]，主要是因为黏土岩中黏土矿物对核素具有一定的吸附作用，且黏土岩具有一定的自封闭性，另外黏土岩层由于其渗透率低的特点一般是作为隔水层存在于地下地层之中，而在地下厚层的黏土岩层中水的含量极低。虽然高放废物黏土岩地质处置库具有以上优势，但是由于黏土岩层工程地质条件相比其他围岩类型更加错综复杂，因此核废料处置库地下工程在黏土岩层中实现时，其地下工程的安全性、稳定性以及施工难度也有更高的要求。

地应力是存在于地层中未受工程扰动的天然应力，它是引起地下工程变形和破坏的根本作用力，对地下工程围岩稳定性具有重要的影响作用。前人的研究表明，在阿拉善地块塔木素预选区原岩应力以水平应力作用为主导，垂向应力的作用也较显著[15]。地质处置库洞室群具有规模范围大、设施类型多、洞室交叉复杂等结构特征，再加之预选区地应力作用显著，为减小地应力对黏土岩地质处置库洞室群稳定性的影响，地应力方位与地质处置库洞室群空间配置关系的研究是一个不可回避的关键问题。目前关于地应力对洞室稳定性的影响研究主要集中在不同地应力状态下对地下单个洞室围岩稳定性的研究[16-19]、地应力对不同围岩类型洞室稳定性的研究[20-22]以及地应力对不同工程类型地下洞室围岩稳定性的研究[23-24]，但针对地应力方位对洞室群稳定性影响方面的研究相对较薄弱，特别是对高放废物黏土岩地质处置库稳定性的影响研究则更少。本文以我国高放废物黏土岩地质处置库塔木素预选区为工程地质背景，结合该预选区地应力场分布特征，针对目前世界上主流高放废物黏土岩地质处置库地下设施的概念设计模型，运用ABAQUS数值仿真软件对地应力方位与处置库洞室群主巷道洞轴线方位呈不同夹角工况下，开展了黏土岩地质处置库洞室群开挖后洞室群稳定性的数值模拟研究，以为我国高放废物黏土岩地质处置库的设计提供依据。

1 区域地质概况

阿拉善地块位于内蒙古阿拉善盟和巴彦淖尔盟，处于华北板块、中亚造山带、塔里木板块和祁连造山带之间，传统上认为是华北板块的西部[25]。由于学者们对阿拉善地块的构造属性有不同认识，因此对阿拉善地块范围及位置的划分存在较大的分歧。近年来，随着对阿拉善地块及其周边研究工作的深入，对阿拉善地块的边界也有了基本一致的划分[26]，认为阿拉善地块呈倒三角形楔于几大构造域之间，东起贺兰山西麓断裂(或阴山-狼山断裂)，西至弱水断裂,北部与蒙古高原相连，以深断裂与阿尔泰褶皱分开,南沿河西走廊北部的合黎山-北大山断裂、龙首山断裂呈近东西向延伸至中宁,见图1(a)。阿拉善地块地貌单元属阿拉善高原，地势平坦，地表主要以沙漠分布为主，构造新活动相对较弱，整体稳定与周围地块形成鲜明对比。

图1 塔木素预选区位置及构造单元划分Fig.1 Location and tectonic unit division of the pre-selected area of Tamusu

塔木素地区位于内蒙古高原西部，行政区划属内蒙古自治区阿拉善盟阿拉善右旗管辖，调查区地理坐标为东经102°45′00″～104°00′00″、北纬40°20′00″～40°45′00″，面积约为3 000 km2[图1(a)]。该地区总体地势北西高、南东低，海拔为1 270～1 330 m，地表大多被第四系沙土及沙丘覆盖，沙丘相对高度为10～20 m。研究工区内地形地貌以戈壁、丘陵和沙漠为主，境内基本无地表流径，植被稀疏、生态脆弱。研究工区基底由太古界(Ar)、元古界(Pt)和古生界(Pz)的变质岩系组成，基底上覆侏罗系、白垩系以及第四系地层,其中白垩系地层厚度较大，但地层缺失严重，下白垩统可见巴音戈壁组上(K1b2)、下(K1b1)两段，缺失苏红图组和银根组地层，其中位于巴音戈壁组上段下部(K1b2-1)的厚层状黏土岩，为塔木素预选区高放废物地质处置库黏土岩围岩目的层，见图1(b)。

2 世界主流高放废物黏土岩地质处置库的概念设计模型

自高放废物地质处置概念提出以来，高放废物的安全处置受到了国际组织和世界各国的高度关注，并开展了长期的相关研究开发工作。高放废物地质处置库是处置工程中的主体工程，是地质处置安全和性能评价的基础。因此，对高放废物地质处置库结构型式的设计贯穿于处置库研发的各个阶段。

目前世界上尚无建成投入使用的高放废物地质处置库，甚至没有完成施工图设计的高放废物地质处置库，世界各国的高放废物地质处置库仍是一种概念设计，提出了多种高放废物地质处置库的结构型式，同一国家高放废物地质处置库的概念设计也在不断的调整和优化[27]。针对高放废物黏土岩地质处置库的研究，目前走在世界前列的主要有法国、瑞士和比利时等国家，其高放废物黏土岩地质处置库的概念设计模型见图2。

法国高放废物黏土岩地质处置库的概念设计模型由地面设施和地质处置库构成[图2(a)]，处置库设计平均深度约为地下500 m，地质处置库设计有4个竖井，分别是开挖、废物、人员和排风竖井。卡车将废物包运入地上接受厂房中；然后在竖井中由升降机将卡车和废物包一同降至地质处置库中；随后卡车载着废物包在连接通道中行驶，前往预定的处置硐室或巷道，再用吊车将废物包从卡车上卸下；最后由专门的装置将废物包送入处置硐室或巷道中。由于黏土结构强度弱的特点，在地质处置库内的墙壁和天花板都用钢结构和混凝土结构进行加固支撑。地质处置库内有接收不同废物的处置区域，如B类废物、C类废物和乏燃料处置区域，各处置区域之间设计有足够的间隔，保证处置区域之间物理化学影响的最小化。

图2 不同国家高放废物黏土岩地质处置库的 概念设计模型Fig.2 Conceptual design model for the geological repository of high-level radioactive waste in clay rock in different countries

瑞士高放废物黏土岩地质处置库的概念设计仅指地下设施，处置库的平面视图见图2(b)。该处置库主要包括：进出斜坡道、建造及运输隧道、废物接收中心、竖井和测试试验设施；高放废物处置隧道阵列和3条处置中放废物的短巷道。其中，高放废物处置隧道长800 m、间距40 m、直径2.5 m，摆放巷道、建造及运行巷道的深度约为650 m。

比利时高放废物黏土岩地质处置库的概念设计模型采取“竖井+平巷”的布置形式，其概念设计模型见图2(c)。该地质处置库将建造2个竖井，每一个竖井与一个主巷道相通，共有2个主巷道，2条主巷道相互平行，8条支巷道相互平行。其中，竖井的直径为6 m，主巷道的直径为3.5 m，2条主巷道相距400 m，支巷道的直径为2 m。支巷道的直径为2 m是考虑到技术、经济和实践经验等方面的原因而设定的。

综上所述，目前世界上主流高放废物黏土岩地质处置库的概念设计模型主要是由地面设施和地下设施组成。对于地面设施，主要有废物接收、包装、暂存和转运系统和设施，以及其他辅助系统和配套设施；而对于地下设施，一般采用矿山式处置库设计，即在地面通过斜坡道或竖井进入地质处置库区，处置库区主要以“井字型”巷道列阵的形式布置在地下，然后将高放废物安放在处置库区的水平巷道或垂直洞坑中，最后采用多重屏障系统进行长期处置。各个国家根据自己国家需求的现状，在地表及地下设施设计中有所差异，但总体的设计思路基本是一致的。

目前我国尚未提出高放废物黏土岩地质处置库的概念设计模型，基于世界上主流高放废物黏土岩地质处置库的概念设计现状，未来我国高放废物黏土岩地质处置库的概念设计思路应亦是如此，即地质处置设施的设计应以巷道列阵的形式布置于地下。因此，本次研究主要依据比利时高放废物黏土岩地质处置库的概念设计模型尺寸，以塔木素预选区为工程地质背景，针对其地质处置库洞室群的稳定性进行了相关的数值模拟研究。

3 塔木素预选区地应力分析

经调查研究，目前国内外学者针对塔木素地区地应力场的研究程度较低，地应力场相关的研究资料较少，此次研究收集到了位于塔木素预选区临近阿拉善地块2个钻孔[TMS02(1号钻孔)、NGR01(2号钻孔)]资料。塔木素预选区地应力测量数据[15]的统计结果，见图3和表1。

由图3和表1可以看出：

图3 塔木素预选区地应力随深度的变化关系Fig.3 Profiles of ground stress versus depth in pre-selected area of Tamusu表1 塔木素预选区地应力测量数据统计表(据文献[15]统计)Table 1 Statistics of ground stress results in pre-selected area of Tamusu

钻孔编号及名称深度/mP0/MPa主应力值/MPaSHShSv最大水平主应力方向75.00.641.521.511.99132.41.218.625.723.51162.31.517.065.144.30178.91.689.185.844.74254.12.4319.8811.476.73268.62.5817.2410.147.12N12°E297.12.8615.449.327.87328.23.1713.558.668.70TMS02369.63.5912.048.409.79N37°E(1号钻孔)393.03.8216.0210.0410.41N53°E402.73.9213.008.7110.57426.04.1510.287.6711.29N33°E448.94.3811.068.1311.90473.14.6212.188.8112.54524.85.149.647.7813.91556.05.4510.198.0214.73568.35.579.727.9315.06N18°E591.95.8110.938.7815.6947.70.294.684.311.26402.50.845.824.762.72147.51.486.875.513.91195.51.967.125.905.18223.72.247.616.245.93262.82.637.925.836.96NGR01313.73.148.406.438.31(2号钻孔)386.53.8719.1912.5010.24416.24.1621.6515.5811.03450.84.5120.6115.2611.95481.04.8116.7513.6912.75N44°E503.55.0424.7917.9913.34538.85.3916.8812.1414.28N19°E571.45.7124.9618.4215.14

(1) 总体而言，塔木素预选区最大水平主应力(SH)、最小水平主应力(Sh)、垂直应力(Sv)和岩石孔隙压力P0均随地层深度的增加而增大，塔木素预选区最大水平主应力的优势方向为N19°E～N53°E，平均值为N33°E。综合对比相同深度的三向主应力，发现塔木素预选区水平应力作用为主导，垂向应力的作用也较显著。

(2) 1号钻孔在0～591.5 m深度范围内，最大水平主应力分布在1.52～19.88 MPa范围内，而最小水平主应力则分布在1.51～11.47 MPa范围内，最大、最小水平主应力在254.1 m～393.0 m深度段增幅较大；而在塔木素预选区域目的层(K1b2-1)的450～600 m深度范围内，地应力增幅趋于稳定，最大水平主应力在9.64～12.18 MPa区间内变化，而最小水平主应力则在7.78～8.81 MPa范围内波动。

(3) 2号钻孔在0～571.4 m深度范围内，最大水平主应力分布在4.68～24.96 MPa范围内，而最小水平主应力则分布在4.31～18.42 MPa范围内；相比1号钻孔的地应力特征，2号钻孔在同等深度范围的地应力明显大于1号钻孔；2号钻孔在386.5 m深度处地应力增幅明显，而在塔木素预选区域目的层(K1b2-1)的450～600 m深度范围内,最大水平主应力在16.88～24.96 MPa区间内变化，而最小水平主应力则在12.14～18.42 MPa范围内波动。

需要指出的是，2个钻孔在某一深度的地应力均增幅明显，但由于文献中并未给出此2个钻孔的地层分层数据，且两者增幅点深度差异较大，故本文初步认为塔木素预选区地应力的分布特征具有一定的层控性。另外，TZK-1钻孔地质分层资料揭示塔木素预选区域目的层(K1b2-1)的埋深在410～690 m范围内，综合黏土岩选址技术准则，本次数值模拟研究将该高放废物黏土岩地质处置物洞室群主巷道主水平面埋深初步设定为-500 m，依据研究区地应力的分析结果，在此深度范围内最大水平主应力大多超过15 MPa。考虑到后期该地质处置库运行期间安全稳定性的需要，设计处置库时需考虑摆放主巷道洞轴线方向与地应力方向的空间配置关系。

4 地应力方位对高放废物黏土岩地质处置库洞室群稳定性影响的数值模拟分析

工程上一般认为，开挖隧道或洞室时对围岩的影响范围一般在8倍洞径范围内，超出此区域围岩基本不发生变化。比利时高放废物黏土岩地质处置库的概念设计模型主巷道的直径为3.5 m，2条主巷道相距400 m，支巷道的直径为2 m，支巷道的间距为40 m。主-主巷道、支-支巷道的间距远超8倍洞径，彼此之间的影响较小，故认为巷道之间的相互影响区域主要集中在主-支巷道的交叉区域。

4.1 模型的建立及边界条件

比利时高放废物黏土岩地质处置库的设计整体而言是个对称设计，在一定范围内可以认为主巷道和支巷道在地下受力状态是对称的，可将其进行简化研究。此次的研究对象由一条主巷道和两条支巷道组成[见图4(a)]，基于Mohr-Coulomb强度准则，采用ABAQUS数值仿真软件对其进行数值模拟计算。为了消除边界效应的影响，模型尺寸设定为100 m×100 m×100 m(X×Y×Z)，模型底标高为-550 m、顶标高为-450 m，主巷道水平面埋深为-500 m；模型共剖分了10 534个单元、11 699个节点[见图4(b)]。

图4 高放废物黏土岩地质处置库洞室群简化模型 与三维数值计算模型Fig.4 Simplified model and three-dimensional calculation model of cavern group in geological repository of high-level radioactive waste in clay rock

由于研究工区存在较显著的构造应力，围岩中构造水平应力远大于岩体自重所产生的水平应力，因此需通过施加水平荷载的方式来模拟研究工区构造水平应力特征。根据开挖技术相关工艺，在尽量还原原始工程地质背景条件的前提下，对模型进行了一定的假设及简化：地层在岩组范围内为均匀连续介质，初始状态下地质处置库主巷道洞轴线方向与最大水平主应力方向一致；模型在左(X轴指向的面)、下(XOY面)、前(XOZ面)三个面设置位移约束边界，其余三个面施加相应荷载。另外，本文在ABAQUS软件中计算所输入参数和输出结果均采用国际单位制(SI)，如位移和长度的单位为m，应力的单位为Pa。

4.2 模型参数设置

地应力场参数设置主要依据2个钻孔在地下450～550 m深度范围内所对应的应力场数据(见表1)进行插值，然后将两者数据取平均值进行拟合(见图3)，最后以函数的形式进行赋值。数值计算过程使用的岩体物理力学参数，见表2。

(1)

(2)

(3)

式中:SH为最大水平主应力(MPa)；Sh为最小水平主应力(MPa)；Sv为垂直应力(MPa)；y为埋深(m)。

表2 数值计算所用的物理力学参数Table 2 Physico-mechanical parameters employed in simulations

4.3 计算工况设置

本次数值模拟研究依据高放废物黏土岩地质处置库洞室群主巷道洞轴线方向与最大水平主应力不同的相交角度，设置了如表3所示的计算工况进行数值分析。

表3 数值模拟的计算工况设置Table 3 Working condition setting of numerical simulation calculation

4.4 数值分析

4.4.1 理论基础

洞室开挖后，如果围岩应力小于岩体的屈服极限，围岩仍处于弹性状态；当围岩局部区域的应力达到或超过岩体强度，则岩体的物性状态发生改变，围岩进入塑性状态，洞室围岩将产生塑性滑移、松弛或破坏。

距地表H深处、半径为a的圆形洞室围岩中的应力分布问题可视作双向受压无限大平板中的孔口应力分布问题，见图5。圆形洞室半径为a，在距圆形洞室中心O点r远处取一单元体A(r,θ)(θ为OA与水平轴的夹角)，采用极坐标求解。

图5 圆形洞室围岩中的应力分布Fig.5 Stress distribution of surrounding rock of circular tunnel

(1) 洞室开挖后围岩的弹性应力状态[28]:圆形洞室周围围岩中任意一点A(r,θ)处的应力分量表达式如下：

径向应力为

(4)

切向应力为

(5)

剪应力为

(6)

最大水平主应力为

(7)

最小主应力为

(8)

圆形洞室周围围岩的位移表达式如下(对应于二次应力)：

径向位移为

(9)

切向位移为

(10)

式中：σz为原岩垂直应力(MPa);σx为原岩水平应力(MPa);E为杨氏模量(GPa);μ为泊松比。

(2) 洞室开挖后围岩的塑性应力状态[28]:当洞壁的二次应力超出岩体的屈服应力，则洞壁岩体将产生塑性区。围岩进入塑性状态的判据为莫尔-库仑直线形强度判据,有：

σ1=ξσ3+σc

(11)

式中：ξ为强度线的斜率，可按(1+sinφ)/(1-sinφ)求得；σc为理论上的单轴抗压强度(MPa)，可按2ccosφ/(1-sinφ)求得；c为岩体黏聚力(MPa);φ为岩体内摩擦角(°)。

塑性区切向应力为

(12)

塑性区径向应力为

(13)

塑性区半径为

(14)

初始应力为

p0=λH

(15)

4.4.2 位移场的变化规律

在不同工况下高放废物黏土岩地质处置库洞室群开挖后，围岩合位移的演化结果，见图6。

图6 不同工况下高放废物黏土岩地质处置库洞室群周围围岩合位移的演化结果Fig.6 Simulation results of displacement evolution of surrounding rock around caverns in the geological repository of high-level radioactive waste in clay rock in different working conditions

由图6可见，地质处置库洞室群开挖后，围岩位移的变化特征总体表现为洞室顶板下沉、底板隆升、两侧洞壁沿水平方向收缩；在洞室群主-支巷道交叉部位围岩的位移明显增大，分别提取洞室群主-支巷道交叉区域X(与主巷道垂直方向)、Y(平行于主巷道轴线方向)、Z(竖直方向)方向围岩的最大位移值，其统计结果见表4。

表4 不同工况下高放废物黏土岩地质处置库洞室群主-支巷道交叉部位围岩的三向最大位移值统计表Table 4 Statistics of three-direction maximum displace- ment value of surrounding rock around main-branch roadway intersection area in caverns in different working conditions

由表4可知，地质处置库洞室群开挖后，围岩在X、Y、Z方向的位移总体变化量不大，位移值不超过10 mm；围岩在竖直方向的位移总体大于水平方向的位移，发生最大位移处为主-支巷道交叉区域;随着夹角α的变化，围岩在竖直方向的位移在9.50～8.63 mm范围内波动，变化幅度很小，这表明最大水平主应力方位的变化对围岩Z方向位移的影响较小；而水平方向位移的变化较明显，其中围岩在X方向的位移随着夹角α的增大而增大，位移量由3.19 mm增加至7.32 mm，其在Y方向的位移随着夹角α的增大而减小，位移量由8.3 mm减小至1.8 mm。

根据上述洞室群围岩水平位移的变化规律，为了提高洞室群整体的稳定性，围岩在X、Y方向的水平位移不宜过大，因此该地质处置库主巷道洞轴线方向应与最大水平主应力方向呈一定的夹角，夹角α的大小应在45°～60°之间较为合适。

4.4.3 应力场的变化规律

高放废物黏土岩地质处置库洞室群开挖后，围岩最大水平主应力、最小水平主应力的演化规律，见图7和图8。

图7 不同工况下高放废物黏土岩地质处置库洞室群围岩最大水平主应力的演化结果Fig.7 Simulation results of maximum principal stress evolution of surrounding rock around caverns in the geological repository of high-level radioactive waste in clay rock in different working conditions

由图7和图8可见，地质处置库洞室群开挖后，在洞室群周围、洞室交叉部位以及洞室角点部位围岩均产生了应力集中现象，根据不同工况的计算结果，提取洞室群围岩应力集中位置的最大水平主应力值和最小水平主应力值，其统计结果见表5。

由表5可知，地质处置库洞室群开挖后，当夹角α为0°时，围岩最大水平主应力最大，其值为30.6 MPa，表现为压应力，且随着夹角α的增大，围岩的最大水平主应力值呈减小趋势，但其减小幅度较小；而围岩的最小水平主应力随着夹角α的变化在8.93～12.40 MPa范围内波动，变化幅度较小，亦表现为压应力。

图8 不同工况下高放废物黏土岩地质处置库洞室群围岩最小水平主应力的演化结果Fig.8 Simulation results of minimum principal stress evolution of surrounding rock around caverns in the geological repository of high-level radioactive waste in clay rock in different working conditions

表5 不同工况下高放废物黏土岩地质处置库洞室群围岩的最大水平主应力值和最小水平主应力值统计表Table 5 StatisticalTable of maximum horizontal and minimum horizontal stress of surrounding rock around caverns in different working conditions

综合分析可见，地质处置库洞室群围岩水平主应力的变化幅度较小，对夹角α不敏感，表明地应力方位的变化对该地质处置库洞室群围岩二次应力场分布的影响较小。

4.4.4 塑性区的分布规律

TZK-1钻孔揭示了研究区域478.8 m以下埋深的岩体质量较好，在空间分布较为均匀，以Ⅲ级岩体为主。地质处置库洞室群开挖后，围岩塑性屈服区主要出现在洞室群主-支巷道交叉区域，其塑性屈服区分布情况见图9。

图9 不同工况下高放废物黏土岩地质处置库洞室群周围围岩塑性应变的演化结果Fig.9 Simulation results of plastic strain evolution of surrounding rock around caverns in the geological repository of high-level radioactive waste in clay rock in different working conditions

通过提取不同计算工况下地质处置库洞室群主-支巷道交叉区域围岩的塑性应变值，其具体统计结果见表6。

表6 不同工况下高放废物黏土岩地质处置库洞室群主-支巷道交叉部位围岩的塑性应变值统计表Table 6 Statistics of plastic strain value of surrounding rock around caverns in the geological repository of high-level radioactive waste in clay rock in different working conditions

由表6可知，地质处置库洞室群开挖后，洞室群主-支巷道交叉部位围岩塑性屈服区随夹角α的增大呈现先减小后增大的变化规律，塑性应变值在0.010 8～0.021 2范围内变化，围岩总体表现为弹性变形，且当夹角α=45°时，塑性应变值最小。

5 结 论

(1) 世界上主流高放废物黏土岩地质处置库的概念设计模型主要是由地面设施与地下设施组成，各个国家根据自己国家需求的现状，在设计中有所差异，但总体的设计思路基本是一致的。

(2) 塔木素高放废物黏土岩地质处置库预选区在0～600 m深度范围内，最大水平主应力、最小水平主应力、垂直应力和岩石孔隙压力均随地层深度的增加而增大，最大水平主应力的优势方向在N19°E～N53°E，平均值为N33°E，塔木素预选区受水平、垂直应力作用的影响均较显著。本文初步认为塔木素预选区地应力的分布特征可能具有一定的层控性。

(3) 本文以塔木素预选区为工程地质背景，针对比利时高放废物黏土岩地质处置库地下设施的概念设计模型，运用ABAQUS数值仿真软件对塔木素预选区地质处置库洞室群主巷道洞轴线方向与最大水平主应力夹角α在0°～90°变化条件下，地质处置库位移场、应力场和塑性区的分布规律进行了数值模拟研究。研究认为设计处置库时，为了提高处置库洞室群整体稳定性，地质处置库洞室群主巷道长轴方向应与地应力方向呈一定的角度。以比利时高放废物黏土岩地质处置库地下设施的概念设计为例，当夹角大小在45°～60°之间时，地质处置库洞室群的稳定性最好。

值得指出的是，由于我国目前尚未提出高放废物黏土岩地质处置库的概念设计模型，此次研究内容为我国高放废物黏土岩地质处置库的设计，开展了一次重要参数的探索性研究。下一步将针对洞室群稳定性的其他影响因素进行相关的研究。