Numerisches Modell zur Entwicklung der Permeabilität von Steinsalz in Abhängigkeit von Schädigung, Fluiddruck und Spannungszustand

Missal, Christian Peter

Für radioaktive Reststoffe gelten Salzlagerstätten als potenzielle Standorte für End- bzw. Tiefenlager. Durch die Einlagerung soll die Biosphäre dauerhaft vor den Gefahren der Reststoffe geschützt werden. Um das Schutzziel zu erreichen, ist es notwendig, den Schadstofftransport zu verhindern bzw. zu verzögern. Steinsalz ermöglicht aufgrund seines viskoplastischen Verhaltens einen langfristig dichten Einschluss. Bei der Auffahrung von Strecken im Salinar wird der ursprünglich isotrope Spannungszustand gestört und um die Strecke bilden sich ein deviatorischer Spannungszustand und eine Auflockerungszone (ALZ) aus. Diese ALZ ist aufgrund des Spannungszustands durch ein anisotropes Rissnetzwerk gekennzeichnet, dessen Risse nahezu parallel zur Strecke verlaufen. Die ALZ bietet für Fluide Wegsamkeiten, die beim Bau von Abdichtbauwerken die Wirksamkeit beeinträchtigen. Die Funktionalität von Abdichtstandorten wird durch die integrale Permeabilität aus intaktem Gebirge, ALZ, Kontaktzone und Damm bewertet. Für den Fall eines möglichen Lösungszutritts in das Grubengebäude ist zur Einhaltung des Schutzzieles die Funktionsfähigkeit des Abdichtstandortes nachzuweisen. Die anisotrope Permeabilität in der ALZ wird auf Basis der Hauptschädigungskomponenten ermittelt. Aufgrund der Kristallstruktur des Salzes entstehen im Fall der Schädigung Risse entlang der Korngrenzen. Daher werden zur Beschreibung der Durchlässigkeit Modellansätze für Kluftwasserleiter aus der Felsmechanik adaptiert. Da in den Rissnetzwerken keine einheitliche Rissöffnungsweite zu erwarten und zudem eine Relation zwischen den schädigungsinduzierten Verzerrungen und der Öffnungsweite herzustellen ist, werden für die drei Hauptrichtungen Rissspektren mit einer Rayleigh-Verteilung bestimmt. Die Rissöffnungsweite wird auch vom wirksamen Fluiddruck und der Normalspannung auf den Rissflächen beeinflusst. Zusätzlich wird der mittlere Rissabstand und die Oberflächenbeschaffenheit des Risses aufgrund der Kristallinität berücksichtigt. Für numerische Simulationen ist das am Institut für Grundbau und Bodenmechanik der TU Braunschweig entwickelte Stoffmodell TUBSsalt um den Ansatz zur Berechnung der anisotropen Permeabilität erweitert worden. Mit diesem Ansatz besteht die Möglichkeit, die Durchlässigkeit der ALZ im Bereich der Streckenkontur realitätsnäher zu beschreiben.

For radioactive waste, salt deposits are considered as potential sites for deep geological repositories. The aim of storage is to protect the biosphere permanently from the dangers of radioactive waste. In order to achieve the protection goal, it is necessary to prevent or at least delay the transport of radionuclides. Due to its visco-plastic behavior, rock salt ensures a long-term impermeable containment. During the excavation of drifts in salt rock the initial isotropic stress state is disturbed and around the drifts a deviatoric stress state is formed which leads an excavation damage zone (EDZ). Due to the stress state, the EDZ is characterized by anisotropic damage and cracks are formed predominantly parallel to the drift. For fluids, the EDZ provides pathways that impair the integrity of sealing structures. The functionality of sealing sites is evaluated by the integral permeability of the intact rock, the EDZ, the contact zone and the dam. In the case of a possible brine access into the mine, the functionality of the sealing site has to be proven in order to meet the protection goal. The anisotropic permeability in the EDZ is determined on the basis of the principal damage components. Due to the crystal structure of the salt, cracks occur along the grain boundaries in case of damage. Therefore, model approaches from rock mechanics for fluid flow in a joint are adapted to describe the permeability. Since no uniform crack opening width can be expected in the crack networks and a relation between the damage-induced strains and the opening width has to be established, crack spectra with a Rayleigh distribution are determined for the three principal directions. The crack opening width is also influenced by the effective fluid pressure and the normal stress on the crack surfaces. In addition, the mean crack distance and the surface texture of the crack due to crystallinity are taken into account. For numerical simulations, the constitutive model TUBSsalt developed at the Institute for Soil Mechanics and Foundation Engineering of the TU Braunschweig has been extended by the approach for the computation of anisotropic permeability. The approach provides the option of describing the permeability of the EDZ in the area of the drift contour more realistically.

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Missal, Christian: Numerisches Modell zur Entwicklung der Permeabilität von Steinsalz in Abhängigkeit von Schädigung, Fluiddruck und Spannungszustand. 2019.

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