《INTERNATIONAL JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND MINING SCIENCES》：Experimental study of swelling-induced crack self-sealing process in claystone samples with indirect water injection process
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为揭示深层地质处置库中开挖损伤带的长期封闭性能，研究人员针对Callovo-Oxfordian (COx)粘土岩，首次设计并采用间接水化实验模拟装置，研究了裂隙在约束条件下的闭合过程及其对输运特性的影响。结果表明，含裂隙样品的表观膨胀压力高于完整样品，且气体突破压力与膨胀压力呈强正相关，揭示了COx粘土岩的优异自密封能力，为评估处置库屏障完整性提供了关键依据。
随着核能的发展，如何处理具有长期放射性的核废料成为人类面临的重大挑战。一个被广泛采纳的方案是“深层地质处置”，即将废料封存在地下数百米深的稳定岩层中。在此背景下，粘土质岩石因其低渗透性和良好的可塑性，成为多个国家青睐的候选“屏障”或“主岩”。例如，法国就选定了Callovo-Oxfordian (COx)粘土岩作为其放射性废物处置库的主岩。然而，在开挖处置库巷道和钻孔时，工程活动不可避免地会扰动周围的岩体，形成被称为“开挖损伤带”的裂隙网络。这些裂隙会像高速公路一样，将岩体的渗透性提高数个数量级，严重威胁屏障的长期隔离性能。那么，如何修复这些“伤口”呢？大自然或许自有妙方。粘土岩富含黏土矿物，遇水会发生膨胀。科学家们猜想，这种天然的膨胀力或许能像“生物愈合”一样，逐渐挤压、闭合这些工程裂隙，恢复岩体的完整性。这个过程被称为“自密封”，它是确保处置库在数万年甚至更长时间内安全可靠的关键机制。本研究发表在《INTERNATIONAL JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND MINING SCIENCES》，旨在通过创新的实验方法，深入探究COx粘土岩裂隙的自密封过程及其对水力、气体输运特性的影响。
研究者们为了更真实地模拟现场条件（即水从远处饱和区逐渐渗入裂隙区，而非直接注入裂隙），专门设计了一套原创性的“间接注水”实验装置。该研究的核心技术方法包括：1) 从法国Bure地下研究实验室获取COx粘土岩原状岩心，制备成含有人工裂隙（通过巴西劈裂法产生）和不含裂隙的对比样品；2) 利用包含三轴室、水注入系统、应变测量单元、气体压力监测系统的综合实验平台，构建“完整样品-密封接头-裂隙样品”组合模型，实现水的间接渗透；3) 通过粘贴在钢制约束管外的应变片，测量并校准得到样品的表观膨胀压力；4) 基于达西定律，测量水渗流过程中的表观渗透率演化；5) 采用阶梯式升压法，对水饱和后的样品进行氩气注入实验，测定气体突破压力；6) 在气体突破后，再次进行水注入，评估气体诱导通道的重新密封能力。
3.1. 自密封过程
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3.1.1. 表观膨胀压力
实验结果显示，裂隙样品(S3-C, S4-C, S5-C)的最终表观膨胀压力(5.08-7.31 MPa)甚至高于对应的完整样品(S3-S, S4-S, S5-S, 3.68-6.24 MPa)。这与此前一些研究中“裂隙样品膨胀压力略低”的结论不同。研究认为，由于裂隙的存在，水能够更深入、更大量地渗入样品，引发了更强烈且持久的黏土矿物膨胀（包括晶体膨胀和渗透膨胀），从而在刚性约束下产生了更高的压力。此外，膨胀表现出明显的各向异性：应变片方向平行于层理面的样品(S5)所测得的膨胀压力，高于应变片方向垂直于层理面的样品(S3)。这说明层理结构显著影响了膨胀变形的方向。研究还发现，在“完整-裂隙”样品组合中加入不透水接头（模拟间接水化）的样品(S3-C)，其膨胀压力增长比未加接头、水可直接进入裂隙的样品(S1-C)更慢，但最终达到的压力值更高，揭示了水化路径对自密封动力学的重要影响。
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3.1.2. 表观水渗透性
在注水初期，所有组合样品的表观水渗透率均迅速下降，表明裂隙和微裂缝在膨胀压力作用下快速闭合。随后，闭合速度减缓，渗透率最终稳定在10-20m2量级。有无中间接头对最终渗透率值影响不大，因为此时渗透性主要由位于底部的完整样品控制。
3.2. 气体注入测试
对水饱和后的样品进行氩气突破压力测试。出人意料的是，除S3组外，裂隙样品(S4-C, S5-C)的气体突破压力(GBP)均高于对应的完整样品(S4-S, S5-S)。分析认为，裂隙的存在促进了更充分的水化，导致裂隙闭合更完全，从而需要更高的气体压力才能突破。研究提出了通过分析下游压力上升速率突变点来确定GBP的新方法，其结果与通过气体探测器测得的传统方法结果高度一致。更重要的是，研究发现裂隙样品的GBP与其表观膨胀压力之间存在强烈的正线性相关关系（R2= 0.996），表明膨胀压力越高，裂隙密封效果越好，气体突破越困难。
3.3. 气体诱导通道的重新密封
气体突破测试后，气体可能在样品中打开了新的通道。随后的再次注水实验表明，所有样品的水渗透率均随时间再次下降，说明气体诱导的通道能够被水饱和过程重新密封。不过，S3-C样品（其GBP最低）的初始重注水渗透率最高，且最终密封程度略低于其他样品，这可能与其初始裂隙的形态（如开度、曲折度）有关。对S5组样品进行的第二次气体突破测试显示，其GBP值高于第一次，进一步证实了经过两轮水化后，样品饱和程度更好，密封性更强。
研究结论与意义
本研究通过创新的间接水化实验，系统揭示了COx粘土岩裂隙在约束条件下的膨胀诱导自密封机理。主要结论包括：1) 在更接近现场条件的间接水化模式下，含裂隙COx粘土岩样品能产生比完整样品更高的表观膨胀压力，这主要归因于裂隙促进了更深入的水化和更强的黏土矿物膨胀效应。2) 膨胀过程具有各向异性，平行于层理方向的膨胀变形更为显著。3) 裂隙样品的密封质量（以气体突破压力为指标）与其膨胀压力强相关，膨胀压力越高，气体越难突破。4) 即使经历气体突破形成通道，后续的水饱和过程仍能有效地重新密封这些通道，展现了COx粘土岩优异的自修复能力。
这项研究的重要意义在于：它首次采用了“间接水化”的实验思路，更真实地模拟了处置库现场开挖损伤带的再饱和过程，所得结论对实际工程评估更具参考价值。研究建立了裂隙密封状态（气体突破压力）与膨胀驱动力（膨胀压力）之间的定量关联，为通过相对容易测量的膨胀压力来预测裂隙的密封效率提供了可能。最终，这些结果为评估和预测COx粘土岩作为放射性废物地质处置库屏障的长期性能和完整性提供了关键的实验数据和机理认识，增强了人们对这一天然屏障安全性的信心。
