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Arbeitsbericht NAB 13-94

Hydraulic conductance of the EDZ around underground structures of a geological repository for radioactive waste – A sensitivity study for the candidate host rocks in the proposed siting regions in Northern Switzerland

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Beim Bau und Betrieb eines geologischen Tiefenlagers entwickelt sich im Umfeld der Untertagebauwerke eine Auflockerungszone, die nach Lagerverschluss einen möglichen Freisetzungspfad für Radionuklide darstellt und somit im Rahmen der Langzeit-Sicherheitsanalysen zu berücksichtigen ist. Die Wirksamkeit dieses Freisetzungspfads hängt von der Form und der räumlichen Erstreckung der Auflockerungszone ab und von der Art der Gebirgsauflockerung. In überkonsolidierten Tonformationen zeigen sowohl empirische Befunde als auch experimentelle Untersuchungen ausnahmslos, dass die Auflockerungszone aus diskreten, exkavationsbedingten Trennflächensystemen besteht.

Im Rahmen einer rissmechanischen Modellierstudie wurden für ein geologisches Tiefenlager im Opalinuston Sensitivitätsanalysen zur Entstehung und Entwicklung der Auflockerungszone im Umfeld der Untertagebauwerke durchgeführt (Geomechanica 2013). In der Studie wurde der Einfluss der Lagertiefe, der Gebirgsspannung, der Gesteinsfestigkeit und des Tunnelausbaus auf die Form und Ausdehnung der Auflockerungszone untersucht. Die berechneten Rissbilder liefern die Grundlage für die quantitative Abschätzung der hydraulischen Bedeutung der Auflockerungszone. Im vorliegenden Bericht wurde ein Modellansatz entwickelt und erprobt, mit dem anhand der simulierten Rissbilder die Entwicklung der hydraulischen Eigenschaften der Auflockerungszone nach Lagerverschluss modelliert werden kann. Neben der realitätsnahen Darstellung der Rissmuster werden mit dem Modellansatz auch die vielfältigen hydro-mechanischen Phänomene und Prozesse nachgebildet, die im Zusammenhang mit der Entstehung und Entwicklung der Auflockerungszone beobachtet werden. Insbesondere wurden die Selbstab-dichtung der exkavationsbedingten Trennflächen und das Quellverhalten des intakten Gebirges durch vereinfachte rissmechanische bzw. geomechanische Prozessmodelle implementiert. Der entwickelte Modellansatz wurde anhand von empirischen Befunden und experimentellen Unter-suchungen aus dem Felslabor Mont Terri überprüft, wobei sich im Rahmen der verfügbaren Datenbasis eine gute Übereinstimmung zwischen den Ergebnissen der Modellierungen und den in situ Beobachtungen ergab.

Die von Geomechanica (2013) gelieferten Rissbilder zur Auflockerungszone im Umfeld eines geologische Tiefenlagers im Opalinuston wurden mit dem entwickelten Modellansatz analysiert und die hydraulische Bedeutung der Auflockerungszone wurde quantitativ abgeschätzt. Die Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:

  • Durch die Aufsättigung der verfüllten Untertagebauwerke dichten sich die exkavationsbedingten Trennflächensysteme im Gebirge weitgehend ab, so dass die hydraulische Wirksamkeit der Auflockerungszone drastisch sinkt. Im Opalinuston ist der hydraulisch wirksame (äussere) Radius der Auflockerungszone nach erfolgter Aufsättigung kleiner als 2 Tunneldurchmesser.
  • Eine signifikante Erhöhung der hydraulischen Durchlässigkeit gegenüber dem intakten Wirtgestein ist nur in einer Zone von ca. einem halben Tunneldurchmesser zu erwarten. In dieser Zone kann die hydraulische Durchlässigkeit gegenüber dem intakten Wirtgestein um bis zu einer Grössenordnung erhöht sein, während die Porosität maximal um 20% erhöht wird.

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