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Technischer Bericht NTB 94-04

Felslabor Grimsel Der Einfluss der StollenVentilation auf die hydraulischen Fliessverhältnisse im ausbruchsnahen Gebirgsbereich (Kristall in)

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Im Schweizer Felslabor Grimsel der Nagra werden seit 1984 Untersuchungsmethoden erprobt, mit denen die Eigenschaften des Kristallins als Wirtgestein für die Endlagerung radioaktiver Abfälle untersucht werden können. Die Arbeiten werden von der Nagra unter Beteiligung weiterer internationaler Institutionen (BGR und GSF) durchgeführt.

Seit 1991 steht neben dem Kluftwassertransport auch die Bewertung des Einflusses der Gasphase auf den Wasserfluss in Matrixbereichen (Zweiphasenfluss) im Vordergrund der deutsch/schweizerischen Untersuchungen. Schwerpunkt der GSF-Arbeiten ist dabei die Interpretation der Fliessverhältnisse für die Wasser- und Gasphase in der Austrocknungszone im Nahbereich des Ventilationsteststollens.

In Laboruntersuchungen wird an Kernen die Abnahme der relativen Permeabilität für Wasser unter Berücksichtigung der zugehörigen Kapillardruckkurven in Abhängigkeit vom Sättigungsgrad bestimmt. Die Messungen werden bis zu Kapillardrücken von 6 MPa durchgeführt. Die bereits bei geringen Sättigungsänderungen auftretenden hohen Kapillardrücke sind ebenso bezeichnend für den Grimsel-Granodiorit, wie die hohe Restwassersättigung. Ein wassergesättigter Kern lässt sich auch durch hohe Gaseinpressdrücke von über 4 MPa nur zu etwa 50 % entsättigen.

Die bevorzugten Fliesswege und Speicherräume innerhalb der Matrixbereiche sind – wie die UV-Analyse präparierter Dünnschliffe zeigt – auf die mikrometergrossen intergranularen Porenräume beschränkt.

Mit diesen In-situ-Untersuchungen wird der Einfluss des Stollenklimas auf die langfristige, grossräumige (erfasster Gebirgsbereich ca. 300'000 m3) Wasserfreisetzung und Druckentwicklung ermittelt. Dazu wird in einem ca. 40 m langen Stollenabschnitt die Umgebungstemperatur schrittweise von 12°C bei verringerter relativer Luftfeuchtigkeit auf die in zukünftigen Untertage-Endlagern in 1000 Meter Tiefe zu erwartenden Temperaturbedingungen von 40°C erhöht. Die Messergebnisse bestätigen die Aussage, dass durch den im Zuge der veränderten Klimabedingungen auftretenden Feuchtegradienten zusätzlich Wasser freigesetzt wird. Das Gebirge gibt mehr Feuchtigkeit durch Verdunstung ab, als aufgrund der hydraulischen Randbedingungen nachfliessen kann, was zur Teilentsättigung stollennaher Bereiche führt.

Die Wirkungsweise und Ausdehnung des angenommenen Porositäts- und Permeabilitätssystems für den ungestörten Granodiorit wird durch hydraulische Packertests in Bohrungen untersucht. Die Auswertung der Drucktests erfolgt mit numerischen Auswerteprogrammen (z. B. INTERPRET oder WELTEST), mit denen in der Regel eine optimale Anpassung der Versuchsdaten an die Versuchsbedingungen und -geometrien vorgenommen und simuliert werden kann. Ziel der als 'Constant-Rate­Tests' durchgeführten Versuche ist, neben der Beschreibung des Fliessmodells und der hydraulischen Fliessrandbedingungen, die Ermittlung von Transmissivitäten. Insbesondere aus einem 'Crosshole-Test' können Rückschlüsse auf die Fliessgeometrien und die Fliessgrenzen gezogen werden. Innerhalb eines Radius von etwa 25 m um das Injektionsintervall der Bohrung BOVE 88.002/1 wurde eine hydraulische Fliessgrenze (Scherzone) erkannt und eine mittlere Permeabilität für die Matrixbereiche von 1E-17 bis 1E-18 m2 festgestellt.

Die Ergebnisse der In-situ- und Labormessungen werden als Basis- und Kalibrierungsparameter in der hydraulischen Modellierung der Fliessvorgänge im Bereich des Ventilationsteststollens verwendet. In einem 8400 Blöcke umfassenden hydraulischen Blockmodell werden für einen etwa 80 × 80 × 240 m grossen Gebirgskörper mögliche Einflüsse wie z. B. Anisotropieeffekte oder der zeitliche Ablauf einer hydraulischen Entsättigung des Stollennahbereiches simuliert. Durchgeführt werden die 3-D­Modellrechnungen mit dem Rechenprogramm ECLIPSE/INTERA auf der Grundlage eines dualen Fliessmodells unter Berücksichtigung von Zweiphasenfluss- und Diffusionsvorgängen.

Die Interpretation der vorliegenden Resultate lässt unter Berücksichtigung der Untersuchungsergebnisse der Nagra (vgl. Kapitel 1.2) die Schlussfolgerung zu, dass durch die Stollenventilation das wassergesättigte Gebirge innerhalb einer sehr begrenzten Zone lediglich teilentsättigt wird, und dass dieser Prozess als reversibel anzusehen ist. Die Teilentsättigung des Stollennahbereiches (ca. 2 m) hat keine messbaren Auswirkungen auf die grossräumigen hydraulischen Fliessverhältnisse des umgebenden Gebirges gezeigt.

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