Resin-injection testing and measurement of the shear displacement and aperture of excavation-damaged-zone fractures; A Case study of mudstone at the Horonobe Underground Research Laboratory, Japan

掘削損傷領域割れ目を対象とした樹脂注入試験とせん断変位および開口幅の計測; 幌延深地層研究センターの泥岩における検討事例

青柳 和平  ; 石井 英一   ; Chen, Y.*; 石田 毅*

Aoyagi, Kazuhei; Ishii, Eiichi; Chen, Y.*; Ishida, Tsuyoshi*

高レベル放射性廃棄物の安全評価では廃棄体から地下水に漏洩した放射性核種の長期的な移動を評価するために、処分場の坑道掘削により坑道周辺に形成される掘削損傷領域割れ目の長期定な透水性を推定する必要がある。本研究は幌延深地層研究センターの地下坑道において、掘削損傷領域割れ目のせん断誘発膨張が同割れ目の開口幅に与える影響を定量的に調べるために、同割れ目を予め樹脂注入より固化した状態で掘削・採取し、観察した。これまで、掘削損傷領域割れ目のせん断変位を詳細に計測した事例はなかったが、せん断誘発膨張が割れ目開口に与える影響を理解することは、坑道埋め戻し後の割れ目の長期的な透水性を評価する上で重要である。樹脂により固化された割れ目の拡大写真を用いて、割れ目のラフネス、せん断変位、および開口幅を詳細に計測した結果、せん断変位量と開口幅に相関性は認められず、割れ目形成後のせん断膨張は有意に生じていないことが示された。この結果は既存の経験則を用いたシミュレーションでも再現でき、深度350mのやや高い垂直応力がせん断誘発膨張を抑制していることが考えられた。垂直応力が大きく低下しない限りは、仮に割れ目がせん断しても、割れ目の開口幅が有意に増加する可能性は低いと考えられる。坑道埋め戻し後の掘削損傷領域割れ目のせん断膨張の可能性を検討する上で、原位置における樹脂注入試験と詳細な割れ目観察は有効な手法であることを示した。

Safety assessments related to the long-term migration of radionuclides in high-level radioactive waste disposal repositories need to consider the evolution of permeability associated with excavation-damaged-zone (EDZ) fractures. We observed EDZ fractures preserved by resin injection around a gallery in the Horonobe Underground Research Laboratory in Japan with the aim of assessing the sensitivity of aperture to shear displacement (i.e., dilation angle) in EDZ fractures. To date, shear displacement along EDZ fractures has not been quantified despite its importance for estimating the evolution of fracture aperture around excavations after the repository is backfilled. Enlarged photographs of EDZ fractures fixed by resin were examined to obtain reliable and accurate measurements of the shear displacement and aperture of EDZ fractures without additional disturbance. Measured shear displacement and fracture aperture are poorly correlated, meaning that fracture aperture is insensitive to shear displacement after fracture formation. This insensitivity is closely reproduced by a previously reported empirical relationship and is attributed to the relatively high levels of normal stress acting on fracture surfaces at 350 m depth, which suppress shear-induced dilatation. Considering this insensitivity between fracture aperture and shear displacement, shear-induced dilation of EDZ fractures is estimated to be negligible even if the fractures are shear-displaced after the repository is backfilled, so long as the normal stress acting on fracture surfaces does not reduce substantially. The applied resin injection and fracture observations constitute a useful tool for helping to assess the likelihood of shear-induced dilation after the repository is backfilled.