Constant-head step injection tests to quantify the stress dependence of fracture transmissivity in an excavation damaged zone; A Case study from the Horonobe Underground Research Laboratory

定圧段階注水試験による掘削損傷領域の亀裂の透水量係数の応力依存性の定量化; 幌延地下研究施設における検討事例

石井 英一   

Ishii, Eiichi

高レベル放射性廃棄物の処分場では、坑道/処分孔沿いの掘削損傷領域(EDZ)の亀裂の透水量係数が処分場閉鎖後、亀裂表面の粘土膨潤による自己シーリングや埋め戻し材/緩衝材の膨潤による有効垂直応力の増加によって低下し得る。亀裂の透水量係数の応力依存性に関する水理力学連成モデルは閉鎖後の亀裂の透水量係数の変化を見積もるのに役立つが、そのモデルの適用性をそのサイトにおける原位置試験により確認する必要がある。定圧段階注水試験はその確認試験方法として有効であると期待できるが、EDZに対する適用性はまだよく分かっていない。この適用性を調べるために、本研究は膨潤性に乏しい泥岩中に建設された幌延の地下研究施設の単一の引張性EDZ亀裂を対象に注水試験を行った。さらに、同亀裂の透水量係数の応力依存性を定量化するために、バートンバンディスの亀裂閉塞モデルが採用された。注水中、亀裂の水理開口幅は徐々に増加し、その変化はモデルのフィッティングによりよく再現できた。同モデルは垂直応力が必要だが、これもフィッティングにより適切に推定できた。したがって、定圧段階注水試験と同モデルの組み合わせは、少なくとも、自己シーリングに乏しく、引張性のEDZ亀裂に対しては、EDZ亀裂の透水量係数の応力依存性を定量/検証するのに有効と考えられる。

In an underground repository for high-level radioactive waste disposal, fracture transmissivity in an excavation damaged zone (EDZ) along tunnels or deposition holes can decrease during the post-closure period via processes such as self-sealing by clay-swelling at the EDZ's fracture surface or an increase in effective normal stress acting on the fractures owing to swelling of backfilling or buffer materials. Hydromechanical coupling models for the stress-dependence of fracture transmissivity are helpful to estimate the change in an EDZ's fracture transmissivity after closure. The applicability of the applied models should be confirmed by in situ tests at the given site; this appears to be facilitated by using constant-head step injection tests. However, injection testing is rarely applied to EDZ fractures. To investigate the applicability of injection tests, the present study performed them on single, tensile EDZ fractures in the Horonobe Underground Research Laboratory hosted by poorly swelling mudstone. Furthermore, the Barton-Bandis normal stress-dependent fracture-closure model quantified the stress-dependence of EDZ facture transmissivity. The fracture's hydraulic aperture increased gradually during injection, and its variation was well reproduced by fitting the model. Although the model requires the normal stress, this parameter was reasonably estimated by the fitting analyses. Constant-head step injection tests coupled with the Barton-Bandis model is believed to be a convenient method for preliminarily quantifying or verifying the stress dependence of EDZ fracture transmissivity, at least for poorly self-sealed, tensile EDZ-fractures.