地下水と溶存ガスを考慮した三次元二相流解析による掘削影響領域における飽和度分布

Spatial distribution of desaturation around the tunnel predicted by three-dimensional two-phase flow modeling of the degassing process of dissolved gases in groundwater

宮川 和也   ; 山本 肇*

Miyakawa, Kazuya; Yamamoto, Hajime*

高レベル放射性廃棄物の地層処分場などの大規模地下施設の掘削により、坑道壁面近傍に割れ目を伴う掘削損傷領域が形成され、不飽和な割れ目を通して岩盤内に酸素が侵入し、核種移行の環境条件に影響を及ぼす可能性がある。新第三紀海成堆積層のように、CHなどの溶存ガスを高濃度で含む地層に坑道が掘削される場合、酸素の侵入は脱ガスしたCHの坑道へ向かう流れにより抑制されるものの、不飽和領域における気相拡散を介して促進される可能性が考えられる。本研究では、地下水に多量の溶存CHが含まれる環境における地下施設の建設・操業に伴う不飽和領域の三次元分布を推定する手法を例示することを目的として、幌延深地層研究センターの地下施設の坑道掘削の実工程を反映した逐次掘削解析を行い、10年間の気液二相流解析を実施した。地下施設からの地下水とガスの湧出量の解析結果はそれぞれ、2017年1月の時点で約100300m dと250350m dであり、それぞれの観測値(100m dおよび300m d)と近い値が得られた。飽和度分布の解析結果は、250m調査坑道周辺において相対的に高く、350m調査坑道周辺において相対的に低くなっており、各調査坑道における観測結果と整合的であることが確認された。このことから、地下水の坑道壁面からの排水条件やグラウト影響の取扱方法に関する課題が残るものの、数値計算は概ね妥当であったと判断された。坑道掘削に伴う飽和度分布については、定量的な評価には及ばないものの、定性的な観点では概ね妥当な解析結果が得られた。

The excavation of large-scale underground facilities, such as geological disposal of high-level radioactive waste, creates an excavation damaged zone (EDZ) with cracks around the tunnel. In the EDZ, oxygen invades the bedrock through unsaturated cracks and affects environmental conditions for nuclide migration. When a tunnel is excavated in a geological formation containing a high concentration of dissolved CH, such as the Neogene marine sediments, degassed CH prevents oxygen intrusion. However, it may be promoted through gas-phase diffusion through desaturation. The purpose of this study is to illustrate the method of estimating the spatial distribution of desaturation associated with the construction and operation of underground facilities in a stratum that contains a large amount of dissolved CH. A sequential excavation analysis that reflected the actual process of 10-year excavation of the Horonobe Underground Research Laboratory (URL) was carried out along with gas-water two-phase flow analysis. The analysis results of the amount of groundwater and gas discharged from the URL were about 100 to 300 m d and 250 to 350 m d, respectively, as of January 2017. These results showed values close to the observations (100 m d and 300 m d, respectively). The analysis results of the saturation distribution were relatively high around the 250 m gallery and relatively low around the 350 m gallery, confirming that they are consistent with the in-situ observations. Although there were still technical issues of analysis regarding the conditions for groundwater drainage from the tunnel wall and the method of handling grout effects, the numerical calculation was generally appropriate. Although the results of the saturation distribution associated with the excavation were insufficient as the quantitative evaluation, they were almost correct from a qualitative point of view.