Analysis and modeling of coupled thermo-hydro-mechanical phenomena in 3D fractured media = Análisis y modelización de fenómenos acoplados termo-hidro-mecánicos en medio fracturado

Resumen

RESUMEN
Esta tesis doctoral surge como resultado de un convenio de cotutela en el marco de un acuerdo bilateral entre la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) y el Institut National Polytechnique de Toulouse (INPT). Trata un asunto de interés tanto nacional como internacional como es el almacenamiento de residuos radiactivos en almacenamientos geológicos profundos de tipo granítico. El presente trabajo se ocupa, en concreto, de los aspectos hidrogeológicos en el campo cercano, en los que los fenómenos de transporte de calor y de masa son predominantes. La primera parte de la tesis se ocupa del analisis de series temporales (presiones, humedades relativas, temperaturas, etc) en un sistema multibarrera a escala de unos metros – el ensayo “en Maqueta” del proyecto FEBEX, llevado a cabo en las instalaciones del CIEMAT. Más de 500 series temporales son caracterizadas mediante técnicas de análisis estadístico en los dominios espacial, temporal y de frecuencia / escala. Se analiza la evolución temporal y las correlaciones entre los distintos fenómenos físicos a lo largo del ensayo, así como el comportamiento y la fiabilidad de los sensores. La segunda parte de la tesis desarrolla la modelización tridimiensional de fenómenos acoplados Termo-Hidro-Mecánicos (THM) en medios porosos fracturados, en este caso a escala de la centena de metros, a partir de los datos del experimento “In-situ” del proyecto FEBEX, llevado a cabo en el Laboratorio Subterráneo de Grimsel en los alpes suizos. En una primera etapa se realiza la reconstrucción de la red de fracturas en tres dimensiones mediante una simulación de Montecarlo, que tiene en cuenta los estudios geomorfológicos llevados a cabo alrededor de la galería FEBEX mediante un algoritmo de optimización. Esta simulación es capaz de reproducir la distribución heterogénea de trazas observada en el muro de la galería cilíndrica con precisión. En una segunda etapa, se desarrolla una extensión del método de superposición de [5] para estimar la permeabilidad equivalente de múltiples bloques fracturados para el caso en el que la permeabilidad de la matriz rocosa no es despreciable (la permeabilidad de la matriz rocosa puede también incluir el efecto de una microfisuración). Cuando el flujo a través de la red de fracturas se complementa con una permeabilidad en la matriz rocosa, es posible evitar las correcciones empíricas basadas en la conectividad que otros autores emplean para tener en cuenta los efectos de la no-percolación. Dicho método de superposición se aplica también al problema hidro-mecánico para calcular el resto de coeficientes equivalentes del medio fracturado 3D, como son el tensor de rigidez y los tensores de los coeficientes de acoplamiento presion-deformación (Biot). Finalmente, estos resultados son utilizados para desarrollar un modelo continuo equivalente con acoplamiento Termo-Hidro-Mecánico en tres dimensiones, que incluye: acoplamiento hidro-mecánico vía las ecuaciones tensoriales de Biot (caso no-ortótropo), flujo de Darcy en un medio poroso equivalente (caso de permeabilidad anisótropa), esfuerzos térmicos y transporte de calor por difusión y convección, en el que se tiene en cuenta la expansividad térmica del agua. Se implementa el modelo en el programa de elementos finitos Comsol Multiphysics ® y se realizadan diversas simulaciones de la excavación de la galería FEBEX y del calentamiento producido por un hipotético almacenamiento de residuos radiactivos. Los resultados de estas simulaciones se analizan para distintos casos y distintas condiciones tensionales. Las comparaciones preliminares de los resultados de las simulaciones con las series de datos del experimento FEBEX “In-situ” auguran un buen ajuste del modelo.
ABSTRACT
This doctoral research was conducted as part of a joint France-Spain « cotutelle » PhD thesis in the framework of a bilateral agreement between two universities, the Institut National Polytechnique de Toulouse (INPT) and the Universidad Politecnica de Madrid (UPM). It concerns a problem of common interest at the national and international levels, namely, the disposal of radioactive waste in deep geological repositories. The present work is devoted, more precisely, to near-field hydrogeological aspects involving mass and heat transport phenomena. The first part of the work is devoted to a specific data interpretation problem (pressures, relative humidities, temperatures) in a multi-barrier experimental system at the scale of a few meters – the “Mock-Up Test” of the FEBEX project, conducted in Spain. Over 500 time series are characterized in terms of spatial, temporal, and/or frequency/scale-based statistical analysis techniques. The time evolution and coupling of physical phenomena during the experiment are analyzed, and conclusions are drawn concerning the behavior and reliability of the sensors. The second part of the thesis develops in more detail the 3-Dimensional (3D) modeling of coupled Thermo-Hydro-Mechanical phenomena in a fractured porous rock, this time at the scale of a hundred meters, based on the data of the “In-Situ Test” of the FEBEX project conducted at the Grimsel Test Site in the Swiss Alps. As a first step, a reconstruction of the 3D fracture network is obtained by Monte Carlo simulation, taking into account through optimization the geomorphological data collected around the FEBEX gallery. The heterogeneous distribution of traces observed on the cylindrical wall of the tunnel is fairly well reproduced in the simulated network. In a second step, we develop a method to estimate the equivalent permeability of a many-fractured block by extending the superposition method of Ababou et al. [1994] to the case where the permeability of the rock matrix is not negligible (matrix permeability may embody some finer fracturing in addition to pore space). When fracture flow is complemented by significant matrix permeability, it may be possible to avoid empirical connectivity-based corrections, which are used in the literature to account for non-percolation effects. The superposition approach is also applied here to coupled Hydro-Mecanical problems to obtain the equivalent coefficients of the 3D fractured medium, including the permeability tensor, but also elastic stiffness or compliance coefficients, as well as pressure-strain coupling coefficients (Biot). Finally, these results are used to develop a continuum equivalent model for 3D coupled Thermo-Hydro-Mechanics, including: hydro-mechanical coupling via tensorial Biot equations (non-orthotropic), a darcian flow in an equivalent porous medium (anisotropic permeability), as well as thermal stresses and heat transport by diffusion and convection, taking into account the thermal expansivity of water. Transient simulations of the excavation of the FEBEX gallery, and of the heating due to hypothetical radioactive waste canisters, are conducted using the Comsol Multiphysics ® software (3D finite elements). The results of numerical simulations are analyzed for different cases and different ways of stressing the system. Finally, preliminary comparisons of simulations with time series data collected during the “In-Situ Test” of FEBEX yield encouraging results.