Abstract
The possibility of the development of gas driven hydrofractures at the Waste Isolation Pilot Plant(WIPP) is investigated through analytical and numerical calculations and through laboratory experiments. First, an investigation of the chemical reactions involved shows that a large volume of gas could potentially be generated through the oxidation of iron in the waste. Simple ground water'flow calculations then show that unless regions of high permeability has been created, this gas volume will build up the pressure high enough to cause tensile damage in the horizontal planes of weakness or in the halite itself. The analytical calculations were performed using the concepts of linear elastic fracture mechanics and the numerical calculations were done using the finite element method. Also, laboratory tests were conducted to illustrate possible failure mechanisms. It is possible that after growing horizontal crack in the weaker anhydride layer, the crack could break out of this layer and propagate upward into the halite and toward the ground surface at an inclined argle of around 53$^{\circ}$ above horizontal. To prevent this latter phenomenon the anhydrite must have a fracture toughness less than 0.5590 times than that of the halite. Through the tests, three types of crack(radial vertical cracks, horizontal circular cracks and cone -shaped cracks) were observed.
WIPP에서 가스로 인한 파괴의 가능성을 해석적 계산과 수치해석 및 실내실첩을 통하여 연구하였다. 우선 본 연구와 관련된 화학반응식을 조사한 결과, 폐기물 내의 철이 산화하면서 다량의 가스가 발생될 수 있음을 알았다. 또한 간단한 지하수 흐름의 계산결과, 투수성이 높은 파쇄영역이 존재하지 않는 경우 이 가스량은 암염 내부와 약한 수평면에 인장균열을 초래하기에 충분히 높은 압력을 야기시킬 것이다. 해석적 계산은 선형탄성파괴역학의 개념을 사용하여 수행하였고, 수치해석은 유한요소법을 사용하여 행하였다. 또한 실내실험은 발생가능한 파괴 메카니즘을 설명하기 위하여 행하였다. 해석결과 약한 경석고층에서 수평으로 균열이 증가된 뒤에 그 균열은 이 층을 뜰고나가 암염 위쪽으로 계속 전폭되어 지표면 쪽의 수평방향과 53$^{\circ}$경사각을 갖고 지표면에 도달된다. 이와 같은 후자의 현상을 방지하기 위하여 경석고는 암염의 인성보다 0.5590배가 적은 파괴인성을 가져야 하는 것으로 나타났다. 실험결과 세 가지 형태의 균열(radial vertical cracks, horizontal circular cracks and cone -shaped cracks)이 관찰되었다.