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Analysis and Modeling of Coupled Thermo-Hydro-Mechanical Phenomena in 3D Fractured Media

Canamon Valera, Israel (2006) Analysis and Modeling of Coupled Thermo-Hydro-Mechanical Phenomena in 3D Fractured Media. (Analyse et modélisation des phénomènes couplés thermo-hydro-mécaniques en milieux fracturés 3D.)

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Abstract

Ce mémoire présente un travail de thèse conduite en cotutelle France-Espagne dans le cadre d'une convention entre l'Institut National Polytechnique de Toulouse (INPT) et l'Université Polytechnique de Madrid (UPM). Il porte sur un problème d'intérêt commun au niveau national et international, le stockage de déchets radioactifs en milieux géologiques profonds. Le mémoire est consacré plus particulièrement aux aspects hydrogéologiques et aux transferts de masse et de chaleur en champ proche. Dans une première partie, on s'intéresse à un problème particulier d'interprétation de données (pressions, humidités relatives, températures) dans une expérience de systèmes multi-barrières à l'échelle de quelques mètres - le « Test Mock-up » du projet FEBEX réalisé en Espagne. Des techniques d'analyse statistique spatiale, temporelle et de fréquence / échelle sont appliquées à plus de 500 chroniques de données. On analyse le déroulement et le couplage des phénomènes physiques qui ont eu lieu lors de l'expérience, et on tire des conclusions sur le comportement et la fiabilité des capteurs. La seconde partie de la thèse développe plus en détail la modélisation des phénomènes Thermo-Hydro-Mécaniques 3-Dimensionnels (3D) dans une roche poreuse fracturée, cette fois-ci à l'échelle de la centaine de mètres, en s'appuyant sur les données du « Test In-Situ » du projet FEBEX, réalisé au Grimsel Test Site dans les Alpes Suisses. En première étape, une reconstruction 3D du réseau de fractures est réalisée par simulation de Monte-Carlo en tenant compte, par optimisation, des données géomorphologiques collectées autour de la galerie FEBEX. La distribution hétérogène de traces observée sur la paroi cylindrique de la galerie est assez bien reproduite dans le réseau simulé. Dans une seconde étape, on développe une méthode pour estimer la perméabilité équivalente d'un bloc multi-fracturé en généralisant la méthode de superposition de Ababou et al. [1994] au cas où la perméabilité matricielle est non négligeable (celle-ci peut représenter non seulement l'espace poral mais aussi une fracturation fine). Avec la perméabilité matricielle, il devient envisageable d'éviter les corrections empiriques basées sur la connectivité, qui sont employées dans la littérature pour tenir compte des effets de non-percolation. L'approche « superposition » est également appliquée ici au problème couplé hydro-mécanique afin d'obtenir les coefficients équivalents du milieu fracturé 3D, qui comprennent (outre le tenseur de perméabilité) les coefficients tensoriels de raideur ou de complaisance élastique, et des coefficients de couplage pression-déformation (Biot). Finalement, à partir de ces résultats, on réalise un modèle hermo-hydro-mécanique couplé en milieu continu équivalent 3D, comprenant : des couplages hydro-mécaniques par les équations tensorielles de Biot (non orthotrope), un flux darcien dans le milieu poreux équivalent (perméabilité anisotrope), ainsi que des contraintes thermiques et du transport de chaleur par diffusion et convection tenant compte de l'expansivité thermique du fluide. Des simulations transitoires de l'excavation de la galerie FEBEX et du réchauffement provoqué par l'éventuel stockage de colis de déchets radioactifs sont conduites à l'aide du logiciel numérique Comsol Multiphysics ® (éléments finis 3D). Les résultats de simulation sont analysés dans différents cas et pour différents types de sollicitations. Enfin, les premières comparaisons des simulations numériques avec les chroniques de données provenant du « Test In-Situ » FEBEX donnent des résultats encourageants. 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 couple 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

Other Institution (co-tutelle):Universidad politécnica de Madrid
Department:Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse - IMFT (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Ababou, Rachid and Elorza, Javier
Uncontrolled Keywords:Modélisation couplée – Thermo-hydro-mécanique – Milieux fracturés – Homogénéisation – Analyse des séries temporelles – Simulation stochastique – Equations de Biot – Perméabilité équivalente
Subjects:Hydraulics > Earth science and environment
Deposited On:08 June 2007

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