作为我国高放核废料深地质处置库工程屏障缓冲/回填材料的首选材料,高庙子膨润土自身的渗流特性直接关系到处置库的整体密封性能,进而决定着处置库能否安全有效地将高水平放射性核废料进行长期隔离。事实上,高庙子膨润土的渗流特性直接取决于其内部的微观孔隙空间结构特征。因此,研究高庙子膨润土内部微观孔隙结构特征、流体渗流特性及二者之间的相互关系具有十分重要的现实意义。本论文综合运用三维数字模型重构理论、孔隙结构特征表征理论、孔隙网络模型构建理论和孔隙级渗流模拟理论,从微观角度对高庙子膨润土的多尺度孔隙结构特征及其渗流特性进行了系统的研究,并获得了如下创新性成果:(1)综合考虑高庙子膨润土不同尺度孔隙结构三维数字模型重构的精度、效率及经济成本因素,除直接使用CT和FIB/SEM三维扫描成像技术分别完成纳米级和微米级孔隙结构模型的重构外,提出了一种基于增量计算来对统计函数进行更新的改进模拟退火数值重构算法,并随后使用该算法分别完成了纳米级和亚微米级孔隙结构模型的重构。改进模拟退火算法较传统算法具有更高的模型重构效率,从而使得大尺寸试样的数值重构成为可能。(2)基于灰度图像内部像素点的灰度梯度信息,通过分析像素梯度分布直方图形态及像素类别的对应关系,提出了一种能够适用于具有单峰像素灰度分布图像的全自动孔隙阈值确定和分割算法。该算法较已有算法具有更强的鲁棒性,并成功对本文经由物理扫描所得到的不同尺度原始灰度图像的孔隙区域进行了分割提取,其结果与核磁共振测试结果具有较好的一致性。(3)根据不同尺度图像像素点彼此间所遵循的内在逻辑对应和相互转化关系,提出了一种可将高分辨率像素点转化为低分辨率像素点的粗化准则,并进一步建立了一种更加合理的可用于不同尺度图像叠加以构建多尺度模型的融合判定标准。使用该标准,成功实现了不同尺度孔隙结构模型彼此间的叠加融合,得到了能够同时包含纳米-亚微米级孔隙的多尺度模型。(4)通过引入离散空间区域内部孔隙几何形状的最大球定义,提出了一种基于连续孔径概念的改进孔径分布提取算法,该算法在结果准确度和计算效率方面较已有算法均进行了显著的提高。随后,使用该算法完成了对不同尺度孔隙结构模型孔径分布信息的定量化提取表征。同时,构建了高庙子膨润土不同尺度孔隙网络模型,并对其所包含的各类孔隙空间信息进行了定量化的提取表征。分析了不同尺度对孔隙结构特征参数的影响,证明融合叠加所得到的多尺度模型能够更加准确和全面地代表试样内部的真实孔隙结构特征。(5)利用已获得的各类孔隙结构特征参数,理论分析了其对高庙子膨润土试样渗流特性的影响,进而建立了孔隙结构特征参数与渗透率间的定量关系。使用上述关系及其他已有经验关系完成了对高庙子膨润土不同尺度试样的渗透率预测,对比实验测试结果表明上述关关系仅用于对试样渗流特性的定性评估。(6)基于高庙子膨润土不同尺度下的真实孔隙几何结构模型及相应孔隙网络模型,分别使用有限单元法和单相流模拟法开展了微观孔隙尺度上流体流动传输的数值模拟计算,揭示了孔隙尺度流体流动机理。对比宏观尺度试样渗透率的实验测试结果,发现融合叠加所得到的多尺度模型的渗透率数值与实验值表现出了较高的一致性,进一步证明了本文所使用高庙子膨润土试样内部孔隙结构多尺度三维数字模型、孔隙网络模型及相应各类模型重构-叠加-提取算法的准确性。本论文共有图105幅,表12张,参考文献275篇。