大力发展清洁型新能源能有效的缓解我国能源压力,减少环境污染。对于非常规天然气开发领域,储层的孔隙度决定了这类天然气的储量,而气体渗透率决定了产能的高低。对于二氧化碳地质封存领域,储层的渗透率是评估其二氧化碳储存、储量及可行性的重要指标。对于核能安全领域,缓冲回填材料膨润土的渗透特性决定了整个处置库的安全性与气密性。因此,岩土体材料的渗流特性以及渗透率这一物理指标对于相关工程领域,具有十分重要的意义和作用。本文通过理论研究、模型算法推导及建立、室内试验、数值模拟,系统的研究了基于数字图像的微观孔-裂隙结构表征算法以及渗流特性计算及预测模型,并通过室内试验以及数值模拟来验证了相关算法及模型的有效性及准确性。进一步,将数字图像与神经网络相结合,研究了一种渗透率快速检测手段,为相关渗流领域工程实践提供科学的理论依据和技术支持。具体研究内容如下:(1)通过使用多种成像技术手段,对一系列不同岩土体材料的微观结构进行成像,研究了相关图像的预处理技术。图像亮度、对比度、噪点以及分割阈值会对图像后续的处理产生极大的影响。通过定量化研究给出了图像亮度及对比度的调节方法,同时自主开发了新的阈值确定算法及程序,能够有效的对岩土体材料孔-裂隙结构进行表征,为后续的研究奠定基础。(2)对GMZ膨润土数字图像中的孔隙结构进行了定量表征,采用DPSD和CPSD两种算法得到了其孔径分布,同时开发了渗透率预测模型。图像所选取的计算面积大小对渗透率预测结果影响较大,表征单元面积(即REA)的确定至关重要。数字图像的放大倍数对渗透率的预测也有一定的影响。基于CPSD算法的渗透率预测结果与实际值更接近,预测结果具有一定的参考价值。(3)通过自主研制的THMC多场耦合渗流测试系统和气体传输系统,试验测得多种材料的气体渗透率,验证了微观尺度的渗透率预测模型的有效性。基于实际裂隙结构来建立数值模拟模型,是一种对岩土体材料非均匀性表征的有效方法。定量化分析了裂缝开度及迂曲度对气体渗透率的影响,同时考虑滑脱效应,拟合得到的计算公式与学界公认的计算模型较为吻合。(4)附录给出了一种基于神经网络的渗透率预测手段,能够快速有效的大批量预测岩土体材料数字图像的渗透率,为相关领域提供了一种新的技术手段。论文有图71幅,表5个,参考文献106篇