黄土是干旱半干旱地区的风成沉积物,具有疏松多孔、柱状节理发育、弱胶结的亚稳定结构,呈现出湿陷性、水敏性等特殊性物理力学和水理性质,导致工程建设难度增加、地质灾害频发,制约了黄河流域特别是黄土高原地区经济的快速发展和生态环境保护工作。随着光电显微镜、微机图像、压汞法、扫描电镜、X射线衍射(XRD)、X射线计算机断层扫描(X-ray CT)等实验技术的广泛应用,黄土空隙结构在定量化探测和精细表征研究方面都取得了重要进展,成为黄土力学研究的热点。大孔隙、裂隙等结构为黄土中降雨和灌溉入渗提供优势渗流通道,因此黄土、古土壤的大孔隙、裂隙结构(孔隙尺寸、孔隙形态、空间展布、连通性、导水性等)多维多尺度CT探测、图像分类识别、数字建模、空隙优先流效应研究,对于探索黄土宏观渗流特性和孔隙压缩变形机理具有重要意义,是黄土水力学亟待研究的新课题。在国家自然基金重点项目“环境影响下黄土边坡灾变力学机制的微-细-宏观多尺度研究”(项目编号:41630634)资助下,本文以陕西省泾阳县南塬原状黄土为研究对象,在文献综述、野外调查、剖面选取的基础上,采集原状黄土、古土壤样品,首先利用CT无损检测技术,从微细观(10.61um)尺度上对黄土三维空隙结构数字建模与可视化分析,提取黄土结构的特征参数;然后在加湿条件下对黄土样品进行动态造影CT扫描,探究干湿条件下水分二三维分布形态和空隙结构变化规律;最后利用逾渗理论进行细观尺度黄土优先流渗流通道特性研究,建立了黄土大孔隙网络模型,系统研究了优先流渗流的流态特征,预期为黄土优先流特性及滑坡灾害促滑机制研究提供科学依据。论文取得主要创新性成果如下:(1)利用工业CT对马兰黄土(14组)、古土壤(6组)和离石黄土(3组)进行无损扫描获得系列连续切片影像,在AVIZO软件系统上通过图像滤波增强处理、阈值分割计算、三维可视化重建等流程建立了黄土三维定量化结构空间模型,解决了微细观尺度优先流贮水、导水空隙结构三维分类定量化表征的技术问题。(2)从黄土大孔隙结构模型中,分别提取XY、XZ、YZ方向二维等效直径、形状因子、长宽比以及三维孔隙倾角等空间几何特征参数,从微观层面上印证黄土是一种具有明显非均质和空间各向异性的多孔地质结构体,具有导水性能的空隙表现出较强的垂向连通性,决定了垂向渗透性大于水平方向;根据空隙形状因子,将二维黄土孔隙分为柱状孔隙、椭圆形孔隙和圆形孔隙,三维孔隙分为枝杈状孔隙、圆柱状孔隙、椭球状孔隙、球状孔隙和微裂隙;三维等效孔径、孔隙度与有效孔隙度、迂曲度、分形维数等是决定黄土渗流运动特征的关键因子。(3)为了解决微细观空隙优先流运动观测技术问题,自主研发了“用于CT扫描的优先流动态观测装置及方法”。将黄土放置于可视化的容器中,持续通过加液装置向渗流腔注入浓度为60g/L的碘化钾(KI)造影剂,CT能够清晰无损地扫描黄土试样内部的孔隙变化情况与造影剂的渗流路径,通过三维动态影像数据空间校正,对比分析渗流过程的流场变化规律,提取渗流过程中造影剂最大湿润锋深度、在二维剖面和三维空间上的分布面积和体积等参数,可有效揭示黄土中优先流运动的行为过程。(4)渗流动态监测实验表明:(1)黄土中水分入渗时优先沿着大孔隙渗流;随着含水率的增加,优先流还以侵入逾渗的方式,使原来的孤立孔隙变为连通通道,形成更大的水分逾渗集团;(2)水分入渗过程呈现出“优先流-活塞流-优先活塞混合流-活塞流”的渗流演化模式;(3)渗流对微细观孔隙结构具有改造作用,决定了渗流和外界压力下黄土空隙介质结构的可变性。(5)各类黄土的逾渗阈值表现为马兰黄土(0.562%)<古土壤(0.611%)<离石黄土(3.202%),表明马兰黄土渗透性最好,在孔隙结构微细观尺度上,古土壤比离石黄土渗透性更强,然而宏观上古土壤的渗透系数常常小于离石黄土,体现了古土壤渗流宏观和微细观的禀赋差异。(6)通过对孔喉中流速进行分组统计,发现所有喉道中17.51%为不流动孔喉、26.35%为低渗孔喉、36.15%为稳渗孔喉、21.99%为优先流通道。(7)通过对不同雷诺数区间孔隙半径进行分组统计,发现在雷诺数Re<2300,即层流范围内最小孔喉半径为6.95μm,孔喉半径平均值为53.29μm;对于2300≤Re<4000的孔喉,最小半径为83.74μm,平均为207.31μm,该类尺寸的孔喉中流态不再为层流,开始向紊流过渡;Re≥4000的孔喉半径最小值为128.50μm,平均为250.45μm,该部分孔喉流态完全变成紊流。