随着我国核工业的大力发展,积累了一定量的高水平放射性废物（简称高放废物）,高放废物的安全处置对于生态环境安全及核能的可持续发展均具有重要意义。目前,国际上广泛接受的方法是深地质处置,即将高放废物放置在废物罐中,外围包裹着缓冲材料膨润土,然后将它们放置在地下500-1000米的围岩中,从而实现高放废物与生物圈的永久隔离。在高放废物处置库单元关闭初期,随着地下水的不断渗入,膨润土逐渐趋于饱和状态。由于废物罐腐蚀和微生物分解作用,处置库单元内部产生大量气体,气体积聚产生的高压将对整个处置库单元的安全和稳定性产生重大影响。因此,迫切需要开展饱和膨润土内气体的迁移规律研究,同时在膨润土块体界面效应和围岩刚柔性边界的影响下,膨润土流-固耦合机理的认识是实现处置库防渗稳定性评估的关键。本文综合采用室内试验、理论建模和数值模拟等方法研究了气体在饱和膨润土中的运移规律和突破机理,取得如下创新成果:（1）针对完整膨润土和含界面膨润土试样,通过SEM扫描、CT扫描和压汞试验,发现膨润土间的界面在注水饱和后得以愈合,得到了两种试样饱和后的微观孔隙结构特征。通过膨胀力测试试验,发现含界面膨润土趋于饱和时的膨胀力低于完整膨润土,得到了两种试样膨胀力的演化规律。通过持水特性试验,得到了两种试样的土水特征曲线,分析了两种试样在侧限约束和自由膨胀边界下的持水特性,并基于van Genuchten模型计算了两种试样在不同边界下毛管压力的临界值。（2）针对高庙子膨润土低渗、遇水膨胀等特点,研制了一套多场耦合渗透系统,可开展柔性和刚性约束条件下的膨润土渗透试验。并可实时记录试验过程中微小孔隙压力、溢出气体成分中氩气和水的相对含量等物理量的变化。基于连续介质理论和微小孔隙压力的变化,提出了超低渗介质中渗透率的计算模型。利用多场耦合系统开展了气体在饱和高庙子膨润土中的渗透试验,得到边界条件、界面条件和注气周期对饱和膨润土渗透率、出口端压力的增长速率、氩气和水含量以及气体突破压力等参量的影响规律。并基于毛细管破裂、孔隙扩张效应和界面效应等,揭示了气体突破机理。（3）考虑到膨润土变形和损伤对其渗透率的影响,基于多孔介质弹性理论将孔隙压力引入膨润土的变形方程,同时结合摩尔库伦准则、最大拉应力准则以及损伤演化理论,在渗透率演化方程中引入损伤影响系数,建立考虑膨润土损伤的流-固耦合有限元模型。联合MATLAB和COMSOL二次开发,实现了膨润土应力场和渗流场的数值仿真,通过气体突破压力和渗透率与实测值的对比,验证了模型的适用性。通过仿真结果分析,获得了边界条件、围压、干密度和非均质性系数对膨润土内孔隙扩张过程、渗透率和气体突破压力的影响规律。（4）针对不同试验条件下试验前以及发生气体突破后的膨润土试样,通过CT物理扫描技术和改进的模拟退火算法分别得到了低分辨和高分辨率下的三维孔隙结构模型。基于一种改进的叠加算法,将上述两种不同分辨率的三维孔隙模型进行叠加,得到膨润土试样跨尺度的三维孔隙模型。通过对跨尺度三维孔隙模型的定量表征,得出了边界条件和界面条件对有效孔隙度、连通度、渗流路径长度、迂曲度、孔隙配位数和孔喉比等表征参量的影响规律,探究了突破前后膨润土试样孔隙结构特征和渗流路径的演化规律,从微观角度揭示膨润土中气体突破机理。本论文共有图121幅,表36张,参考文献172篇。