高拱坝承受巨大荷载,经拱坝结构传递最终由建基岩体承担。拱坝荷载首先和直接面对的,是建基岩体表层的卸荷松弛岩体。深入研究高拱坝建基岩体开挖松弛工程地质特性,可为松弛岩体工程处理提供科学依据,加快工程建设进度,减少工程投资,并可丰富、提升开挖卸荷岩体力学的研究内容,对高拱坝坝基工程勘测、设计、施工与运行等具有重要的理论和实践意义。论文依据作者多年参与的黄河拉西瓦水电站高拱坝坝基工程生产、科研与实践,并结合小湾水电站、锦屏一级水电站等国内高拱坝坝基工程实践,广泛收集数据,采用多种方法,对高拱坝建基岩体开挖松弛工程地质特性进行了专题研究。研究目的一方面系统总结建基岩体开挖松弛工程地质特性,一方面结合小湾、锦屏一级等坝基开挖已有成果,力图得出高陡峡谷高拱坝建基岩体在开挖卸荷松弛过程中一些具有共性的表象、机制与规律,以期为后续类似工程提供有用的借鉴参考。研究取得了以下主要成果:(1)论文从区域与河谷应力场出发,以坝基开挖岩体卸荷松弛机理、卸荷引起的变形破坏特征、卸荷松弛时间效应、卸荷松弛力学成因类型、坝基开挖后建基岩体松弛测试方法、松弛带划分及岩体质量级别确定与参数选取、固结灌浆对松弛岩体的恢复程度等为主要研究内容,在高拱坝或特高拱坝建基岩体开挖松弛工程地质特性方面首次全面、细致、深入地开展了系统研究并取得了新的进展。(2)关于河谷下切应力场模拟提出了新的研究思路,即根据区域地质背景、新构造运动及坝址岸坡地形地貌特征与河谷阶地发育特征,对河谷下切分期分段,按与地质历史时期相对应的谷坡形态进行了河谷下切模拟,模拟方法更接近河谷真实演化过程。(3)阐释了开挖卸荷岩体松弛机理并对其进行探讨,将其与岩体内部的微观、细观、宏观等不同级序结构面联系起来,分析建基岩体表层产生变形破坏、并形成一定厚度应力松弛带的结构构造背景。分析了坝基开挖应力释放全过程,认为高拱坝建基面附近岩体原本处于天然岸坡一定初始应力场｛σ0,ε0｝中,建基岩体在遭遇开挖爆破高强度爆炸应力冲击波之后,经历了爆后卸载(脆性)→卸荷回弹(弹性、塑性)→卸荷松弛(流变)等应力释放的全过程,这一点与模拟实验中应力从零开始加载完全不同。(4)分析了多个水电站工程高拱坝坝基开挖后建基岩体表层发生的变形破坏现象,对其具有普遍性的表象进行了归纳总结,并分析了不同深度建基岩体变形、破坏的张性、剪性及张剪复合型力学模式;总结了坝基开挖岩体卸荷松弛时间效应的阶段性特征及各阶段相应变形模式,并认为变形持续时间随坝基人工边坡开挖高度的增加而出现一定程度延长。(5)基于卸荷松弛主导因素,比较分析了多个高拱坝坝基开挖岩体松弛特征,从力学成因上首次将岩体开挖松弛分为卸荷回弹型、结构松弛型、开挖爆破型、浅表时效型四种类型及不同类型所处部位、形成机制等特点。并详细研究了钻孔爆炸对拉西瓦建基花岗岩影响,建立了钻孔爆破动荷载与建基岩体埋深之间关系式,并按距离建基面不同深度将建基岩体分为破坏区、强卸荷区、弱卸荷区及无影响区。(6)根据宏观判断、数值模拟、爆炸分析、物探测试、工程类比等方法得出的高拱坝建基岩体松弛带厚度具有很好的一致性。(7)阐述了坝基开挖建基岩体松弛带概念,系统归纳了坝基开挖松弛带判定方法,并采用数值模拟及检测分析两种方法,划分了拉西瓦坝基岩体松弛带。其中坝基开挖有限元模拟得出了一些有意义的成果,如随开挖进程,建基岩体某处一点的应力变化不断发生调整的复杂过程等。根据岩体波速分层划分得出的不同松弛分带岩体质量分级及各级岩体力学参数,其研究方法与技术路线,可作为今后类似高拱坝工程坝基开挖建基岩体评价的参考和借鉴。(8)坝基岩体灌浆成果表明,浅层固结灌浆可大幅度改善松弛岩体完整性、提高或恢复其原有力学参数,而深部原岩灌浆前后完整性变化很小,类似工程可视岩体地应力条件与完整性,考虑对其是否采取固结灌浆或帷幕灌浆等的工程处理。