我国西部地区蕴藏了极为丰富的水能资源,开展了大规模的水利水电工程建设,高坝大库不断涌现。混凝土高拱坝已经成为我国西南、西北山区大型水库和电站枢纽的主要坝型之一。混凝土高拱坝对地形和地质条件的要求较高,坝基及坝肩抗力岩体的稳定性是拱坝建设的关键技术问题之一。然而受地质构造影响,拱坝坝基不可避免地存在各种地质缺陷,可能引起坝体破坏,进而危及水电站的运营,高坝坝基及坝肩岩体破坏引起的灾难性事故在国内外均有发生。因此,根据坝基地质特征及地质缺陷的实际状况,采取科学可靠、经济合理的处置措施,是水电站建设中的核心问题。特高拱坝坝基处理与加固,尚无可靠的规范作为依据和成功的工程范例作为参考,本文以锦屏一级水电站300m级特高拱坝左岸坝基软弱岩体加固工程为依托,以坝基软弱破碎带(f5断层)为研究对象,在对其工程地质特征深入调查分析基础上,剖析其所处不同部位对坝基安全稳定的影响,分别对主要的处置技术(灌浆、冲洗置换、锚固)进行了室内外试验和数值模拟研究,揭示其内在机理,并论述了处置方案的合理性与可行性,并借以现场监测数据对破碎带处置工程效果进行了反馈分析与评价。主要研究工作及取得的成果如下:(1)建立了针对300m级高拱坝坝基典型地质缺陷—f5断层的综合处置技术方案体系。从区域构造及坝址区的工程地质条件等角度系统地分析了断层破碎带、层间挤压错动带、煌斑岩脉、深部裂缝以及Ⅳ2级岩体和Ⅲ2级岩体的空间分布规律和物质组成特征,并评价了建基面的岩体质量。详细调查分析了f5断层破碎带的工程地质特征特性(围岩物质特征、破碎带构造特征、力学性质及参数取值等)及其对高拱坝带来的危害影响,并据此初步提出了f5断层的综合处置技术方案体系,即:“置换(高压冲洗置换)处置+个性化灌浆处理(控制灌浆+高压帷幕防渗及固结灌浆+水泥-化学复合灌浆)+预应力锚固+渗压排水控制”技术体系——各有侧重、互为补充、紧密联系的综合处置成套技术。该处置措施对于f5断层破碎带在坝基不同部位所产生的不利影响,有针对性地进行了加固处理,可有效提高断层破碎带及其影响带抗滑与抗变形能力,提高其渗透稳定性。(2)开发了适应地层性状和可灌性要求的系列灌浆材料,解决了断层破碎带低渗透岩带可灌难题和宽大裂隙带控制性灌浆问题。通过室内试验研究了水泥灌浆材料的流变特性、可灌性、析水率和稳定性,研究表明浆液分属于三种不同流型,并发现了水灰比对纯水泥浆流型的影响,从而验证了水泥浆水灰比在牛顿液体、宾汉流体或幂律流体间的分界点。通过最小可灌裂隙宽度与水灰比对比试验,揭示了水灰比0.5的浆液仅能灌入0.4mm的裂缝;水灰比0.8的浆液可灌入0.1mm的裂缝,但灌浆速率较慢;当水灰比大于1.0时浆液可完全灌入0.1mm的微裂缝,且具有一定的灌浆速率。采用牛顿流体本构,以微元受力平衡为基础建立流体扩散微分方程,并结合杨氏浸润理论,增加灌浆时间的方法来提高灌浆扩散半径更加经济合理,其工程技术意义为低渗透浸润化灌理论中“长时间、低速率、浸润渗灌”灌浆的理论依据。通过不同配比化学灌浆材料的试验研究,获得了浆液粘度随时间历时变化的规律,进而解决了断层破碎带低渗透岩带的可灌问题。考虑断层破碎带的物理力学特征,确定了四类断层破碎带条件下(软弱低渗透断层破碎带、断层带影响区域微细裂隙、补强灌浆区域和断层影响带宽大裂隙等区域)的灌浆材料及相应的配比。根据f5断层各部位岩体特征及拱坝受力状况,提出了相应部位的灌浆处置设计方案,即:混凝土网格置换+加密固结灌浆(1730m高程以下):在1730m和1670m高程布置2条高度为10m的置换平洞对f5断层进行加密固结灌浆,置换平洞和斜井的宽度均根据f5断层实际宽度确定。防渗帷幕水泥灌浆:轴线布置3排防渗帷幕灌浆孔,排距1.3m,孔距1.0m;防渗帷幕水泥-化学复合灌浆处理:普通水泥材料灌注完成后,再采用两排化学-水泥复合灌浆。并对各类灌浆提出了灌后检查的指标要求。(3)开发了宽大破碎带高压对穿冲洗置换处理技术(高压往复式冲穿冲洗+群孔扩孔冲洗+混凝土置换回填技术),为软弱破碎带加固治理提供了新颖的处理思路和方法。采用有限元分析软件ANSYS中的非线性动力分析模块LS-DYNA系统地研究了气液射流高压对穿冲洗碎岩效果,提出了高压对穿冲洗扩散计算模型。研究表明高压对穿冲洗回填砼方案处理软弱破碎岩体的技术措施能够达到预期目的。高压对穿冲洗开始时,在孔壁与射流的接触部位会产生应力集中现象,使得接触部位的岩体发生向临空方向的变形破坏,破坏脱离后的块体在气液射流的高压作用下产生向下运动。随着时间的推移,气液射流的应力波由接触部位开始向外部的岩体扩展延伸,并且对外部的岩体逐渐产生损伤破坏。经过气液射流的高压对穿冲洗作用后320mm的孔径扩大到1100mm,从而提出了高压对穿冲洗有效作用范围:孔径为320mm,35~40MPa高压水和1.0~1.5MPa高压风作用下,在距孔壁小于0.4m岩体的冲洗、碎岩作用明显,高压对穿冲洗作用后320mm的孔径扩大到1100mm,出渣量为43.4m3。优选的高压对穿冲洗回填砼方案处理软弱破碎岩体的技术措施是科学、经济、安全和有效的,能够达到预期目的。高压对穿冲洗置换技术改善了断层岩体的物理力学性能指标,加固效果显著,解决了宽大断层破碎带在特定环境中难以处理的技术难题,为断层破碎带加固处理提供了新颖的思路和具体处理方法。(4)利用相似理论研制了受f5断层带影响的卸荷岩体的相似材料,设计了压力分散型锚索加固卸荷岩体的物理模型试验。试验分析表明压力分散型锚索较长锚索松弛而较短锚索过载的现象;岩体非线性变形特征明显,结合Mindlin应力解与卸荷岩体非线性本构推导了岩体的位移计算公式;锚索周围较远的岩体锚固内应力较小,岩体的非线性变形特征不明显;邻近锚索对岩体的附加应力较小,可采根据变形叠加原理计算邻近锚索引起的附加位移,并推导了附加位移引起的锚索应力损失计算式。采用FLAC3D对压力分散型锚索进行了单锚、双锚的数值模拟研究,模拟结果与物理模拟试验较吻合,其揭示的群锚效应规律为:锚索间距为5.0m时,主应力方向锚索的应力影响范围比较小,而且相邻锚索间应力明显无叠加。对压力分散型锚索锚结合被覆式面板(或框格梁混凝土)的群锚支护系统进行了数值模拟,结果表明该支护方法科学合理,对复杂岩体结构适应性强,有利于充分发挥预锚的锚固效应。(5)通过对f5断层灌后检查分析,浆液充分填充至裂隙及断层中,灌浆效果明显,固结灌浆透水率较灌前大幅降低,大于3Lu的孔段全部消除,水泥浆液对f5断层带填充效果明显。物探检查结果表明:各类岩级的声波值均不同程度得到了提升,各单元的变模值与灌前相比均有大幅度提升随灌浆进行单位平均注入量随灌浆孔序递增显著降低,地层渗透性改善明显;化学灌浆对普通水泥浆液不能到达的细微裂隙和特殊地质区域起补强加固作用;高压对穿冲洗置换回填后,透水率降低明显,声波及变模显著提高,满足设计指标要求。通过监测资料系统分析,高拱坝左岸坝基f5断层及其影响带,经采用综合处置措施后能够满足高拱坝安全运行要求。锦屏高拱坝左岸坝基f5断层及其影响带经过加固处理后,历经四个阶段的蓄水检验,左岸坝肩边坡位移增量无明显变化,目前总体变化量值不大(不超过5mm);左岸边坡浅部多点位移计(累计值不超过30mm)、锚索锚固力损失率(约为±15%)、各平洞内石墨杆收敛计位移变化量围岩无明显变形现象,岩体总体稳定;坝基帷幕后渗压计折减系数小于设计控制值,水位变化与上游水位有一定的正相关性,符合坝基扬压力分布一般规律;蓄水前后渗流变化符合一般变化规律;水位控制在1880.0m高程附近后,各部位的渗流渗压变化趋于平稳。从目前监测情况看,渗控工程总体在设计范围内工作。各类监测成果汇总分析表明,f5断层及其影响带加固处理后,高拱坝相应部位处于安全稳定运行状态。高拱坝左岸坝基f5断层及其影响带,通过采用加密固结灌浆处理、帷幕防渗处理、水泥-化学复合灌浆处理、高压水冲穿冲洗回填混凝土及预应力锚固等技术措施,高拱坝蓄水经过四年多的监测与分析及评价,各项监测指标稳定受控,能够满足高拱坝安全运行要求。这充分表明上述处置措施科学合理、安全有效。