高坝旋转地震响应三维数值模拟与旋转破坏实验

Rotational seismology is an emerging field within last one or two decades.The observation whether in global or regional seimic field, includes two major sorts: 3-component displacement (velocity or acceleration) observation, and earth deformation (strain) observation. The devlopment of rational motion observation makes the observation full of seismic activity and surface ground motion with propsperous application in future. This project will study the seismic response of rotational motion of the hydropower dams with height of 300m in western China. During the study, we will particularly characterize the seismic rotarional motion of compressional, shear, Reileigh and Love waves from different epicenter and orientation (from seismic source to the dam) for the earthquake with different magnitude; and make 3D finite element modelling of the high dam under the seismic rational motion input, to discuss the features of 3 component records of translational field and rotational motion. With destruction experiments of seismic rotational and translational motion with concrete samples in high dam, we expect to deepen our understanding of destruction mechanism from seismic rotational motion, and to provide basis to evaluate the dam safety with new parameter of Peak Ground Rotation (PGR) in addition to the widely used Peak Ground Acceleration (PGA).

旋转地震学是近十多年来新发展起来的科学。无论对全球还是区域地震波场，传统的观测均包括两大类,即（1）三分量位移（速度或加速度）观测与（2）地球形变场观测（应变）。近十年来发展了地面旋转观测，从而使得地震活动与地面运动监测更为完备，应用前景广阔。本项研究拟探讨水库大坝对旋转地震的响应，通过对不同震级、不同方位和不同震中距天然地震激发，分析不同振型地震波如纵波、横波、瑞雷波和勒夫面波旋转分量特征，以其为输入，构建大坝对旋转地震响应的三维有限元模拟方法与技术，应用于中国西部白鹤滩拱坝等300米级高坝地震响应分析，并构建相应的三分量平动位移加速度记录以及三分量旋转位移加速度记录。结合高坝混凝土材料进行典型结构的旋转运动破坏实验，研究地震旋转分量作用机理与结构响应特征。该项目的实施将有助于加深理解大坝地震破坏机理，为大坝抗震设计中地震峰值旋转谱新指标的提出提供理论基础。

旋转地震学作为新型学科对加深理解工程结构的地震响应特征与地震破坏机理起着重要作用，可为大坝抗震设计中地震峰值旋转谱新指标的提出提供理论基础。本项目围绕大坝旋转地震响应这一研究目标，从旋转地震荷载的施加、结构旋转地震响应、地震过程中大坝结构与地基和水库的相互作用、结构材料的损伤开裂及裂纹扩展模拟、以及典型结构振动台模型试验与结构破坏试验等方面开展研究。前期开展了在有限元程序中对结构施加地震荷载旋转分量的方法以及旋转分量对结构响应影响的研究，并结合振动台模型试验对地震的作用效应与规律性进行机理性研究，同时建立了大坝-地基-库水动力相互作用的直接耦合分析模型，能够模拟行波和快衰波的传播，模型优良的收敛性和高精度可有效解决三者动力相互作用问题。中期开展了高拱坝地震响应分析与抗震安全评价的研究，我们开发了一套拱坝三维有限元动力损伤分析模型重现沙牌拱坝在汶川地震中的抗震行为，并分析了拱坝裂缝产生的原因和抗震机理，此外我们建立了一种近似的高效增量动态分析使抗震安全性评价更符合结构真实动力工作形态，并将其应用于大岗山拱坝来验证了分析方法的可行性。后期着重于TI介质中地震波旋转运动特性研究，我们推导了TI介质中地震波旋转与相速度关系，对不同介质模型的地震波旋转运动进行模拟，以分析旋转地震运动特性。同时，我们考虑震源特性和场地地形条件，提出基于谱元法的地震动场模拟并应用于大岗山拱坝区域及溪洛渡水库诱发地震的地震动模拟，通过模拟结果与地震实测记录的对比充分检验了方法和模型的有效性。此外我们采用数据融合技术及环境背景噪声技术构建地震区域内地质三维速度结构，为地震波传播模拟提供更精确的传播介质模型。同时我们针对一些工程坝址区深厚覆盖层的地震响应问题，建立了超大规模谱元法模型，模拟了纯剪切震源作用下河谷覆盖层的动力响应；对坝址区地震传播的方向性效应等问题，建立了综合数值模型，研究了速度大脉冲分布区域及断层破裂速度对方向性效应的影响。该项目的实施及其取得的成果可加深理解大坝地震破坏机理和地震波传播规律，为高拱坝抗震设计提供理论指导。