考虑河谷地形效应的土石坝坝坡地震稳定性研究

To satisfy the needs of earth dam design in seismic area, this study focuses on the two key points in the seismic design of earth dam. One of the key points is “simulation of ground motion on valley sties of earth dam”. It is well known that ground motions on valley sties of earth dam carry the characteristics of “near-fault effect”, “topographic amplification effect” and “spatially varying effect”. Corresponding to these three effects, this study will give the design parameters for the near fault ground motions, and reveal the scattering characteristics of ground motions on different shapes of valleys and alluvial valleys. Then this study will propose the method for simulating 3-D spatially varying seismic ground motions, which makes the input ground motions for seismic design more reasonable. The other key points is “seismic stability of earth dam slope”. The stability of dam slope under 3-D spatially varying seismic ground motions will be investigated, and the reinforcement method will be explored by numerical method. Moreover, the amplification effects of topographic site and reinforcement method to the dynamic response of earth dam will also be studied by model test of dynamic centrifuge. Then the results of numerical method and dynamic centrifuge test will be compared to reveal the topographic effect on dynamics response of earth dam and provide the reinforcement method. The results of this study can make the seismic design of earth dam more reasonable.

本项目拟紧密结合我国强震区土石坝抗震设计的实际需求，针对强震区土石坝场地地震动的“近断层效应、地形效应、空间效应”的特点，以 “土石坝河谷场地地震动输入机制”为研究核心，提出近断层基岩设计地震动参数，揭示河谷地形、风化河谷以及深厚覆盖层中地震波传播特性及地震动散射规律，建立河谷地形空间非一致地震动场模型，从而使得土石坝抗震分析中输入的地震动更为合理。并以该地震动场作为输入，研究土石坝坝坡地震稳定性，揭示河谷地形地震动非一致对坝坡稳定性的影响，同时基于离心机振动台试验，揭示河谷地形对坝坡稳定性的影响。最后，结合动力计算和离心机试验结果，依据坝坡稳定性破坏机理，提出相应的安全控制措施。从而为我国土石坝的抗震安全评估和加固设计提供依据。

我国是世界上土石坝数量最多的国家，目前已建、在建和拟建的土石坝很多位于高地震烈度地区，且坝址场地地形地质条件复杂。本项目紧密结合我国强震区土石坝抗震设计的实际需求，针对强震区土石坝场地地震动的近断层效应、地形效应和空间效应的特点，开展了土石坝河谷地形地震动输入机制以及该输入机制下土石坝坝坡的地震稳定性分析理论研究。基于全球范围的实测近断层地震动记录分析，建立了近断层地震动参数衰减模型，通过引入断层初始破裂位置、断层破裂方向、断层破裂长度以及场地位置与破裂断层方位，提出了近断层基岩地震动输入模拟方法。基于波函数展开和区域分解策略，构建了非对称V形、U形、沉积、风化河谷的地震波传播解析模型，破解了河谷谷底应力奇异难题，获得了地震波由震源传播到河谷任意位置的地震动理论公式，揭示了复杂地形地质条件河谷中的地震波传播特性及地震动散射规律。耦合河谷场地地形放大因子与相位调整因子，提出了河谷地形空间非平稳多点地震动的模拟方法，解决了考虑河谷地形效应的跨尺度（从数十/百公里到工程场地数百米）设计地震动的模拟难题。提出了基于泛函极值获得张裂缝的坝坡地震稳定性分析与滑动渐进变形计算方法，揭示了坝顶裂缝扩展规律及其坝坡安全的影响，建立了三维加筋坝坡地震稳定性分析方法，揭示了三维效应对加筋坝坡地震稳定性的影响规律。提出了“坝壳翻压、坝趾压重、坝顶降渗”三位一体病险土坝抗震加固设计方法与施工技术，实现了蓄水条件病险土坝快速、低费用加固。依托该项目，发表SCI论文61篇（包括ESI高被引论文4篇），授权发明专利10项、登记软件著作权15项。研究成果“河谷场地地震动输入方法及工程抗震关键技术”获得2019年国家科技进步二等奖、研究成果“河谷场地土坝地震灾变理论与抗震加固技术”获得2017年教育部科技进步一等奖。项目研究成果可应用于土石坝抗震。