震源-坝址地震动与高坝强震破损机制研究

Due to high seismic activity and complex geological environment, studies on the earthquake safety of high dam in Southwest China is a big challenge. This project aims to develop a rapture-dam structure analysis approach, i.e., a physics-based numerical method that simulates the whole process of fault rapture, seismic wave propagation and seismic response of structures, for investigating earthquake input and response mechanisms of high dams in Southwest China.. The research includes three topics: (1) develop the large-scale numerical simulation method of fault rapture-dam canyon by taking into account source, propagation media, and local canyon site, and synthesize the 3-D broadband earthquake ground motion at dam sites; (2) develop the multi-scale analysis method for simulating the ground motion of dam canyons and the seismic response of dams, and the dynamic damage-failure analysis model of high dams to simulate the whole physical process from fault rapture of sources to earthquake damage of dams; and (3) investigate the effect of geological and topographic conditions on the seismic response and failure mechanism of high dams, and improve the seismic analysis and safety evaluation procedures of high dams in Southwest China.. The physics-based rapture-dam structure simulation approach may synthesize the earthquake ground motion at dam canyons and then analysis the seismic response of dams considering the real source fault, dynamic characteristic of regional rocks, and geological and topographic conditions at dam canyons. It is very important for improving the earthquake resistant of dams in Southwest China.

由于地震活动强烈、地质环境复杂，我国西南地区高坝的抗震安全研究面临严峻挑战，其中地震荷载的确定与输入是最薄弱的环节。本项目提出一种新的研究思路，通过多学科交叉，建立超大规模数值分析方法，仿真震源破裂、地震波传播、高坝强震破损的整个物理过程，研究西南地区高坝地震荷载输入及响应机制。研究分三个专题：专题1考虑震源、传播介质和峡谷场地三大因素，建立震源-坝址地震动分析方法，模拟地震波的激发和传播过程，确定坝址三维地震动场；专题2研究坝址地震动与高坝地震响应的多尺度分析方法，发展高坝损伤破坏的强非线性动力分析模型，实现震源破裂-高坝强震破损的模拟；专题3研究地震构造和地质地形等因素对高坝强震损伤破坏过程的影响机制，完善高坝抗震分析评价理论。本项目研究生成符合特定坝址区域地震构造和地质环境的地震荷载，揭示高坝强震破损机制，国内外尚无先例，对于提升西南地区高坝的抗震减灾能力具有重要的意义。

我国丰富的水能资源主要集中于西南高山峡谷地区，地质构造运动剧烈，坝址地震动受震源机制、传播介质和场地效应影响显著，高坝抗震安全面临严峻挑战。项目目标是通过学科交叉，建立震源破裂-地震波传播-坝体结构震损分析方法，现实地震波激发、传播到大坝响应的全过程模拟，揭示高坝强震破坏机制。. 项目取得三方面重要成果。第一、提出了震源断层-传播介质-坝址峡谷三维宽频带地震动模拟方法，为坝址地震动参数确定提供了新的分析手段。1）提出了多层震源模型，分层描述断层破裂细节，激发频率从1Hz以下拓宽到5Hz以上。2）建立了传播介质波速结构的多源数据融合方法，有效提升了地震动模拟精度。3）建立了坝址设定地震时程生成方法，既考虑地震波激发与传播物理机制，又与设计反应谱保持一致。第二、建立了震源-介质-场址-结构地震分析方法，实现了从震源破裂到坝体震损的整个物理过程仿真。1）提出了一种考虑方向不确定性的脉冲定量识别方法，确定了速度脉冲的最大抗震需求方向。2）提出了与场地条件宏观分类协调的地震动参数场地效应调整方案，完成全国尺度的地震动放大效应分布图编制。3）建立了地震动数值模拟与坝体非线性分析多尺度分析方法，搭建了地震学与工程学交叉的桥梁。第三、建立了高拱坝地震易损性分析方法，揭示了高拱坝强震破损机制。1）建立了内部子结构地震动输入方法，极大降低高坝地震分析的建模工作量。2）完善了高拱坝动力损伤分析模型，揭示了谷幅变形、坝体细部结构、余震等因素对极限抗震能力的影响规律。3）揭示了坝体损伤破裂、横缝开度和坝体位移的演化规律，提出了高拱坝轻微损伤、中等损伤和严重损伤三种极限状态判别标准，建立了基于损伤和横缝开度的地震易损性分析方法。. 项目成果为高坝抗震安全评价开辟了新的途径，已经应用于白鹤滩、溪洛渡、小湾等高坝工程，还可以用于地震危险性分析、城市抗震设防、流域地震灾害链防治等，具有重要的社会经济价值。

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