高壩旋轉地震回響三維數值模擬與旋轉破壞實驗

《高壩旋轉地震回響三維數值模擬與旋轉破壞實驗》是依託清華大學，由徐艷傑擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：高壩旋轉地震回響三維數值模擬與旋轉破壞實驗
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：徐艷傑
• 項目類別：面上項目

項目摘要

旋轉地震學是近十多年來新發展起來的科學。無論對全球還是區域地震波場，傳統的觀測均包括兩大類,即（1）三分量位移（速度或加速度）觀測與（2）地球形變場觀測（應變）。近十年來發展了地面旋轉觀測，從而使得地震活動與地面運動監測更為完備，套用前景廣闊。本項研究擬探討水庫大壩對旋轉地震的回響，通過對不同震級、不同方位和不同震中距天然地震激發，分析不同振型地震波如縱波、橫波、瑞雷波和勒夫面波旋轉分量特徵，以其為輸入，構建大壩對旋轉地震回響的三維有限元模擬方法與技術，套用於中國西部白鶴灘拱壩等300米級高壩地震回響分析，並構建相應的三分量平動位移加速度記錄以及三分量旋轉位移加速度記錄。結合高壩混凝土材料進行典型結構的旋轉運動破壞實驗，研究地震旋轉分量作用機理與結構回響特徵。該項目的實施將有助於加深理解大壩地震破壞機理，為大壩抗震設計中地震峰值旋轉譜新指標的提出提供理論基礎。

結題摘要

旋轉地震學作為新型學科對加深理解工程結構的地震回響特徵與地震破壞機理起著重要作用，可為大壩抗震設計中地震峰值旋轉譜新指標的提出提供理論基礎。本項目圍繞大壩旋轉地震回響這一研究目標，從旋轉地震荷載的施加、結構旋轉地震回響、地震過程中大壩結構與地基和水庫的相互作用、結構材料的損傷開裂及裂紋擴展模擬、以及典型結構振動台模型試驗與結構破壞試驗等方面開展研究。前期開展了在有限元程式中對結構施加地震荷載旋轉分量的方法以及旋轉分量對結構回響影響的研究，並結合振動台模型試驗對地震的作用效應與規律性進行機理性研究，同時建立了大壩-地基-庫水動力相互作用的直接耦合分析模型，能夠模擬行波和快衰波的傳播，模型優良的收斂性和高精度可有效解決三者動力相互作用問題。中期開展了高拱壩地震回響分析與抗震安全評價的研究，我們開發了一套拱壩三維有限元動力損傷分析模型重現沙牌拱壩在汶川地震中的抗震行為，並分析了拱壩裂縫產生的原因和抗震機理，此外我們建立了一種近似的高效增量動態分析使抗震安全性評價更符合結構真實動力工作形態，並將其套用於大崗山拱壩來驗證了分析方法的可行性。後期著重於TI介質中地震波旋轉運動特性研究，我們推導了TI介質中地震波旋轉與相速度關係，對不同介質模型的地震波旋轉運動進行模擬，以分析旋轉地震運動特性。同時，我們考慮震源特性和場地地形條件，提出基於譜元法的地震動場模擬並套用於大崗山拱壩區域及溪洛渡水庫誘發地震的地震動模擬，通過模擬結果與地震實測記錄的對比充分檢驗了方法和模型的有效性。此外我們採用數據融合技術及環境背景噪聲技術構建地震區域內地質三維速度結構，為地震波傳播模擬提供更精確的傳播介質模型。同時我們針對一些工程壩址區深厚覆蓋層的地震回響問題，建立了超大規模譜元法模型，模擬了純剪下震源作用下河谷覆蓋層的動力回響；對壩址區地震傳播的方向性效應等問題，建立了綜合數值模型，研究了速度大脈衝分布區域及斷層破裂速度對方向性效應的影響。該項目的實施及其取得的成果可加深理解大壩地震破壞機理和地震波傳播規律，為高拱壩抗震設計提供理論指導。