Page 85 - 2023年第54卷第7期

水 利 学 报

２０２３年 ７月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 ７期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）０７ － ０８４３ － １４

阶梯地形下坝－ 库水－ 地基非线性相互作用的

动力模型与多因素耦合模拟

３
胡哲文 １，２ ，李建波 １，２ ，李志远 ，林 皋 １，２
（１．大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 １１６０２４；
２．大连理工大学 建设工程学部 工程抗震研究所，辽宁 大连 １１６０２４；
３．中国水利水电科学研究院 工程抗震研究中心，北京 １０００４８）

摘要：为了更精细模拟阶梯地形坝址的混凝土坝在考虑材料非线性、库底吸收等多因素耦合下的地震响应，需要
发展适用的坝－ 库水－ 地基非线性相互作用动力模型，其中合理的地震动输入是面临的首要问题之一。本文根据波
场分离原理和坡面应力自由条件，提出了求解阶梯地形地基自由场的计算方法和该场地条件下坝 － 基体系的地震
动输入方法，可较为准确地反映阶梯地形对坝体动力响应的影响。通过构建坝 － 库水 － 阶梯地形地基全域分析模
型，可全面考虑坝－ 库水、坝－ 复杂场址动力相互作用以及坝体混凝土、近场基岩的非线性力学特性，从而提高了
重力坝整体抗震安全评价的合理性。通过场地反应分析和波动散射分析的数值算例，验证了输入方法的有效性。
并以阶梯地形下某重力坝挡水坝段为例，研究了场址条件对静 － 动力组合作用下坝体损伤演化的影响规律，结果
表明：距坝踵约一倍坝高以外淤泥覆盖层的吸能作用对坝体损伤影响轻微；岩基的塑性主要从坝踵开始，导致坝
踵损伤减轻，坝体位移响应改变，对水平方向的影响更大。
关键词：混凝土重力坝；阶梯地形；波动理论；非线性相互作用；损伤评价；库底吸收
中图分类号：ＴＶ６４２．３ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２０８００
文献标识码：Ａ
１ 研究背景

重力坝设计中，为适应地形、地质条件，减少坝基开挖，或是改善坝体抗滑稳定性，常将建基面
设计为倾斜的折线形，如丰满、黄登、观音岩等水电站工程。库岸边坡地形使得坝基沿顺河向阶梯状
延伸很远，建基面呈 “平台段－ 斜坡段 － 平台段” 的多折线形式。地震作用下，靠近斜坡段的区域会
出现波动相干效应，产生坝址局部地震动放大或衰减的现象；平台段泥沙淤积，库底淤泥层的吸能作
用会改变库区水域内的压力波传递；倾斜的折线坡面构造使得坝 － 基相互作用发生变化，局部塑性破
坏特征更为复杂。为此，在抗震分析中应模拟坝 － 基交界面的局部地形，并将坝、库水、阶梯地形坝
址构建为一个考虑多种场址因素的体系进行分析 ［１］ 。
坝址地震动输入是大坝抗震安全评价的重要前提 ［２ － ３］ ，相关研究中采用过结构惯性力 ［４ － ５］ 、地基
边界等效荷载 ［６ － ９］ 、内部输入法 ［１０ － １１］ 等不同形式。为了合理确定地震等效力，一般需要先进行场地波
动分析。相对于水平场地，阶梯状、地形局部不规则场地的波动响应不易直接求解。针对阶梯地形场
地下地震动输入问题，蒋新新等 ［１２］ 提出了构造虚拟对称子结构体系的输入模式；赵密等 ［１３］ 提出在侧
边界处采用各自高度的水平成层场地自由场、底面边界处采用入射波场作为输入；Ｚｈａｎｇ等 ［１４］ 提出单
独计算地基的底面和 ４个侧立面的自由场响应，得到边界面等效节点荷载。现有输入方法中，等效力

收稿日期：２０２２ － ０９ － ３０
基金项目：国家自然科学基金项目（５２１７８４６０，５１７７９２２２）
作者简介：胡哲文（１９９７ － ），博士生，主要从事极限载荷下水工结构安全评价模型研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｚｗｈｕ＠ｍａｉｌ．ｄｌｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
通信作者：李建波（１９７７ － ），博士，副教授，主要从事核电与水工结构抗震安全评价模型与方法研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｊｉａｎｂｏｌｉ＠ｄｌｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ

— ８ ４ ３ —