沥青混凝土心墙坝是土石坝中极具竞争力的坝型，因兼具施工简便、投资收益比高、对极端恶劣环境适应能力强等诸多优点，已成为新疆地区广泛规划建设的坝型之一。受地壳运动和构造应力场多样化的影响，新疆及其邻区构造运动强烈，地震频发，南疆的伽师、库车、于田和北疆的乌鲁木齐、昭苏、富蕴等地为地震多发区。而新疆地区沥青混凝土心墙坝坝址多位于发震断层附近，在其生命周期内可能遭受近断层地震动作用。《沥青混凝土心墙坝抗震分析理论与应用》主要深入研究沥青混凝土心墙坝抗震安全分析领域涉及的复杂近断层地震动特征、地震动人工记录合成方法、高坝-地基相互作用非一致输入方法、弹塑性本构模型及参数、接触面本构模型、极限抗震能力、抗震安全评估方法等几类重点关注问题。《沥青混凝土心墙坝抗震分析理论与应用》部分插图附彩图二维码，扫码可见。

目录
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 主要研究内容 2
参考文献 4
第2章 复杂近断层地震特征及其对大坝动态响应影响规律 6
2.1 速度脉冲效应 6
2.1.1 近断层破裂向前方向性和滑冲效应基本特性 7
2.1.2 地震动选取和特征参数分析 7
2.1.3 有限元模型及计算参数 8
2.1.4 沥青混凝土心墙坝动态响应分析 10
2.2 有效速度持时效应 13
2.2.1 基于速度能量密度的近场有效速度持时及阈值定义 13
2.2.2 强地震动的选取与处理 14
2.2.3 脉冲型地震动持时对大坝动态响应的影响分析 15
2.2.4 近场有效速度持时及地震动持时指标适用性研究 18
2.2.5 基于近场有效速度持时指标的缩减时程分析法可行性研究 18
2.3 空间分布特性 20
2.3.1 近断层区域划分方法及地震动选取 20
2.3.2 地震动强度指标及近断层不同区域地震动记录特性分析 22
2.3.3 考虑空间分布特性的大坝动态响应 23
2.3.4 不同区域地震动强度指标与响应指标之间的相关性研究 26
2.4 震源运动机制特征 27
2.4.1 不同震源运动机制的地震动记录选取 28
2.4.2 考虑震源运动机制效应的大坝动态响应 28
2.5 本章小结 31
参考文献 31
第3章 近断层强震模拟方法及其对大坝地震反应规律的影响研究 34
3.1 近断层地震简化合成方法及脉冲参数对大坝的影响 34
3.1.1 小波多尺度分解方法 34
3.1.2 近场速度脉冲模型 37
3.1.3 基于“小波多尺度解耦？重构”法的近断层地震动模拟 38
3.1.4 “小波多尺度解耦？重构”法的近断层地震动有效性验证 39
3.1.5 近断层脉冲参数对大坝动态响应的影响 40
3.2 时？频完全非平稳特征的近断层地震模拟及工程应用 48
3.2.1 近断层地震动混合模拟方法 48
3.2.2 近断层地震动记录数据及参数拟合 49
3.2.3 基于堆叠长短期记忆和广义概率密度演化的时变可靠度分析 51
3.2.4 非线性动力响应结果分析 53
3.3 本章小结 58
参考文献 59
第4章 近断层地震动传播方向特性对大坝动态响应的影响 61
4.1 平面P波和平面SV波三维倾斜入射输入方法 61
4.1.1 平面P波三维倾斜入射输入方法 63
4.1.2 平面SV波三维倾斜入射输入方法 66
4.2 自由场输入问题验证 68
4.3 有限元模型及计算参数 69
4.4 基于国家超级计算中心的高性能并行计算 71
4.5 平面P波和平面SV波三维倾斜入射下大坝动态响应分析 71
4.5.1 平面P波三维倾斜入射下大坝动态响应规律分析 71
4.5.2 平面SV波三维倾斜入射下大坝动态响应规律分析 76
4.6 本章小结 81
参考文献 81
第5章 考虑颗粒数字图像随机分布特征的筑坝料本构模型研究 83
5.1 数值分析理论和深度学习方法 83
5.1.1 颗粒离散元法 83
5.1.2 筑坝料弹塑性本构模型 85
5.1.3 CNN？LSTM？Attention预测模型 90
5.2 筑坝料宏细观力学性能及预测模型 94
5.2.1 试样级配 94
5.2.2 数值模型及参数 96
5.2.3 三轴压缩试验荷载施加 96
5.2.4 模型验证 97
5.2.5 考虑块石空间分布特征的三轴压缩试验模拟结果分析 98
5.2.6 基于CNN？LSTM？Attention的三轴压缩预测模型 102
5.3 宏观筑坝料弹塑性本构模型参数标定及有效性验证 104
5.3.1 试验确定参数 104
5.3.2 经验拟合参数 105
5.3.3 模型参数有效性验证 106
5.4 骨料颗粒随机分布特性对大坝坝体变形影响规律分析 107
5.4.1 沥青混凝土心墙坝工程概况及数值模型 107
5.4.2 沥青混凝土心墙坝坝体变形 108
5.5 本章小结 111
参考文献 111
第6章 沥青混凝土心墙与过渡料接触特性及本构模型研究 113
6.1 心墙与过渡料在直接剪切试验的界面剪切特性研究 113
6.1.1 连续？非连续耦合方法及本构模型 113
6.1.2 沥青混凝土？砂砾料接触体系系数模拟 118
6.1.3 细观试验参数的模型标定与验证 120
6.1.4 接触界面直接剪切宏观力学特性 121
6.1.5 接触界面直接剪切细观力学特性 125
6.2 心墙与过渡料在循环剪切试验的界面剪切特性研究 132
6.2.1 线性平行黏结接触模型 132
6.2.2 沥青混凝土？砂砾料接触体系系数模拟 133
6.2.3 细观试验参数标定及验证 134
6.2.4 接触界面循环剪切宏观力学特性 136
6.2.5 接触界面循环剪切细观力学特性 141
6.3 沥青混凝土心墙与过渡料接触本构模型及工程应用 144
6.3.1 理论计算方法 144
6.3.2 数值计算工况 148
6.3.3 接触界面模型的数值实现及验证 148
6.3.4 结果分析 150
6.4 本章小结 152
参考文献 152
第7章 沥青混凝土心墙坝极限抗震能力及安全评估理论方法 154
7.1 百米级沥青混凝土心墙坝破坏模式与极限抗震能力研究 154
7.1.1 极限抗震能力研究方法 154
7.1.2 结果分析 156
7.2 考虑地震特征参数随机性的大坝安全评估理论与方法 159
7.2.1 R藤Copula函数理论 159
7.2.2 易损性分析方法及性能水准定义 160
7.2.3 近断层地震动随机特征参数树藤结构构造 162
7.2.4 近断层脉冲型地震动合成及验证 163
7.2.5 抗震性能分析 164
7.3 基于复合安全评估指标的大坝抗震安全评估分析方法 165
7.3.1 基于层次分析？熵权？博弈论的复合安全评估指标 166
7.3.2 云模型？多条带易损性分析方法 168
7.3.3 沥青混凝土心墙坝极限状态和使用功能定义方法 170
7.3.4 大坝抗震性能评估 171
7.4 本章小结 174
参考文献 175

第1章绪论
　　1.1 研究背景及意义
　　沥青混凝土心墙坝是将位于坝体中间位置的沥青混凝土心墙作为防渗系统核心组成部分的新坝型，在第16届国际大坝委员会（International Commission on Large Dams，ICOLD）会议上，各国专家学者充分肯定了沥青混凝土防渗体的可靠性和耐久性，并一致**在地形和气候条件复杂的地区采用该坝型（吴优，2018）。自1949年葡萄牙率先建成了具有标志性的瓦勒 多 盖奥（Vale de Gaio）沥青混凝土心墙坝以来，该坝型的建设在全世界范围内进入了快速发展的阶段。近年来，随着我国“西部大开发”战略的持续推进，新疆地区2010～2030年水利发展相关计划中拟建设大中型水库百余座，其中大多数水库属于山区水库。在新疆山区水库建设过程中，受限于区域降水量低，岩体风化的深度、程度和范围不足，风积黄土的性能与规范要求差异较大，造成了优质防渗土料的匮乏，进而限制了土石坝的发展建设（李江等，2019）。而沥青混凝土心墙坝对于复杂的气候条件和地质环境适应性较高，且新疆克拉玛依是我国优质的石油沥青产地，故沥青混凝土心墙坝在新疆地区的发展*树一帜。当前在新疆地区已建成的百米级沥青混凝土心墙坝有八大石水库（坝高115.7m）、阿拉沟水库（坝高105.3m）、五一水库（坝高102.5m）、大石门水库（坝高128.8m）、尼雅水利枢纽（坝高131.8m），可见沥青混凝土心墙坝在新疆地区的建设发展进入了一个蓬勃的时期（邓铭江和于海鸣，2011）。表1.1为新疆地区部分百米级沥青混凝土心墙坝工程实例。
　　从安全的角度来看，新疆地区山区地势陡峭、地质结构复杂、地层断裂较多、地震烈度较高、地震活动较为频繁，这些因素在不同程度上降低了沥青混凝土心墙坝的安全性。历史经验表明，高坝大库一旦遭受强震作用出现漫坝、垮坝、溃坝等极端现象，引起的连锁反应会对国家的经济和人民的安全造成不可预估的影响，这也使得沥青混凝土心墙坝抗震安全问题成为我国水利工程建设运行过程中的一个重点课题。然而，绝大多数已建成的沥青混凝土心墙坝尚未经历过高强度地震作用，而且迄今为止未出现严重震损或溃坝的极端现象，这就造成了工程师及国内外专家学者对沥青混凝土心墙坝灾变机理和极限抗震能力的研究尚显不足，更缺乏能支持工程设计的科学技术储备。因此，深入研究强震作用下沥青混凝土心墙坝动态响应特性及抗震安全评估方法具有突出的工程实用价值和科学意义。
　　1.2 主要研究内容
　　地震是一种高度随机且破坏能力极强的自然灾害，其发生地点、时间、强度及影响范围都充满随机性。已有地震灾害案例表明，坝址位于近断层且遭受地震作用时的真实烈度可能远远超过其设计烈度，如2008年“5 12”汶川大地震，距离震中仅17km左右的紫坪铺面板堆石坝遭受的地震烈度达到IX～X度，现场推算坝体基岩峰值加速度大于0.5g（其中1g=9.81m/s2，后同），远高于其设防烈度(VIII度)和设计峰值加速度(0.26g)（庞锐，2019）。紫坪铺面板堆石坝震后调查表明其坝体、边坡和混凝土面板均有不同程度的损伤。与紫坪铺面板堆石坝的震损不同，距离震中约258km的冶勒沥青混凝土心墙坝震后监测资料表明，地震对大坝变形、应力、应变、渗流稳定均未造成明显的不利影响（曹学兴等，2010）。由此可见，大坝的震损情况与近断层地震动可能有很大的关联性。已有研究表明，高混凝土重力坝（Wang et al.，2014；Zhang and Wang，2013）、高混凝土拱坝（Ardebili andmirzabozorg，2012）、高面板堆石坝（Zou et al.，2017）、高心墙堆石坝（Wu et al.，2021）的动态响应与近断层地震动的地震学特征密切相关，而有关沥青混凝土心墙坝的研究甚少。
　　受限于过去科学技术手段和地震监测台站的监测能力，满足特定场地、特定震源运动机制的近断层区域强震记录仍然匮乏，导致对其*特破坏效应存在系统性忽视。鉴于地震动的选取不仅是动力时程分析的输入条件，更是决定大坝系统非线性响应、潜在破坏模式评估及抗震安全分析方法合理性的前提条件，本书第2章主要结合新疆地区已建的沥青混凝土心墙坝工程，通过收集并查阅大量的近断层地震动特性相关文献，针对近断层脉冲型地震动脉冲特性、持时特性、空间区域特性和震源特性等方面展开系统性研究，揭示沥青混凝土心墙坝在近断层地震动作用下的动态响应规律和破坏模式。此外，为了得到满足工程需求数量的近断层脉冲型地震动和分析脉冲特性的影响，国内外专家学者基于现代地震动模拟技术提出了近断层地震动的模拟模型，主要可以分为以下五类：①基于震源的确定性模型；②基于震源的不确定性模型；③基于场地的随机性模型；④简单等效脉冲模型；⑤混合性分析方法。尽管基于震源的确定性/不确定性模型和基于场地的随机性模型的近断层地震动模拟理论已经取得了长足的发展，但是由于前三种方法较为复杂且需要确定的地震动特性参数较多，所以在工程领域应用并不广泛。通常，研究人工近断层地震动对高性能结构地震反应的影响时，一般采用混合性分析方法模拟近断层脉冲型地震动。由于混合性分析方法中也存在一些无法避免的问题，如高频地震动分量的模拟中无法高精度地考虑时频非平稳特性、低频地震动分量脉冲参数不易确定等，故第3章对近断层脉冲型地震动人工合成方法及其对大坝地震反应规律的影响进行了研究。
　　坝址地震动输入是高坝大库动态响应分析不可避免的关键环节之一（陈厚群，2006），其合理性和准确性将直接影响计算结果的可靠性。对于坝址距离震源较远的情况，入射地震波通常被假定为垂直向上传播的体波，而对于坝址距离震源较近的情况，地震波传播特性较为复杂，这种假定可能低估了高坝大库的地震反应。事实上，地震波从震源出发，经过复杂的反射和折射传播路径，其*终的入射方向很难预测。在整个地震波的传播过程中，地震波的频谱特性、持时、振幅及其振动和传播方向都在不断改变，因而到达不同观测点的地震波必然存在空间变化特性。研究表明，近源地震动通常会以某一角度倾斜从震源传播到地表（Sigaki et al.，2000）。现阶段，地震波倾斜入射作用对高性能结构地震反应的影响研究已成为一个重要的课题（孔宪京等，2016），但对于沥青混凝土心墙坝的研究相对滞后。为了能够使沥青混凝土心墙坝的抗震设计更为合理，本书第4章基于工程波动理论和等效荷载节点法实现了对三维任意角度地震波输入方法的模拟，深入分析了入射波形、入射角度和传播方向对大坝动态响应的影响。
　　筑坝料和沥青混凝土心墙的应力？应变关系不仅是表征坝体和沥青混凝土心墙动力特性的基本关系，而且也是进行沥青混凝土心墙坝动态响应分析的必要条件。近年来，围绕筑坝料和沥青混凝土材料级配特性、围压效应、尺寸效应和加卸荷条件等高坝大库工程重点关注的因素，开展了卓有成效的研究，也获得了一批十分宝贵的试验数据。然而，针对筑坝料和沥青混凝土进行试验的试件数量往往处于小样本量级，无法描述工程实际建造过程中骨料颗粒位置分布的随机性和不确定性。换言之，骨料颗粒空间随机分布特征有可能影响筑坝料和沥青混凝土的力学性能。本书第5章结合深度学习和无网格分析方法深入研究了考虑骨料颗粒空间分布特征的筑坝料和沥青混凝土力学性能。其次，对于沥青混凝土心墙坝中的筑坝料和心墙静力分析常采用邓肯？张和等价非线性黏弹性模型，其不能合理描述高强度地震作用下大坝的真实响应状态，而弹塑性本构模型能够较好地实现大坝静动一体化全过程模拟并直接反映大坝在不同强度地震作用下的变形和受力特征，故第5章基于弹塑性理论框架对筑坝料和沥青混凝土参数同步进行了标定和研究。另外，过渡料与沥青混凝土心墙材料特性差异较大，使得其强度和变形特性相差很大，造成界面接触两侧的剪力传递机制非常复杂，并可能出现局部不均匀变形、心墙拱效应、剪切拉伸裂缝和水力劈裂等不利现象，会对大坝的抗震安全产生较大影响。第6章针对过渡料与沥青混凝土之间接触界面的力学特征和本构关系进行了深入分析。同时，借鉴弹塑性理论框架，建立了三维渐进累积损伤破坏接触模型，研究了不同接触本构模型对三维沥青混凝土心墙坝静动力响应的影响规律。
　　大坝抗震设计理论大体上经历了静力理论阶段、反应谱理论阶段、动力理论阶段和基于性能的抗震安全设计阶段（姚霄雯，2013）。以往世界各国对建筑结构的抗震安全设计大多采用“小震不坏，中震可修，大震不倒”的“三个水准”的设防目标，但是在强震作用下仍然有很多结构失去了使用功能，这也促使国内外学者对现有的抗震安全设计理论和方法进行了反思。20世纪90年代初美国默勒（Moehle）*早提出了基于性能的抗震设计思想，建立了基于性能的地震工程理论，成为地震工程领域发展史上一个重要的里程碑（Moehle and Deierlein，2004；Moehle，1992；Pan andmoehle，1989）。基于性能的抗震设计和基于性能的地震工程的核心思想是要求被设计的高性能结构在设计基准期内遭受不同强度地震作用时，能够满足各种预设的性能目标或功能要求，并能够简单明了地表达风险水平（吕大刚等，2019），进而使结构在其全部生命周期的投入资金较少且满足*低性能目标的要求，故基于性能的抗震设计思想与方法是高坝大库抗震安全设计理念中的一次变革。为此，第7章充分借鉴其他坝型性能评估的框架理论，结合自身坝型的特点，从强震作用下的各类不确定因素分析、地震荷载随机性分析、定量化的性能目标、合理的性能指标和概率分析等方面进行研究，构建合理的大坝安全评估框架，*终实现安全和经济的*优平衡。
　　参考文献
　　曹学兴，何蕴龙，熊堃，等，2010.汶川地震对冶勒大坝影响分析[J].岩土力学，31(11):3542？3548.
　　陈厚群，2006.坝址地震动输入机制探讨[J].水利学报，37(12):1417？1423.
　　邓铭江，于海鸣，2011.新疆坝工建设进展[M].北京:中国水利水电出版社.
　　孔宪京，邹德高，刘京茂，2016.高土石坝抗震安全评价与抗震措施研究进展[J].水力发电学报，35(7):1？14.
　　李江，柳莹，何建新，2019.新疆碾压式沥青混凝土心墙坝筑坝技术进展[J].水利水电科技进展，39(1):82？89.
　　吕大刚，刘洋，于晓辉，2019.第二代基于性能地震工程中的地震易损性模型及正逆概率风险分析[J].工程力学，36(9):1？11，24.
　　庞锐，2019.高面板堆石坝随机动力响应分析及基于性能的抗震安全评价[D].大连:大连理工大学.
　　吴优，2018.沥青混凝土心墙堆石坝摊铺及压实质量实时控制研究[D].天津:天津大学.
　　姚霄雯，2013.基于性能的高拱坝地震易损性分析与抗震安全评估[D].杭州:浙江大学.
　　Ardebilim A H，mirzabozorg H，2012.Effects of near？fault groundmotions in seismic performance evaluation of a symmetric arch dam[J].Soilmechanics and Foundation Engineering，49(5):192？199.
　　Moehle J P，1992.Displacement？based design of RC structures subjected to earthquakes[J].Earthquake Spectra，8(3):403？428.
　　Moehle J P，Deierlein G G，2004.A frameworkmethodology for performance？based earthquake engineering[C]//13th world conference on earthquake engineering.Vancouver