基于多维地震动波场分离的确定非一致波动输入模型研究

The wave input model is widely used in seismic response analysis of hydraulic dams for the advantages of accurate simulation of propagation waves and high accordance with artificial boundary. While for the hypothesis of vertical or oblique incident wave, the spatial variation of motions considered in wave input model is not exactly the same with reality. The combination effect of seismic waves is used for the description of spatial variation of motions in this project according to the travelling wave character in stratums. And a deterministic non-uniform wave input model including this effect is proposed. Firstly, the method of obtaining incident wave by multi-dimension earthquake records is raised by wave theory. Then the shape overlap phenomenon is studied for the acquisition of combined incident waves via polarization analysis method. Finally, the deterministic non-uniform wave input model is achieved by integrate of visco-elastic boundary and combined incident waves. The traditional used wave input model is improved by this deterministic non-uniform wave input model by containing the deterministic spatial variation of motions in foundation. This research has positive influence on the construction of hydraulic dams in southwest areas of China.

波动输入模型对地震波传播过程模拟准确、与能量吸收边界契合度高，在大坝地震响应分析中应用广泛。但目前波动输入模型采用垂直或倾斜入射假定，在描述地震动空间差异方面略显不足。本项目基于大坝震损通常源于浅源地方震的工程实际，结合浅源地方震地震波传播特点提出考虑地震波组合效应，构建确定非一致波动输入模型的研究思路。首先通过地基内入射地震波形成地面运动的正演模拟建立两者间的映射关系，提出依据地面运动获得入射地震波信息的方法。然后针对地震记录波场重叠现象进行分类研究，结合地震勘探领域的偏振分析方法完成多维地震记录的波场分离，获得进入场址的复杂入射地震波，并结合能量吸收边界完成确定非一致波动输入模型。新模型的提出使波动输入模型可考虑地震动场的确定性空间差异，对波动输入模型和大坝地震响应分析评价体系的发展完善具有重要意义，对推进我国西南高地震风险区的水利工程建设具有积极影响。

波动方法通常采用垂直或倾斜入射假定，其运动场仅能表达运动的时间滞后，无法表达运动的峰值变化和时程形状差异等空间域特征，这限制了其在高坝结构地震响应分析中的应用。针对该问题，本项目将场址地震动场的形成机制总结为场址复杂入射波场和场址地质地形条件两个因素，提出通过拓展入射波假定改进波动方法的研究方案。取得的研究成果主要包括：1)依据地震波叠加模式将临近自由面空间划分为叠加区和分离区，给出两者分界线的解析表达式，并揭示不同空间域质点运动形成机制和空间差异；2)在震源到场址尺度上，从空间演化角度分析地震波的传播过程，提出获取场址复杂入射波场信息的确定性方法，总结场址复杂入射波场的统计特征，指出复杂入射波场形成的确定性空间差异可能引起重力坝坝踵拉应力的变幅在-38%~93%之间；3)通过场址复杂入射波场和粘弹性边界完成非一致波动方法，该方法继承传统波动方法在模拟地震波传播效应和地基辐射阻尼效应方面的优势，且可模拟地震动的时间滞后、峰值变化和时程形状差异等特征，更适合高坝等大型工程结构地震响应分析的使用。结合本项目研究发表中文论文5篇，其中EI收录3篇；培养硕士生6人。本项目研究成果对完善波动方法、推动大型工程结构抗震分析理论的发展具有重要意义。