强震作用下"库水-高土石坝-地基-孔隙水"动力耦合机理研究

300m级高土石坝在强震作用下将与水发生强烈的动力相互作用，对其中库水与坝面的宏观作用及孔隙水与坝体坝基土骨架的细观作用目前一般分开研究和单独计算分析。本项目提出将"库水-高土石坝-地基-孔隙水"作为一个整体动力耦合系统，通过设置"宏细观水土动力耦合内边界"，将宏观和细观水土动力流固耦合作用有机地联系起来。采用流体动力学、孔隙介质力学及结构动力学等对系统进行整体数学建模和耦合求解，重点分析库水和孔隙水的动态演变过程及与坝体坝基土骨架的宏观和细观动力耦合作用机理。同时研究库水的压缩性、水库自由液面、土体是否饱和等因素对耦合系统中大坝安全的影响效应。通过研究，深入认识强震作用下库水的运动和入渗、孔隙水形成、扩散和耗散等过程及水对大坝安全的影响和破坏作用，获得更为真实全面的高土石坝地震动力反应特性，进而科学评价强震作用下300m级高土石坝的抗震安全性，并为设计切实有效的工程抗震措施提供理论依据。

高土石坝在强震作用下将与水（库水和孔隙水）发生强烈的动力相互作用。本项目将“库水-土石坝-地基-孔隙水”作为一个整体动力耦合系统进行分析。采用流体动力学、孔隙介质力学及结构动力学等理论，推导了“土石坝（含地基）-库水”宏观动力耦合方程和“土石坝（含地基）-孔隙水”细观动力耦合方程，通过设置“宏细观动力耦合内边界”，将宏观和细观坝水（水土）动力耦合作用有机地联系起来，实现对“库水-土石坝-地基-孔隙水”系统的整体数学建模，进而阐明了库水和孔隙水与坝体坝基土骨架的宏观和细观动力耦合作用机理。另外，在耦合方程及边界条件中考虑了库水和孔隙水的压缩性、水库自由液面、库底吸收性、土体非饱和等因素对耦合系统的影响。利用伽辽金加权余量法推导了宏细观耦合方程的有限元求解方程，并给出迭代法和整体法两种耦合求解方法。开发研制了有限元计算程序（软件），并进行了多个算例考题和工程实例计算。此外，对“坝体-地基”体系引入人工动力边界和地震波动输入方法。通过研究，深入认识强震作用下库水的运动和孔隙水形成、扩散和消散等过程及水对大坝安全的影响和破坏作用，获得更为真实全面的高土石坝地震动力反应特性，进而为科学评价强震作用下高土石坝的抗震安全性提供理论依据。. 本项目部分研究成果已在“岩土工程学报”，“岩石力学与工程”，“Advanced Materials Research”等国内外期刊或会议上发表学术论10篇，其中7篇被EI检索。申请了6个软件著作权。培养的研究已毕业3人，另2人于2014年上半年毕业。参加了10余次各类形式的国内和国际学术会议。2次邀请了奥地利GRAZ技术大学的BAUER教授来华进行学术交流。研究内容和研究成果达到了预期目标。