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随着我国对能源结构优化和清洁能源发展需求的不断增加，一批以高土石坝为代表的高坝大库在国家水电战略开发推动下得到快速发展。我国是当今世界上高土石坝数量最多的国家，并在水力资源丰富的西部地区规划建设一批200m、300m级的高土石坝。这些大坝位于我国地震地质环境复杂的西部地区，加之该地区强震频发且抗震设防烈度相对其它地区要高。因此，开展高土石坝抗震安全研究关乎国家水资源安全和社会公共安全，具有十分重要的意义。
科学合理地分析高土石坝在地震作用下的动力反应和地震风险，是确保高坝抗震安全的关键。高土石坝地震反应分析是大坝抗震安全的基础，采用弹塑性模型对高土石坝动力分析是发展的趋势。基于性能的抗震设计能够全面、有效地分析结构在地震作用下的性态水平。因此，有必要将基于性能的抗震理念引入到高土石坝的抗震安全评价中。基于性能的混凝土高坝抗震安全评价在国内已经起步，而基于性能的高土石坝抗震安全分析尚未有系统深入的研究，尤其是对于高土石坝动力弹塑性分析、地震动记录选取、性能水准和性能参数指标量化方法、考虑地震动和筑坝料参数不确定性的高土石坝地震易损性分析方法、高土石坝地震损失估计以及基于性能的高土石坝地震风险评估方法等方面。因此，结合筑坝料弹塑性模型和高土石坝动力弹塑性地震响应分析结果，深入研究基于性能的高土石坝地震易损性与地震风险评估方法。本文主要研究内容总结如下:
(1)基于广义塑性理论的框架，结合筑坝土石料试验成果，引入反映筑坝土石料非线性弹性关系的模量公式和能够反映循环硬化和滞回特性的塑性模量因子，并对PZC模型的弹性和塑性模量表达式改进，提出了一个可以统一考虑循环硬化、滞回特性以及塑性应变积累特性的改进PZC弹塑性模型。采用人工蜂群算法(ABC)和土体模型参数标定程序SM2D对改进模型参数进行标定。通过对糯扎渡堆石料与心墙掺砾土料的静动力三轴试验模拟，改进PZC弹塑性模型可以较好的反映筑坝料的主要静动力特性，从而验证了该模型的有效性。将改进PZC弹塑性模型编入到SWANDYNEⅡ有限元程序中，并对糯扎渡高土石坝进行动力弹塑性反应分析。该方法能够较全面分析高土石坝加速度反应规律分析和频域特性。通过对坝体内典型点的变形时程分析和大坝震害网格变形研究，能够深入分析高土石坝变形特性。结合动力固结理论得到高土石坝的超静孔压分布，计算结果能较好反映高土石坝震动响应规律。通过进一步研究改进PZC弹塑性模型参数对高土石坝动力计算结果的影响，分析得出Mg、Mf、γD、γden、γu、Hu0、H0等7个模型参数对大坝动力计算结果影响敏感度较高。
(2)建立了一种基于场地谱和坝址区地震参数的高土石坝地震动记录选择方法，设定选取地震动记录筛选条件和地震动数量，通过PEER选取60条符合场地条件地震波，所选取的地震动记录的均值谱与场地谱的吻合较好，体现选取地震动的不确定性。结合有限元程序SWANDYNEⅡ对糯扎渡高土石坝进行动力弹塑性有限元分析以及统计国内外土石坝变形震害结果，提出了高土石坝的可定量化性能指标和多级性能水准的确定方法。采用基于多条带分法(MSA)的高土石坝地震易损性方法分析坝体结构在不同地震强度作用下产生各个等级破坏的概率。通过讨论两个性能参数平均值变异系数和标准差变异系数随着随着地震波数量的变化规律，结果表明:当地震波数量大于30条，地震动数量对于性能参数影响基本不再变化。通过引入了幂指数的地震危险性模型，结合高土石坝地震易损性分析结果，建立了基于性能的高土石坝抗震安全评估方法，并对高土石坝在设计基准期期内达到不同性能等级的概率进行评估。结果表明，大坝处于基本完好概率达到98％以上，说明糯扎渡高土石坝在设计基准期内的抗震性能良好。
(3)选取改进PZC模型中的7个敏感性较大的模型参数作为高土石坝的随机变量来考虑筑坝料材料参数的不确定性，并采用拉丁超立方体抽样方法(LHS)建立60个随机生成的高土石坝地震-结构样本对。计算结果表明，仅考虑地震动不确定性在一定程度上低估了高土石坝各级性能水准对应的超越概率。引入具有强大映射能力的人工神经网络(ANN)方法，以高土石坝动力弹塑性分析的计算结果进行训练和仿真，建立ANN模型代替有限元分析计算，并与MSA方法相结合，提出了基于ANN-MSA的高土石坝地震易损性分析方法。根据糯扎渡高土石坝地震危险性资料，推导坝址处地震加速度概率密度函数，采用蒙特卡罗(MC)方法对高土石坝震害风险进行分析。结合地震发生在时间、空间和强度上的不确定性，对设计基准期内的糯扎渡高土石坝在10、50和100年的震害风险概率进行评估。通过对蒙特卡罗和数值积分方法计算高土石坝震害风险值的对比发现，蒙特卡罗法计算结果略小于数值积分方法的结果，造成对高土石坝震害风险的低估。最后，结合高土石坝地震损失和震害风险分析结果，建立基于性能的高土石坝地震风险评估方法，并分析在设计准期内的糯扎渡高土石坝地震风险值。结果表明:高土石坝在100年设计基准期内坝顶相对震陷率和坝顶水平位移最大值对应的严重破坏的地震风险评估值为1.2049和1.5674亿元，处于高土石坝地震损失灾难状态。
科学合理地分析高土石坝在地震作用下的动力反应和地震风险，是确保高坝抗震安全的关键。高土石坝地震反应分析是大坝抗震安全的基础，采用弹塑性模型对高土石坝动力分析是发展的趋势。基于性能的抗震设计能够全面、有效地分析结构在地震作用下的性态水平。因此，有必要将基于性能的抗震理念引入到高土石坝的抗震安全评价中。基于性能的混凝土高坝抗震安全评价在国内已经起步，而基于性能的高土石坝抗震安全分析尚未有系统深入的研究，尤其是对于高土石坝动力弹塑性分析、地震动记录选取、性能水准和性能参数指标量化方法、考虑地震动和筑坝料参数不确定性的高土石坝地震易损性分析方法、高土石坝地震损失估计以及基于性能的高土石坝地震风险评估方法等方面。因此，结合筑坝料弹塑性模型和高土石坝动力弹塑性地震响应分析结果，深入研究基于性能的高土石坝地震易损性与地震风险评估方法。本文主要研究内容总结如下:
(1)基于广义塑性理论的框架，结合筑坝土石料试验成果，引入反映筑坝土石料非线性弹性关系的模量公式和能够反映循环硬化和滞回特性的塑性模量因子，并对PZC模型的弹性和塑性模量表达式改进，提出了一个可以统一考虑循环硬化、滞回特性以及塑性应变积累特性的改进PZC弹塑性模型。采用人工蜂群算法(ABC)和土体模型参数标定程序SM2D对改进模型参数进行标定。通过对糯扎渡堆石料与心墙掺砾土料的静动力三轴试验模拟，改进PZC弹塑性模型可以较好的反映筑坝料的主要静动力特性，从而验证了该模型的有效性。将改进PZC弹塑性模型编入到SWANDYNEⅡ有限元程序中，并对糯扎渡高土石坝进行动力弹塑性反应分析。该方法能够较全面分析高土石坝加速度反应规律分析和频域特性。通过对坝体内典型点的变形时程分析和大坝震害网格变形研究，能够深入分析高土石坝变形特性。结合动力固结理论得到高土石坝的超静孔压分布，计算结果能较好反映高土石坝震动响应规律。通过进一步研究改进PZC弹塑性模型参数对高土石坝动力计算结果的影响，分析得出Mg、Mf、γD、γden、γu、Hu0、H0等7个模型参数对大坝动力计算结果影响敏感度较高。
(2)建立了一种基于场地谱和坝址区地震参数的高土石坝地震动记录选择方法，设定选取地震动记录筛选条件和地震动数量，通过PEER选取60条符合场地条件地震波，所选取的地震动记录的均值谱与场地谱的吻合较好，体现选取地震动的不确定性。结合有限元程序SWANDYNEⅡ对糯扎渡高土石坝进行动力弹塑性有限元分析以及统计国内外土石坝变形震害结果，提出了高土石坝的可定量化性能指标和多级性能水准的确定方法。采用基于多条带分法(MSA)的高土石坝地震易损性方法分析坝体结构在不同地震强度作用下产生各个等级破坏的概率。通过讨论两个性能参数平均值变异系数和标准差变异系数随着随着地震波数量的变化规律，结果表明:当地震波数量大于30条，地震动数量对于性能参数影响基本不再变化。通过引入了幂指数的地震危险性模型，结合高土石坝地震易损性分析结果，建立了基于性能的高土石坝抗震安全评估方法，并对高土石坝在设计基准期期内达到不同性能等级的概率进行评估。结果表明，大坝处于基本完好概率达到98％以上，说明糯扎渡高土石坝在设计基准期内的抗震性能良好。
(3)选取改进PZC模型中的7个敏感性较大的模型参数作为高土石坝的随机变量来考虑筑坝料材料参数的不确定性，并采用拉丁超立方体抽样方法(LHS)建立60个随机生成的高土石坝地震-结构样本对。计算结果表明，仅考虑地震动不确定性在一定程度上低估了高土石坝各级性能水准对应的超越概率。引入具有强大映射能力的人工神经网络(ANN)方法，以高土石坝动力弹塑性分析的计算结果进行训练和仿真，建立ANN模型代替有限元分析计算，并与MSA方法相结合，提出了基于ANN-MSA的高土石坝地震易损性分析方法。根据糯扎渡高土石坝地震危险性资料，推导坝址处地震加速度概率密度函数，采用蒙特卡罗(MC)方法对高土石坝震害风险进行分析。结合地震发生在时间、空间和强度上的不确定性，对设计基准期内的糯扎渡高土石坝在10、50和100年的震害风险概率进行评估。通过对蒙特卡罗和数值积分方法计算高土石坝震害风险值的对比发现，蒙特卡罗法计算结果略小于数值积分方法的结果，造成对高土石坝震害风险的低估。最后，结合高土石坝地震损失和震害风险分析结果，建立基于性能的高土石坝地震风险评估方法，并分析在设计准期内的糯扎渡高土石坝地震风险值。结果表明:高土石坝在100年设计基准期内坝顶相对震陷率和坝顶水平位移最大值对应的严重破坏的地震风险评估值为1.2049和1.5674亿元，处于高土石坝地震损失灾难状态。