土石坝具有就地取材、造价经济、施工快速以及对地形地质的适应能力强等优点,在水电开发中得到了广泛应用,一批200～300m级的高土石坝正在或即将开工建设。我国的高坝多位于地震频发的西部地区,一旦失事,将造成不可承受的损失。国内外学者针对土石坝地震数值模拟开展了大量确定性研究,即选取若干条地震波作为地震输入,进行土石坝地震响应分析,对土石坝的抗震安全性做出评价。然而,安全性评价指标是基于前期工程经验确定的,对300m级高堆石坝是否具有外延性和普适性仍需进一步确认。土石坝地震反应分析中存在不确定性因素,如地震输入、材料参数等。确定性分析方法无法定量把握这些不确定因素,因而造成对土石坝抗震安全评估的偏差。可靠度分析方法通过定量考察工程中的各种不确定性,以失效概率作为工程安全程度的统一度量标准。高土石坝地震可靠度研究可作为确定性分析方法的一种有效补充,具有广泛的应用前景。目前,土石坝震后安全评价主要通过组织专家对震害现象进行调查,结合监测的地震变形,综合评价大坝的抗震安全性。这些研究对认识土石坝地震灾变行为和破坏机理具有重要意义。但分析多基于坝顶震陷、坝坡震松和外轮廓收缩等定性分析层面,不能清晰呈现坝体内部局部变形情况,无法深入分析坝体地震变形与震损机理。应变是认识材料变形规律与破坏机理的关键力学量,且土体的动强度也采用应变破坏标准。基于原型监测位移求取坝体的地震残余应变场,可为深入分析土石坝震害特性,揭示土石坝地震破坏机理奠定基础。针对上述高土石坝抗震研究中亟待解决的问题,本文开展了堆石料动力变形特性试验研究、土石坝地震可靠度研究和基于原型监测数据的地震残余应变分析三方面工作。主要研究内容如下:(1)采用大型静动力简单剪切仪,对古水灰岩堆石料进行了动剪切模量阻尼比试验和动残余变形试验。试验结果表明,堆石料的模量阻尼特性可采用修正等价黏弹性模型描述:在高围压和较强动应力组合时,残余应变与振次的关系和半对数规律偏差较大,提出采用幂函数描述残余应变的发展,建立了以平均主应力、固结应力比和动剪应变为自变量的残余变形计算模型。通过拟合不同堆石料的试验结果,表明该模型具有较好的适用性。(2)根据地震烈度概率分布函数,计算烈度Ij发生的概率,并确定地震强度因子。选取非线性抗剪强度参数φ0和Δφ作为坝料不确定性参数,通过统计分析国内100m级以上筑坝料参数,获取其统计特征。坝坡最危险滑弧需大量迭代搜索,因此,采用高斯过程响应面建立筑坝料参数与最小安全系数的映射关系,结合蒙特卡罗法求坝坡失稳概率。以紫坪铺面板堆石坝为例,计算了设计基准期内坝坡的地震失稳概率。(3)以坝顶震陷率作为高土石坝地震安全评价指标,计算了设计基准期内坝顶震陷的失效概率。首先,考虑地震的不确定性,根据地震强度因子,调整规范谱人工地震波的幅值作为有限元计算的输入。然后,选取动剪切模量和沈珠江模型参数作为堆石料的不确定性参数,采用方差传递原理和卡方检验获取参数的统计特征。由于土石坝动力有限元计算成本较高,采用高斯过程响应面建立筑坝料参数与坝顶震陷率之间的非线性映射关系,结合蒙特卡罗法计算了坝顶震陷的失效概率。以紫坪铺面板堆石坝为例,计算了设计基准期内的震陷失效概率。(4)原型监测资料分析是研究高土石坝地震破坏机理最直接有效的方法。目前,对监测位移的分析多限于定性描述和位移分析层面,不能深入探讨坝体内部的地震变形与破坏机理。本文采用无网格数据光滑化方法,对高土石坝监测位移进行去噪处理,用于原型高土石坝的应变计算,开发了相应的计算程序。该方法采用Lagrange乘子法建立目标泛函,对泛函进行极值分析确定最佳平滑参数,拟合出光滑连续的位移场,然后计算应变场。对紫坪铺大坝在汶川地震中的监测位移进行了光滑化处理,得到地震残余应变场。分析该地震残余应变场可较好解释现场震损情况以及震损原因,并针对性地提出了相应的抗震优化措施。与基于有限元计算的残余应变场对比,探讨了目前土石坝地震永久变形计算中存在的问题。