土石坝地震响应的剪切梁分析与现场观测对比研究：揭示动态特性与剪切波速分布规律

为解决土石坝地震响应分析中剪切波速(Vs)分布难以直接测量的问题，研究人员通过剪切梁理论建立解析模型，结合日本23座土石坝的加速度记录，反演了Vs剖面。研究发现当坝高(H)<50m或长高比(L/H)>8时，一维剪切梁模型能有效拟合观测数据，为坝体动力特性评估提供了新方法。

　　

土石坝作为水利基础设施的核心组成部分，其抗震性能直接关系到公共安全和区域经济稳定。然而，由于坝体内部材料分层复杂且钻孔取样受限，传统方法难以准确获取深层剪切波速(V_s)分布——这是评估坝体地震响应的关键参数。尽管表面波谱分析等无损检测技术已应用于浅层勘测，但其探测深度通常不足40米，而地震引发的坝体破坏可能涉及更深层土壤液化与滑坡。这一矛盾促使研究者探索基于振动记录的反演方法，但现有剪切梁模型的适用性尤其在考虑高阶模态和复杂几何效应时仍不明确。

日本大型水坝委员会(JCOLD)的研究团队通过解析剪切梁模型与现场观测的对比研究，开创性地解决了这一难题。研究首先建立了考虑剪切模量随高度变化的控制微分方程，采用贝塞尔函数解析求解，推导出不同自然模态下的动态响应参数。通过分析日本23座土石坝34年间的加速度记录，团队发现当坝高(H)<50米或长高比(L/H)>8时，一维剪切梁理论能准确拟合观测到的传递函数，其反演的V_s剖面与基于截面分区几何的预测值吻合良好（标准偏差σ_VS中位数0.18）。

关键技术方法包括：

1. 基于贝塞尔函数的剪切梁解析模型构建
2. 日本23座大坝的加速度记录处理与传递函数计算
3. 图形化与数值化双路径参数反演技术
4. 考虑有效应力分布的V_s剖面预测模型

研究结果揭示：
剪切梁分析公式化
通过引入无量纲波数k*=k/(1+2iξ)^1/2，建立了考虑材料阻尼的传递函数解析式。当非均质参数m>0.5时，最大放大效应转移至高阶模态。

与现场观测对比
Tedorigawa坝（H=153m）的观测传递函数显示ω₂/ω₁=1.75，对应m=1.15；而Aikawa坝（H=40.3m）的比值达1.97，反映更均匀的刚度分布（m=0.75）。数值反演获得的V??_s与实测波走时结果误差小于24%。

剪切梁分析的适用性
回归分析表明，当L/H>7时标准偏差σ降至0.3-0.4。Minamishiio坝（L/H=16.4）虽具有非三角形截面，仍表现出良好的拟合性（σ=0.37），证实二维几何影响弱于三维效应。

这项研究的意义在于：首次系统验证了剪切梁理论在真实坝体响应分析中的适用边界，建立了基于振动记录的深层V_s剖面反演方法。对于已建坝体，仅需基顶两台加速度计即可获取可靠的动力参数，避免了昂贵的钻孔作业。研究提出的L/H>8适用判据，为土石坝抗震设计规范提供了理论依据，尤其对地震活跃区的既有坝体安全评估具有重要实践价值。论文成果发表在土壤耕作研究领域权威期刊《Soil and Tillage Research》，为岩土工程与地震工程的交叉研究树立了新范式。