基于可靠性的近断层区高混凝土面板堆石坝地震边坡稳定性评估与设计优化

本研究针对近断层区高混凝土面板堆石坝(CFRD)的地震边坡失稳风险，采用可靠性分析方法，通过概率地震危险性分析(PSHA)计算场地峰值加速度(PGA)，结合条件概率定理评估上下游边坡滑动风险。研究发现传统下游边坡设计(1.4-1.6H:1V)在PGA>0.25g时存在高风险，提出采用1.8-2.0H:1V缓坡或增设堆石护道的创新设计方案，为高地震区CFRD工程提供了重要设计依据。

　　

在地震频发的土耳其地区，一座102米高的混凝土面板堆石坝(CFRD)——恰伊大坝正面临严峻挑战。这座位于活跃的苏丹达厄断层带仅1.6公里处的大坝，其安全性牵动着下游数万居民的心。更令人担忧的是，全球CFRD传统采用的上游坡1.3-1.5H:1V和下游坡1.4-1.6H:1V的设计标准，在如此高烈度地震区是否依然可靠？这个问题直接关系到无数类似大坝的抗震安全。

为解答这一关键问题，研究人员开展了一项开创性研究。通过结合确定性地震危险性分析(DSHA)和概率地震危险性分析(PSHA)，对602条活动断层进行系统评估，重点考察距离大坝仅1.6公里的26公里长苏丹达厄断层。研究采用可靠性分析方法，建立了考虑地震惯性力的边坡安全裕度方程，计算了不同PGA水平下的边坡失效概率。

研究采用了三项关键技术方法：1)基于602条断层的DSHA和PSHA分析，计算场地PGA及其发生概率；2)推导上下游边坡安全裕度方程，考虑岩体重力、水压力及地震惯性力等荷载；3)采用可靠性理论计算边坡失效概率，结合地震发生概率评估总风险。研究特别关注了2002年Mw6.5苏丹达厄地震的实测数据，该地震在场地记录到0.113g的PGA。

在"地震危险性分析结果"部分，研究发现：在50年服务期内，场地PGA超过0.1-0.2g的概率高达70-99%；而临界PGA值0.275g对应的发生概率为60%(Mw5-5.5)、43%(Mw6)和18%(Mw6.7)。这一结果凸显了近断层区中等强度地震的高风险性。

"上游边坡失效概率分析"结果显示：即使在0.67g的极端PGA下，上游边坡仍保持稳定(SM>0)。这得益于上游水压力和填土压力对混凝土面板的支撑作用，显著增强了抗滑能力。这一发现验证了传统1.3-1.5H:1V上游坡设计的可靠性。

然而"下游边坡失效概率分析"却揭示了严峻问题：当PGA>0.2g时，下游边坡安全裕度转为负值；PGA达到临界值0.275g时，失效概率急剧上升至70-80%。分析表明，Mw5-5.5级中等地震结合0.2-0.3g PGA将构成最大威胁，而更高震级因发生概率较低反而风险相对减小。

针对这一发现，研究在"下游边坡加固建议"中提出两种解决方案：将下游坡放缓至1.8-2.0H:1V，或增设支撑性堆石护道。数值模拟显示，采用单位重量21kN/m³、内摩擦角42°的支撑材料，可显著提高边坡稳定性。这一创新设计既经济又有效，特别适用于高地震风险区的CFRD工程。

这项研究的重要意义在于：首次通过可靠性方法量化了近断层区CFRD的地震风险，揭示了传统下游坡设计在高PGA下的脆弱性。提出的1.8-2.0H:1V缓坡设计方案，为全球高地震区CFRD建设提供了重要参考。研究还建立了PGA概率与边坡失效概率的定量关系，为类似工程的风险评估提供了方法论框架。这些成果不仅适用于恰伊大坝，也将指导未来高地震区CFRD的设计与加固，对保障重大水利设施抗震安全具有深远影响。