《Probabilistic Engineering Mechanics》：Seismic failure probability assessment method for concrete gravity dams based on near-fault ground motion parameter inversion
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摘要夏渠混凝土重力坝距离最近的贾里断层带仅5公里。在近断层条件下评估其地震破坏概率，很大程度上取决于输入地面运动的准确性。本研究基于该坝区的历史地震记录，建立了脉冲周期、峰值地面速度、矩震级与震中距之间的经验关系。考虑到包括矩震级、震中距、峰值地面加速度和峰值地面速度在内的地面运
摘要
夏渠混凝土重力坝距离最近的贾里断层带仅5公里。在近断层条件下评估其地震破坏概率，很大程度上取决于输入地面运动的准确性。本研究基于该坝区的历史地震记录，建立了脉冲周期、峰值地面速度、矩震级与震中距之间的经验关系。考虑到包括矩震级、震中距、峰值地面加速度和峰值地面速度在内的地面运动参数的随机性，研究了一种基于高低频叠加的近断层地面运动生成方法。借助该方法以及P波和SV波的斜入射模式，进行了1000次有限元地震响应分析。此外，还利用智能算法建立了地面运动参数、斜入射角与坝体位移响应之间的非线性映射关系。以某次有限元分析的结果作为监测数据，通过反演确定了地震的矩震级、震中距、峰值地面加速度、峰值地面速度以及斜入射角。随后在保持地震波固有随机性的前提下生成了随机地面运动，最终通过综合损伤指标评估了该坝在本次地震中的破坏概率，这一评估采用了整合多种指标的变权重效能系数法，这些指标包括整体损伤指数、坝顶相对位移以及坝基和滑动体的累积滑动量。
引言
在分析中，作为重要水利结构的混凝土重力坝，在强地震作用下的地震响应及潜在破坏模式，对输入模型中的地面运动数据的准确性和真实性极为敏感[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。然而，近断层地面运动的矩震级、震中距、峰值地面加速度、峰值地面速度以及入射角等参数都具有显著的随机性[7]、[8]、[9]、[10]。虽然设计阶段的震前分析及破坏概率预测能够给出坝体潜在响应的整体趋势，但这些方法依赖于假设的地震情景，因此无法准确评估现实世界中特定地震事件的影响。因此，在强地震发生后，如何利用有限的坝体响应监测数据反演出实际地震的地面运动及入射角，并针对具体地震事件准确评估重力坝的破坏概率，已成为当前地震工程研究中的关键难题。
地震后结构损伤的准确评估已得到广泛研究。为评估不同地震强度下重力坝的抗震性能，Segura等人[11]通过随机响应谱分析建立了概率分析框架。Hariri等人[12]也提出了类似的基于随机响应谱的框架，用于评估坝体性能并构建相应的脆弱性曲线。Ciano等人[13]、[14]通过整合多种强度测量参数，提高了脆弱性分析的精度，从而实现了更准确的脆弱性评估。Hariri-Ardebili等人[15]通过建立改进的有限元模型并采用增量动力分析方法，为混凝土重力坝制定了脆弱性曲线，为抗震安全评估提供了有效工具。Altarejos等人[16]提出了一种将复杂数值模型与蒙特卡洛模拟等可靠性技术相结合的方法，以便在风险分析框架内准确量化混凝土重力坝系统的条件破坏概率。Li等人[17]则开发了一种计算效率较高的方法，通过结合强度测量筛选与替代建模技术，快速生成非参数脆弱性曲线，进而推动了基于性能的重力坝地震风险分析的发展。不过，现有研究大多聚焦于震前重力坝响应评估，而针对实际地震地面运动条件下混凝土重力坝的损伤及破坏行为的研究相对较少。
已有诸多研究探讨了强地震作用下混凝土重力坝的地震动力响应。考虑到材料参数的不确定性、地震的不可预测性以及建模误差，Hussein等人[18]采用拉丁超立方抽样方法高效抽取结构参数，并运用损伤指数来评估混凝土重力坝的损伤程度。Lu等人[19]以坝顶位移作为性能参数，基于混凝土塑性损伤模型，建立了坝顶位移与损伤系数之间的线性映射函数，用以分析坝体的损伤与破坏特征。Shen等人[20]考虑到坝体-基础系统中的材料不确定性，采用沿坝体-基础界面滑动位移作为评价指标，开发了脆弱性分析方法。Wang等人[21]基于整体损伤指数提出了重力坝破坏等级评估模型，并进行了相应的脆弱性分析。Ma等人[22]和Liu等人[23]则以坝顶相对位移作为地震性能指标，基于该参数开发了脆弱性分析方法。在上述研究中，研究重力坝损伤的学者们主要关注单一响应指标，未能对整体抗震性能进行系统性评估。然而，仅用单一响应指标来描述重力坝的损伤状态，难以全面反映实际运行条件下可能出现的各种破坏模式[24]、[25]。
以夏渠大坝项目为研究对象，我们建立了坝体-滑动体-基础的集成有限元模型，并通过结合地震参数反演与随机地面运动模拟，开发出了混凝土重力坝破坏概率评估方法。第1节介绍了现有研究状况。第2节介绍了基于历史地震记录的近断层随机地面运动模拟方法。第3节详细阐述了近断层地震参数反演模型的构建过程。第4节展示了将该方法应用于某次典型地震记录的情况，从坝体响应中反演出地震参数，生成144组随机地面运动，进而对重力坝的破坏概率进行了准确评估。第5节给出了研究结论。
章节要点
基于历史地震记录的近断层随机地面运动生成方法
近断层脉冲型地面运动的一个显著特点是低频成分与高频成分的明显叠加。低频脉冲成分主要由正向定向性效应和抛掷步效应产生，这类成分的特点是振幅较大、周期较长且能量较高。而高频成分则主要源于浅层地面的不规则运动，通常与之相关
近断层地面运动生成参数与斜入射角的反演
众多数值研究表明，结构的动力响应与地震波参数及入射角密切相关，这为地震波参数和斜入射角参数的反演建模提供了可行依据。本研究将机器学习技术与有限元仿真相结合，基于多层前馈神经网络建立了包含地震波参数和入射角参数的反演分析方法
为获得逼真地震响应而进行的地面运动参数反演
基于第3.1节建立的MFNN反演模型，选取了一次典型地震作用下的坝体响应，通过反演得到了一组地震参数，分别为α=43.10°、β=14.98°、PGA=0.2 g、PGV=0.15 m/s、震中距R=4.34 km，以及矩震级Mw=6.78。需要指出的是，尽管反演过程可以确定α、β、PGA、PGV、Mw和R等重要的强震动指标，但近断层地面运动的相位本身具有随机性
结论
为准确评估夏渠重力坝在近断层地面运动作用下的破坏概率，我们首先基于坝区历史地震记录，建立了Tp、PGV、Mw与R之间的经验关系。在此基础上，构建了一种考虑参数随机性的近断层地面运动生成方法。通过开展1000次P波和SV波斜入射组合条件下的有限元分析，建立了非线性映射关系
CRediT作者贡献说明
王宗凯：资源保障、项目管理。李志龙：项目管理。刘云鹤：资源保障、项目管理、资金筹集。宋志强：资源保障、项目管理、资金筹集。刘铎迪：写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、方法学、数据整理、概念构思。李向江：指导监督、概念构思。李创：指导监督、概念构思
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。
利益冲突声明
? 作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢所有合作者以及研究团队成员对本文撰写的宝贵贡献。本研究得到了中国国家自然科学基金委员会“重点计划”（项目编号：52439008）以及陕西省教育厅青年创新团队科学研究计划的资助（项目编号：22JP052）。作者再次对这些支持表示由衷的感谢。
Tuodi Liu|Zhiqiang Song|Chuang Li|Xiangjiang Li|Zongkai Wang|Yunhe Liu|Zhilong Li
中国西安710048，西安工业大学，干旱地区水工生态与环境国家重点实验室
