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我国是一个地震活动比较频繁的国家，同时又是缺乏强震记录的国家。水工结构抗震计算所需的基本地震动输入参数无法直接得到。本专题重点研究300 m级高拱坝抗震设计中的基础性问题，包括场址地震危险性、设计地震动输入机制和水库诱发地震危险性评价方法等。为在西南、西北高地震烈度区兴建的300 m级高拱坝的抗震设计提供实用、合理和科学的设计依据。
1 地震动参数衰减规律
在地震危险性概率分析方法中，地震动衰减规律无法根据我国的实际资料统计得到。本专题分析研究了区域介质品质因子Q值对地震动参数衰减的影响，探讨缺乏强震记录条件下地震动衰减规律估算的新方法。建立了考虑Q值的地震动衰减关系式，主要结论如下 ：
(1)Q值的离散性很大，反演美国西部两个小区域内的Q值所引起的地震波幅值谱衰减的差别比大区域范围(如美国西部、中国华北地区或成都地区)之间的地震波幅值谱衰减差别还大。
(2)由于平均化的原因，在距离小于50 km、频率小于10 Hz时，可忽略品质因子差别引起的地震动衰减关系的变化，即直接引用美国西部的地震动衰减关系。
(3)建立了考虑品质因子和不考虑品质因子两种衰减关系式：
 (1)
 (2)
式中，y为要统计回归的地震动参数(峰加速度、速度、反应谱；付氏幅值谱等)；b１,b2，b3，b4为统计回归系数；R1为震中距；f为频率；V为波速(一般用S波速)；Q为不同地区介质品质因子。
利用美国西部强震观测资料统计了各地震动参数的衰减关系，考虑Q值的地震动参数衰减公式能很好地满足近震幅值饱和的特性。用Q值取代法就可求得所研究地区的地震动衰减规律，在数据集范围内，可用于工程场址地震危险性概率分析。
2 地震危险性分析中不确定因素的影响
由于地震危险性概率分析中所需的各种地震活动性参数，取决于人们对地学基础资料的掌握程度和认识水平，因而包含着一定程度的不确定性。不确定性校正是地震危险性概率分析的一个重要环节。本专题针对关键的非统计性地学资料中的不确定性，提出了一套新的工作流程。在思路上，承认地学资料的多解性和模型的不确定性，通过多方案比较、多层次的评估筛选和针对性的现场补充工作以降低某些方案的不确定性，通过增加原始资料和论证过程的透明度以提高专家赋值的客观性。
以金沙江溪洛渡水电站工程为例，详细研究了前人资料和观点，开展了坝址近场及外围的现场调查，对现有各种观点进行了初步评估和筛选，选取了可信程度较高的4个潜在震源区划分方案，其中包括了对坝址地震危险性计算明显不利的方案。在其他参数完全相同的条件下进行试算，证明各方案对坝址地震动参数的作用有实质性的区别，在不确定性校正中应予以综合考虑。
对这4个方案通过专家评估和赋值，形成3个权值组合，分别进行地震危险性分析计算和比较，按推荐的组合权值分配，将A、B、C、D 4个方案(包括各自的几何参数、主导破裂方向和震级上限)作为“逻辑树”方法中潜在震源区的选用方案，共同进入不确定性的综合校正计算。
研究结果表明，建立开放性的认知和决策系统，有针对性地安排一些勘察研究工作，减少个别先验观点在关键地质问题上一锤定音，可以有效地避免重大工程抗震设计中的决策失误，提高地震动参数计算结果的可靠性和可信度。
3 重大工程设定地震
Kameda等1988年提出具有统计意义的一致危险性震级M—和一致危险性震中距 (Hazard-Consistent Magnitude and Distance)作为设定地震的概念。设定地震概念综合了确定性方法和概率法的长处，既可以与现行的地震危险性概率分析方法接轨，又能避开一致概率反应谱的缺陷，同时还保留了确定性方法的结果具有明确物理意义的优点。
本专题研究提出了考虑发震断层的设定地震确定方法，依据地震危险性概率分析结果 ，结合具体工程场址地质构造特性，强调可能的发震断层在确定设定地震中作用。具体确定方法如下：
(1)由地震危险性概率分析结果结合工程设防要求，找出场址设计超越概率水平下的峰值加速度，令设定地震在场址产生的加速度等于这一给定值；
(2)找出满足上述条件的所有潜在震源区作为设定地震的候选区域，取候选区域到场地的最小距离和最大距离作为设定地震的最小距离Rmin和最大距离Rmax；
(3)利用地震动峰值加速度衰减关系，可分别找到与给定地震动强度值相适应的两个极端情况(Rmin，Mmin)和(Rmax，Mmax)，暂且称为最小设定地震和最大设定地震；
(4)根据潜在震源区内主干断层带到场地的距离R，若满足R∈(Rmin,Rmax)条件，则选该断层带到场地的距离为设定地震的距离(下称断层带距)，由峰加速度衰减关系和断层带距，根据给定的场地加速度峰值求得震级M，且满足M∈(M0，Mu)，则作为该候选区的设定地震(R, M)；
(5)还应考虑到地震动参数衰减规律外推的局限性，反应谱约束条件等因素；
(6)最终设定地震的选取应综合考虑上述各种情况，对重大工程应选取距离最近(发生概率最大)的发震构造位置上的(R, M)作为设定地震。
依此方法使用本专题研究得出的衰减公式，计算了小湾和溪洛渡两个工程的最大和最小设定地震(见表1、2)。分别计算了小湾和溪洛渡最大、最小设定地震对应的反应谱，并与概率一致反应谱和水工规范标准谱进行了比较。由于小湾潜在震源区(2)内存在主干断裂八字耳朵断层，距小湾坝址约4 km左右，故设定地震取潜源区(2)的最小设定地震，即R=4.12 km，M=6.2级。溪洛渡潜在震源区(2)内有翼子坝断层，距溪洛渡坝址约15 km，考虑这种情况，建议溪洛渡坝址设定地震取断层距15 km对应的地震震级，即R=15 km，M=6.9级。
4 地震动输入机制和场地效应研究
在拱坝地震反应分析中，对于输入地震动，目前各国仍沿用峡谷两岸和谷底作同相位 、等振幅、均匀输入的简化模型。众多的强震观测资料和震害事实表明，坝址场地局部地质构造和地形条件对地震动的影响很大，尤其是高拱坝坝址的河谷地形上下落差数百米，谷底与谷顶间的自由场地震动差异十分显著。本专题建立了一套合理的、定量的且与目前规范方法相适应的随机自由场地震动估计方法。
4.1 峡谷地形的强震记录分析
广泛收集了国内外强震记录资料，建立了中国水工结构强震记录数据库。在此基础上 ，总结分析了坝址河谷地形条件对入射地震动的影响。从国内外水工建筑物强震记录中查询到有关的地震事件有5次。分析结果表明：①坝肩的放大倍数最大竟然有8.79倍。对于建在高山峡谷区的高拱坝，必须考虑坝肩的动力放大作用；②动力放大现象十分复杂，放大倍数与最大加速度值并不相关。山体放大作用除了与相对高差有关外，还与坝肩山体被切割的厚度有关。山头越单薄，放大倍率越高，山体越浑厚可能放大倍率越低；③坝肩山体的动力特性在频率组成和相位上也有明显变化，这些对大坝安全的影响也不容忽视。
4.2 平稳随机地震动模型
在确定地震动输入时，比较广泛使用的是金井清谱，但它存在着低频缺乏的问题；胡聿贤、Penzien曾分别建议了修正金井清谱低频缺乏的方法，但其低频削减参数受实际数据的限制难以正确估计。为了解决现有工程方法在长周期部分的缺乏，结合水工建筑物的特点，提出了一种将地震学确定性低频模拟方法和工程学中高频随机模拟方法相结合的综合模型来反映地震动的频谱特性，该模型对地震动长周期特性能进行较好的模拟，可用于拱坝结构反应分析中。
其中，ω0和D是高通滤波器和低通滤波器参数，ωg、ξg和S0分别为场地土卓越频率 、阻尼比和谱强度因子。D值代表震源的物理性质，这表明公式(3)是对金井清谱模型的一种物理修正。
4.3 空间随机地震动场的确定
由于拱坝结构所在场地的地形一般较复杂，到目前为止，观测到的真实的拱坝自由场地的地震记录还不多，采用真实的多点强震记录作为地震输入还有一定困难，而人工模拟自由场地的多点地震动时程，即人工合成自由场上满足一定统计特性的一组地震动时程可认为是一种对强震记录缺乏的补偿。本专题在拱坝地震输入的功率谱模型基础上，提出一套与指定的功率谱矩阵相一致的多点地震动时程的生成方法，可用于拱坝多点输入的抗震分析。
在复杂场地对地震地面运动影响的研究中，数值分析方法日益受到重视。由于分析复杂场地对地震动影响的方法必须在模拟复杂场地方面具有足够的灵活性和在模拟地震波向无限远域能量辐射方面的精确性以及计算的简便性，本专题采用近场波动数值模拟的解耦方法，即显式有限元结合人工透射边界的方法，建立三维复杂地质、地形条件下的波动分析程序。透射边界是一种虚拟的人工边界，其目的是保证射向这个边界的波完全透射不会有任何反射。该方法既具有有限元模拟的灵活性和有限差分法计算的简便性，又较合理地模拟了地震波向远域的传播。以小湾工程为例，给出了考虑拱坝河谷散射和地基辐射阻尼影响的坝址自由场地震动分析结果。
5 GIS技术和水库诱发地震研究
水库诱发地震研究既是工程抗震问题，也是库区环境评价问题，已有很多震例表明，水库诱发地震超过了当地最大历史地震。一旦在坝区附近发生较强的诱发地震，很有可能成为大坝设计中的控制工况，同样不容忽视。
由于水库诱发地震的成因机制复杂，影响因素众多，以往的各种水库地震预测模型都不同程度地存在着对输入信息过分简化的问题，致使模型的数值分析结果的可信性大打折扣，因而得不到承认和推广。GIS(地理信息系统)是近年来发展很快的计算机信息处理软件，很适宜分析处理诸如库区逐点变化的地形、岩性、断裂，还有随时间、地点变化着的水深、库容等海量信息。GIS的出现为水库诱发地震危险性的前期预测和定量描述找到一种新思路，是具有开创性的第一步。
5.1 诱震因素的选取及其在GIS中的表达
针对GIS的特点，根据水库诱发地震的多成因理论及其判别标志，将主要的诱震因素归结为以下7个方面(顺序不代表其重要性)：①岩石类型(G)；②岩溶发育程度(SK)；③断层规模及切割深度(FD)；④断层活动性(F)；⑤地震活动背景(E)；⑥与库水的接触关系(FC)；⑦库水深度(D)。
诱震因素作为预测模型中的因子参与运算，因此必须对各诱震因素进行量化。通常的做法是将各诱震因素进行状态分类，根据分类结果进行相对量化。量化后的诱震因素在GIS中用图层的形式来表现，每个诱震因素作为一个专业图层(grid)。
5.2 基于GIS技术的水库诱发地震预测模型
作为初次在GIS平台上建立诱发地震危险性分析模型，我们选择了以宏观地震地质类比法为依据的专家分析系统预测模型、和最常用的统计检验和灰色聚类两种数值预测模型 。这三种预测模型都是经过多次实践应用、比较成熟、已经被工程人员所了解和易于接受的 。以溪洛渡工程为例，每个模型都分别对构造型和岩溶型水库地震进行预测。在此仅简要介绍专家分析系统预测模型在GIS中的实现和应用。在各个诱震因素之间建立函数关系式：
岩溶型诱发地震危险性预测模型：
其中：YR为发生岩溶型诱发地震危险性的计算值；GZ为发生构造型诱发地震危险性的计算值。7个诱震因子按照其所属状态、对函数的影响程度由专家打分赋值，在构造型关系式和岩溶塌陷型关系式中被分别赋予了不同的权值。
计算结果是生成水库诱发地震可能性大小的新图层，称为构造型和岩溶型水库诱发地震危险性区划图。
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