地震时,库水在库区地面及坝体的带动下发生运动,在迎水坝面上产生动水压力。对面板堆石坝来说,这一部分动水压力直接作用在面板上,对面板变形及坝体动力响应有着至关重要的影响。坝前库水位随季节变化,而地震是随机发生的。因此,有必要寻找对大坝抗震安全最不利的荷载组合,确保大坝抗震安全。紫坪铺面板堆石坝是世界上唯一一座遭遇Ⅸ度以上强震的高混凝土面板堆石坝。汶川地震时,紫坪铺水库水位较低,尽管大坝整体保持稳定,但仍产生了明显的损伤。研究紫坪铺面板堆石坝在不同库水位下的地震动力响应对认识库水动力作用机理及面板堆石坝抗震设计有着重要的理论意义。本文依托紫坪铺面板堆石坝工程,采用有限元法离散库水,围绕地震作用下面板堆石坝与库水的流固耦合问题展开了一系列研究。首先采用ABAQUS声固耦合法计算了直立刚性坝面的动水压力,验证了此方法用于坝库流固耦合问题的准确性。接着建立了面板堆石坝-库水-地基模型,对紫坪铺面板堆石坝进行了汶川地震动力分析。然后以紫坪铺面板堆石坝为例,研究了地基与库水相互作用、地震激励频率、地震激励方向以及库水可压缩性对动水压力的影响。最后,研究了紫坪铺面板堆石坝在不同库水位下的地震动力响应。得到以下主要结论:(1)采用ABAQUS声学单元离散库水、无反射边界模拟库尾辐射阻尼效应,建立了库水域有限元模型,计算了直立刚性坝面下的地震动水压力,其结果与理论解误差仅为4%,表明该方法可以合理应用于坝库动力流固耦合问题。(2)采用等效线性模型对紫坪铺面板堆石坝进行了地震动力有限元分析。研究表明,地震时堆石坝下游坝顶部位加速度反应较大,此部位块石可能发生松动、滑移。坝体同一高程,下游侧加速度较上游侧大,表明动水压力抑制了坝体运动,降低了坝体上游侧的动力响应。(3)研究了不同影响因素对面板堆石坝动水压力的影响。研究表明:1)在竖直向激励下,地基与库水之间的相互作用对动水压力有着重要的影响。忽略地基与库水之间的相互作用,会低估迎水坝面的动水压力;传统无质量地基模型,会高估地基与库水交界处的动水压力。而顺河向激励下,地基与库水之间的相互作用对迎水面动水压力影响较小。2)面板堆石坝动水压力受坝体动响应影响,坝体动响应越强烈,动水压力越大,反之动水压力越小。3)竖直向激励产生的动水压力是顺河向激励的1.6～2.6倍。表明竖向地震会激发较大的动水压力,在堆石坝抗震分析中,竖直向激励产生的动水压力不可忽略。4)忽略库水可压缩性可能高估也可能低估动水压力,误差可达到-17.7%～29.7%,视激励频率而定。当激励频率小于库水基频时,是否考虑库水可压缩性对整个坝体的加速度反应影响较小,而当激励频率大于库水基频时,忽略库水可压缩性会高估坝体上游侧动力响应。(4)研究了紫坪铺面板堆石坝在不同库水位下遭遇地震的动力响应。研究表明:1)库水深度较低时(50m水深),其动力计算结果与无水条件下相近,表明此时动水压力未对坝体造成明显影响。而随着库水深度增加,动水压力作用降低了坝体上游侧的加速度反应,而增加了坝体下游侧0.4倍坝高～0.9倍坝高的加速度反应。建议在设计中,加强堆石坝下游坝坡中上部的抗震措施。2)随着库水位的升高,坝体的顺河向动位移随之降低,而坝体竖向动位移变化不大。3)随着库水位的升高,坝体动剪应力随之降低,满库较空库降幅约10%。4)随着库水位的升高,面板动应力随之减小。满库条件下面板顺坡向拉应力与压应力分别较空库降低18.5%和27.4%。