随着我国水利事业的蓬勃发展,一大批拱坝已经或正在建设,拱坝的抗震安全显得尤为重要。强震作用下,高碾压混凝土拱坝的破坏机理极其复杂,影响因素众多。尽管目前数值模拟成为研究高坝强震破坏机理的主要途径,但是动力模型试验仍不失为一种重要方法,且我国《水电工程水工建筑物抗震设计规范》(NB 35047-2015)规定当设计烈度为Ⅷ度及以上且高度超过150m的甲类工程大坝,宜进行动力模型试验。高坝动力模型试验的仿真材料、模型技术以及测试方法等仍不够完善,尤其是在强震作用下拱坝结构缝的非线性行为、水平薄弱层的影响、大坝-库水相互作用等方面仍然存在诸多挑战。本文为了探究拱坝强震下结构缝、水平薄弱层以及坝库相互作用,进行了一系列的试验研究,具体包括模型材料试验研究、损伤监测技术方法研究、振动台破坏试验以及数值仿真等。主要研究内容如下：(1)研制了一种具有高密度、低弹模、低抗拉强度且脆性良好的高坝模型材料。针对不同应变速率下模型材料单轴拉伸与压缩本构关系进行了一系列试验研究,得到了模型材料在动力作用下的应力一应变曲线方程,以及极限强度、峰值应力处应变、弹性模量、泊松比和吸能能力与应变速率的关系,且与原型材料的率相关性进行对比,为高坝动力模型试验再现原型拱坝的破坏机理提供材料依据,并为数值研究提供材料参数(本文第二章)。(2)发展了一种高拱坝动力模型试验的损伤监测方法,用以实现对高坝模型动态应力以及结构损伤的监测。模型试验前先利用正压电效应在不同加载速率下进行了传感器标定试验;采用均方根指数定义损伤指数,通过预试验来验证损伤监测方法的有效性。在此基础上,把分布式传感器网络嵌入高坝模型内部,构造路径-时程损伤指数矩阵来表征模型的损伤位置和损伤过程,通过模型试验验证了此方法的可行性。此方法与传统高坝模型测试方法互相补充,提高拱坝动力模型试验测试精度,揭示模型损伤破坏规律(本文第三章)。(3)在模型材料研究与损伤监测技术研究的基础上,通过高坝动力模型破坏试验,分步骤地研究结构缝以及水平薄弱层对拱坝地震破坏机理以及失效模式的影响。模型的建立基于弹性力-重力相似准则,相似关系设计时考虑了原模型材料力学特性率敏感性。模型横缝模拟考虑键槽影响,诱导缝模拟基于断裂力学理论,同时进行含薄弱层的模型材料动态劈拉试验。结果表明,结构缝能够在地震中释放坝体内部应力,提高拱坝整体超载能力；薄弱层的存在没有显著降低坝体整体超载能力,主要影响为拱向约束减弱后,梁向位置进入悬臂梁加载模式后的失效模式。试验成果丰富了高拱坝动力模型试验的研究内容,为优化拱坝抗震设计、评估拱坝抗震安全提供科学依据(本文第四、五章)。(4)以天然水模拟库水,利用拱坝动力模型试验方法研究了库水作用下拱坝动力响应与失效模式。将试验结果与不考虑库水影响的试验进行对比,发现库水使拱坝处于预压状态,充分发挥拱坝耐压的受力特点,较之空库状态更有利于坝体安全。考虑到相似关系要求和实际条件,通过数值分析方法研究了模型库水密度对试验结果的影响。数值模型坝体的非线性本构选用混凝土损伤力学模型,材料参数通过力学性能试验获得,结构缝的模拟采用内聚力单元,通过空库试验结果校核数值模型。数值结果表明,不同库水密度主要对坝体上游面拉主应力分布有影响,对失效模式的影响可以忽略。目前还没有找到更加经济实用且满足相似关系的液体时,天然水模拟库水不失为一种有效的办法(本文第六章)。