我国正处于水电开发的高峰时期，在西部地区，一系列坝高200m以上的高堆石坝工程正在规划、设计和建造之中，有些工程坝高甚至超过了300m。高坝的建设费用动辄几十亿，甚至数百亿。高坝失事不但使水电工程本身丧失功能，而且还可能会引起大坝下游居民生命财产的巨大损失。因此，保证大坝的安全性和经济性成为高坝设计中的首要问题。　　 大坝的应力变形性状是堆石坝研究领域中最为重要的课题，也是大坝设计的基本依据。本文基于堆石坝有限元分析方法，首先研究了一种非连续变形薄单元模拟结构物顶部土体内非连续变形的方法，实现了土与结构相互作用下结构物顶部土体内部的非连续变形的模拟;其次，研究了基于有限元应力场的边坡稳定性分析方法，改进了基于目标函数梯度的优化方法;最后，进行了长河坝心墙堆石坝工程的三维有限元计算，分析了大坝在填筑和蓄水过程中坝体与结构物的应力变形性状;研究了坝体心墙内超静孔隙水压力的发展变化过程及其对坝体应力变形的影响;评估了心墙发生水力劈裂的风险;并针对河谷中心最大断面进行了坝体边坡的稳定性分析。　　 本文取得以下创新成果:　　 (1)实现了土与结构相互作用下结构物顶部土体内部的非连续变形的模拟，从而使结构物及其周围土体的应力变形结果更符合实际。　　 (2)提出一种改进的基于目标函数梯度的优化方法，用于边坡稳定分析中最小安全系数滑动面的搜索。在搜索路径上，该方法将经典方法中沿着目标函数负梯度方向一步搜索到最小值的方式改为小步长前进的搜索方式，并通过控制变量取值范围和方向向量的归一化处理，使得差分步长和移动步长的选取独立于边坡的几何尺寸，进而便于编程实现。改进方法能够发现并跳出局部极值，搜索并确定全局最小值，是一个精确的优化方法，结合有限元应力计算，优化效率很高。　　 (3)提出方向向量计算的下降方向的差分计算格式，下降方向差分格式所得的搜索方向始终接近目标函数的负梯度方向，避免了采用中心差分算法，在目标函数等值线弯曲区域或接近极值区域所得的搜索方向有时为非下降方向的情况，从而导致搜索停止，找不到最小值的问题。　　 (4)指出了原有收敛准则造成的收敛误差误判问题，提出了一种新的经过合理性验证的临界滑动面收敛准则。　　 (5)对几个典型的边坡的圆弧滑动极值问题进行了深入研究，分析了这些边坡的多极值特征，指出对于圆弧形临界滑动面，两级搜索方法在寻找全局最小值的有效性方面要优于一级搜索方法。