随着我国水电事业的发展,修建超高(300m级)混凝土面板堆石坝已成为一种必然趋势。300m级超高面板堆石坝建设的关键难题是堆石体变形控制与面板防裂,大量的研究成果表明,坝高从200 m增加到300 m时,坝体变形几乎增加了 1倍,坝体变形必然会导致面板出现不同程度的裂缝,严重危害大坝安全。因此,对常规面板堆石坝体型进行优化设计,提出镶嵌面板堆石坝的设计思路,对300m级超高面板堆石坝的建设具有重要的意义。本文采用有限元中点增量法对镶嵌面板堆石坝的应力变形特性进行了深入研究,在此基础上对镶嵌面板堆石坝高模量区设计的方案进行了优化,基于正交试验法对高模量区邓肯-张E-B模型参数进行了敏感性分析,具体研究内容及主要结论如下:(1)针对300 m级超高面板堆石坝建设的关键难题,本文通过在面板坝上游底部位置设置坝踵混凝土结构,减短面板斜长,来改善面板的应力状态;通过在上游中部位置设置高模量区,减小堆石体变形,进一步提出了镶嵌面板堆石坝新坝型的设计思路。(2)在自重和水荷载作用下,模拟了常规面板坝、镶嵌面板坝和设置高模量区的镶嵌面板坝施工过程和蓄水过程,系统的研究了上述三种形式面板堆石坝应力变形特性。计算结果表明,设置坝踵混凝土结构和高模量区能够有效改善坝体及面板的应力变形,设置高模量区的镶嵌面板坝对改善坝体及面板的应力变形效果最佳,为后续的研究奠定基础。(3)对超高镶嵌面板堆石坝设计时,在尽可能改善坝体及面板应力变形前提下,采用数值计算的方法对高模量区起始高程及高度进行优化研究,探讨了高模量区对镶嵌面板堆石坝应力变形的影响。计算结果表明,相比较其它方案,当高模量区起始高程为最大坝高的23%且高度为最大坝高的38%时,坝体及面板的应力变形改善效果最为明显。(4)以高模量区邓肯-张E-B模型参数为研究对象,基于正交试验法对其进行了敏感性分析,对正交试验各方案的有限元计算结果进行极差和方差对比分析。计算结果表明,参数Kb对坝体沉降υ3,面板挠度w和顺坡向应力σ三个指标敏感性高,影响显著,其次为参数φ和m ;参数K、n、Rf及Δφ对上述三个指标敏感性低,影响不显著。本文的研究成果可为面板堆石坝改善面板应力状态,减小堆石体变形提供参考应用价值,为相对较为准确、快捷、符合工程实际地确定堆石体本构模型参数提供了一种思路,对300 m级超高面板堆石坝建设具有借鉴意义。