随着我国水电事业的发展,修建250m以上的高混凝土面板堆石坝成为坝工界一项重要内容。随着坝高的增加,坝址条件的不断复杂,高面板堆石坝中堆石体的变形控制和面板防裂成为研究关键难题。研究表明超高面板堆石坝中坝体变形趋势加快,堆石体变形量随坝高加大而增大,混凝土面板属于刚性薄板结构,如果不能较好地适应堆石体的变形,可能出现脱空或开裂的现象。因此,以缩短面板斜长和控制堆石体变形为出发点,提出镶嵌面板堆石坝设计理念。本论文主要研究镶嵌面板堆石坝的应力变形特性规律,基于有限元法,对镶嵌面板堆石坝在施工填筑、蓄水运行和地震情况进行数值模拟分析,探讨了坝踵混凝土结构体型对镶嵌面板坝应力变形的影响规律,具体研究内容及主要结论如下:(1)在提出镶嵌面板堆石坝设计理念的基础上,解决了镶嵌面板堆石坝有限元计算中堆石体的模拟、接触面的模拟和扬压力的处理的关键问题,模拟了在自重和水荷载作用下常规面板堆石坝、镶嵌面板堆石坝施工过程和蓄水过程。计算结果表明,镶嵌面板堆石坝与常规面板堆石坝比较,堆石体沉降和面板的应力变形得到明显改善,面板受拉区减小。(2)以镶嵌面板堆石坝中坝踵混凝土结构体型为研究对象,通过改变坝踵混凝土结构的高度和趾板相对位置,探究了坝踵混凝土结构体型对面板的应力变形及周边缝变位的影响规律。并选择坝踵混凝土结构的高度、上下游坡比为体型控制参数,分析了坝踵混凝土结构的应力变形特性。计算结果表明:坝踵混凝土结构的高度对面板应力变形结果影响较大,高度的加大会改善面板的变形和受力状态,但对结构自身不利;趾板位置设置在靠近坝踵结构上游,可以减小周边缝的变位,但会加大面板的挠曲度和应力;适当加大坝踵混凝土结构的宽度,可以改善混凝土结构的变形和受力状态。(3)基于地震加速度时程输入的方法,采用等效线性粘弹性模型,对镶嵌面板堆石坝进行地震动力有限元分析,得出了地震过程中坝体的动加速度、动位移、动应力的结果。计算结果表明,镶嵌面板堆石坝中坝体动力反应特性规律与常规面板堆石坝基本一致,坝踵混凝土结构在地震过程中可以满足安全稳定要求。本论文的研究成果为超高面板堆石坝中控制堆石体变形和改善面板应力变形状态提供新的思路,对镶嵌面板堆石坝中坝踵混凝土结构体型的选择具有参考价值。