混凝土面板堆石坝是土石坝的主要坝型之一,也是水工结构工程中的重要结构形式之一。坝主体由堆石体或砾石组成,起支承作用,其上游面设置混凝土面板起防渗作用。因为混凝土面板堆石坝在技术上和经济上有明显的优越性,使这种坝型在近期得到了迅速发展,越来越受到水工界的重视。拓扑优化是近年来结构优化研究领域中的理论前沿和热点问题,也是结构优化中的重点和难点。结构拓扑优化技术的本质是利用能量原理,求出给定条件下使结构刚度最大的最优材料分布模式,也即是最理想的传力途径。随着拓扑优化理论的进一步发展和完善,其应用于工程实践的条件也日趋成熟。本文在研究拓扑优化基本理论和方法的基础上,将其应用到面板堆石坝体形优化设计中,并作做了一些新的探讨和尝试,具体的研究工作如下:1、研究和比较了均匀化方法、变密度方法以及变厚度方法等拓扑优化方法的数学模型,并且对各个方法的优缺点进行了分析和讨论;在均匀化方法数值解法的基础上,推导出拓扑优化问题的求解迭代算式。2、研究基于有限元理论结构拓扑优化方法,应用ANSYS有限元软件的APDL语言,给出了连续体结构拓扑优化程序实现的方法。3、在有限单元法基本原理及通用软件ANSYS的基础上,针对在处理堆石体时ANSYS只提供了D-P模型的不足,用APDL二次开发的功能,开发出用于面板堆石坝体的E-μ、E-B本构模型。4、以体积最小为目标,对混凝土面板堆石坝的合理空间分布形式进行了研究,给出了分布荷载作用下的拓扑优化过程。在ANSYS有限元分析软件基础上,开发了较为通用的拓扑优化程序,从而在技术角度方面解决了混凝土面板堆石坝结构的拓扑优化,得到了较为满意的结果,这表明拓扑优化方法应用于面板堆石坝体形优化设计是可行的。5、实例研究表明,面板堆石坝经拓扑优化后,其堆石体需删除的部分在坝体的中部,考虑到工程实际,提出把堆石体的次堆石区设在坝体中间的建议,对面板堆石坝的设计有一定的借鉴意义。