随着常规高水头电站和抽水蓄能电站的建设,高压隧洞的兴建将迎来高峰期。由于抗外压稳定、施工场地受限等问题的存在,钢板衬砌型式在工程上的应用受到了一定限制,而钢筋混凝土衬砌型式虽能克服以上困难,却也面临着混凝土在高内压作用下难免开裂的问题。因此,对于钢筋混凝土衬砌,采用透水衬砌理论进行设计,通过限制裂缝宽度来控制渗流量成为设计与研究的核心。本文基于透水衬砌理论和衬砌与围岩的有条件联合承载机理,采用解析法和有限元法进行了透水衬砌结构的相关问题研究,主要内容如下:(1)基于透水衬砌理论,采用解析计算法构建了包含衬砌-围岩结构的双层厚壁圆筒模型,通过引入衬砌与围岩间的粘结力来考虑二者的有条件联合承载特性,结合算例提出了采用该模型进行衬砌设计的具体方法,并分析了不同粘结力下隧洞充水时衬砌与围岩的联合承载机理。结果表明,在内水压力作用下,衬砌与围岩的变形协调性并不是完全积极的,可通过控制粘结力来避免用筋量过大;初次充水期间,衬砌与围岩即将脱离时的最大裂缝宽度和钢筋应力达最大值,衬砌设计时应对该状态的衬砌结构进行安全校核;衬砌开裂前及衬砌与围岩脱离后,粘结力的大小不影响衬砌结构受力。(2)在双层厚壁圆筒模型研究的基础上,采用解析计算法建立了包含衬砌-松动圈-完整岩体结构的三层厚壁圆筒模型,结合算例提出了以该模型进行衬砌设计的具体方法,并分析了围岩松动圈对衬砌结构计算的影响。结果表明,进行衬砌结构设计时,考虑围岩松动圈影响更安全;粘结力为零时,松动圈对衬砌结构计算的影响较小;粘结力较大,衬砌与围岩联合承载时,由于衬砌与围岩间存在拉力作用,钢筋应力、最大裂缝宽度均将随松动圈厚度、变形模量、渗透系数的增加而增加。(3)基于渗流-应力耦合理论和衬砌与围岩的有条件联合承载机理,采用有限元法建立了双层厚壁圆筒模型,通过等效节点荷载反映渗流场对应力场的影响,通过渗透系数与损伤值的关系式反映应力场对渗流场的影响,以接触单元反映衬砌与围岩的结合状态,分析了充水过程中混凝土损伤演化及渗流场变化规律等。结果表明,衬砌开裂前,混凝土损伤及钢筋应力的分布较均匀,衬砌与围岩联合承载;开裂时,出现单条贯穿裂缝,裂缝处的钢筋应力急剧增加,衬砌渗透系数呈数量级增长,以致衬砌与围岩出现脱离;开裂后,损伤、钢筋应力、最大裂缝宽度的增幅均较小。