提高水资源综合利用能力、优化流域区域水利发展布局、稳步推进大型水电发展是水利水电在“十三五”规划期间的改革发展重点。水工隧洞承载着引水、输水、排水等重要功能,在实现改革发展目标中扮演着重要角色。然而,许多水工隧洞工程常面临着施工运行期赋存环境复杂、岩体响应复杂、结构受力复杂等问题,给隧洞的安全施工及稳定运行带来了巨大挑战。因此,如何真实地反映复杂的赋存坏境影响、如何合理地模拟复杂的岩体响应特征、如何全面地考虑复杂的结构受力情况,进而建立一套较为完整的水工隧洞施工运行期稳定性反演分析体系,对提升施工效率、保障运行稳定具有重要的现实意义和经济价值。鉴于此,本文围绕水工隧洞施工运行期稳定性反演分析中的几个关键问题,对三维初始地应力场反演分析方法、松动圈岩体参数劣化定量分析模型、施工期围岩稳定性动态反演分析方法、运行期渗流反演及稳定分析方法等方面进行了分析和研究,提出了新的反演分析模型及稳定分析方法,并通过工程实例验证了其合理性和适用性,取得了良好的效果。本文的研究内容主要包括以下四个方面:(1)考虑了复杂地质条件中的地层剥蚀、岩体力学性质及断层结构对地应力场的影响,提出了结合地层剥蚀模拟和侧压力系数法的初始地应力场反演分析方法:基于地层剥蚀原理,采用弹塑性有限元通过分期开挖方式模拟地层剥蚀及河流侵蚀等的卸荷效应。基于应变能等效原理,推导出了隐含断层单元的等效力学参数表达式,并建立了隐含断层单元破坏准则;采用隐含断层单元将复杂的断层结构隐含在岩体单元中,从而降低建模难度。通过建立侧压力系数模型得到了远古时期地应力场分布,结合卸荷效应模拟方法和隐含断层模拟方法,近似模拟了由远古至现今应力场的演化过程,确保了反演应力场的场规律吻合;基于反距离加权插值方法,研究了现今应力场的修正方法,确保了测点处应力值规律吻合。最后,通过工程实例证明,本文提出的反演分析方法可以得到了合理的初始地应力场,为水工隧洞施工期稳定性动态反演提供了合理的初始应力条件。(2)考虑了水工隧洞围岩松动圈岩体参数劣化的空间效应,建立了松动圈岩体参数劣化的位移-半径相关定量分析模型:从宏观和微观两个方面分析了围岩松动圈的演化机理,提出可以依据岩体参数在洞壁处的劣化程度、沿深度方向的劣化趋势以及劣化范围来描述松动圈岩体参数劣化的主要特性。在现有松动圈分析模型的基础上引入位移、空间相关量,建立了能够反映松动圈岩体参数劣化特性的位移-半径相关定量分析模型。分析了模型中的待定参数以及位移和半径变化对模型的影响,明确了待定参数的物理意义及取值范围。最后,验证了模型的工程适用性,为进一步研究在施工期动态反演过程中围岩参数场反演分析奠定基础。(3)研究了水工隧洞施工期围岩稳定性动态反演分析方法,提出了基于松动圈岩体参数劣化模型和围岩变形时效性的水工隧洞动态开挖模拟方法:分析了松动圈岩体参数劣化随开挖过程的时空效应。基于松动圈岩体参数劣化的位移-半径相关分析模型,引入时间相关量,建立了参数劣化的位移-时空相关分析模型;研究了基于位移-时空相关模型的松动圈参数动态辨识表达方法及岩体参数场位移反分析方法。分析了动态开挖过程中围岩的时效变形机制,基于围岩变形的时效性,探究了开挖荷载分时释放方式,并结合松动圈岩体参数劣化的位移-时空相关模型,提出了隧洞动态开挖过程的力学模拟方法;进而形成了完整的围岩稳定性动态反馈分析体系。最后,通过工程实例验证了水工隧洞动态开挖模拟方法和施工期围岩稳定性动态反演分析方法的实用性,为施工期隧洞开挖稳定性分析提供可靠参考,也为运行期的反演及稳定分析提供了初始条件。(4)研究了有压隧洞运行期渗流反演及稳定分析方法,提出了基于联合承载作用机理确定软弱围岩固结灌浆厚度的设计方法:研究了岩体渗透特性反演分析方法。分析了衬砌与固结层联合承载机制,探讨了衬砌与固结层联合承载模拟方法;探究了运行期内水作用下衬砌结构稳定分析方法并提出了从运行期水工隧洞结构稳定的角度确定软弱围岩固结灌浆厚度的设计方法。分析了混凝土衬砌开裂渗流-损伤耦合机制,建立相应的渗流-损伤耦合模型,研究了混凝土衬砌损伤开裂与渗流耦合计算方法;研究了混凝土衬砌开裂内水外渗对渗流场影响,探究了运行期外水压力作用下衬砌结构稳定分析方法。最后,通过塌方段工程实例验证了运行期渗流反演及稳定分析方法和基于联合承载作用机理确定软弱围岩固结灌浆厚度的设计方法的实用性,为复杂条件下渗流场分布的定量分析、防渗措施的设计以及内外水压力作用下衬砌结构的稳定性分析提供了有益参考。