在水电站压力管道、水轮机蜗壳或大型输水隧道工程中,常在内衬与外部结构之间设薄软垫层,以期提高内衬的承载比,减小内水压力的外传比,降低外部结构的环向拉应力,提高整体结构的稳定性与安全储备。在以往的研究和工程实践中,多数将垫层视为线弹性材料,对其非线性特性缺少深入的研究。本文以常用的聚氨酯软木垫层材料为例,结合其材料非线性,对水工垫层压力管道结构进行了以下方面的研究：(1)通过结构力学方法,结合垫层材料具残余应变的非线性本构关系,推导出了垫层压力钢管的解析解,给出了在垫层铺设范围内钢管每个截面上的弯矩、轴力、剪力、转角、位移和应力等解析解。(2)为研究垫层铺设范围对于垫层压力钢管结构的影响,本文通过垫层管的解析解,对不同垫层包角的计算结果进行对比,并与线弹性情况进行比较。结果表明：在垫层铺设范围内,垫层铺设范围对内水压传递系数、钢管的应力与轴力没有明显的影响;对于钢管的弯矩与剪力只在垫层铺设底端稍有改变,但幅度并不大。(3)对于设垫层的双层衬砌结构(例如南水北调工程中的穿黄隧洞),现在大多数研究集中于有限元分析而缺少解析解。本文通过弹性力学方法,将其中的垫层考虑为已知其残余应变的非线性材料,对于全包的设垫层双层衬砌结构的传力机理,进行了理论推导与分析,得出其解析解。(4)针对现今影响垫层双层衬砌结构的内水压传递系数的参数研究还不是很全面的现状,本文通过变量分析得到：垫层的弹性模量与厚度对于设垫层双层衬砌结构的内水压传递系数的影响非常大；外部水土压力对主要计算结果的影响也较明显；内、外衬厚度及其弹性模量对结果的影响比较小。