水工压力隧洞采用后张法预应力混凝土衬砌以承受高内水压力,是代替钢板衬砌的经济和实用的方法。小浪底工程排沙洞采用国际先进的环锚后张法无粘结预应力混凝土衬砌技术,填补了我国无粘结预应力在水工隧洞中应用的空白,使我国在这方面的技术研究和应用跻身国际领先行列,是水工建设中具有生命力的一种新结构。小浪底三条排沙洞的预应力混凝土衬砌从1998年开始施工,1999年投入使用,至今已运行了7年多的时间。在这7年多的时间内,排沙洞经历了各种设计工况的考验。所埋设的160支观测仪器已积累了数万组观测数据。本文运用数理统计方法对已有的观测资料进行了整理分析,并通过有限元理论计算,研究这种新型结构型式在运行期间,受到温度荷载、不同水头压力荷载作用下预应力混凝土衬砌结构的应力应变状态,分析混凝土自生体积的变化,从而借此判断了整个无粘结预应力排沙隧洞段的安全使用状态。这对于小浪底排沙洞运行过程中的安全状态预警预报系统的建立,以及对今后类似工程设计优化和这种新型结构的推广使用等均具有重要意义。本论文主要工作有:(1)分析温度和水压荷载作用对预应力混凝土衬砌应力应变的影响。运用数理统计方法对大量的监测数据进行整理分析,分别研究出了温度和水压荷载作用下,预应力混凝土衬砌应力应变的变化规律。(2)研究预应力混凝土衬砌自生体积的发展规律。通过对无应力计测值的整理研究,得出排沙洞衬砌混凝土的自生体积向膨胀方向发展的规律,为今后的设计优化和新型结构的改进提供重要的现实依据。(3)对排沙洞的预应力混凝土衬砌段的安全运行状况进行评判。依据所研究出的温度和水压荷载对衬砌应力应变的影响规律,分析整个排沙洞的应力应变状况,从而得出了排沙洞即使在最高设计水头作用下能保持受压状态的结论,借此断定排沙洞的运行是安全可靠的。(4)运用三维有限元计算方法对得出的部分规律进行理论验证。建立三维有限元模型,验证了混凝土衬砌的预应力施加效果,同时验证了在设计最高水位下预应力混凝土衬砌仍处于受压状态的安全判断。