地下水渗流在水电站地下厂房施工和运行过程中不可避免。在地下水作用下,洞室围岩易发生渗透破坏,导致洞室渗水,引发渗透稳定性问题,给工程的安全稳定运行带来隐患。由于渗流边界的复杂性和不稳定性,地下渗流场往往处于非稳定状态。因此,研究地下非稳定渗流规律,分析非稳定渗流场作用下洞室围岩的稳定性,对于保证地下洞室安全运行有着重要意义。本文从非稳定渗流理论出发,分析了地下洞室开挖过程非稳定渗流场演化规律。同时将改进的粒子群算法应用于三维非稳定渗流反演中。最后以天荒坪抽水蓄能电站地下厂房为例,采用渗流程序和改进的粒子群算法进行了非稳定渗流反演分析,并对其非稳定渗流场作用下的长期运行安全性做出分析评价。具体来说,主要工作有以下内容:(1)基于非稳定渗流的变分不等式理论,提出变带宽迭代法进行潜在溢出面的迭代求解,并编制了相应的计算程序,通过经典的排水沙槽试验验证了程序的正确性。(2)分析了地下洞室开挖过程中渗流边界的变化规律及特点,提出了地下洞室开挖过程中非稳定渗流场的计算方法,模拟了毛洞开挖、先开挖后支护和边开挖边支护三种情况下隧洞开挖过程地下渗流场的分布。在此基础上,提出了将非稳定渗流场的渗透荷载施加在洞室围岩上的方法。以阿扎德帕坦水电站地下厂房为例进行了洞室开挖过程非稳定渗流场的计算,并分析了渗透荷载作用下的毛洞开挖稳定性。结果表明,在洞室开挖过程中地下水自由面逐渐下降,洞室流量整体呈增大趋势。此外,渗透荷载虽然对洞室稳定有不利影响,但影响很小,其原因主要是岩体参数相对较好,且渗透荷载量值不大。(3)基于进化原则,采用分组、择优、改进飞行模式和概率控制四种策略,改进了基本粒子群算法,增强了前期全局搜索能力以及后期局部挖掘能力,并编制了相应的非稳定渗流反演程序。利用多个复杂函数验证了改进粒子群算法的有效性,通过简单的有限元渗流算例验证了反演程序的高效性。结果表明,改进的粒子群算法在搜索速度和精度上远好于传统粒子群算法,且反演程序能够正确适用于非稳定渗流场反演分析。(4)以天荒坪抽水蓄能电站水库放空时段地下渗流场反演为例,利用水库放空时段的监测数据对地下岩体渗透特性进行分析。通过分析地下水位变化趋势,发现不同部位在水库放空时段存在着一定程度的渗流滞后效应。分析结果表明该地下厂房能够在正常运行和水库放空检修工况下保持渗透稳定,且斜井区域渗压与上库水位变化保持一致,排水廊道区域滞后半个月,地下厂房区域滞后一个月。本文研究为地下洞室开挖渗流场模拟及考虑渗透荷载的围岩稳定分析提供了计算方法,为非稳定渗流过程中岩土渗透参数的取值提供了思路,并为地下洞室的长期渗透稳定性评判提供了依据。