针对“高水头、窄河谷、大泄量”的泄洪消能特点,反拱形衬砌式水垫塘利用天然河床基岩形状,将引起水垫塘破坏的水力荷载(主要是上举力与扬压力)传递到两岸山体或拱座,充分发挥出拱结构的超载能力和材料的抗压特性,提高了防护结构的安全性。实践表明,反拱形水垫塘是解决高拱坝泄洪消能问题的有效措施。近年来,国内外许多学者基于理论分析与模型试验,对反拱水垫塘内水动力荷载、衬砌结构的稳定性开展了大量的研究,但是关于反拱水垫塘防护结构优化与安全性研究却涉及不多。本文以泾河东庄水利枢纽坝后水垫塘为研究背景,从工程实际出发,对初拟反拱水垫塘防护结构方案进行多因素的静力非线性优化分析,并将力学模型与数值模型相结合,对反拱水垫塘防护结构进行安全性与稳定性研究,主要成果如下:(1)对反拱防护结构数值分析中的模拟方法进行改进,主要包括材料非线性损伤本构、计入抗剪效应的锚杆单元选取和考虑分缝的流固耦合处理手段等,以使数值模拟研究更为接近实际。(2)在设计扬压力条件下,以稳定性与整体性为主要权衡指标,对反拱水垫塘底板防护结构进行优化研究,确定了反拱半径32m、板块厚度3m、非均匀柔性锚固(边缘板块自由段2.5m,中间板块自由段3m)的方案,达到锚固钢筋与拱座联合承载的目的,承载力较刚性均匀锚固提高30%;粘结滑移效应对常规2m~5m自由段锚固方式的稳定性影响小到可以不计,同样对边坡防护结构进行了优化研究。(3)以有初始间隙的接触单元来模拟拱端裂缝,对反拱底板成拱条件和键槽的成拱作用进行深入研究;计入预应力锚固和不同渗压水平等因素,基于刚体极限平衡法进行拱座抗滑稳定分析,本工程反拱底板承受240kPa扬压力稳定安全有保证;以不耦合的开裂损伤评价方法,研究了不同区域锚固失效时反拱底板的破坏模式。(4)本着“静力设计、动力调整”的原则,对模型实测动水荷载进行处理,结合最大上举力预测公式,得到反拱水垫塘底板和边坡衬砌块的上举力时程,研究优化调整后的反拱水垫塘防护结构在泄流工况下位移、应力等动力响应,并作出安全评价。