水工隧洞属于地下隐蔽工程，具有它的特殊性。其一旦开挖形成就改变了岩体原来的平衡状态，从而引起孔洞附近的应力重分布，导致岩体的变形，严重时甚至发生崩塌，所以在水工隧洞中常需设置永久性衬砌。目前国内外大多只针对某单一工程实例水工隧洞衬砌进行了深入的结构分析和数值模拟研究，取得了较好的成果。但对于不同形状水工隧洞衬砌结构的对比分析、不同高跨比对衬砌工作特性的影响，其分析研究还不够全面和系统。因此有必要进行衬砌结构分析及体型优化研究，为水工隧洞设计与施工提供理论依据。本文以慈溪市姚江境内一项隧洞工程为依托，利用有限元软件ABAQUS建立多种水工隧洞模型，进行了了以下几方面研究：1、采用结构力学法分析了城门洞型水工隧洞在工况Ⅰ（围岩压力+衬砌自重）下的应力大小和位移分布规律。然后与有限元计算结果进行对比，说明成果的可靠性。2、建立了城门洞型水工隧洞有限元模型，对比分析了在不同工况下隧洞混凝土衬砌结构的应力大小和位移分布、在工况Ⅱ（围岩压力+衬砌自重+外水压力）条件下不同高跨比隧洞的应力大小及位移分布。3、建立了体型优化的城门洞型水工隧洞有限元模型，对比分析了在工况Ⅱ条件下衬砌底板角点采用过渡圆弧倒角优化后隧洞的应力大小及位移分布。4、建立了马蹄形水工隧洞有限元模型，对比分析了城门洞型和马蹄形隧洞的应力大小及位移分布。通过分析，发现结构力学计算结果中衬砌最大拉、压应力均小于有限元计算结果。隧洞结构主要处于受压状态，只有衬砌墙脚区域出现小范围受拉。衬砌底板角点处的应力集中现象通过过渡圆弧倒角使得整个结构受力和变形均得到改善。城门洞型水工隧洞若着重考虑抗拉强度及竖向位移的情况下，建议选择大的高跨比；着重考虑侧向变形的情况下，建议选择小的高跨比。城门洞型和马蹄形水工隧洞在本文工况情况下进行受力变形比较，建议在实际工程施工中选择马蹄形形状。