倒虹吸管作为应用广泛的交叉工程和重要的隐蔽工程,在国际上素有生命线工程之称,其结构的应力、变形与外形尺寸、填土厚度、填土性质、初始边界条件等因素之间存在着复杂的相互作用,而且除满足正常输水要求外,对结构进行合理的设计也十分必要。因此,为保证整个结构体系的稳定、安全和经济性,对倒虹吸结构和周围土体进行合理的分析和计算,进而对结构进行优化设计就显得尤为重要。本文基于数值模拟法,以黑龙江省依安农场河北灌区主干渠穿西太平川沟倒虹吸工程为研究对象,通过运用有限元分析软件ANSYS,首先对工程运行中遇到的5种工况,采用钢筋混凝土的整体式模式,建立原设计方案下的管身和周围土体的三维实体模型,分别分析管身和周围土体的应力和变形。其次结合分析得到的管身应力值,对倒虹吸的初始断面及配筋进行优化,并利用分离式的配筋形式,对优化后的倒虹吸管身进行两种较不利工况下的模拟分析,验证改进后设计方案的可靠性,对比优化前后的工程量和造价,分析其经济性。本文的主要研究内容和结论如下:(1)介绍有限元的基本原理及分析过程、ANSYS的求解步骤,分别总结概括混凝土、钢筋、土体三种材料的本构关系和破坏准则及钢筋混凝土有限元分析中钢筋的处理方式。(2)根据原设计方案中管身的有限元分析结果,可得出在工程运行的5种工况中,管身混凝土最大拉、压应力均远未超过其设计值且有较大的富余,管身较不利工况出现在管内无水的完建和检修工况。(3)根据原设计方案中管身周围土体的有限元分析结果,可得出在不同工况下,土体整体是稳定的,最大沉降量发生在完建期,位于管身两侧回填土的自由表面处,其值为16.2 mm。管身整体沉降均匀,最大下沉量约为10.3 mm,满足倒虹吸管对地基沉降量的设计要求。管身地基最大压应力值为114 k Pa,地基承载力较好,满足本工程地基承载力的设计要求。(4)结合ANSYS数值模拟得到的洞身应力值,对初始的倒虹吸结构进行优化设计,根据改进后结构的有限元分析结果,可以发现优化后的倒虹吸结构是安全的。通过对比优化前后的工程造价,发现改进后的设计方案可以使造价大幅降低。