近年来,随着水利工程建设事业的发展,埋藏式压力钢管的应用愈来愈普遍。如贵州鸭池河水电站、福建省周宁水电站、四川华能小关子水电站[3]等,我国水利工程特别是抽水蓄能电站多采用埋藏式压力钢管。水利工程建设取得长足进展的同时也提出了大量新的课题。高水头、大容量埋藏式的压力钢管的应力分析就是其中之一。传统的高水头、大容量地下埋管采用钢板衬砌,不但费用高,而且施工技术难度大。在管道设计中,用钢筋混凝土衬砌代替钢板衬砌的优越性逐渐为人们所认识。地下式埋管结构是一种复杂的多重介质空间结构,因为单靠混凝土管或钢管的强度不足以满足内水压力的要求,随着PD(压力和管径)值越来越大、管道结构越来越复杂。这种埋管在外部地下水压力、灌浆压力和未凝固混凝土等外压作用下的稳定性是一个突出的问题,目前国内外尚无成熟的理论和经验。　　 当PD值增大到一定程度时,埋管在设计和施工上都会面临一系列问题。如钢管厚度过大,其制作和安装工艺难于保证质量及经济性。　　 埋藏式压力钢管在外包混凝土及围岩的围护作用下稳定问题的解析方法已经发展到了几乎无可挑剔的程度,更为精确的情况将找不到解析解。有限元法是一个很好的发展方向,但对材料非线性、几何非线性、钢管的初始挠度、初应力、不均匀应力的分布情况以及材料的初始缺陷等情况下的有限元模拟需要做进一步的研究；一般情况下钢管与周围混凝土会有初始缝隙,同时接触面之间也会有摩擦,这方面有限元分析方法也需进一步研究；钢管、混凝土衬砌,围岩组成一个空间受力体系,围岩一般存在夹杂或缝隙,并非通常所用的各向同性材料,这样会使它们的空间相互作用更为复杂.也给分析带来一定的困难。一般来说,岔管位于压力管道的末端并靠近厂房,因而内水压力较大,水流情况和受力情况都较为复杂,且岔管属于复杂的空间组合结构,当承受内、外水压力作用时,岔管结构处于复杂受力状态。进行岔管设计时,岔管的水力要求与结构要求有一定冲突,难以同时满足。从水力学的角度来说,要求支管有一定的锥角和较小的分岔角,但是锥角越大,分岔角越小,对结构越不利。为了解决这些矛盾,在设计岔管体型时,应根据电站的具体情况,分清主次,最大限度地协调各方面的要求。因此,研究各种体型的岔管结构在与围岩联合作用时的应力与变形情况,从而节省材料,节约投资,缩短设计周期,加快施工进度,节省工程投资,简化施工工艺,具有重要的经济和社会效益。　　 本研究以吉布洛水电站为例,建立了考虑围岩承载和间隙情况下的有限元模型,模型中采用六面体8节点实体单元模拟肋板,4节点壳单元模拟管壳。考虑围岩承载和间隙情况下,假设岔管、回填混凝土及围岩应力状态均在线弹性范围内,回填混凝土只起传递径向荷载作用。将混凝土与钢岔管之间的缝隙及混凝土与围岩之间的缝隙合并为一层缝隙。另外,回填混凝土和围岩作为一个整体,简化为只对管壁正法向位移起约束作用的“弹性连杆”,使用弹簧单元来模拟。　　 针对吉布洛埋藏式压力钢管在露天和与围岩联合承载两种状态进行分析,即明管三维有限元结构分析和埋藏式三维有限元结构分析。　　 明管三维有限元结构分析,考虑正常运行和水压试验两种工况,分析主岔管各特征点的管壁应力及位移、肋板应力及位移,肋板中面的应力分布规律、各支管各管节上下游相贯线的应力分布规律、管壁侧面的应力分布规律。支岔管各特征点的管壁应力及位移、肋板应力及位移,肋板中面的应力分布规律、各支管各管节上下游相贯线的应力分布规律、管壁侧面的应力分布规律。经过分析得出,各种工况情况下肋板的内缘、外缘的最大法向应力均出现在肋板最大水平截面上,该截面为肋板的最危险和控制截面；各管节侧面的最大等效应力起控制作用,最危险点在管壁中间部位的内缘。　　 埋藏式三维有限元结构分析,即典型工况下,研究钢岔管与围岩联合承载时管壳应力、肋板应力、岔管的变形、围岩承载比、主岔管影响因素及围岩单位弹性抗力系数敏感性分析、缝隙值敏感性分析。　　 通过对水利工程建设中埋藏式压力钢管应力分析,得出了围岩单位弹性抗力系数对应力的影响规律,当围岩单位弹性抗力系数取0时,主岔管实际为明管受力状态,主钢岔管应力最大,母线转折处应力集中严重；当围岩单位弹性抗力系数稍有增加,主岔管关键点的应力就有较明显的减小,随着围岩单位弹性抗力系数的不断增大,主岔管的应力也不断减小；但当围岩单位弹性抗力系数增加到某一值以后,钢岔管应力的降幅越来越小,最终钢岔管应力趋于平稳。说明围岩的单位抗力系数小于该值时对岔管应力影响比较明显,但再增加就影响不大了。由于钢管和围岩冷缩、施工等原因,围岩和钢管之间存在着初始缝隙。在内水压力的作用下,当钢管某处的变形填满该处的缝隙时,钢管与围岩接触,围岩才能开始发挥作用。因而缝隙值的大小也是影响钢管受力的一个重要因素。有限元计算结果分析发现。当缝隙值较小时,主岔管和肋板的应力较小,随着缝隙值的增大,主岔管管壳和肋板的应力也增大,围岩承载比随之降低。当缝隙值超过某一数值后,岔管的应力增加幅度很小,趋于明管的应力状态。缝隙值越小,岔管的变形值能越早达到缝隙值,与围岩接触上,随着管壁继续变形,围岩与岔管共同变形,围岩对管壁作用径向反力,两者共同承担内水压力。钢岔管越早与围岩接触,围岩对管壳的反力越早作用,限制岔管的变形,使岔管变形趋于均匀,消减岔管折角处的应力,使钢材的强度得以充分利用。缝隙值越小,围岩作用能越早发挥,对岔管结构越有利。