2022年北京冬奧會高山滑雪填方賽道的抗滑樁加固效果數值模擬研究

劉 坤,羅 進,陳 錢,張 明,張文華,李書平,羅均武,尹正姝,李海濤,劉文浩,栗 超,汪建波

(1.北京北控京奧建設有限公司,北京102100;2.中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

2015年7月31日，在馬來西亞吉隆坡舉行的國際奧委會第128次全會上，國際奧委會主席巴赫宣布：中國北京獲得2022年第24屆冬季奧林匹克運動會主辦權。北京將承辦所有冰上項目，延慶和張家口將承辦所有的雪上項目。而延慶賽區將建設國家高山滑雪中心、國家雪車雪橇中心兩個競賽場館和延慶冬奧村、山地新聞中心兩個非競賽場館。

高山滑雪項目是冬奧會的主要賽事之一。為了保證賽道的垂直落差，高山滑雪的場地一般依縱向坡度較大的溝谷而建，而為了保證賽道滿足一定的平整度，往往又需要用土體進行大規模填方，加上溝谷自身的松散堆積體，使賽道基礎的地質地形條件變得較為復雜；另外，比賽中選手的滑行速度極快，可以超過130 km/h。因此，該項目對填方以后賽道基礎的穩定性和起伏度要求非常高。

中國此前沒有承辦過國際雪聯的世界滑雪錦標賽等大型滑雪賽事項目，在滑雪賽道的建設上沒有相關經驗，國內也沒有此類規范或標準作為建設依據。目前，國家重點研發計劃“科技冬奧”重點專項“復雜山地條件下冬奧雪上場館設計建造運維關鍵技術(2018YFF0300300)”項目正在探索制定《國家高山滑雪中心雪道工程設計標準》，但賽道的加固手段、變形和穩定性等各項指標仍然處于研究和探索階段。

降雨和地震是影響賽道穩定性的兩個重要因素。雨水的入滲改變了斜坡巖土體的物理力學性質，最終導致邊坡的穩定性下降；而地震力直接作用在斜坡上，使斜坡的抗滑力下降、下滑力上升，導致斜坡失穩。為了切實保障滑雪賽道的安全穩定，確保2022年北京冬奧會的順利進行，亟需開展國家高山滑雪賽道的加固設計研究工作，對滑雪賽道的加固手段、加固后的穩定性和變形量進行研究，為賽道的加固以及標準的制定提供理論支持。為此，本文以2022年北京冬奧會延慶賽區高山滑雪D3賽道為例，利用有限差分數值方法對抗滑樁加固前后填方賽道基礎的穩定性和變形情況進行了數值模擬研究，并對該加固手段的可行性進行了分析，其研究結論具有一定的實際應用價值。

1 滑雪場地工程地質條件和加固設計方案

1.1 滑雪場地工程地質條件

2022年北京冬奧會的高山滑雪中心場地位于松山自然保護區與大海陀山自然保護區交界處的山脊、山坡及山前溝谷中，相對高差大，高程分布在1 200～2 200 m(見圖1)，且地形陡峭，局部地形坡度超過40°(見圖2)。該場地局部區域基巖裸露，大部分區域為厚薄不均的第四系覆蓋層。

圖1 2022年北京冬奧會高山滑雪中心場地高程分布圖

圖2 2022年北京冬奧會高山滑雪中心場地地形坡度分布圖

本次的研究對象D3滑雪賽道位于大石板溝溝谷內，全長529.0 m，前后緣高程分別為1 510 m和1 663 m，垂直高差為153 m，平均寬約為50 m，大石板溝溝谷走向近SN，至溝口向西偏轉，溝谷形態呈“V”形，向下游轉折后逐漸寬緩，見圖3。填方后地面坡度為25°～30°，雪道走向與溝谷走向基本一致，因溝谷上游狹窄，雪道橫跨溝谷兩側谷坡布設，其縱剖面圖和橫剖面圖見圖4和圖5。

圖3 D3滑雪賽道航拍影像(鏡向N)

圖4 D3滑雪賽道Ⅰ-Ⅰ′地質縱剖面圖

圖5 D3滑雪賽道Ⅱ-Ⅱ′地質橫剖面圖

大石板溝谷內及溝谷兩側谷坡出露的地層主要為第四系沖洪積及崩坡積碎石層和基巖中等、強風化花崗巖層。基巖花崗巖節理較發育，主要發育3組節理:節理J1,345°～355°∠60°～70°，閉合；節理J2,100°～110°∠35°～45°，節理面張開2～8 cm，碎石混黏性土填充；節理J3,272°～280°∠35°～40°，節理面張開約3～5 cm，碎石混黏性土填充。碎石土的物質組成主要為塊石、碎石，碎(塊)石粒徑一般為30～60 cm，局部大于80 cm，呈棱角形，分選性差，級配差，充填細顆粒土約20%～30%。

本次利用土體進行大規模填方，將溝谷平整為滑雪賽道。采用的土體盡量取自賽道及周圍的土體，填方厚度局部達到5 m以上，最大填方厚度約為22 m。

1.2 加固設計方案

分析顯示，填方賽道在沒有進行加固時，在暴雨作用下很有可能發生中上部松散土體沿基覆面滑動，下文對加固之前填方賽道的數值模擬結果也可以證明這一點。因此，必須對其進行加固處理。抗滑樁是土質滑坡有效的加固手段之一，故本文對抗滑樁加固D3滑雪賽道的效果進行了研究。

模擬計算顯示，在沒有加固之前，填方賽道在暴雨作用下的穩定性系數最低，因此本研究是按暴雨作用下填方賽道處于穩定狀態來設計加固方案。根據《北京市地質災害治理項目實施技術指南(試行)》(2015年)，取暴雨工況下的邊坡安全系數為1.35。由于溝谷中原有的第四系堆積層與填土的物理力學性質差別不大，且在填方過程中均被壓實，因此為了計算方便，在數值模擬過程中將它們當作性質相同的一層土體來處理。

本次選取D3滑雪賽道Ⅰ-Ⅰ′地質剖面(見圖3)，采用理正軟件中的傳遞系數法計算斜坡的剩余下滑力。通過室內測試，得到天然工況下斜坡巖土體的物理力學參數(見表1)，并根據經驗和已有資料，將暴雨工況條件下斜坡土體的重度在天然狀態的基礎上增加1 kN/m，土體抗剪強度參數取天然工況的80%。填方D3滑雪賽道Ⅰ-Ⅰ′地質剖面條塊劃分結果見圖6，因為賽道的表面基本為光滑平面，因此主要在基覆面坡度變化凸出處劃分條塊，將整個Ⅰ-Ⅰ′地質剖面共劃分為14個條塊(E1～E14)，據此進行設計和極限平衡狀態下滑塊的剩余下滑力計算，其計算結果見表2和圖7。

圖6 D3滑雪賽道條分圖

表1 天然工況下斜坡巖土體的物理力學參數

由表2和圖7可見，E14滑塊設計剩余下滑力為1 035.00 kN/m，大于0 kN/m，填方坡體下滑力過大，處于不穩定狀態，可考慮設置兩排抗滑樁來抵抗填方坡體下滑推力。依據雪道地表斜坡面角度確定最不利剪出位置，考慮將抗滑樁設置在E5、E12滑塊位置。其中，E5滑塊剩余下滑力為446.95 kN/m，土條滑面傾角為13.008°，則抗滑樁背設計推力水平分力為435.48 kN/m，抗滑樁設置后，E5滑塊以上填方坡體部分處于極限平衡狀態；E12滑塊剩余下滑力為991.49 kN/m，土條滑面傾角為13.268°，則抗滑樁背設計推力水平分力為965.02 kN/m，采用矩形分布模式。

表2 D3滑雪賽道填方剩余下滑力計算結果

圖7 D3滑雪賽道填方剩余下滑力曲線

設置的抗滑樁截面形狀為矩形，樁軸間距取6.0 m，E5滑塊處設置抗滑樁7根，E12滑塊處設置抗滑樁4根，樁身混凝土為C25。加抗滑樁后D3滑雪賽道Ⅰ-Ⅰ′地質剖面圖見圖8，雪道上部E5滑塊、下部E12滑塊抗滑樁根數、截面尺寸、樁長和嵌入段長度詳見表3和表4。

圖8 加抗滑樁后D3滑雪賽道Ⅰ-Ⅰ′地質剖面圖

表3 D3滑雪賽道上部E5滑塊抗滑樁參數

表4 D3滑雪賽道下部E12滑塊抗滑樁參數

2 抗滑樁加固效果的數值模擬

2.1 數值模型的建立

在工程地質分析的基礎上，根據鉆孔資料和現場測繪數據，并結合工程地質平面圖和等高線圖，建立相應的三維地質數值模型。綜合考慮數值模型的計算速度和精度，將網格尺寸設置為5 m×5 m，數值模型共有63 447個節點，345 984個單元，每個單元均為四面體。采用巖土工程中應用最為廣泛的Mohr-Coulomb彈塑性模型計算各單元力學行為。每個數值模型的底邊界均采用全約束，四周邊界和

z

軸方向均采用法向約束。

建立的抗滑樁加固前后D3滑雪賽道的三維數值模型，見圖9。

圖9 抗滑樁加固前后D3滑雪賽道的三維數值模型

2.2 模擬工況設置

根據D3滑雪賽道所在的地理位置，影響其穩定性的主要外因為降雨和地震，因此本次模擬工況設置如下：

(1) 天然工況。模擬天然狀態下抗滑樁加固前填方賽道的穩定性和變形情況。

(2) 暴雨工況。模擬暴雨作用下抗滑樁加固前后填方賽道的穩定性和變形情況。如前所述，暴雨工況條件下，將斜坡土體重度在天然狀態的基礎上增加1 kN/m，土體抗剪強度參數和彈性模量取天然工況的80%。

(3) 地震工況。模擬地震作用下抗滑樁加固前后填方賽道的穩定性和變形情況。根據《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010，2016年版)和《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306—2015)，場地所在的區域抗震設防烈度為Ⅷ度，設計基本地震加速度為0.2

g

，反應譜特征周期為0.40 s。本次地震工況模擬采用地震加速度時程曲線法，考慮水平NS方向和豎直方向上的地震力作用，根據雪道所在地區的地震加速度人工合成地震加速度時程曲線，見圖10。

圖10 地震加速度時程曲線

根據《北京市地質災害治理項目實施技術指南(試行)》(2015)，滑雪賽道屬于Ⅰ級工程，工程治理后安全系數取1.35；而根據《鐵路路基支檔結構設計規范》(TB 10025—2006)，利用抗滑樁治理后的邊坡位移不得超過10 cm。因此，本研究分別將1.35 cm和10 cm作為滑雪賽道穩定性的安全系數和變形極限值。

2.3 巖土體和抗滑樁的物理力學參數

根據實際情況，并結合室內巖石單軸壓縮試驗和直剪試驗，得到天然工況下斜坡巖土體的彈性模量、泊松比、黏聚力、內摩擦角和密度等物理力學參數，見表1。D3滑雪賽道上下部設置的抗滑樁的彈性模量

E

、泊松比

μ

、密度

ρ

、法向耦合彈簧單位長度上的剛度

k

、切向耦合彈簧單位長度上的剛度

k

，見表5。

表5 D3滑雪賽道上下部設置的抗滑樁的物理力學參數

2.4 結果與分析

2.4.1 變形速率分析

不同工況下D3滑雪賽道的變形速率云圖，見圖11。

圖11 不同工況下D3滑雪賽道的變形速率云圖

由圖11可見：未經過抗滑樁加固前的天然工況下，滑雪賽道的變形速率最大值為6.02×10m/s，變形速率較小，滑雪場地整體較穩定[見圖11(a)]；暴雨工況下，滑雪賽道的變形速率最大值為7.78×10m/s，其較天然工況略微增加，滑雪場地的穩定性降低[見圖11(b)]；地震工況下，滑雪賽道的變形速率隨著地震波處于變化之中，其最大值為3.58×10m/s，表明地震工況下滑雪賽道的位移會發生急劇變化，滑雪場地整體容易失穩[見圖11(c)]；暴雨+抗滑樁工況下，即經過抗滑樁加固后在暴雨作用下，滑雪賽道的變形速率最大值為1.01×10m/s，且僅局部區域滑雪賽道有變形速率，滑雪場地整體較穩定[見圖11(d)]；而在地震+抗滑樁工況下，滑雪賽道的變形速率最大值為8.14×10m/s，其較抗滑樁加固前減小，說明滑雪場地整體穩定性提高[見圖11(e)]。

2.4.2 塑性區分析

不同工況下D3滑雪賽道的塑性區云圖，見圖12。

圖12 不同工況下D3滑雪賽道的塑性區云圖

由圖12可見：未經過抗滑樁加固前的天然工況下，整個滑雪賽道在平衡之前，填土與基巖交界和填土中上部發生過剪切變形，這是由于填土有沿著基巖向下滑動的趨勢，平衡之后僅極少數區域(深藍色區域)發生剪切變形，表明經過變形之后滑雪場地的整體穩定性較好；暴雨工況下，整個滑雪賽道在平衡之前，填土與基巖交界和填土中上部就已經發生剪切變形，剪切變形范圍比天然工況時大，這是由于暴雨之后，填土的抗剪強度下降，土體沿著基巖向下滑動的趨勢更加強烈，平衡之后仍有少數區域(深藍色和棕色區域)發生剪切變形，表明滑雪場地整體變形范圍比天然工況更大，穩定性降低；地震工況下，整個滑雪賽道在平衡之前，填土與基巖交界和填土中上部就已經發生剪切變形，剪切變形范圍比天然工況大，這是由于地震作用降低了土體的抗剪強度，使得土體沿著基巖向下滑動的趨勢比天然工況更加強烈，平衡之后仍有少數區域(紫色區域)存在拉張變形，表明滑雪場整體變形范圍比天然工況更嚴重；暴雨+抗滑樁工況下，整個滑雪賽道在平衡之前，填土與基巖交界和填土中上部發生過剪切變形，平衡之后變形停止，滑雪賽道趨于穩定；在地震+抗滑樁工況下，整個滑雪賽道在平衡之前，填土與基巖交界和填土中上部發生過剪切變形，平衡之后僅有少數區域(深藍色區域)發生剪切變形，表明經過變形之后滑雪場地的整體穩定性有較大幅度的提高。

2.4.3 位移與穩定性分析

不同工況下D3滑雪賽道的位移云圖，見圖13。

圖13 不同工況下D3滑雪賽道的位移云圖

由圖13可見：未經過抗滑樁加固前的天然工況下，滑雪場地填土中上部發生了較大的位移，最大累計位移為92.5 mm(紅色區域)，填土區往兩側部分位移逐漸減小，滑雪賽道的整體穩定性系數為1.574，大于安全系數1.35，表明滑雪場地整體穩定性較好；暴雨工況下，滑雪場地的位移顯著增大，最大位移由92.5 mm增大到142.1 mm(紅色區域)，滑雪場地依然是填土中上部發生了最大位移，填土區往兩側部分位移逐漸減小，滑雪賽道整體的穩定性系數急劇下降到1.332，略小于安全系數1.35，表明安全性不足；地震工況下(FLAC在動力模塊下無法進行穩定性系數計算，故此工況不進行穩定性系數分析)，滑雪場地的位移增大了，最大位移由92.5 mm增大到139.1 mm(紅色區域)，依然是滑雪場地填土中上部發生了最大位移，填土區往兩側部分位移逐漸減小;暴雨+抗滑樁工況下，滑雪場地的位移減小，最大位移由未經過抗滑樁加固前的142.1 mm減小到89.0 mm(紅色區域)，抗滑樁附近的位移明顯減小，滑雪賽道的穩定性系數增大至1.449，大于安全系數1.35，表明經抗滑樁加固后，滑雪賽道的整體穩定性符合要求；地震+抗滑樁工況下，滑雪場地的位移減小，最大位移由未經過抗滑樁加固前的139.1 mm減小到76.8 mm(紅色區域)，抗滑樁附近位移明顯減小，滑雪賽道的整體穩定性符合要求。

3 結 論

本文以2022年北京冬奧會延慶賽區D3滑雪賽道為例，利用數值模擬方法對抗滑樁加固前后D3滑雪賽道在不同工況下的穩定性和變形情況進行了數值模擬研究，并對采用抗滑樁加固高山滑雪高填方賽道的可行性進行了分析，得到如下結論：

(1) 因為高填方滑雪賽道往往建在坡度較大的溝谷中，且經歷大規模土體填方，在未經過抗滑樁加固前，滑雪賽道在暴雨和地震工況下，變形過大，且其穩定性較低，需要進行加固處理。

(2) 經過抗滑樁加固后，滑雪賽道的穩定性大大提高，在暴雨工況下，其穩定性系數在1.35以上，且在暴雨和地震工況下，變形均減小至10 cm以內，符合規范要求。

(3) 抗滑樁對高填方滑雪賽道可以起到很好的加固效果，這個結論對于目前正在處于設計階段的高填方滑雪賽道加固工程有一定的指導意義。