2022年北京冬奧會高山滑雪填方賽道的抗滑樁加固效果數(shù)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(shè)有限公司,北京102100;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)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(quán)。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(qū)將建設(shè)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(guī)模填方，加上溝谷自身的松散堆積體，使賽道基礎(chǔ)的地質(zhì)地形條件變得較為復(fù)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(chǔ)的穩(wěn)定性和起伏度要求非常高。

中國此前沒有承辦過國際雪聯(lián)的世界滑雪錦標(biāo)賽等大型滑雪賽事項目，在滑雪賽道的建設(shè)上沒有相關(guān)經(jīng)驗，國內(nèi)也沒有此類規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)作為建設(shè)依據(jù)。目前，國家重點研發(fā)計劃“科技冬奧”重點專項“復(fù)雜山地條件下冬奧雪上場館設(shè)計建造運維關(guān)鍵技術(shù)(2018YFF0300300)”項目正在探索制定《國家高山滑雪中心雪道工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，但賽道的加固手段、變形和穩(wěn)定性等各項指標(biāo)仍然處于研究和探索階段。

降雨和地震是影響賽道穩(wěn)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(xué)性質(zhì)，最終導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)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(dǎo)致斜坡失穩(wěn)。為了切實保障滑雪賽道的安全穩(wěn)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(shè)計研究工作，對滑雪賽道的加固手段、加固后的穩(wěn)定性和變形量進行研究，為賽道的加固以及標(biāo)準(zhǔn)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(qū)高山滑雪D3賽道為例，利用有限差分?jǐn)?shù)值方法對抗滑樁加固前后填方賽道基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和變形情況進行了數(shù)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(jié)論具有一定的實際應(yīng)用價值。

1 滑雪場地工程地質(zhì)條件和加固設(shè)計方案

1.1 滑雪場地工程地質(zhì)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(qū)與大海陀山自然保護區(qū)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(qū)域基巖裸露，大部分區(qū)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(nèi)，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(zhuǎn)，溝谷形態(tài)呈“V”形，向下游轉(zhuǎn)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(cè)谷坡布設(shè)，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(zhì)縱剖面圖

圖5 D3滑雪賽道Ⅱ-Ⅱ′地質(zhì)橫剖面圖

大石板溝谷內(nèi)及溝谷兩側(cè)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(fēng)化花崗巖層?；鶐r花崗巖節(jié)理較發(fā)育，主要發(fā)育3組節(jié)理:節(jié)理J1,345°～355°∠60°～70°，閉合；節(jié)理J2,100°～110°∠35°～45°，節(jié)理面張開2～8 cm，碎石混黏性土填充；節(jié)理J3,272°～280°∠35°～40°，節(jié)理面張開約3～5 cm，碎石混黏性土填充。碎石土的物質(zhì)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(xì)顆粒土約20%～30%。

本次利用土體進行大規(guī)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(shè)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(fā)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(shù)值模擬結(jié)果也可以證明這一點。因此，必須對其進行加固處理?？够瑯妒峭临|(zhì)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(wěn)定性系數(shù)最低，因此本研究是按暴雨作用下填方賽道處于穩(wěn)定狀態(tài)來設(shè)計加固方案。根據(jù)《北京市地質(zhì)災(zāi)害治理項目實施技術(shù)指南(試行)》(2015年)，取暴雨工況下的邊坡安全系數(shù)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(xué)性質(zhì)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(shù)值模擬過程中將它們當(dāng)作性質(zhì)相同的一層土體來處理。

本次選取D3滑雪賽道Ⅰ-Ⅰ′地質(zhì)剖面(見圖3)，采用理正軟件中的傳遞系數(shù)法計算斜坡的剩余下滑力。通過室內(nèi)測試，得到天然工況下斜坡巖土體的物理力學(xué)參數(shù)(見表1)，并根據(jù)經(jīng)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(tài)的基礎(chǔ)上增加1 kN/m，土體抗剪強度參數(shù)取天然工況的80%。填方D3滑雪賽道Ⅰ-Ⅰ′地質(zhì)剖面條塊劃分結(jié)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(zhì)剖面共劃分為14個條塊(E1～E14)，據(jù)此進行設(shè)計和極限平衡狀態(tài)下滑塊的剩余下滑力計算，其計算結(jié)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(xué)參數(shù)

由表2和圖7可見，E14滑塊設(shè)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(wěn)定狀態(tài)，可考慮設(shè)置兩排抗滑樁來抵抗填方坡體下滑推力。依據(jù)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(shè)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(shè)計推力水平分力為435.48 kN/m，抗滑樁設(shè)置后，E5滑塊以上填方坡體部分處于極限平衡狀態(tài)；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(shè)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(jié)果

圖7 D3滑雪賽道填方剩余下滑力曲線

設(shè)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(shè)置抗滑樁7根，E12滑塊處設(shè)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(zhì)剖面圖見圖8，雪道上部E5滑塊、下部E12滑塊抗滑樁根數(shù)、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(zhì)剖面圖

表3 D3滑雪賽道上部E5滑塊抗滑樁參數(shù)

表4 D3滑雪賽道下部E12滑塊抗滑樁參數(shù)

2 抗滑樁加固效果的數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型的建立

在工程地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)鉆孔資料和現(xiàn)場測繪數(shù)據(jù)，并結(jié)合工程地質(zhì)平面圖和等高線圖，建立相應(yīng)的三維地質(zhì)數(shù)值模型。綜合考慮數(shù)值模型的計算速度和精度，將網(wǎng)格尺寸設(shè)置為5 m×5 m，數(shù)值模型共有63 447個節(jié)點，345 984個單元，每個單元均為四面體。采用巖土工程中應(yīng)用最為廣泛的Mohr-Coulomb彈塑性模型計算各單元力學(xué)行為。每個數(shù)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(shù)值模型，見圖9。

圖9 抗滑樁加固前后D3滑雪賽道的三維數(shù)值模型

2.2 模擬工況設(shè)置

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

(1) 天然工況。模擬天然狀態(tài)下抗滑樁加固前填方賽道的穩(wěn)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(wěn)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(tài)的基礎(chǔ)上增加1 kN/m，土體抗剪強度參數(shù)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(wěn)定性和變形情況。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010，2016年版)和《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)，場地所在的區(qū)域抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，設(shè)計基本地震加速度為0.2

g

，反應(yīng)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(jù)雪道所在地區(qū)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(jù)《北京市地質(zhì)災(zāi)害治理項目實施技術(shù)指南(試行)》(2015)，滑雪賽道屬于Ⅰ級工程，工程治理后安全系數(shù)取1.35；而根據(jù)《鐵路路基支檔結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)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(wěn)定性的安全系數(shù)和變形極限值。

2.3 巖土體和抗滑樁的物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)實際情況，并結(jié)合室內(nèi)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(nèi)摩擦角和密度等物理力學(xué)參數(shù)，見表1。D3滑雪賽道上下部設(shè)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(shè)置的抗滑樁的物理力學(xué)參數(shù)

2.4 結(jié)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(jīng)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(wěn)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(wěn)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(fā)生急劇變化，滑雪場地整體容易失穩(wěn)[見圖11(c)]；暴雨+抗滑樁工況下，即經(jīng)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(qū)域滑雪賽道有變形速率，滑雪場地整體較穩(wěn)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(wěn)定性提高[見圖11(e)]。

2.4.2 塑性區(qū)分析

不同工況下D3滑雪賽道的塑性區(qū)云圖，見圖12。

圖12 不同工況下D3滑雪賽道的塑性區(qū)云圖

由圖12可見：未經(jīng)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(fā)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(shù)區(qū)域(深藍(lán)色區(qū)域)發(fā)生剪切變形，表明經(jīng)過變形之后滑雪場地的整體穩(wěn)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(jīng)發(fā)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(shù)區(qū)域(深藍(lán)色和棕色區(qū)域)發(fā)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(wěn)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(jīng)發(fā)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(shù)區(qū)域(紫色區(qū)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(yán)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(fā)生過剪切變形，平衡之后變形停止，滑雪賽道趨于穩(wěn)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(fā)生過剪切變形，平衡之后僅有少數(shù)區(qū)域(深藍(lán)色區(qū)域)發(fā)生剪切變形，表明經(jīng)過變形之后滑雪場地的整體穩(wěn)定性有較大幅度的提高。

2.4.3 位移與穩(wěn)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(jīng)過抗滑樁加固前的天然工況下，滑雪場地填土中上部發(fā)生了較大的位移，最大累計位移為92.5 mm(紅色區(qū)域)，填土區(qū)往兩側(cè)部分位移逐漸減小，滑雪賽道的整體穩(wěn)定性系數(shù)為1.574，大于安全系數(shù)1.35，表明滑雪場地整體穩(wěn)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(qū)域)，滑雪場地依然是填土中上部發(fā)生了最大位移，填土區(qū)往兩側(cè)部分位移逐漸減小，滑雪賽道整體的穩(wěn)定性系數(shù)急劇下降到1.332，略小于安全系數(shù)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(wěn)定性系數(shù)計算，故此工況不進行穩(wěn)定性系數(shù)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(qū)域)，依然是滑雪場地填土中上部發(fā)生了最大位移，填土區(qū)往兩側(cè)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(jīng)過抗滑樁加固前的142.1 mm減小到89.0 mm(紅色區(qū)域)，抗滑樁附近的位移明顯減小，滑雪賽道的穩(wěn)定性系數(shù)增大至1.449，大于安全系數(shù)1.35，表明經(jīng)抗滑樁加固后，滑雪賽道的整體穩(wěn)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(jīng)過抗滑樁加固前的139.1 mm減小到76.8 mm(紅色區(qū)域)，抗滑樁附近位移明顯減小，滑雪賽道的整體穩(wěn)定性符合要求。

3 結(jié) 論

本文以2022年北京冬奧會延慶賽區(qū)D3滑雪賽道為例，利用數(shù)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(wěn)定性和變形情況進行了數(shù)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(jié)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(jīng)歷大規(guī)模土體填方，在未經(jīng)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(wěn)定性較低，需要進行加固處理。

(2) 經(jīng)過抗滑樁加固后，滑雪賽道的穩(wěn)定性大大提高，在暴雨工況下，其穩(wěn)定性系數(shù)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(nèi)，符合規(guī)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(jié)論對于目前正在處于設(shè)計階段的高填方滑雪賽道加固工程有一定的指導(dǎo)意義。