2022年北京冬奥会高山滑雪填方赛道的抗滑桩加固效果数值模拟研究

刘 坤,罗 进,陈 钱,张 明,张文华,李书平,罗均武,尹正姝,李海涛,刘文浩,栗 超,汪建波

(1.北京北控京奥建设有限公司,北京102100;2.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

2015年7月31日，在马来西亚吉隆坡举行的国际奥委会第128次全会上，国际奥委会主席巴赫宣布：中国北京获得2022年第24届冬季奥林匹克运动会主办权。北京将承办所有冰上项目，延庆和张家口将承办所有的雪上项目。而延庆赛区将建设国家高山滑雪中心、国家雪车雪橇中心两个竞赛场馆和延庆冬奥村、山地新闻中心两个非竞赛场馆。

高山滑雪项目是冬奥会的主要赛事之一。为了保证赛道的垂直落差，高山滑雪的场地一般依纵向坡度较大的沟谷而建，而为了保证赛道满足一定的平整度，往往又需要用土体进行大规模填方，加上沟谷自身的松散堆积体，使赛道基础的地质地形条件变得较为复杂；另外，比赛中选手的滑行速度极快，可以超过130 km/h。因此，该项目对填方以后赛道基础的稳定性和起伏度要求非常高。

中国此前没有承办过国际雪联的世界滑雪锦标赛等大型滑雪赛事项目，在滑雪赛道的建设上没有相关经验，国内也没有此类规范或标准作为建设依据。目前，国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项“复杂山地条件下冬奥雪上场馆设计建造运维关键技术(2018YFF0300300)”项目正在探索制定《国家高山滑雪中心雪道工程设计标准》，但赛道的加固手段、变形和稳定性等各项指标仍然处于研究和探索阶段。

降雨和地震是影响赛道稳定性的两个重要因素。雨水的入渗改变了斜坡岩土体的物理力学性质，最终导致边坡的稳定性下降；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，导致斜坡失稳。为了切实保障滑雪赛道的安全稳定，确保2022年北京冬奥会的顺利进行，亟需开展国家高山滑雪赛道的加固设计研究工作，对滑雪赛道的加固手段、加固后的稳定性和变形量进行研究，为赛道的加固以及标准的制定提供理论支持。为此，本文以2022年北京冬奥会延庆赛区高山滑雪D3赛道为例，利用有限差分数值方法对抗滑桩加固前后填方赛道基础的稳定性和变形情况进行了数值模拟研究，并对该加固手段的可行性进行了分析，其研究结论具有一定的实际应用价值。

1 滑雪场地工程地质条件和加固设计方案

1.1 滑雪场地工程地质条件

2022年北京冬奥会的高山滑雪中心场地位于松山自然保护区与大海陀山自然保护区交界处的山脊、山坡及山前沟谷中，相对高差大，高程分布在1 200～2 200 m(见图1)，且地形陡峭，局部地形坡度超过40°(见图2)。该场地局部区域基岩裸露，大部分区域为厚薄不均的第四系覆盖层。

图1 2022年北京冬奥会高山滑雪中心场地高程分布图

图2 2022年北京冬奥会高山滑雪中心场地地形坡度分布图

本次的研究对象D3滑雪赛道位于大石板沟沟谷内，全长529.0 m，前后缘高程分别为1 510 m和1 663 m，垂直高差为153 m，平均宽约为50 m，大石板沟沟谷走向近SN，至沟口向西偏转，沟谷形态呈“V”形，向下游转折后逐渐宽缓，见图3。填方后地面坡度为25°～30°，雪道走向与沟谷走向基本一致，因沟谷上游狭窄，雪道横跨沟谷两侧谷坡布设，其纵剖面图和横剖面图见图4和图5。

图3 D3滑雪赛道航拍影像(镜向N)

图4 D3滑雪赛道Ⅰ-Ⅰ′地质纵剖面图

图5 D3滑雪赛道Ⅱ-Ⅱ′地质横剖面图

大石板沟谷内及沟谷两侧谷坡出露的地层主要为第四系冲洪积及崩坡积碎石层和基岩中等、强风化花岗岩层。基岩花岗岩节理较发育，主要发育3组节理:节理J1,345°～355°∠60°～70°，闭合；节理J2,100°～110°∠35°～45°，节理面张开2～8 cm，碎石混黏性土填充；节理J3,272°～280°∠35°～40°，节理面张开约3～5 cm，碎石混黏性土填充。碎石土的物质组成主要为块石、碎石，碎(块)石粒径一般为30～60 cm，局部大于80 cm，呈棱角形，分选性差，级配差，充填细颗粒土约20%～30%。

本次利用土体进行大规模填方，将沟谷平整为滑雪赛道。采用的土体尽量取自赛道及周围的土体，填方厚度局部达到5 m以上，最大填方厚度约为22 m。

1.2 加固设计方案

分析显示，填方赛道在没有进行加固时，在暴雨作用下很有可能发生中上部松散土体沿基覆面滑动，下文对加固之前填方赛道的数值模拟结果也可以证明这一点。因此，必须对其进行加固处理。抗滑桩是土质滑坡有效的加固手段之一，故本文对抗滑桩加固D3滑雪赛道的效果进行了研究。

模拟计算显示，在没有加固之前，填方赛道在暴雨作用下的稳定性系数最低，因此本研究是按暴雨作用下填方赛道处于稳定状态来设计加固方案。根据《北京市地质灾害治理项目实施技术指南(试行)》(2015年)，取暴雨工况下的边坡安全系数为1.35。由于沟谷中原有的第四系堆积层与填土的物理力学性质差别不大，且在填方过程中均被压实，因此为了计算方便，在数值模拟过程中将它们当作性质相同的一层土体来处理。

本次选取D3滑雪赛道Ⅰ-Ⅰ′地质剖面(见图3)，采用理正软件中的传递系数法计算斜坡的剩余下滑力。通过室内测试，得到天然工况下斜坡岩土体的物理力学参数(见表1)，并根据经验和已有资料，将暴雨工况条件下斜坡土体的重度在天然状态的基础上增加1 kN/m，土体抗剪强度参数取天然工况的80%。填方D3滑雪赛道Ⅰ-Ⅰ′地质剖面条块划分结果见图6，因为赛道的表面基本为光滑平面，因此主要在基覆面坡度变化凸出处划分条块，将整个Ⅰ-Ⅰ′地质剖面共划分为14个条块(E1～E14)，据此进行设计和极限平衡状态下滑块的剩余下滑力计算，其计算结果见表2和图7。

图6 D3滑雪赛道条分图

表1 天然工况下斜坡岩土体的物理力学参数

由表2和图7可见，E14滑块设计剩余下滑力为1 035.00 kN/m，大于0 kN/m，填方坡体下滑力过大，处于不稳定状态，可考虑设置两排抗滑桩来抵抗填方坡体下滑推力。依据雪道地表斜坡面角度确定最不利剪出位置，考虑将抗滑桩设置在E5、E12滑块位置。其中，E5滑块剩余下滑力为446.95 kN/m，土条滑面倾角为13.008°，则抗滑桩背设计推力水平分力为435.48 kN/m，抗滑桩设置后，E5滑块以上填方坡体部分处于极限平衡状态；E12滑块剩余下滑力为991.49 kN/m，土条滑面倾角为13.268°，则抗滑桩背设计推力水平分力为965.02 kN/m，采用矩形分布模式。

表2 D3滑雪赛道填方剩余下滑力计算结果

图7 D3滑雪赛道填方剩余下滑力曲线

设置的抗滑桩截面形状为矩形，桩轴间距取6.0 m，E5滑块处设置抗滑桩7根，E12滑块处设置抗滑桩4根，桩身混凝土为C25。加抗滑桩后D3滑雪赛道Ⅰ-Ⅰ′地质剖面图见图8，雪道上部E5滑块、下部E12滑块抗滑桩根数、截面尺寸、桩长和嵌入段长度详见表3和表4。

图8 加抗滑桩后D3滑雪赛道Ⅰ-Ⅰ′地质剖面图

表3 D3滑雪赛道上部E5滑块抗滑桩参数

表4 D3滑雪赛道下部E12滑块抗滑桩参数

2 抗滑桩加固效果的数值模拟

2.1 数值模型的建立

在工程地质分析的基础上，根据钻孔资料和现场测绘数据，并结合工程地质平面图和等高线图，建立相应的三维地质数值模型。综合考虑数值模型的计算速度和精度，将网格尺寸设置为5 m×5 m，数值模型共有63 447个节点，345 984个单元，每个单元均为四面体。采用岩土工程中应用最为广泛的Mohr-Coulomb弹塑性模型计算各单元力学行为。每个数值模型的底边界均采用全约束，四周边界和

z

轴方向均采用法向约束。

建立的抗滑桩加固前后D3滑雪赛道的三维数值模型，见图9。

图9 抗滑桩加固前后D3滑雪赛道的三维数值模型

2.2 模拟工况设置

根据D3滑雪赛道所在的地理位置，影响其稳定性的主要外因为降雨和地震，因此本次模拟工况设置如下：

(1) 天然工况。模拟天然状态下抗滑桩加固前填方赛道的稳定性和变形情况。

(2) 暴雨工况。模拟暴雨作用下抗滑桩加固前后填方赛道的稳定性和变形情况。如前所述，暴雨工况条件下，将斜坡土体重度在天然状态的基础上增加1 kN/m，土体抗剪强度参数和弹性模量取天然工况的80%。

(3) 地震工况。模拟地震作用下抗滑桩加固前后填方赛道的稳定性和变形情况。根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010，2016年版)和《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)，场地所在的区域抗震设防烈度为Ⅷ度，设计基本地震加速度为0.2

g

，反应谱特征周期为0.40 s。本次地震工况模拟采用地震加速度时程曲线法，考虑水平NS方向和竖直方向上的地震力作用，根据雪道所在地区的地震加速度人工合成地震加速度时程曲线，见图10。

图10 地震加速度时程曲线

根据《北京市地质灾害治理项目实施技术指南(试行)》(2015)，滑雪赛道属于Ⅰ级工程，工程治理后安全系数取1.35；而根据《铁路路基支档结构设计规范》(TB 10025—2006)，利用抗滑桩治理后的边坡位移不得超过10 cm。因此，本研究分别将1.35 cm和10 cm作为滑雪赛道稳定性的安全系数和变形极限值。

2.3 岩土体和抗滑桩的物理力学参数

根据实际情况，并结合室内岩石单轴压缩试验和直剪试验，得到天然工况下斜坡岩土体的弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角和密度等物理力学参数，见表1。D3滑雪赛道上下部设置的抗滑桩的弹性模量

E

、泊松比

μ

、密度

ρ

、法向耦合弹簧单位长度上的刚度

k

、切向耦合弹簧单位长度上的刚度

k

，见表5。

表5 D3滑雪赛道上下部设置的抗滑桩的物理力学参数

2.4 结果与分析

2.4.1 变形速率分析

不同工况下D3滑雪赛道的变形速率云图，见图11。

图11 不同工况下D3滑雪赛道的变形速率云图

由图11可见：未经过抗滑桩加固前的天然工况下，滑雪赛道的变形速率最大值为6.02×10m/s，变形速率较小，滑雪场地整体较稳定[见图11(a)]；暴雨工况下，滑雪赛道的变形速率最大值为7.78×10m/s，其较天然工况略微增加，滑雪场地的稳定性降低[见图11(b)]；地震工况下，滑雪赛道的变形速率随着地震波处于变化之中，其最大值为3.58×10m/s，表明地震工况下滑雪赛道的位移会发生急剧变化，滑雪场地整体容易失稳[见图11(c)]；暴雨+抗滑桩工况下，即经过抗滑桩加固后在暴雨作用下，滑雪赛道的变形速率最大值为1.01×10m/s，且仅局部区域滑雪赛道有变形速率，滑雪场地整体较稳定[见图11(d)]；而在地震+抗滑桩工况下，滑雪赛道的变形速率最大值为8.14×10m/s，其较抗滑桩加固前减小，说明滑雪场地整体稳定性提高[见图11(e)]。

2.4.2 塑性区分析

不同工况下D3滑雪赛道的塑性区云图，见图12。

图12 不同工况下D3滑雪赛道的塑性区云图

由图12可见：未经过抗滑桩加固前的天然工况下，整个滑雪赛道在平衡之前，填土与基岩交界和填土中上部发生过剪切变形，这是由于填土有沿着基岩向下滑动的趋势，平衡之后仅极少数区域(深蓝色区域)发生剪切变形，表明经过变形之后滑雪场地的整体稳定性较好；暴雨工况下，整个滑雪赛道在平衡之前，填土与基岩交界和填土中上部就已经发生剪切变形，剪切变形范围比天然工况时大，这是由于暴雨之后，填土的抗剪强度下降，土体沿着基岩向下滑动的趋势更加强烈，平衡之后仍有少数区域(深蓝色和棕色区域)发生剪切变形，表明滑雪场地整体变形范围比天然工况更大，稳定性降低；地震工况下，整个滑雪赛道在平衡之前，填土与基岩交界和填土中上部就已经发生剪切变形，剪切变形范围比天然工况大，这是由于地震作用降低了土体的抗剪强度，使得土体沿着基岩向下滑动的趋势比天然工况更加强烈，平衡之后仍有少数区域(紫色区域)存在拉张变形，表明滑雪场整体变形范围比天然工况更严重；暴雨+抗滑桩工况下，整个滑雪赛道在平衡之前，填土与基岩交界和填土中上部发生过剪切变形，平衡之后变形停止，滑雪赛道趋于稳定；在地震+抗滑桩工况下，整个滑雪赛道在平衡之前，填土与基岩交界和填土中上部发生过剪切变形，平衡之后仅有少数区域(深蓝色区域)发生剪切变形，表明经过变形之后滑雪场地的整体稳定性有较大幅度的提高。

2.4.3 位移与稳定性分析

不同工况下D3滑雪赛道的位移云图，见图13。

图13 不同工况下D3滑雪赛道的位移云图

由图13可见：未经过抗滑桩加固前的天然工况下，滑雪场地填土中上部发生了较大的位移，最大累计位移为92.5 mm(红色区域)，填土区往两侧部分位移逐渐减小，滑雪赛道的整体稳定性系数为1.574，大于安全系数1.35，表明滑雪场地整体稳定性较好；暴雨工况下，滑雪场地的位移显著增大，最大位移由92.5 mm增大到142.1 mm(红色区域)，滑雪场地依然是填土中上部发生了最大位移，填土区往两侧部分位移逐渐减小，滑雪赛道整体的稳定性系数急剧下降到1.332，略小于安全系数1.35，表明安全性不足；地震工况下(FLAC在动力模块下无法进行稳定性系数计算，故此工况不进行稳定性系数分析)，滑雪场地的位移增大了，最大位移由92.5 mm增大到139.1 mm(红色区域)，依然是滑雪场地填土中上部发生了最大位移，填土区往两侧部分位移逐渐减小;暴雨+抗滑桩工况下，滑雪场地的位移减小，最大位移由未经过抗滑桩加固前的142.1 mm减小到89.0 mm(红色区域)，抗滑桩附近的位移明显减小，滑雪赛道的稳定性系数增大至1.449，大于安全系数1.35，表明经抗滑桩加固后，滑雪赛道的整体稳定性符合要求；地震+抗滑桩工况下，滑雪场地的位移减小，最大位移由未经过抗滑桩加固前的139.1 mm减小到76.8 mm(红色区域)，抗滑桩附近位移明显减小，滑雪赛道的整体稳定性符合要求。

3 结 论

本文以2022年北京冬奥会延庆赛区D3滑雪赛道为例，利用数值模拟方法对抗滑桩加固前后D3滑雪赛道在不同工况下的稳定性和变形情况进行了数值模拟研究，并对采用抗滑桩加固高山滑雪高填方赛道的可行性进行了分析，得到如下结论：

(1) 因为高填方滑雪赛道往往建在坡度较大的沟谷中，且经历大规模土体填方，在未经过抗滑桩加固前，滑雪赛道在暴雨和地震工况下，变形过大，且其稳定性较低，需要进行加固处理。

(2) 经过抗滑桩加固后，滑雪赛道的稳定性大大提高，在暴雨工况下，其稳定性系数在1.35以上，且在暴雨和地震工况下，变形均减小至10 cm以内，符合规范要求。

(3) 抗滑桩对高填方滑雪赛道可以起到很好的加固效果，这个结论对于目前正在处于设计阶段的高填方滑雪赛道加固工程有一定的指导意义。