1 工程概况

　　2022年北京冬奥会延庆赛区国家高山滑雪中心二标位于北京市延庆区海陀山区，海坨山最高海拔2 198.000m，是北京市的最高峰，该项目主要在海拔2 198.000～1 250.000m范围内施工，施工落差948m，由6条雪道和15条技术道路组成，雪道总长度6 168m，技术道路总长度9 875m。2022年北京冬奥会将在高山滑雪中心举行男女滑降、超级大回转、大回转、回转、全能及全体赛等6个项目。

　　制约山区场地施工效率的最大困难为工程材料的安全、高效运输问题，考虑汽运的运输能力及安全极限，汽运运输方式需要提前修建大量平缓的之字形运输便道，将大大提高运输成本，且安全可靠性不高，使得山区场地施工存在安全风险。同时在工程开展前期，不具备汽运道路条件，同时不能够进行大规模机械化作业，以免破坏海坨山区生态环境。

　　为解决高山运输尤其是雪道土石方运输问题，邀请各方面专家进行现场勘查和咨询，拟选定的运输方式有:汽车运输、货运索道运输、有轨运输、斜皮带运输、爬山虎运输、溜槽运输。对于汽车运输和有轨运输两种运输方式而言，需要在使用前进行预铺设，而在工程前期不具备使用条件，同时受施工场地附近森林保护区的影响，使得汽车路线以及轨道路线的选择受到很大限制。对于货运索道运输、爬山虎运输两种运输方式存在着共同问题，例如货运索道的运输能力为36t/d(按每天8h工作时间计算)，单次载重为4t/次，牵引速度为1m/s，运输效率大大不足，不能满足运输要求。对于斜皮带运输方式，一般适用于27%以下的坡度，长距离不均匀运输，石块极易脱落，易发生危险，运输石方极易磨损，皮带不能转弯(一般转弯半径在800m以上)。综上，溜槽运输成为了此种工况下最理想的运输方式。

　　目前尚无高陡山区溜槽系统的施工与应用技术研究，相关研究需借鉴类似工程应用，如溜槽在选煤厂、洗煤厂、选矿厂的应用，以及负压溜槽在蓄能电站和大坝工程中的应用^[1,2,3,4]。

　　但上述工程应用场景均不存在高落差、大陡坡问题，如何实现高陡山区溜槽施工与物料无动力运输需进行系统研究。

　　2 无动力运输技术应用

　　2.1 溜槽理论计算模型

　　如何合理利用高陡山区既有的地形优势，确定溜槽的断面形式、输送距离和物料速度是溜槽设计首要考虑的因素，本研究针对断面形式、溜槽倾角和溜槽振动等进行了系统的理论分析。

　　2.1.1 溜槽断面计算

　　溜槽体的断面形状、入料口以及出料口的形状和尺寸主要取决于所连接设备的要求，当废石土的运输距离较长时就需要加上溜槽中间段。溜槽中间段多采用方形和矩形结构，方形多用于垂直角度，矩形用于倾斜角度，但二者均易在下部拐角处形成废石土料的卡壳，造成堵塞，因此本文采用半圆形溜槽。一般按所需运输的废石土量以及废石土块的最大粒度来确定溜槽的断面尺寸^[5]。

　　按粒度决定溜槽断面:

　　断面宽:

　　断面高:

　　式中:d_max为物料最大粒度。

　　按输送能力决定溜槽断面:

　　式中:A为溜槽截断面积(m²);Q为输送量(t/h);ψ为装满系数，对于煤取0.3;υ为物料在溜槽内的平均运输速度;γ为运输物料的松散容重(t/m²)。

　　2.1.2 溜槽倾角计算

　　当运输废石土块时，不论废石土块在溜槽体上处于何种运动状态，作用在废石土块上的力始终主要有4种:废石土块自身的重力、溜槽对废石土块的支持力、废石土块与溜槽体之间的摩擦力以及废石土块所受到的空气阻力(可以忽略不计)。废石土块在运输过程中的受力分析如图1所示，满足受力关系如式(4)所示^[6]。

　　图1 物料受力分析示意  

　　式中:g为重力加速度;α为直溜槽倾角;a为物料在溜槽底板上的加速度。

　　当加速度为0时，废石土块在溜槽体上满足方程:

　　式中:f为物料与底板的动摩擦系数。

　　对于常用溜槽，废石土块在溜槽截面处沿着周围的压力分布如图2所示。

　　图2 溜槽截面处周围的压力分布 

　　沿着溜槽长度方向单位长度上的总摩擦力:

　　令F=μ_EPB，结合上式可得下式结果:

　　式中:K_V为溜槽底部横向压力与垂直压力之比，通常K_V=0.4～0.6;μ为物料与衬板间的摩擦系数;H为溜槽内料流层的高度(m);P为溜槽底部均布压力(Pa/m);B为溜槽截面宽(m)。

　　2.1.3 溜槽抗振计算

　　在实际应用中，可根据式(8)计算溜槽结构的强迫振动，为了达到减振降噪的目的，本装置选用弧形钢板(溜槽主体)外加复合减振垫层作为溜槽结构，在运输物料的过程中，溜槽面板受到碎石土等物料的连续冲击而形成强迫振动，强迫振动的稳态幅值A大小为等效静位移A₀与振动放大因子M的乘积:

　　式中:A₀=F/k，为等效静位移;F为激振力幅值;k为系统弹簧系数;R=ω/ω_n，为频率比，ω为最小激振频率500Hz，，为系统固有频率，m为系统质量;ξ为阻尼比。

　　当激振力F一定时，系统的振幅受到弹簧系数k，频率比R和阻尼比ξ的影响。此时，可根据溜槽主体以及复合减振垫层的材质来使得溜槽结构的固有频率远小于激振频率，或者增加溜槽结构的阻尼比，从而达到减小强迫振动的目的。

　　2.2 溜槽设计与施工

　　通过理论计算结合现场实际勘察，提出并搭建了一种高山滑雪场地溜槽无动力碎石土运输装置，用于在无动力运输的情况下，将高山上的碎石土等物料运送到山底，该系统不需要任何动力装置，靠溜槽结构的倾斜度匹配碎石土等物料的重力完成运输，降低了工艺难度，节约了成本，如图3所示。

　　图3 高山滑雪场地溜槽无动力碎石土运输装置  

　　该溜槽无动力碎石土运输装置主要包括:(1)溜槽溜道溜槽结构沿着山体倾斜设置，上端为入料口，下端为出料口;(2)物料减速收集区溜槽系统在溜道末端设置了1个运输物料的减速收集区;(3)减速挡板为了较好控制碎石土运输过程中的速度，该溜槽系统在溜道上方设置了一定数量的重力减速挡板，其设置数量和质量可以根据运输速度自由调节;(4)减振降噪垫层为了有效控制碎石土运输过程中振动弹跳以及噪声问题，在弧形钢板的溜道系统下方设置了基岩、黏土垫层及橡胶等缓冲垫层。

　　通过利用山区场地原有的高程落差，设置圆弧形钢板无动力溜槽系统，节省了汽车运输便道修建成本，大大降低了工程造价和场区环境的影响程度。无动力溜槽系统可将G1赛道开挖的碎石土直接采用挖掘机开挖后转载到溜道内进行快速运输，省去了传统汽车运输过程的装载、运输、卸载等过程，大大提高了安全运输效率。同时该无动力溜槽运输系统可根据其设置角度，运输碎石土平均块度等信息估算碎石土运输速度，合理设置减速挡板位置、数量以及自身质量，确保安全、快速实现碎石土的原场运输。最后考虑碎石土运输过程种碎石弹跳，高噪声等问题，设置了基岩、黏土垫层、橡胶等多层复合缓冲垫层，较好解决了该问题。

　　高山滑雪场地溜槽无动力碎石土运输装置还包括设置在出料口出料方向的缓冲斗。若落差较大时，可使用缓冲斗作为缓冲区，使碎石土等物料不直接落在溜槽主体上，而是落在缓冲斗内的碎石土等物料上，起到缓冲作用，进一步避免出料口阻塞。

　　3 无动力运输系统施工工艺

　　施工原则是保持已有S便道不中断，对F1K1+000—F1K1+160位置正常施工不造成影响，溜槽使用过程中不存在飞石等安全隐患。

　　施工步骤:根据施工现场地质条件、石料物理力学性质采用反铲挖掘机按底宽线挖出直径2.5m的半圆形基槽。清理基槽底部碎石，平整槽底。将基槽两侧松动土石及时清理，确保后续安装工程的顺利进行。由于山脊沿线场地限制，无法采用大型机械吊装溜槽板。故采用人工搬运的方式，自坡底开始，将溜槽板铺设首尾相连，在连接处对称布置螺栓固定。自坡底开始，沿溜槽两侧1m处，每隔70cm用大锤将L形钢筋打入坚实土层处，短边漏出地表。将钢丝绳一端与溜槽钢板连接处的螺栓固定，另一端与螺栓同侧方向的L形钢筋连接固定。在溜槽底端设置存料平台。测试物料运输效果，进而实现竖板、挡板数量质量等检查优化。施工流程:测量放样→基槽开挖→防振降噪垫层施工→溜槽安装→存料平台修建→检查验收。

　　4 工程效益分析

　　G1雪道K0+120—K0+270位置(共150m)溜槽应用时间为2018年6月13日至2018年8月10日(共60d)，将30 000m³土方直接从K0+120位置溜运至K0+270位置。因G1雪道倒运料多石，共配备1台挖机在起点平台往溜槽里供料，每天共500m³，共施工60d，累计使用挖机60d·次。如采用挖机逐级倒运，并保证60d完工，以每台挖机每天倒运500m³、每级倒运15m计，则累计使用挖机600d·次，共节约挖机540天·次，效率提升9倍，节约成本108万元。

　　F1雪道K1+060—K0+270位置(共210m)溜槽应用时间为2018年8月25日至2018年9月28日(共35d)，将70 000m³土方直接从K1+060位置溜运至K1+270位置。因F1雪道倒运料多土，共配备2台挖机在起点平台往溜槽里供土，每天共2 000m³，共施工35d，累计使用挖机70d·次。如采用挖机逐级倒运，以每台挖机每天倒运1 000m³、每级倒运15m计，且35d完工，则累计使用挖机980d·次，共节约910d·次，效率提升13倍，节约成本182万元。

　　5 结语

　　1)无动力溜槽运输系统是用于在无动力运输的情况下，将高山上的碎石土等物料运送到山底的过程中，不需要任何动力装置，靠溜槽结构的倾斜度匹配碎石土等物料的重力完成运输，综合理论分析结果与工程场地条件等，所构建的溜槽系统包含溜槽溜道、物料减速收集区、减速挡板、减振降噪垫层。

　　2)溜槽通过在F1和G1的现场应用，G1雪道60d内实现了将30 000m³土方从K0+120位置溜运至K0+270位置，F1雪道35d内实现了将70000m³土方从K1+060位置溜运至K1+270位置，共计节省成本290万元。在整个施工过程中，既满足了对碎石土运输的需求，也达到了节约成本、提高效率的要求，同时保护了海坨山地区的绿色生态环境，为在相同工程情况下碎石土的运输问题提供了宝贵的技术经验。