Modellierung fortschreitender Versagensprozesse in steilen Felshängen mit der kombinierten finiten‑diskreten Elementmethode

Warum wackelige Bergwände wichtig sind

Hohe, felsige Schluchtwände wirken oft massiv, können aber unter bestimmten Bedingungen plötzlich nachgeben und Millionen Tonnen Gestein talwärts stürzen lassen. Für Menschen stromabwärts großer Staudämme oder auf Gebirgsstraßen ist die Frage, wann solche Hänge versagen könnten, eine Frage von Sicherheit, Planung und Kosten. Diese Studie untersucht einen neuen Weg, steile Felshänge digital „Stresstests“ zu unterziehen, sodass Ingenieure nicht nur erkennen können, ob ein Hang unsicher ist, sondern auch genau wie und wann er auseinanderbrechen könnte.

Verborgene Schwächen in hohen Klippen

Bergwände bestehen selten aus einheitlichem, makellosem Gestein. Sandstein- und Schieferschichten, alte Klüfte und verwitterte Zonen bilden ein Flickwerk aus stärkeren und schwächeren Bereichen. Im Westen Chinas, besonders entlang der tief eingeschnittenen Schluchten des oberen Lancang-Flusses, werden Wasserkraftprojekte direkt in solche steilen Wände gebaut. Obwohl diese Hänge unter ihrem eigenen Gewicht langsam nachgeben können, droht ein katastrophales Versagen, wenn Risse entlang anfälliger Schichten zusammenlaufen. Konventionelle ingenieurtechnische Werkzeuge können eine Gesamt-Sicherheitsgröße abschätzen, erfassen aber nicht vollständig, wie kleine Risse an der Hangbasis beginnen, nach oben wachsen und schließlich eine bewegte Gesteinsmasse freisetzen.

Grenzen älterer Vorhersagewerkzeuge

Ingenieure verwenden seit langem drei Haupttypen von Rechenverfahren zur Prüfung der Hangstabilität. Erstens die Grenzgleichgewichtsmethode, die treibende und hemmende Kräfte entlang einer angenommenen Gleitfläche ins Gleichgewicht setzt; sie ist schnell, erfordert aber die Vorannahme der Form dieser Fläche und beschreibt nur den Augenblick des Versagens. Zweitens die Finite-Elemente-Methode, die der Verformung des festen Gesteins folgt, aber Schwierigkeiten hat, das plötzliche Entstehen und das Wachstum von Rissen darzustellen. Drittens die Diskrete-Elemente-Methode, die den Hang als separate Blöcke modelliert, die sich bewegen und kollidieren können, ohne jedoch die frühere Phase zu beschreiben, in der das Gestein noch als kontinuierliche Masse wirkt. Keines dieser Verfahren alleine kann nahtlos einen Hang vom scheinbar intakten Gestein bis zu verstreuten Felsblöcken im Tal verfolgen.

Ein digitaler Hang, der realistisch bricht

Die Autoren kombinieren die Stärken dieser Ansätze in einem Rahmen, der als finito‑diskrete Elementmethode (FDEM) bezeichnet wird, und koppeln sie mit einer „Schwerkraftsteigerungs“-Strategie. In ihrem virtuellen Hang wird das Gestein als viele kleine feste Teile dargestellt, die entlang unsichtbarer Störungszonen miteinander verbunden sind. Wenn die simulierten Spannungen ansteigen, können diese Bindungen schwächer werden und brechen, wodurch kontinuierliches Gestein in getrennte Blöcke übergeht, die gleiten und kollidieren. Statt eine Gleitfläche zu erraten, erhöht das Modell langsam die effektive Schwerkraft, bis der Hang eine plötzliche Zunahme von Bewegung und kinetischer Energie zeigt. Der Schwerkraftwert zu diesem Zeitpunkt liefert einen Sicherheitsfaktor, während das sich entwickelnde Muster von Rissen und Bewegungen genau zeigt, wie das Versagen abläuft.

Erprobung der Methode in einer realen Schlucht

Um zu prüfen, ob dieser digitale Hang sich wie in der Realität verhält, modellierte das Team einen 796 Meter hohen Felshang neben einem Wasserkraftwerk am oberen Lancang-Fluss. Sie erstellten einen vereinfachten Querschnitt, der verschiedene Verwitterungszonen und eine wichtige Verwerfung enthielt, und setzten die Modellparameter mit gemessenen Gesteinseigenschaften. Während die Schwerkraft schrittweise erhöht wurde, reproduzierte die Simulation eine realistische Abfolge: zunächst bildeten sich in der am stärksten verwitterten Gesteinsschicht nahe der Hangfuß kleine Risse; diese Risse verbanden sich zu einem durchgehenden schwachen Band; dann rutschte ein großer Gesteinskörper entlang dieses Bandes, zerbrach in Blöcke und kam als breiter Schutthaufen im Tal zur Ruhe. Die zurückgelegten Distanzen, die Tiefen der Rissbildung und die endgültige Schuttbreite stimmten weitgehend mit Feldbeobachtungen überein, wobei die Abweichungen meist unter 20 Prozent lagen.

Abgleich mit Standardmethoden

Die Forschenden verglichen ihren neuen Rahmen mit den weit verbreiteten Grenzgleichgewichts- und Diskreten-Elemente-Methoden, indem sie berechneten, wie stabil derselbe Hang in jedem Fall erschien. Alle drei Ansätze ergaben ähnliche Sicherheitsfaktoren und waren sich über die allgemeine Lage der Hauptgleitfläche entlang der schwach verwitterten Schicht einig. Der entscheidende Unterschied war, dass der neue FDEM‑Schwerkraft-Ansatz mehr leistete als nur die Bestätigung, ob der Hang grenzstabil ist. Er zeigte auch den Zeitpunkt der ersten Bewegung, die Rolle der Verwerfung beim Auslösen sekundärer Einstürze weiter oben sowie, wie Blöcke auf dem Weg talwärts interagierten und fragmentierten — Details, die für die Planung von Verstärkungsmaßnahmen und Überwachungssystemen wichtig sind.

Was das für sicherere Bergprojekte bedeutet

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass dieses kombinierte Modellierungsverfahren zuverlässig die gesamte Entwicklung einer Hangrutschung vom ersten feinen Riss bis zum letzten Trümmerhaufen nachzeichnen kann. Für den Hang am Lancang‑Fluss deutet der berechnete Sicherheitsfaktor darauf hin, dass die Felswand unter den derzeitigen Bedingungen nur knapp stabil ist, was zusätzliche Sicherungsmaßnahmen und vorsichtige Aushubarbeiten nahelegt. Allgemeiner bietet die Methode Ingenieuren ein Werkzeug, um genau zu bestimmen, wo frühe Schäden wahrscheinlich beginnen, wo Anker und Messinstrumente platziert werden sollten und wie zukünftige Auslöser wie Erdbeben oder Starkregen die Lage verändern könnten. Obwohl die aktuellen Simulationen zweidimensional und rechenintensiv sind, könnten eine Erweiterung auf drei Dimensionen und die Einbeziehung realistischer Auslöser sie zu einem mächtigen Bestandteil des langfristigen Sicherheitsmanagements in steilen Bergregionen machen.

Zitation: Xu, J., Deng, Z., Feng, Y. et al. Modeling progressive failure in steep rock slopes using the combined finite-discrete element method. Sci Rep 16, 11180 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40966-w

Schlüsselwörter: Hangrutschungen, Standsicherheit von Felswänden, numerische Modellierung, Wasserkraftdämme, gravimetrisches Versagen