複合有限離散要素法を用いた急傾斜岩盤の漸進的破壊のモデリング

揺らぐ山腹が重要な理由

高く岩が露出した渓谷の壁は堅固に見えても、条件が整うと急に崩れて数百万トンにおよぶ岩塊が斜面を転がり落ちることがあります。大規模ダムの下流に暮らす人々や山間高速道路を走る人々にとって、斜面がいつ崩れるかを理解することは安全、計画、費用に直結します。本研究は、土木技術者が斜面が不安定かどうかだけでなく、どのように、いつ崩壊するかを詳細に観察できるように、急傾斜岩盤をデジタルで「負荷試験」する新しい手法を探ります。

そびえる崖に潜む弱点

山地の斜面は均質で無傷の岩でできていることは稀です。砂岩や頁岩の層、古い断裂、風化帯が強弱のパッチワークを作ります。特にランツァン川上流の深く切れ込んだ峡谷沿いでは、水力発電事業がこうした急勾配の岩壁に直接組み込まれています。斜面は自重でゆっくり変形することがありますが、脆弱な層に沿って亀裂がつながると破局的に崩壊することがあります。従来の工学的手法は全体の安全余裕を見積もることはできますが、斜面基部で生じた小さな亀裂がどのように上方に成長し、やがて動く岩塊を解放するかを完全には捉えられません。

古い予測手法の限界

斜面安定性を評価するためにエンジニアは長年、主に三つの計算手法を用いてきました。ひとつは極限平衡法で、想定した滑り面に沿う駆動力と抵抗力を釣り合わせます。高速ですが滑り面の形状を事前に仮定する必要があり、破壊の瞬間しか記述できません。二つ目は有限要素法で、固体岩盤の変形を追えますが、亀裂が突然出現・成長する過程を扱うのが苦手です。三つ目は離散要素法で、斜面を個々のブロックとして表現し移動や衝突を扱えますが、岩がまだ連続体として振る舞っている初期段階を表現できません。これらの方法のいずれかだけでは、見かけ上無傷の岩から谷底に散らばる礫までの流れを滑らかに追跡することはできません。

破壊が現実的に再現されるデジタル斜面

著者らはこれらの手法の長所を統合した枠組み、有限—離散要素法（FDEM）を採用し、「重力増大」戦略と組み合わせています。仮想斜面では岩盤が多数の小さな剛体片として、目に見えない接合面で結合された形で表現されます。シミュレーション上の応力が高まると、これらの結合が弱まり破断し、連続した岩が分離したブロックに変わり滑動・衝突します。破壊面を仮定する代わりに、モデルは有効重力を徐々に増加させ、斜面がある点で突然の運動と運動エネルギーのジャンプを示すまで進めます。その時点の重力レベルが安全係数を与え、亀裂や運動の進展パターンが破壊の進行を正確に示します。

実際の峡谷で手法を試す

このデジタル斜面が現実世界と同様に振る舞うかを確かめるために、研究チームはランツァン川上流の発電所脇にある高さ796メートルの岩盤斜面をモデル化しました。異なる風化帯と主要な断層を含む簡略断面を構築し、計測された岩石物性を用いてモデルパラメータを設定しました。重力を段階的に増幅すると、シミュレーションは現実的な一連の過程を再現しました。まず、斜面基部の最も風化した岩で微小な亀裂が発生し、これらが連続した弱帯に結合し、その後大きな岩塊がその帯に沿って滑り、ブロックに崩壊して谷底に広い堆積物として停止しました。移動距離、亀裂の深さ、最終的な堆積物の幅はいずれも現地観測と良く一致し、差異は概ね20パーセント未満でした。

従来法との比較検証

研究者らは、この新しい枠組みを、広く用いられている極限平衡法および離散要素法と比較し、同一斜面について各手法でどのように安定性が評価されるかを算出しました。三つのアプローチはいずれも類似した安全係数を示し、主たる滑り面が強く風化した弱層に沿っているという概ね同じ位置を示しました。重要な違いは、新しいFDEM–重力アプローチが斜面がかろうじて安定かどうかを確認するだけにとどまらなかったことです。初動のタイミング、上部からの二次崩落を誘発する断層の役割、そしてブロックが斜面を下る過程でどのように相互作用し粉砕されるかを明らかにし、補強設計や監視システムの計画に不可欠な詳細を提供しました。

山岳事業の安全性向上への示唆

本研究は、この複合モデリング枠組みが、最初の微細な亀裂から最終的な瓦礫の山に至るまで、地すべりの全経過を信頼性高く追跡できることを結論づけています。ランツァン川の斜面については、算出された安全係数は現状でその岩壁がぎりぎり安定していることを示しており、追加の補強や慎重な掘削が必要であることを示唆します。より広い視点では、この手法はエンジニアに早期損傷が発生しやすい場所、アンカーや観測機器を設置すべき場所、地震や豪雨など将来のきっかけがどのように状況を変えるかを特定する手段を提供します。現時点のシミュレーションは二次元で計算負荷が大きいものの、三次元化や現実的な誘発要因の導入により、急傾斜山地での長期的な安全管理において強力なツールになり得るでしょう。

引用: 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

キーワード: 地すべり, 岩盤斜面の安定性, 数値モデリング, 水力発電ダム, 重力破壊