Моделирование прогрессирующего разрушения крутых скальных откосов с использованием комбинированного конечно‑дискретного метода

Почему шаткие горные стены важны

Высокие скалистые стены каньонов могут выглядеть монолитными, но при определённых условиях они внезапно обрушаются, отправляя миллионы тонн горной массы вниз по склону. Для людей, живущих ниже по течению больших плотин, или для тех, кто ездит по горным дорогам, понимание того, когда такие откосы могут дать сбой, — вопрос безопасности, планирования и затрат. В этом исследовании предложен новый способ цифровой «нагрузочной проверки» крутых скальных откосов, который позволяет инженерам увидеть не только то, небезопасен ли склон, но и как именно и когда он может разрушиться.

Скрытые слабости в гигантских утёсах

Склон горы редко состоит из однородной бездефектной породы. Слои песчаника и сланца, старые трещины и выветрелые зоны создают мозаичную картину прочных и слабых полос. На западе Китая, особенно вдоль глубоко расчленённых каньонов верхнего течения реки Ланьцан, гидроэнергетические сооружения возводятся прямо в таких крутых стенах. Хотя эти откосы могут деформироваться медленно под собственным весом, они способны разрушиться катастрофически, если трещины соединятся по уязвимым пластам. Традиционные инженерные инструменты могут оценить общий запас прочности, но не в полной мере отражают, как маленькие трещины возникают у подножия, распространяются вверх и в итоге отпускают движущуюся массу горной породы.

Ограничения старых инструментов прогнозирования

Инженеры давно используют три основных типа компьютерных методов для проверки устойчивости откосов. Первый — метод предельного равновесия — уравновешивает движущие и сопротивляющиеся силы вдоль предполагаемой поверхности скольжения; он быстрый, но требует предварительного предположения о форме этой поверхности и описывает лишь мгновение разрушения. Второй — метод конечных элементов — отслеживает деформацию твердой породы, но с трудом передаёт внезапное появление и рост трещин. Третий — метод дискретных элементов — представляет склон отдельными блоками, которые могут двигаться и сталкиваться, но не способен описать раннюю стадию, когда порода всё ещё ведёт себя как непрерывная масса. Ни один из этих методов по‑отдельности не может плавно проследить путь от кажущейся целой горы до разбросанных валунов на дне долины.

Цифровой склон, который разрушается как в реальности

Авторы объединяют сильные стороны этих подходов в рамках, называемой конечно‑дискретным методом (FDEM), и сочетают её со стратегией «увеличения гравитации». В их виртуальном склоне порода представлена множеством мелких твердых частей, связанных между собой по невидимым швам. По мере роста моделируемых напряжений эти связи могут ослабевать и разрушаться, превращая непрерывную породу в отдельные блоки, которые скользят и сталкиваются. Вместо того чтобы угадывать поверхность скольжения, модель постепенно увеличивает эффективное притяжение гравитации до тех пор, пока склон не покажет внезапный скачок движения и кинетической энергии. Уровень гравитации в этот момент даёт коэффициент запаса прочности, а развивающаяся картина трещинообразования и движения показывает, как именно происходит разрушение.

Проверка метода на реальном каньоне

Чтобы проверить, ведёт ли себя цифровой склон как в природе, команда смоделировала 796‑метровый скальный откос рядом с гидроэлектростанцией на верхнем течении реки Ланьцан. Они построили упрощённый поперечный разрез, включив разные зоны выветривания и ключевой разлом, а затем задали параметры модели на основе измеренных свойств пород. По мере постепенного увеличения гравитации симуляция воспроизвела реалистичную последовательность: сначала мелкие трещины возникли у подножия в наиболее выветрелой породе; затем эти трещины объединились в непрерывную слабую полосу; затем крупная скальная масса соскользнула по этой полосе, раскололась на блоки и остановилась в виде широкой осыпи в долине. Пройденные расстояния, глубины разрушения и итоговая ширина обломков в целом хорошо соответствовали полевым наблюдениям, различия обычно были менее 20 процентов.

Сопоставление со стандартными методами

Исследователи сравнили свою новую схему с широко используемыми методами предельного равновесия и дискретных элементов, вычислив, насколько устойчивым выглядел тот же откос в каждом случае. Все три подхода дали схожие коэффициенты запаса и согласились в общем положении основной поверхности скольжения вдоль слабого, сильно выветрелого слоя. Ключевое отличие заключалось в том, что новый подход FDEM в сочетании с увеличением гравитации сделал больше, чем просто подтвердил, что склон находится на грани устойчивости. Он также показал момент появления первого движения, роль разлома в инициировании вторичных обрушений из вышележащих участков и то, как блоки взаимодействовали и фрагментировались по пути вниз — детали, важные для проектирования укреплений и планирования систем мониторинга.

Что это значит для более безопасных горных проектов

В исследовании сделан вывод, что комбинированная модельная платформа способна надёжно отслеживать полный жизненный цикл оползня — от первых тонких трещин до конечной кучи обломков. Для откоса на реке Ланьцан вычисленный коэффициент запаса указывает, что скальная стена лишь едва устойчива при текущих условиях, что подразумевает необходимость дополнительных опор и осторожного ведения выемки. В более общем плане метод даёт инженерам возможность точно определить, где вероятнее всего начнутся ранние повреждения, где размещать анкеры и приборы мониторинга, а также как будущие возмущения, такие как землетрясения или сильные ливни, могут изменить ситуацию. Хотя нынешние симуляции двухмерны и требуют значительных вычислительных ресурсов, их расширение до трёх измерений и добавление реалистичных триггеров может сделать их мощным инструментом долгосрочного управления безопасностью в крутых горных районах.

Цитирование: 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

Ключевые слова: оползни, стабильность скальных откосов, численное моделирование, гидроэлектростанции, гравитационное разрушение