Modellierung der Einwirkungen granularer Massenbewegungen auf Rückhaltebauwerke mithilfe des Particle Flow Codes (PFC)

Abstract

In vielen vor allem gebirgigen Regionen der Erde stellen granulare Massenbewegungen (Massenströme), wie Felslawinen, Schuttströme und Muren, eine ständige Gefahr für Mensch und Infrastruktur dar. Eine gängige Praxis, um die Gefahr durch solche granularen Massenbewegungen zu minimieren, ist der Bau von Schutzbauwerken, wie etwa Schutzdämme. Für die Dimensionierung solcher Bauwerke ist es erforderlich die Einwirkung durch die Sturzmasse abzuschätzen. Zur genaueren Berechnung dieser Einwirkung, welche die Interaktion zwischen Rückhaltebauwerk und Sturzmasse miteinbezieht, existieren derzeit noch keine etablierten Verfahren. Berechnungsverfahren auf Basis der Diskreten-Element-Methode (DEM) (Cundall 1971), bei denen die Sturzmasse mithilfe von diskreten Partikeln modelliert wird, wie etwa der Particle Flow Code (PFC) der Itasca Consulting Group, stellen vielversprechende Ansätze dar.Diese Arbeit untersucht die Eignung des Particle Flow Codes (PFC) anhand einer Rückrechnung, die auf einem an der Universität Innsbruck durchgeführten Modellversuch basiert. (Berger & Wimmer 2020) Bei diesem Versuch wurde das Verhalten von fließfähigen gravitativen Massenbewegungen auf Bauwerke untersucht. Dabei wurde für mehrere Rutschenneigungen, die Einwirkung auf eine Barriere, für unterschiedliche Materialen (Stahlkugeln, Sand, Mixtur) gemessen.Dieser Versuch wurde mittels PFC3D nachgebildet. Das PFC-Modell wurde für eine Rutschenneigung von 30,2° kalibriert, und anschließend wurde diese Kalibrierung auf mehrere in dem Modellversuch untersuchten Neigungen angewendet. Durch einen Vergleich der dynamischen und statischen Einwirkung des numerischen und des physikalischen Modells wurde die Eignung der DEM (PFC) bewertet. Das generelle Prozessverhalten konnte gut abgebildet werden. Allerdings mussten bei der PFC Berechnung einige Modifikationen vorgenommen werden, um die gewünschten Resultate zu erzielen. Eine rein viskose (geschwindigkeitsproportionale) Kontaktdämpfung reichte nicht aus, um das beobachtete Prozessverhalten nachzubilden. Es musste zusätzlich eine lokale (beschleunigungsproportionale) Dämpfung angesetzt werden. Weiters waren für die Kalibrierung der Kontaktsteifigkeiten, für das verwendete Kontaktmodell mehrere Iterationen von Nöten, um das gewünschte Berechnungsziel zu erreichen.Bei der durchgeführten Untersuchung hat sich herausgestellt, dass es mit PFC möglich ist, die Interaktion eines Sturzprozesses mit einer Barriere zu simulieren und die daraus resultierenden Einwirkungen zu berechnen.

In many regions of the world, especially in mountainous areas, granular mass movements (mass flows), such as rock avalanches, debris flows and mudflows, pose a constant threat to people and infrastructure. A common practice to minimize the danger from such granular mass movements is the construction of protective structures, such as protective dams. For the di-mensioning of such structures it is necessary to estimate the impact due to the mass of the fall. For a more precise calculation of this impact, which includes the interaction between the retaining structure and the fall mass, there are currently no established methods. Calculation methods based on the discrete element method (DEM) (Cundall 1971), in which the lintel mass is modeled using discrete particles, such as the Particle Flow Code (PFC) of the Itasca Con-sulting Group, represent promising approaches.This paper investigates the suitability of the Particle Flow Code (PFC) using a back-calculation based on a model experiment conducted at the University of Innsbruck. (Berger & Wimmer 2020) In this experiment, the behavior of flowable gravitational mass movements on structures was investigated. Thereby, the impact on a barrier was measured for several slide inclinations for different materials (steel balls, sand, mixture).This test was modeled using PFC3D. The PFC model was calibrated for a slide inclination of 30.2°, and then this calibration was applied to several inclinations investigated in the model test. By comparing the dynamic and static action of the numerical and physical models, the suitability of the DEM (PFC) was evaluated.The general process behavior could be reproduced well. However, some modifications had to be made in the PFC calculation to achieve the desired results. A purely viscous (velocity-pro-portional) contact damping was not sufficient to reproduce the observed process behavior. A local (acceleration-proportional) damping had to be applied additionally. Furthermore, several iterations were necessary to calibrate the contact stiffnesses for the contact model used to achieve the desired calculation goal.In the investigation carried out, it was found that with PFC it is possible to simulate the inter-action of a fall process with a barrier and to calculate the resulting impacts.