Dreidimensionale numerische Simulation von Felsmassenstürzen mittels der Methode der Distinkten Elemente (PFC)

Abstract

Massenbewegungen in alpinen Regionen stellen oft eine Gefährdung von besiedeltem Gebiet und Infrastruktureinrichtungen dar. Die Auswirkungen von drohenden Massenbewegungen abschätzen zu können, ist daher von großer Wichtigkeit. Aus geomechanischer und felsmechanischer Sicht erschien es aus Gründen der Modellierbarkeit sinnvoll, im Gegensatz zu den gebräuchlichen Klassifizierungen Massenbewegungen in den Auslöse- oder Versagensmechanismus einer Talflanke oder Felsböschung und den Sturzprozess zu unterteilen. Die Sturzprozesse werden in Steinschlag, Felssturz und Bergsturz eingeteilt. Während unter Steinschlag der Sturz von Einzelblöcken verstanden wird, werden mit Felssturz und Bergsturz rasche, sturzartige Massenbewegungen unterschiedlicher Volumina bezeichnet, bei denen Felsmassen, bestehend aus diskreten, interagierenden Einzelblöcken, durch gravitative Kräfte bewegt werden. Für die Begriffe Felssturz und Bergsturz wird der Überbegriff "Felsmassensturz" eingeführt. Für die numerische Untersuchung von Felsmassenstürzen im dreidimensionalen Raum unter Zugrundelegung realer physikalischer Zusammenhänge wurde das Programm PFC (Particle Flow Code), basierend auf der Methode der Distinkten Elemente, herangezogen. Die Grundelemente von PFC sind kugelförmige Partikel, die sich beliebig anordnen und zu größeren Einheiten verbinden lassen, sowie ein- bzw. zweidimensionale Wandelemente. PFC besitzt neben den Bewegungs- und Kontaktgesetzen für einzelne Blöcke auch eine Routine für die Ermittlung jener Blöcke, die miteinander oder mit der Geländeoberfläche in Kontakt treten. Die Partikel können an ihren Kontaktpunkten Bindungen eingehen, die infolge einer zu großen Belastung (Aufprall) auch wieder brechen können. Für eine realistische Modellierung des Sturzprozesses war es notwendig neben der vorhandenen nichtviskosen Dämpfung eine viskose Dämpfung für den Aufprall eines Blockes auf die Geländeoberfläche einzuführen und geeignete Dämpfungswerte anhand von numerischen Aufschlagtests und durch Rückrechnung (z.B. des Felsmassensturzes Frank Slide, Alberta, Kanada) zu ermitteln. Die Bewegungsarten Springen, Gleiten, Rollen und der freie Fall, die bei Steinschlägen und Felsmassenstürzen auftreten, und die Interaktion zwischen Partikeln konnten damit in PFC realistisch modelliert werden. Die Möglichkeiten realistischer, dreidimensionaler Modellierungen von Felsmassenstürzen in PFC3D mithilfe der durchgeführten Adaptionen werden an den Beispielen der Felsmassenstürze Eiblschrofen (Tirol, Österreich) und der Massenbewegung Oselitzenbach (Kärnten, Österreich) gezeigt. Diese auf geomechanischen Grundlagen basierende Methode ist daher geeignet, bei der Abgrenzung von Gefährdungsgebieten, bei der Dimensionierung von Schutzmaßnahmen usw. im Zusammenhang mit Felsmassenstürzen einen wichtigen Beitrag zu leisten.

Mass movements in alpine regions are often endangering populated areas and infrastructural facilities. Therefore the ability to give an estimation of the area affected by a possible mass movement is of great importance. Contrary to classification systems of landslides commonly used, the processes of mass movements have been divided into failure mechanisms of rock slopes and into the runout process due to geomechanical and rock mechanical aspects and because of modelling reasons. Several terms such as rock avalanche, sturzstrom, rockfall, fragmental rockfall are used to describe the runout. In this paper the term rock mass fall is introduced in order to describe a rapid mass movement, where a mass of discrete, interacting rock blocks falls downslope due to gravity. Therefore the possible runout processes are divided into falls of single blocks - a fragmental rockfall - and into the so called rock mass fall. The program PFC (Particle Flow Code) based on the Distinct Element Method was used in order to model rock mass falls realistically in 3 dimensions based on physical relations. PFC models the movement and interaction of circular (2D) or spherical (3D) particles and wall elements using the laws of motion and of force - displacement. In the course of the calculation the contacts between particles and particles or particles and walls are detected automatically. The particles may be bonded together at their contact points, and the bondage can break due to an impact. For realistic modelling of the runout a viscous damping routine in case of a particle - wall contact was introduced. The viscous damping acts concurrently with the non viscous damping, which is varied additionally due to the nature of the wall. Numerical drop tests, comparisons with the results of a rockfall program and back analyses (e.g. the rock mass fall of the Frank Slide) provided appropriate damping factors. Thus, the movement types bouncing, sliding, rolling and free falling of single rock blocks and the interaction between the blocks occuring in a rock mass fall could be modelled realistically by using the adapted code of PFC. This method was applied in order to estimate the three dimensional effects of a possible rock mass fall at the Eiblschrofen (Tyrol, Austria) and of the mass movement Oselitzenbach (Carinthia, Austria). Thus this method using geomechanical basics offers an appropriate possibility of estimating areas endangered by rock mass falls and of dimensioning protective measures.