基于FDEM模拟的阶梯式破坏机制分析：含雁列节理岩质边坡稳定性与敏感性研究

针对含雁列节理岩质边坡的阶梯式破坏机制不明问题，研究人员采用自主研发的有限元-离散元耦合方法（FDEM）开展数值模拟，揭示了节理空间分布与几何参数对破坏模式的影响规律，提出稳定性敏感性排序（JA>SA>SH>JL>RA>RL），为滑坡风险评估提供了理论与数据支撑。

　　

岩质边坡的稳定性一直是地质灾害防治领域的核心挑战。在自然界中，雁列节理（en-echelon joints）的分布使得岩质边坡的破坏常呈现独特的阶梯式（step-path）模式，这种破坏过程涉及节理与岩桥（rock bridge）的复杂相互作用，传统理论分析和实验手段难以全面揭示其机制。随着计算机技术的发展，数值模拟成为研究此类问题的有力工具，但现有方法在模拟岩体从连续到非连续行为的转变时仍存在局限。

针对这一科学难题，重庆大学的研究团队在《Simulation Modelling Practice and Theory》发表了创新性研究。他们基于自主研发的通用图形处理器（GPGPU）并行化有限元-离散元耦合方法（Combined Finite-Discrete Element Method, FDEM），开发了包含两阶段计算流程的边坡模块：第一阶段通过局部阻尼方案和优化质量缩放技术快速实现重力下的初始应力平衡；第二阶段结合强度折减法（strength reduction method）与动能监测，精确模拟裂缝萌生-扩展全过程，并计算安全系数（FOS）。

研究以重庆龙门桥水库边坡为原型，建立了含/不含雁列节理的数值模型。通过对比分析发现，雁列节理使边坡FOS从25.99降至19.59，且破坏过程呈现明显的自下而上渐进特征：小变形阶段裂缝沿节理与岩桥依次扩展， detachment阶段岩桥内剪应力方向反转。正交实验设计（六因素三水平）结合单变量分析表明，边坡稳定性对节理角度（JA）最敏感，敏感性排序为JA>边坡角度（SA）>坡高（SH）>节理长度（JL）>岩桥角度（RA）>岩桥长度（RL）。

关键技术方法包括：1）基于Y-HFDEM IDE平台的GPGPU并行化FDEM；2）两阶段计算流程（应力平衡+强度折减）；3）正交实验设计（18组模型）与单变量分析（24组模型）；4）动能阈值控制与破坏面检测算法。

研究结果可分为四部分：

1. 阶梯式破坏全过程模拟：含节理边坡的破坏呈现"底部节理启裂→中部岩桥贯通→顶部应力反转"的典型阶梯式路径，动能峰值（1.17×10⁷ J）比完整岩体高57%。
2. 应力状态演化：岩桥在破坏前承担抗滑作用（剪应力方向相反），整体失稳时剪应力方向反转，该现象被首次通过数值模拟捕捉。
3. 参数敏感性：JA从20°增至40°时，FOS下降62%，且岩桥破坏模式从剪切主导（JA=20°）转为拉伸主导（JA=40°）。
4. 能量耗散规律：破坏过程可分为小变形（η_b快速上升）、脱离（η_b稳定）、运移（二次破碎）和堆积四阶段，节理存在使最终破碎率（η_b=5.79%）低于完整岩体（6.45%）。

该研究的创新性体现在三方面：首先，开发的GPGPU并行FDEM突破了传统方法在模拟岩体断裂-破碎连续过程的局限；其次，提出的动能阈值控制策略实现了强度折减与裂缝扩展的精准耦合；最后，建立的六因素敏感性体系为工程实践提供了量化设计依据。研究结果不仅深化了对阶梯式破坏机制的认识，更为复杂地质条件下的滑坡预测提供了新工具，相关方法已成功应用于小湾水电站等工程边坡的稳定性评估。

值得关注的是，团队发现节理角度对稳定性的影响呈非线性：当JA>30°时，虽然滑体体积减小，但滑动速度加快导致动能反弹。这一现象提示在实际工程中，仅通过节理角度判断风险可能存在盲区，需结合动能演化进行综合评估。未来研究可进一步考虑水力耦合与地震动等复杂环境因素的影响，以完善阶梯式破坏的理论框架。