Stabilitätsuntersuchung von Felswänden mithilfe von SRM-Modellen und der Block Theory

Abstract

Ziel dieser Diplomarbeit ist es, einen möglichen Arbeitsprozess der Stabilitätsuntersuchung von Felswänden mit Hilfe von Fotogrammmetrie und Synthetic Rock Mass (SRM) Modellen zu betrachten, um zu untersuchen, inwieweit das Konzept der „key blocks“ (BLOCK THEORY) auf ein SRM Modell anwendbar ist und welche Vorteile und Anwendungsgrenzen dies hat.Zuerst beschreibt die Arbeit, wie ein SRM Modell, also ein dreidimensionaler Zwilling der Felswand, erstellt wird. Dazu wird in einem ersten Schritt eine Serie von überlappenden Fotos mit einer Kameradrohne von der Felswand erstellt und diese Fotos mit der Software AGISOFT METASHAPE zu einem digitalen Oberflächenmodell der Felswand zusammengefügt. Dieses Modell eignet sich gut, um virtuell mit der Software CLOUDCOMPARE Trennflächenorientierungen und -dichten zu messen. Darauf aufbauend ist es möglich ein Volumenmodell zu generieren und dieses mit einem DISCRETE FRACTURE NETWORK (DFN), also einem diskreten Trennflächengefüge, zu verschneiden. Dabei wird eine Blockansammlung generiert, welche eine realitätsnahe Abbildung des Gebirges (Felswand) darstellt. Für diese genannten Schritte kommen die Softwarepakete RHINO und 3DEC (Itasca 2023; McNeel 2021) zum Einsatz. In dieser Arbeit wurden nur starre Blöcke und durchgehende Trennflächen ohne Felsbrücken modelliert.Im Zuge dieser Arbeit wurden zwei neue Berechnungsverfahren entwickelt. Das erste prognostiziert anhand einer kurzen Berechnung versagende Blöcke und fixiert den stabilen Rest der Felsmasse. Somit müssen nur die als verschieblich identifizierten Blöcke berechnet werden. Es zeigt sich, dass mit dieser Methode Rechenzeit gespart werden kann und damit aufwendigere SRM Modelle modelliert und berechnet werden können.Das zweite Verfahren baut auf dem ersten auf und ermittelt in einem iterativen Prozess potentiell instabile Blöcke. Dazu werden ausgehend von einem stabilen Systemzustand, die Trennflächenfestigkeiten im Modell schrittweise reduziert. Nach jeder Reduktion werden dabei die als instabil identifizierten Blöcke in allen Freiheitsgraden gesperrt (um z.B. eine Felssicherung zu simulieren). Anschließend wird die Berechnung mit den neuen Randbedingungen wiederholt und weitere instabile Blöcke identifiziert. Die Hypothese der Arbeit ist, dass mit diesem Verfahren numerisch Blöcke gefunden werden, die eine Übermenge darstellen, in der die „key blocks“ liegen, und dieser Überschuss geringgehalten wird. Damit sollte es möglich sein, effizienter Böschungssicherungen zu planen.Für die Untersuchung dieser Hypothese wird ein Fallbeispiel, eine Felswand nahe der Gemeinde Tiefenbach, herangezogen. Außerdem wird ein vereinfachtes Validierungsmodell generiert, um diese Methode mit dem herkömmlich angewandten Konzept der „key blocks“ zu vergleichen.Die beiden Verfahren zeigen hohes Potential, effektive Stabilitätsuntersuchungen an Felswänden durchzuführen, um deren Sicherung wirtschaftlich zu gewährleisten.Generell zeigt die Arbeit, dass inzwischen die Rechenleistung von Workstations ausreichend groß ist, um Felswände mit Trennflächen-orientiertem Versagen in hoher Modellqualität zu berechnen, ohne starke Vereinfachungen treffen zu müssen.

The aim of this thesis is to examine a potential workflow for stability assessment of rock faces using photogrammetry and Synthetic Rock Mass (SRM) models, to investigate the extent to which the concept of "key blocks" (BLOCK THEORY) is applicable to an SRM model and the advantages and limitations thereof.Firstly, the thesis describes the creation of an SRM model, which is a three-dimensional replica of the rock face. In the initial step, a series of overlapping photos of the rock face are captured using a camera drone, and these photos are then merged into a digital surface model of the rock face using AGISOFT METASHAPE software. This model is well-suited for virtually measuring fracture orientations and densities using CLOUDCOMPARE software. Building on this, it becomes possible to generate a volume model and intersect it with a Discrete Fracture Network (DFN). A collection of blocks is generated, which represents a realistic depiction of the rock mass (rock face). The software packages RHINO and 3DEC (Itasca 2023; McNeel 2021) are employed for these steps. In this thesis, only rigid blocks and continuous fractures without rock bridges were modelled.In the course of this work, two new calculation procedures were developed. The first procedure predicts failing blocks through a brief calculation and locks the stable remaining rock mass into position. As a result, only the blocks identified as displaceable need to be computed. It is shown that this procedure can save computation time, enabling more intricate SRM models to be modelled and calculated.The second procedure builds upon the first and identifies potential unstable blocks through an iterative process. Starting from a stable system state, the fracture strengths in the model are gradually reduced. After each reduction, the blocks identified as unstable are locked in all degrees of freedom (e.g., to simulate rock reinforcement). Subsequently, the calculation is repeated with the new boundary conditions, identifying further unstable blocks. The hypothesis of the thesis is that this procedure numerically identifies blocks that form a superset encompassing the "key blocks," while minimizing this excess. Hence, it should be possible to plan slope stabilisation more efficiently.To investigate this hypothesis, a case study of a rock face near the community of Tiefenbach is employed. Additionally, a simplified validation model is generated to compare this procedure with the conventionally employed concept of "key blocks."Both procedures exhibit significant potential for conducting effective stability assessments of rock faces, ensuring their cost-effective reinforcement.In general, the dissertation demonstrates that the computational power of workstations is now sufficiently substantial to calculate rock faces with fracture-oriented failure at a high model quality, without the need for significant simplifications.