Procedures for assessing the hazard posed by rock slopes

Abstract

Felsböschungen können aufgrund ihrer natürlichen Eigenschaften, ihrer geologischen Bedingungen und externen Faktoren verschiedene Gefahren bergen. Diese Arbeit konzentriert sich auf die von Felsböschungen ausgehenden gravitativen Gefahren, wie Steinschlag und Felssturz aufgrund von Böschungsversagen.Die vom Prozess Steinschlag ausgehende Gefahr wird zum einen durch seine Intensität und zum anderen durch seine Eintrittswahrscheinlichkeit bestimmt. Aufgrund der hohen Geschwindigkeiten, die fallende Felsblöcke erreichen können, kann die Intensität – selbst bei kleinen Blöcken – sehr hoch sein. Für Personen kann daher der kleinste herabfallende Block eine große Gefahr darstellen. Zur Beurteilung der Gefahr können nicht nur die Intensität und die Eintrittswahrscheinlichkeit, sondern auch die Ausbreitung und die Sprunghöhe eine wichtige Rolle spielen. Die kinetischen Energien, Sprunghöhen und Ausbreitungswahrscheinlichkeiten sind stark von den modellierten Blockgrößen abhängig.Diese Arbeit beinhaltet eine kritische Überprüfung der österreichischen Richtlinie ONR 24810 zum technischen Steinschlagschutz. Eines ihrer zentralen Elemente ist die Bestimmung einer sogenannten Bemessungsblockgröße. Diese wird als Perzentil (P95-P98, jenach Ereignishäufigkeit) aus einer Blockgrößenverteilung abgeleitet. Wir haben die Auswirkung einer Blockgrößenverteilung (BSD) gegenüber einem Bemessungsblock P95 und P98 auf Steinschlagberechnungen analysiert. Für realistische Verteilungen von kinetischer Energie, Sprunghöhe und Ausbreitung sollte die gesamte BSD simuliert werden. Dies gilt umso mehr für die Gefahrenzonierung, wenn man bedenkt, dass die vielen kleineren Blöcke einen großen Einfluss auf die Ausbreitungswahrscheinlichkeiten und die Sprunghöhen haben können. Eine möglichst realistische Modellierung erfordert daher möglichst genaue Ablösevolumina und Blockgrößenverteilungen.Das allgemeine Ziel dieser Arbeit ist es, die von Felsböschungen ausgehende Gefahr (im Sinne von Steinschlag) ganzheitlicher zu verstehen und zu zeigen, wie Ablöseflächen und Volumina (Blockgrößen) auf Grundlage fundierter Analysen bestimmt werden können.Ein diskontinuumsmechanischer Ansatz wäre der beste Weg, um das Ablösevolumen sowie die diskreten Blockgrößen für Steinschlagprozesse zu analysieren. Oft müssen jedoch kontinuumsmechanische Ansätze (aufgrund ihrer kürzeren Rechenzeit) eingesetzt werden. Indiesem Fall müssen die einzelnen Blockgrößen für Steinschlaganalysen in einem zweiten Schritt bestimmt werden. Der Ablöseprozess und der Sturzprozess sind miteinander verbundene Prozesse. Aktuelle Prozessmodelle für Steinschlag sind auf die Modellierung einzelner Trajektorien beschränkt. Sie benötigen daher die potenziellen Ablösepunkte und Blockgrößen als Input. Diese müssen mit anderen Methoden bestimmt werden. Wir habenIn-situ-Blockgrößenverteilungen (IBSDs) aus synthetischen Gebirgsmodellen (SRMMs) bestimmt und versucht, passende Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen zu finden. Der wissenschaftliche Beitrag dieser Arbeit besteht darin, die Unsicherheiten bei der Bestimmung von Ablöseflächen, Volumina und Blockgrößen zu verringern. Dies wird zum einen durch die Bestimmung von HB-Materialparametern im Grenzgleichgewicht für prognostische Berechnungen erreicht. Diese Parameter könnten auch im großen Maßstab angewandt werden, um instabile Felsböschungen zu ermitteln. Zum Zweiten werden Unsicherheiten durch die Verbesserung der Zuverlässigkeit und Qualität von Blockgrößenverteilungen verringert. Dies wurde durch die Erstellung von SRMMs, die Ermittlung von Blockgrößenverteilungen daraus sowie die Anpassung von Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen (pdfs) daran erreicht. Wir fanden eine pdf, die für die Erstellung von IBSDs allgemein anwendbar zu sein scheint. Die Untersuchung vieler weiterer Felsböschungen unterschiedlicher Lithologien mit dieser Methode könnte zu einem Katalog führen, in dem eine Reihe von Skalierungs- und Formparameter für bestimmte Lithologien empfohlen werden. Dies könnte realistischere Berechnungen der kinetischen Energien, der Sprunghöhen und der Ausbreitung – und damit der Gefahr – für einen besseren Steinschlagschutz in der Zukunft ermöglichen.

Rock slopes can pose various hazards due to their natural characteristics, geological conditions,and external factors. This work focuses on gravitational hazards posed by rockslopes, such as rock fall or rock mass fall due to slope failure.The hazard posed by a process such as rock fall is determined by its intensity on the onehand and by its probability of occurrence on the other. Due to the high velocities that fallingblocks can reach, the intensity – even of small blocks – can be very high. For persons,therefore, the smallest falling block can pose a major hazard. For hazard assessment, notonly the intensity and probability, but also the propagation and bounce height of thoseevents may be crucial. The kinetic energies, bounce heights, and propagation probabilities are strongly dependent on the modelled block size(s).This work includes a critical review of the Austrian guideline ONR 24810 for technical protection against rockfall. One of its central elements is the evaluation of a so-called designblock size. It is derived as a percentile (P95-P98, depending on event frequency) from ablock size distribution. We have analysed the effect of a block size distribution (BSD) versusa design block P95 and P98 on rock fall calculations. The entire BSD should be simulated for most realistic distributions of kinetic energy, bounce height and propagation. This iseven more true for hazard zoning, considering that the many smaller blocks may have alarge effect on the propagation probabilities and bounce heights. Therefore, most realistic modelling requires most accurate detachment volumes and block size distributions.The general aim of this work is to understand the hazard posed by rock slopes (in terms of rock fall) in a more holistic way and to show how detachment areas and volumes (blocksize(s)) can be determined based on profound analyses.A discontinuum mechanical approach would be the best way to analyse the detachment volume and discrete block sizes for rock fall processes. However, often continuum mechanical approaches are required due to the shorter computing time. This way the individual block sizes for rock fall analyses need to be determined in a second step. The detachment process and the fall process are linked processes. Current process models for rock fall are limited to modelling individual trajectories. Therefore, they require the potential detachment areas and block size(s) as input. These must be determined using other methods. We chose to determine in-situ block size distributions (IBSDs) from Synthetic Rock Mass Models (SRMMs) and fit them to probability density functions.The contribution of this work is to reduce uncertainties in the determination of detachment areas, volumes, and block sizes. This is achieved firstly by determining HB material parametersat limit equilibrium for prognostic calculations. These parameters could also be appliedto large-scale areas to identify rock slope instabilities (i.e., areas and volumes). Second,the reduction in uncertainties is achieved by improving the reliability and quality of block size distributions. This was accomplished by creating SRMMs, performing block surveys,and fitting them to probability density functions (pdfs). We found a pdf that appears to be universally applicable to the creation of IBSDs. Investigation of many more sites ofdifferent lithologies using this method could lead to a catalogue recommending a range of scale and shape parameters for certain lithologies. This could allow more realistic calculations of kinetic energies, bounce heights and propagation – and thus hazard – for betterrock fall protection in the future.