Modellierung von Felsstürzen auf Schneeuntergrund mittels des DAN Codes

Abstract

Fels-, Bergstürze und Muren gehören aufgrund ihrer hohen Prozessgeschwindigkeit zu den gefährlichsten Naturgefahren im alpinen Raum. Prognosen über die Auslauflänge und die Ablagerung dieser schnellen Massenbewegungen können dazu beitragen, die Gefährdung von Mensch und Umwelt zu erkennen und folglich geeignete Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Zur Analyse des Prozesses schneller Massenbewegungen werden im Allgemeinen numerische Modelle eingesetzt. Die dafür erforderlichen Modellparameter werden durch Rückrechnung möglichst vieler Ereignisse ermittelt und entsprechend der herrschenden Randbedingung (trockene Verhältnisse, Beteiligung von Eis und Schnee, etc.) zusammengefasst. Diese Arbeit analysiert, ob der kontinuumsmechanische, dynamische DAN3D Code Fels- und Bergstürzen auf Schneeuntergrund simulieren kann. Dazu wurden zwei Fallbeispiele mit Schneeuntergrund unterschiedlicher Mächtigkeit eingehend analysiert. Das erste ereignete sich im Jahr 2005 im Stelzistobel (Vorarlberg), das zweite im Jahr 2012 im Alpltal (Tirol). Das Programm DAN3D kann den Sturzprozess von granularem Material über ein komplexes Gelände modellieren und berücksichtigt dabei die innere Festigkeit, die Materialmitnahme entlang des Sturzpfades (Erosion) und mittels verschiedener Rheologien den basalen Reibungswiderstand, wobei damit auch alle geschwindigkeitsproportionalen Widerstände berücksichtigt werden. Bei einem Fels- oder Bergsturz auf Schnee sind zwei unterschiedliche Bewegungsmechanismen denkbar. Zum einen kann die Absturzmasse auf dem Schneeuntergrund gleiten, wodurch der basale Reibungswiderstand deutlich reduziert wird. Zum anderen kann es durch Eingraben der Gesteinsmassen zu einer Vermischung mit dem Schnee kommen. Durch Schmelzen des Schnees zufolge der bei diesen Ereignissen erzeugten Reibungswärme kommt es zu einem Anstieg des Porenwasserdrucks in der Bewegungszone. Dadurch kann sich an der Sohle der bewegten Masse eine verflüssigte Schicht bilden, die wiederum die Mobilität erhöht. Aufbauend auf früheren Untersuchungen des Felssturzes im Alpltal wurden die Berechnungen dieser Arbeit mit den charakteristischen Werten für Felsschneelawinen und unter Berücksichtigung einer Materialmitnahme aus dem Schneeuntergrund mittels DAN3D fortgesetzt. Um die beste Übereinstimmung mit der beobachteten Auslauflänge und der Geschwindigkeitsverteilung zu erzielen, war es notwendig, den mobilisierten Schnee in die Massenberechnung einfließen zu lassen, wenn der Schneeuntergrund ausreichend dick und kompakt war. Die beiden untersuchten Fallbeispiele zeigen, dass das Programm DAN3D bei Verwendung der Voellmy-Rheologie in der Lage ist, Felsstürze auf Schneeuntergrund zu modellieren.

Rock avalanches and debris flows are due to their high process velocities among the most dangerous natural hazards in the Alpine area. Predictions of runout and deposition of these rapid mass movements can help to recognize the risk for people and the environment and thus to take appropriate countermeasures. Numerical models are used in general for the analysis of the process of rapid mass movements. The model parameters required are determined by the back-calculation of as many events as possible and are classified according to the prevailing boundary conditions (dry conditions, participation of snow, etc.). This thesis analyzes the ability of the continuum-mechanic, dynamic DAN3D model for the simulation of rock avalanches on snowy terrain. For that purpose, two case studies were analyzed in detail. The first case occurred in 2005 in Stelzistobel (Vorarlberg), whereas the second event occurred in Alpltal (Tirol) in 2012. DAN3D models the movements of granular material over complex terrain by taking the internal strength, the material entrainment along the movement path and the basal friction resistance along the path by different rheologies into account. Two different motion mechanisms are conceivable for a rock avalanche on snowy terrain. On the one hand the moving mass can slide over the snow, whereby the basal frictional resistance is significantly reduced and on the other hand entrainment of snow by the moving masses may occur. Melting of the snow due to frictional heat will lead to an increase in pore water pressure in the shear zone. Thus a liquefied basal layer at the base of the mass, enhancing the mobility can be formed. Based on earlier investigations of the rockfall in Alpltal, calculations using DAN, including the characteristic values of rock-ice avalanches and by taking the entrainment of material (i.e. of the snow surface) into account, have been performed. In case the snow cover was enough thick and compact, it was necessary to include the mobilized snow into the calculations in order to achieve the highest level of conformity with the observed runout and velocity distribution. The two examined case studies show that the program DAN3D is able to model rock-snow avalanches, if the Voellmy-rheology is applied.