Svahové deformace: blok 2 Dynamika svahových pohybů Syllabus - faktory vzniku S.D. - spouštěcí mechanizmy - cykličnost v průběhu porušení svahů - modelování svahových deformací (stabilitní analýzy, kinetické modelování, numerické modelování hlubokých svahových deformací) - aplikace GIS při predikci svahových pohybů Faktorv vzniku svahovvch deformací: rimární: zemská gravitace strukturně-qeoloqické: tektonické X litologické (puklinatost, vrstevnatost, geotechnické parametry materiálu) eomorfologické (sklon svahu, eroze, potenciální energie) seizmické (zemětřesení) klimatické (srážky: distribuce, délka, intenzita, střídání teplot) ntroDooenní změna sklonu svahu - porušena rovnováha sil, vzrůstá napětí ve smyku tíže hornin náhle pritizeni otřesy, vibrace změny obsahu vody (pórové tlaky) objemové změny jílovců bobtnáním objemově - teplotní změny rychlé změny vodní hladiny podzemní voda: proudící voda, chemická a mechanická sufoze, vztlaková síla činnost mrazu zvetrávaní ä 900 E 800 § 700 i 600 § 500 $ 400 5 300 I 200 Ô 10° mělké S. hluboké o 20 ■i: so eo 100 Duration (days i landsfitfes ■ no landslides _ Threshold cykličnost v průběhu porušení svahů řada faktorů vzniku S.D. působí cyklicky extraterestrické (dle Špůrka): • změna fázových úhlů planet sluneční soustavy a měsíce • slapové jevy klimatické: • roční chod teplot (způsobuje teplotně-objemové změny masívu) • roční chod srážek (jarní tání, červencové deště, extrém: monzunové oblasti) dlouhodobější změny klimatu (glaciál / intergiacial, klimatické oscilace) Primárny creep rheoloqické: creep: pomalé plastické deformování metriálu, bez srn. ploch primární (tlumený) sekundární (ustálený) rychlost přetváření konst., pretrhaní a regenerace vazeb v rovnováze terciemi (akcelerační) může přejít v sesouvání nebo se utlumí a dochází k cykličnosti Elastické napätie Terciérmy creep Distribution of landslide events in the Friboung Prealps Deforestation index in the Schwarzsee area c d Periods of ! Humidity index, human impact i inferred from on ihe Gerzensee vegetation lake analyses Solifluction phases in the Eastern Swiss Alps f Glacier fluctuations in the Swiss Alps Sesuvné fáze pozdního glaciálu a holocenu ve Švýcarských Alpách (Dapples et ah 2002) Svahové deformace: základní aeotechnické vlastnosti oodloží obi emová hmotnost zeminv / hornin p = m / V nebo p = (1- n). ps + n . Sr. pw [kg.nr3] ps___hustota pevných částic, Sr.. .stupeň nasycení, pw ... hustota vody, n.. .pórovitost pro geotechnické výpočty často Objemová tíha J = g . p Konzistence: Konzistenční meze Mezi jednotlř /ými konzistenční mi stavy jsou smluvní meze, tzv. konzistenční meze. stav tvrdý stav pevný stav plastický stav tekutý (kašovitý) tuze měkce H>, Wp Wl *^j - mez smrštíte! nosti, wp - mez plasticity, , ™L - mez tekutosti. COULUMBUV VZTAH: Tf....[MPa] Smyková pevnost Tf, tangenciální napětí na smykové ploše (vnitřní odpor zeminy) Of.....[MPa] normálové napětí působící kolmo na smykovou plochu C.....[MPa] soudržnost (koheze) zeminy, dána vzáj. vazbami mezi částicemi a vodou (p.....[°] úhel vnitřního tření, reprezentuje tření mezi zrny skeletu Modelování svahových deformací důležité pro pochopení a posouzení porušeného svahu, k možným předpovědím dalšího deformování a posouzení možného vlivu lid. zásahů analytické X numerické modely analytické: statické X dynamické modely kinematické modely aplikace GIS při predikci nestabilit svahů, Analytické přístupy • deterministické metody umožňující jednoduchou (velmi zjednodušenou) odpověď • postaveny na hraniční / kritické rovnováze sil a jsou prováděny na bázi statiky • nejběžnějším výstupem je stupeň stability Fs Numerické metoch •jsou rovněž dynamické, materiál v dynamické rovnováze •postaveny na metodách konečných rozdílů, konečných prvků a hraničních prvků • složité počítačové modelování, software: Flac, Flac 3D, Udec, Slope, Plaxis statické X dynamické modely Statické Linženyrské"): • posuzují sesuv v jeho uklidněném stavu a hledají impulzy, vedoucí k jeho destabilizaci • založeny na rovnováze sil podél potenciální smykové plochy, síly stabilizující X destabilizující, faktor (stupeň) stability Fs = síly stabil. / destabil. další upřesnění: pórové tlaky, různé definování střiž, napětí, seizm. impulzů...... F =1 F > 1 s stav indiferentní stav stabilní F<1 stav nestabilní dynamické („geovědní") modely • započítávají pohyb sesuvu jakmile se stal aktivní; •založena na počítání pohybu, odchylka faktorů způsobí pokles st. stability pod 1. Poměr pasivních a akt. sil je míň důležitý než rozdíl mezi nimi, který udává sesuvu zrychlení • aplikace při seizmickém spouštění sesuvů pouze pro „non-brittle" materiály dílčí metody: • metoda pásků: rotační plochy, okamžitá rovnováha momentu sil, opomíjí rovnováhu sil Bishovova metoda: rotační plochy, rovnováha vertikálních sil a momentů sil, opomíjí vodorovné síly metoda rovnovážných sil: jalzykoliv tvar sm. plochy, založena na rovnováze sil, opomíjí rovnováhu momentů sil WMwnmmĚL rovnováze sil a momentů sil • Spencerova metoda: jakýkoliv tvar sm. plochy, založena na rovnováze sil a momentů sil, boční síly uvažovány paralelně se sm. plochou Trial slip circle F = 1.43 calculated using the Ordinary Method of Slices F * 1.52 calculated using Bishop's Modified Method Slice weight w.b£(y,h,) SoiM Soil 2 Sirty Sand Í; c = 4.8 kN/m2 H + = 35° >& y = 17.3 kN/m3 Firm soil Clay c = 35.9 kN/m2 + -0 Y=17.3kN/m3 e = { Slice Weight 1 a c 1 * u i 1 í 2 3 I 4 I 5 i 6 Trial #1 Fa = ! Slice N0 Ni N2 N3 N4 AE 1 j 1 1 2 3 I 4 i 5 1 6 Trial #2 Fa = Slice No Ni N2 N3 N4 AE 1 1 2 3 ! 4 ' 5 6 tabulka pro výpočet rovnovážné metody s konst. 9 ZAE = N0 = sin a - cos a tan | / F cos a + sin a tan <|> / F N2 = ^ (cos a + No sin a) N! = W No N3 = u I (sin a - No cos a) N4 = cos 6 + No sin e AE = (N, - N2 + N3) / N4 0 = side force angle - degrees W - weight of slice - kN/m 0 = friction angle - degrees a = slice base angle - degrees Fa = assumed F c - cohesion intercept - kN/m2 u ■ pore pressure - kN/m2 I = length of slice base - m The shear plane of a rotational slide is curved and therefore the stability analysis outlined in Box 7.2 must be modified. One way the stability of a rotational slide can be evaluated is to divide the slide into a number of 'slices' of length L and aggregate the forces acting of each of these slices (Fig. B7.3). The weight (W) is taken as operating through the centre of each slice. The angle of the shear plane (a) is calculated for each slice from the centre of rotation (O). The effective normal stress (ď) at the base of each slice is W cos a and the shear strength (.0 is W sin a. The safety factor (F) can then be defined as ■\ F = £ [cL + (W cos a - uL) tan t|>] B A W sin a B where c is cohesion, u the pore-water pressure at the base of the slice and tan <|) the angle of internal friction. E kinematické modelování - modelování parametrů dráhy bahenních proudů, sesuvů, sutí a řičených balvanů - vstupní parametry: tvar, velikost a hmotnost pohybujícího se materiálu, sklon a tvar svahu....... - např. program COLORADOFALL m 10 Camera pos 2 abíervíd 5' i ^ %\ \ & 10 m Camera pos 3 observ*d ■ ■ ■ i i i ■ > i ■ > ■ S 10 m FIGURE 2*10 Comparison between observed and computed trajectories of rockfalls in the Bedrina area, St Gotthard, Switzerland (from Bozzolo et al., 1988) Metoda konečných rozdílů ÍFDM Kód numerického modelovaní pro geotechnické analýzy FLAC 5.00 (Fast Lagrangian Analysis ofContinua) hornina považována za semi-homogenní Flac umožňuje sérií cyklických výpočtů diferenciálních rovnic modelovat plnou nelineární reakci systému (zemina, skalní hornina, roztok) na vnitřní a vnější vlivy Geotechnické parametr zjištěny z výsledků laboratorních testů a tabelárních hodnot mirne upraveny hladina PV v blízkosti povrchu sub-model model type material density bulk modulus shear modulus cohesion Cef friction angle tension joint angle joint cohesion joint friction joint tension | vac 9c elastic Solan Fm. 2700 2.70E+10 7,00E+09 1.04E+07 39 ubiq. joints Beloveza Fm. 2600 1.00E+09 1.50E+09 2,00E+04 22 1,00E+04 170 8,00E+03 20 3,00E+03 I ubiq. joints weathered B.F. 2300 5,00E+08 8,00E+08 5,00E+03 11 3,00E+03 170 6,00E+03 20 3,00E+03 I 1 kobľ ubiq. joints region 1 2500 2,00E+09 1.50E+09 2,00E+04 15 1,00E+04 45 0 15 0 I ubiq. joints region 2 2500 3,00E+09 1.50E+09 2,00E+04 20 1,00E+04 110 0 15 0 I ubiq. joints region 3 2500 3,00E+09 1.50E+09 2,00E+04 20 1,00E+04 60 0 15 0 I ubiq. joints region 4 2500 3,00E+09 1.50E+09 4,00E+04 25 1,00E+04 90 0 15 0 I kop 3 ubiq. joints sandstones 2600 2,60E+10 7,00E+09 1.04E+07 39 90 1,00E+04 15 mohr-coulomb upper shale 2100 5,00E+08 6,00E+08 1.00E+04 12 mohr-coulomb inner shale 2200 1.50E+09 8,00E+08 1.00E+04 15 mohr-coulomb side shale 2400 6,60E+09 2,20E+09 1.00E+04 15 FLAC (Virion 4.00) LEGEND 7^kin-03 1£17 afcjp 7000 -1.146E+02 oc< 1.115E+OS FLAC (Version 4.00) 7-JufHB 19:13 step 9020 -1.40SE+02t Flac 5.0 "ÍXÍ'ÍHW? \ l ;.; ■. . iŕŕ.Jií J?'?' í .l a -> ŕ í í í ■ ■■ ' ■ :■; ■ ... ;, >í i;; ľ ; ;;„, -■•: ■■• SSM ■■■:-■ • i a*; ;;;,*■■ í ; í - v. ..V.V • ■ ilš.-* - ; j ' I-:::: 1 :??:; >:3 - i . : :-nmmm:A . 1 H '■ BMbm glSŠ£&š££& ._..; -»««•«K»:^--------S3 ::s '""■ *""■■ Flac 5.0 \'"."' :N r: . rjirj ľ HI if ' ..;..'''; ;■:■:.:■:.::;:;.:. ;■. ■■;;; belovežské souvrství ! ' ! ' Flac 5.0 >vahova deformace Kopce tahová zóna ieskvně uvolněný prostor N centrální kerná část akumulační část smyková plocha i i i i i i i ľ'- ii i i i i i t i i i i i i i i i i i i i i i i i- Flac 3.0 ArefiHueous-calcarťiiilit- formalion Weakened politic arfmaroous formation Pelilitr nreimrenus formation [MĚ Jlffi mmm. Exaggerated grid c' M« Disp = 3.259E+O0 i_ *__i —*___>___j m Exaggerated grid Amplified KOiiť L d) :iüSB+oo > -i—» tí O Rigídné bloky Všetky bloky Fs=FE-k,Aus F3 =min(nFnS|F5j]sgn(Fs) Deformovateľné bloky Všetky bloky a tak ďalej Všetky bloky na prvkoch (zónach) Ae, dv. fe + dx, dx- V" ■ At a^Cfa.ASg,...) í na uzloch F,6 = Jo1]njds Z F, ^F'+F' a, = Fj/m a tak ďaiei t=t+At Metoda konečných rvků (FEM cd N > tí Výpočtová schéma pre jeden časový krok (Itasca 1993) -O , o Podle Baškové (2004) (a) Calculation Cycle Contact Force Update t Block CentTtrid Forces Relative Contact Displacements _t Block Motion Update J (b) Reverse Toppling Example Time Step 1 Ume Slep 2 Time Step 3 Time Step 4 Tune Step 5 Ámpind 9IUB.IBAJ0 Áuipind 9IUB.IBAJBZ JOB TTTLE : V-Z cross section. J ' | Lľ.75( UDEC (Version 2.00) LEGEND 2/24/2004 16:19 cycle 76000 time 4.136E+01 sec block plot Itasca Consulting Group, Inc. Minneapolis, Minnesota USA (*1(K2) 0.250 0.750 1.250 1.750 2.250 2.750 3.250 3.750 II JOB TITLE: V-Z cross section. SpIs Castle \UDEC (Version ZOO) LEGEND 2/24/2004 16:17 cycle 76000 time 4.136E+01 sec block plot || no. zones: total 3100 elastic (.) 767 lnpast(+) 675 failure CO 146 _W4 I Itasca Consulting Group, Inc. I Minneapolis, Minnesota USA (-10*2) 0.250 0.750 1.250 1.750 2.250 2.750 3.250 3.750 JOB TITLE: V-Z cross section, Spis Castle J<*10"2> [ 7.750 UDEC (Version 2.00) LEGEND 2/24/2004 16:41 cycle 76000 time 4.136E+01 sec Iblock plot (principal stresses minimum = -5.789E+06 maximum = 2.271 E+06 i.........I. J 2E 7 Itasca Consulting Group, Inc. I Minneapolis, Minnesota USA (•10*2) 0.250 0.750 1.250 1.750 2.250 2.750 3.250 3.750 JOB TITLE: Cross section S-J, Spis castle _K*10*2)1 l-8.50ql \\UDEC (Version 2.00) LEGEND 2/26/2004 17:14 cycle 282000 time 1.855E+02 sec block plot I Itasca Consulting Group, Inc. Minneapolis, Minnesota USA (*10*2) 0.500 1.500 2.500 3.500 4.500 JOB TITLE : Cross section S-J, SpIs J n o*2« I 1 8.5031 UDEC (Version 2.00) LEGEND 2/2672004 17:14 cycle 282000 time 1.855E+02sec block plot no. zones: total 3466 (.) 945 yielded in past (+) 1275 tensile failure (T) 86 Itasca Consulting Group, Inc. Minneapolis, Minnesota USA (*10*2) 0.500 1.500 2.500 3.500 4.500 JOB TITLE: Cross section S-J, SpIs castle J fio^l 1 8.50ol UDEC (Version 2.00) LEGEND 2726/2004 17:14 cycle 282000 time 1.855E+02sec block plot principal stresses minimum = -8.584E+06 maximum = 2.417E+06 Itasca Consulting Group, Inc. Minneapolis, Minnesota USA (*10*2) 0.500 1.500 2.500 3.500 4.500 ^ffiiJFl Teoretické metody deterministické/ fyzikální metody Empirické metody "data-driven"/ statistické metody dvourozme vicerozme rné analýzy "knowledge-driven"/ heuristické metody prime nepříme vychází ze znalosti fyzikálních a chemických pochodů vedoucích ke vzniku sesuvů -SINMAP, SHALSTAB, DELISA, SHETRAN hodnotí jednu závisle (výskyt sesuvů) a jednu nezávisle proměnnou (faktor prostředí - např. sklon svahu) na základě hustoty výskytu sesuvů v jednotlivých třídách faktorů prostředí hodnotí jednu závisle proměnnou (výskyt sesuvů) na základě souboru známých faktorů prostředí (nezávisle proměnné) - diskriminační analýza, logistická regrese mapa náchylnosti je odvozena přímo z geomorfologické m. a inventarizační mapy sesuvů na základě expertní znalosti pracovníka odvozena z kombinace několika typů map, které jsou seřazeny a klasifikovány na základě expertní znalosti pracovníka kvartérní geologická mapa inventarizační landuse ^M* odrytá geologická mapa digitální model \/ f \/ f f j } nem sit ■r -I-I-I- b :i;bj . -H ■ V. ■3 :. , W Model nach i u „Informační metoda66 podle Yin a Yan, 1988 1. Podíl jednotlivých tříd faktorů na vzniku sesuvů ve studované oblasti - tzv. váhy faktorů, vypočítaný f^. = log------^ = log dens.„ ^tot f Ac V = (100*PS)/maxPS na základě hustoty výskytu sesuvů v jednotlivých třídách faktorů prostředí 2. Náchylnost území k sesouvání vypočítaná na základě N tříd různých faktorů i* = Y>< R = K *Wl + Ksklonl*Wl + KT Wt UTHOLOCY - ar" "3 - i __-j - "t- w, LAND USE ■ i ■ \ ■ ■ r u; ■ *:? -r- iľ n i y lA'-K-ra -"w ■ 5 -y-«A i J-.k'.'n ■ L" i'i Kh 4 3 hrWi ■ri-3 lb d ■'■> A --« ■I * JU I. Ii ]_■ Uli -jr. |^ [■ ■ LIX Al- ■ ' - -I■ J *■*■■ ■■ h * h _| ..■■■•- : — ■ w, FAULTS JJÍ^TJ ■ ľ i ů ■ "■- i "3«* I ■_ i _ ■_- __■ i ■■■*H VVEPHEMERAL RIVERS icv■:■■"_■. ■ ii ■u'---- - _: rori»c-*- H 3-->-r, - a ■ -■ ■ -11^-,-ťM ig^^ff +■ 5 -Ti-Vj- 1- J-l-rl*r- + "J ■ u ^—m- Taw... r 1 iu-h. • J EPPT^1—■ > ■ ■ ■■J ■-I 1 - i r-. ■ F L.l-Jr- p 3 -1 *?lMjm ■ "l IL ' ,.T.\._________________ 1 _ic|=tJ^ i ■ ^|J^'.-J«\É "H O- PERENNIAL RIVERS rh"""»" ab ■ 'J fllrfHlJ ■ a nkn ■ ľ! r--—r ■ a r..—r_n lU.Ü/Mrvr ■ a tIi'iii-p a ■ m hh h ■ -■■■ p-J -f J - ^HAľlťflPP p.4, 4-Q r- T- M ^UW7C74i P£fü5/7"5 rlnír r "i teiuníH •;:r::^. 1=1 hŕ.ifl b a i *.-j»-.■:■:■ msr ■ I I r.i .■ ^qv »™l -»d -_lH .H>r HM* Náchylnost území k sesouvání - krok 2 Úspěch modelu lze hodnotit na základě jednoduché úvahy: Při stejném podílu správně klasifikovaných sesuvů je lepší model s menším podílem nestabilních ploch na celkové rozloze studovaného území A GIS modely jsou velmi vhodné pro rajonizaci území podle náchylnosti ke vzniku sesuvů na úrovni katastrů větších obcí, bývalých okresů a krajů. Využití těchto modelů může vést k lepší a efektivnější ochraně majetku státu i soukromých osob před přírodními riziky. Výsledky GIS aplikací je vždy nutné pečlivě hodnotit z hlediska jejich přesnosti, vypovídací schopnosti a spolehlivosti => nejistoty dat a modelu se nesmí zamlčovat, ale kvantifikovat!!! (Klimeš 2003)