Προσομοίωση καταπτώσεων βράχων με υπολογιστικές μεθόδους: συσχέτιση παραμέτρων μεταβολής ενέργειας κατάπτωσης και χαρακτηριστικών βραχομάζας

Abstract

The aim of this dissertation is to investigate the rock fall phenomenon and particularly the individual parameters affecting the values of energy dissipation - restitution coefficients (vertical R_N and tangential R_T). The research focused on numerical simulations performed in 34 specific locations in Greece, where serious rockfall occurrences have been recorded, several of which had serious social consequences and caused damages to technical works. In these sites, a systematic engineering geological research including a detailed recording of all individual rockmass parameters and falling characteristics (slope mapping, rock bouncing points, track shape, volumes and fall pattern, etc.) was carried out. The energy coefficients approach was based on back - analysis methods of the real characteristics of rock fall occurrences. It was carried up using RocFall (Rocscience Inc.) software which is one of the most widely used rockfall simulation computer program. The initial analytical simulations showed that, although the energy coefficients estimation could satisfy the recorded conditions of the on-site rock bouncing points distance, the trajectory had different characteristics (eg bouncing height) which means differentiation in coefficient values. So, a computational model (ana-rock) was developed for more accurately determination of the expected trajectory, considering the characteristics of the rock block angular velocity and angular momentum that constitute the main factors influencing the trajectory (eg flatter and with a lower bounce height). Mathematica (Wolfram) software was used to compile and create the code. The proposed mathematical model works supplementary to back analysis in order to determine the energy dissipation coefficients as both the rotational motion developed by the rock block as well as the intermediate parts of the total fall trajectory, can be included in the calculations. Through this model, the energy factors estimated by back analysis were adjusted in all test sites, thus validating its applicability in field conditions. As a result, more realistic trajectories were obtained during the simulation and therefore corrected energy coefficient values and better adapted to local conditions were estimated.The results processing reveals some remarkable correlations between the energy dissipation coefficients (mainly R_N) and basic engineering geological parameters (GSI, inclination and slope lithology, rock shape), which confirm the crucial importance of field research in the reliability of analytic approaches.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η διερεύνηση του φαινομένου των καταπτώσεων βράχων και ειδικότερα των επιμέρους παραμέτρων που επιδρούν στη διαμόρφωση της τιμής των συντελεστών απομείωσης ενέργειας - αναπήδησης (κάθετου R_N και εφαπτομενικού R_T). Η έρευνα εστιάστηκε σε αριθμητικές προσομοιώσεις που έγιναν σε 34 συγκεκριμένες θέσεις του Ελληνικού χώρου, όπου έχουν καταγραφεί σοβαρά περιστατικά - γεγονότα καταπτώσεων, αρκετά από τα οποία είχαν σοβαρές κοινωνικές επιπτώσεις και επέφεραν βλάβες σε τεχνικά έργα. Η επιλογή των περιοχών βασίστηκε στη συχνότητα αλλά και στην αναμενόμενη επικινδυνότητα βραχοπτώσεων. Στη δυτική και κεντρική Ελλάδα εντοπίζεται η μεγαλύτερη συγκέντρωση των φαινομένων. Η ανάπτυξη εκεί των μεγάλων απωθήσεων του Ελλαδικού χώρου, έχει αποτέλεσμα ασβεστολιθικοί σχηματισμοί να βρίσκονται υπερκείμενοι του φλύσχη. Κατά μήκος της επαφής των σχηματισμών, εντοπίζεται ο μεγάλος όγκος κατολισθητικών φαινομένων και βραχοπτώσεων. Τα συγκριτικά μεγαλύτερα ύψη βροχόπτωσης αφενός και αφετέρου η ανάπτυξη των οικισμών στη γραμμή επαφής, συντελούν στην αυξημένη επικινδυνότητα. Αντίθετα, στο ανατολικό τμήμα της χώρας, όπου κυριαρχούν συμπαγή κρυσταλλοσχιστώδη πετρώματα μεγάλου πάχους, εμφανίζονται λιγότερο συχνά καταπτώσεις βράχων είναι όμως φαινόμενα πιο βίαια και μεγάλης έκτασης. Στις συγκεκριμένες θέσεις έγινε συστηματική τεχνικογεωλογική έρευνα, λεπτομερής αποτύπωση και καταγραφή όλων των τεχνικογεωλογικών παραμέτρων, καθώς επίσης και των επιμέρους χαρακτηριστικών των φαινομένων (αποτυπώσεις πρανών, σημεία αναπηδήσεων βραχοτεμαχών, μορφή τροχιών, όγκοι και σχήμα βραχοτεμαχών κλπ). Η προσέγγιση και ο έλεγχος - εκτίμηση των συντελεστών απομείωσης ενέργειας βασίστηκε σε μεθόδους αντίστροφης (ανάδρομης) ανάλυσης επί των πραγματικών χαρακτηριστικών των γεγονότων - συμβάντων καταπτώσεων. Έγινε με τη χρήση του λογισμικού Rocfall (Rocscience Inc.) το οποίο αποτελεί ένα από τα πλέον ευρέως χρησιμοποιούμενα λογισμικά προσομοίωσης καταπτώσεων. Οι αρχικές αναλυτικές προσομοιώσεις έδειξαν ότι η εκτίμηση των συντελεστών αναπήδησης μπορεί να ικανοποιούσαν τις επιτόπου καταγεγραμμένες συνθήκες (αποστάσεις των σημείων αναπήδησης του βραχοτεμάχους), όμως η τροχιά που πραγματικά ακολουθήθηκε να έχει διαφορετικά χαρακτηριστικά (π.χ. ύψος αναπήδησης) που σημαίνει διαφοροποίηση στις τιμές των συντελεστών. Προς την κατεύθυνση αυτή, αναπτύχθηκε ένα υπολογιστικό μοντέλο ακριβέστερου προσδιορισμού της αναμενόμενης τροχιάς, λαμβάνοντας επιπλέον υπόψη τον κινηματικό χαρακτήρα της και κυρίως τη γωνιακή ταχύτητα και τη στροφορμή του βραχοτεμάχους που επιβάλλουν τη διαμόρφωσή της (π.χ. πιο επίπεδη τροχιά και με χαμηλότερο ύψος αναπήδησης). Για τη σύνταξη και τη δημιουργία του συγκεκριμένου κώδικα χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό Mathematica(Wolfram). Το συγκεκριμένο μοντέλο το οποίο βασίζεται στην μελέτη της αναπήδησης βραχοτεμάχους, ονομάστηκε για λόγους συντομίας ana-rock. Το προτεινόμενο υπολογιστικό μοντέλο λειτουργεί συνεπικουρώντας την αντίστροφη ανάλυση για τον προσδιορισμό των συντελεστών απομείωσης ενέργειας, καθόσον με τη χρήση αυτού, μπορούν να ενταχθούν στους υπολογισμούς τόσο η περιστροφική κίνηση που αναπτύσσει το βραχοτέμαχος, όσο και τα ενδιάμεσα τμήματα της συνολικής τροχιάς της κατάπτωσης. Με το συγκεκριμένο μοντέλο έγινε προσαρμογή των συντελεστών που εκτιμήθηκαν μέσω της αντίστροφης ανάλυσης, σε όλες τις περιοχές έρευνας και συγχρόνως επαλήθευση της εφαρμοσιμότητάς του σε συνθήκες πεδίου. Αποτέλεσμα ήταν να προκύψουν πιο ρεαλιστικές τροχιές κατά την προσομοίωση και συνεπώς «διορθωμένες» τιμές συντελεστών αναπήδησης, οι οποίες είναι καλύτερα προσαρμοσμένες στις τοπικές συνθήκες. Από την επεξεργασία των αποτελεσμάτων για όλες τις θέσεις έρευνας προκύπτουν κάποιες αξιοσημείωτες συσχετίσεις μεταξύ των συντελεστών απομείωσης ενέργειας (κυρίως του R_N) και βασικών τεχνικογεωλογικών παραμέτρων (γεωλογικός δείκτης αντοχής GSI, κλίση και λιθολογία πρανών, σχήμα βραχοτεμαχών), οι οποίες καταδεικνύουν και πιστοποιούν την καθοριστική σημασία της έρευνας πεδίου στην αξιοπιστία των αναλυτικών προσεγγίσεων.