M3 Hillside: Stabilität und Massenbewegung

Thema

Die Stabilität eines Hangs ist im Wesentlichen ein Gleichgewicht zwischen zwei gegenläufigen Kräften: den treibenden Kräften, die das Material hangabwärts drücken – dem Eigengewicht des Materials, dem Porenwasserdruck und den durch seismische Aktivität hervorgerufenen Erschütterungen – und den entgegenwirkenden Kräften – der Kohäsion des Bodens oder Gesteins und der inneren Reibung zwischen den Partikeln.

Der Sicherheitsfaktor des Hangs fasst dieses Gleichgewicht als Verhältnis zwischen treibenden und entgegenwirkenden Kräften zusammen. Genau dieser Wert bestimmt den Zustand des Hangs: Ein Sicherheitsfaktor größer als eins bedeutet, dass der Hang stabil ist, wobei die tatsächliche Stabilitätsgrenze von der Messunsicherheit abhängt. Ein Sicherheitsfaktor von eins markiert die absolute Instabilitätsgrenze, und ein Sicherheitsfaktor kleiner als eins deutet darauf hin, dass bereits eine Bewegung stattgefunden hat. Die zur Berechnung dieses Sicherheitsfaktors verwendete Hangstabilitätsanalyse basiert auf der klassischen Bodenmechanik, insbesondere auf der Mohr-Coulomb-Gleichung. Die Untersuchung kann planar erfolgen, wenn das Gleiten entlang einer Ebene betrachtet wird, oder kreisförmig, mithilfe der Bishop-Analyse, wenn die zu untersuchende Masse groß genug ist, um entlang einer gekrümmten Oberfläche zu gleiten.

Von allen Faktoren, die dieses Gleichgewicht beeinflussen, ist der Porenwasserdruck der häufigste Auslöser für Erdrutsche. Wenn starker Regen den Boden an einem Hang sättigt, führt diese Sättigung zu einem Anstieg des Porenwasserdrucks im Boden. Dieser Anstieg des Porenwasserdrucks reduziert die effektive Spannung – die Differenz nach dem Terzaghi-Prinzip zwischen der Gesamtspannung, die der Boden aushalten kann, und dem darin wirkenden Porenwasserdruck – und verringert folglich die verfügbare Scherfestigkeit und damit den Sicherheitsfaktor. Ein Modell für die transiente Regeninfiltration, gekoppelt mit einer regionalen Hangstabilitätsanalyse, kombiniert die eindimensional gelöste Richards-Gleichung zur Verfolgung der Porenwasserdruckdiffusion im Bodenprofil mit der bereits beschriebenen Stabilitätsanalyse. Dies ermöglicht die Berechnung der räumlichen und zeitlichen Variation des Sicherheitsfaktors entlang des gesamten Hangs.

Die Bodenverflüssigung ist der Extremfall dieses Mechanismus: Sie tritt ein, wenn der Porendruck die maximale Belastbarkeit des Bodens erreicht, sodass die effektive Spannung aufgehoben wird. Dadurch verschwindet die Scherfestigkeit des Bodens vollständig, und der Hang verliert seine Tragfähigkeit.

Das Spektrum der Massenbewegungen, die ein instabiler Hang auslösen kann, umfasst ein breites Geschwindigkeitsspektrum: Am einen Ende steht das Bodenkriechen, eine langsame Bewegung von nur wenigen Millimetern pro Jahr, bedingt durch wiederholte Frost-Tau-Wechsel oder Änderungen der Bodenfeuchtigkeit. Am anderen Ende stehen katastrophale Murgänge, die sich mit mehreren Metern pro Sekunde fortbewegen und Entfernungen von mehreren Kilometern zurücklegen können. Murgänge in Gebirgsbächen sind besonders gefährlich, da sie große Massenmengen konzentrieren, die sich mit hoher Geschwindigkeit fortbewegen und den flussabwärts lebenden Menschen kaum Vorwarnung geben.

Das zu erwartende Verhalten dieses gesamten Hangsystems umfasst eine deutliche Beschleunigung der Massenbewegungen bei Starkregen, eine Abnahme des Sicherheitsfaktors mit zunehmender Bodensättigung und die Ausbreitung der Murgangwelle entlang des gesamten Gerinnes. Ausgehend von der Kräftebilanz am Anfang dieses Dokuments und der Ausbreitung der Murgangwelle am Ende, unter Berücksichtigung des Sicherheitsfaktors, des Porenwasserdrucks, der Bodenverflüssigung und der kontinuierlichen Massenbewegungen, bedeutet die Hangstabilität, dass das Schicksal des gesamten Materials – ob es ruhen bleibt oder den Hang hinabstürzt – letztlich davon abhängt, wie nahe sein eigener Sicherheitsfaktor dem Verlust des ihn tragenden Gleichgewichts ist.

ID:439