Διερεύνηση της επιρροής του υετού στην ευστάθεια των πρανών. Εφαρμογή στο δήμο Ζαχάρως- Ρέμα Ζαχαραίικο

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση της επίδρασης του υετού στην ευστάθεια των πρανών, μετά από φαινόμενα πυρκαγιάς. Μάλιστα, εξετάζεται γι’ αυτό το σκοπό, η πληγείσα από τις πυρκαγιές του 2007 περιοχή της Ζαχάρως όπου επελέχθηκαν δύο τομές στην υδρολογική λεκάνη του Ζαχαραίϊκου ποταμού. Η δράση του κλίματος, οδηγεί στον κατακερματισμό των βράχων και στην παραγωγή χαλαρών υλικών, που καλούνται εδάφη. Οι δυνάμεις που επενεργούν στο έδαφος προκαλούν την παραμόρφωσή του, ενώ αν ξεπεράσουν κάποιο όριο, το οποίο εξαρτάται από το υλικό του εδάφους, προκαλούν την αστοχία του υπό τη μορφή θραύσης ή πολύ μεγάλων παραμορφώσεων. Σε πρώτη φάση, λοιπόν, κρίθηκε αναγκαία η καταγραφή βασικών εννοιών εδαφομηχανικής και υδρολογίας. Ειδικότερα, διακρίνονται τα κορεσμένα και μη κορεσμένα εδάφη και ο μηχανισμός της μύζησης, της αρνητικής δηλαδή πίεσης που συγκρατεί το νερό στο έδαφος. Επιπλέον, αναλύονται οι διαδικασίες της κατείσδυσης και της διήθησης του νερού στο έδαφος ώστε να γίνει αντιληπτή η πορεία του νερού της βροχής. Αναφέρεται ακόμη η έννοια της τάσης καθώς και των βασικών παραμέτρων του εδάφους, της συνοχής και της γωνίας τριβής (Κεφάλαιο 1). Οι εδαφικές ή βραχώδεις μάζες που βρίσκονται κάτω από το πρανές, μπορούν να υποστούν διατάραξη της ισορροπίας τους προκαλώντας αστοχίες, ύστερα από ορισμένες εσωτερικές ή εξωτερικές μεταβολές, όπως είναι η βροχόπτωση. Σκόπιμη είναι, λοιπόν, η παρουσίαση των γενικών χαρακτηριστικών και των παραγόντων που προκαλούν τις κατολισθήσεις καθώς και η ανάλυση της ευστάθειας σε συνδυασμό με την έννοια του συντελεστή ασφαλείας (Κεφάλαιο 2). Στην υποβάθμιση του εδάφους συντελεί και η διάβρωση του, διεργασία που περιλαμβάνει τόσο την απόσπαση εδάφους και θραυσμάτων από πετρώματα, όσο και τη μεταφορά του υλικού αυτού από φυσικούς παράγοντες (νερό, άνεμος, παγετώνες, βαρύτητα) και την απόθεσή του σε νέες θέσεις ως κλαστικό ίζημα. Το κεφάλαιο 3 φανερώνει τη διαβρωτική ικανότητα της βροχής, με το νερό που απορρέει επιφανειακά να διαβρώνει και να υποσκάπτει τον πόδα των πρανών κατά μήκος ποταμών και χειμάρρων, ενώ αυτό που κατεισδύει να αυξάνει την πίεση των πόρων, προκαλεί εσωτερική διάβρωση. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται η συμπεριφορά μιας δασωμένης λεκάνης απορροής, επισημαίνοντας το ρόλο της βλάστησης στην ευστάθεια των πρανών (Κεφάλαιο 4). Από την άλλη το επόμενο εδάφιο- Κεφάλαιο 5- δείχνει την επίδραση της πυρκαγιάς στο έδαφος και το είδος της διάβρωσης που μπορεί αυτή να προκαλέσει. Τα μοντέλα ευστάθειας χρησιμοποιούνται συχνά στις μέρες μας προκειμένου να γίνει προσομοίωση ολισθήσεων σε πραγματικές ή υποθετικές συνθήκες και τέλος όπου υπάρχει ανάγκη να εξεταστούν μελλοντικά σενάρια σχετικά με αλλαγές στο περιβάλλον. Στην παρούσα μελέτη, χρησιμοποιείται αρχικά το CHASM 4.0 (Combined Hydrological and Stability Model) το οποίο αποτελεί ένα ολοκληρωμένο μοντέλο υδρολογίας και ευστάθειας πρανών. Το συνδυαστικό αυτό μοντέλο, υπολογίζει τις χωρο-χρονικές μεταβολές της περιεκτικότητας του εδάφους σε νερό και τον ελάχιστο συντελεστή ασφαλείας ενός πρανούς. Ακολούθως, παρουσιάζεται το πρόγραμμα Phase2 V6.0 της εταιρίας Rocscience που χρησιμοποιεί πεπερασμένα στοιχεία. Tο πρόγραμμα αυτό παρέχει τη δυνατότητα ακριβούς εντοπισμού της επιφάνειας αστοχίας, σε αντίθεση με τις υποθετικές επιφάνειες αστοχίας που υπολογίζει το CHASM. Η περιοχή μελέτης εντοπίζεται στο Δήμο Ζαχάρως, στη λεκάνη του Ζαχαραίϊκου ποταμού (Κεφάλαιο 8). Ανάλογα με τη μεταβολή του βαθμού τρωτότητας πριν και μετά την πυρκαγιά του 2007 , επιλέγεται η μελέτη δύο τομών Β-Β’ και Γ-Γ’. Η τομή Β- Β’ βρίσκεται στο Ζαχαραίϊκο ρέμα, σε περιοχή που πριν από τις πυρκαγιές του 2007 θεωρείτο τρωτή στη διάβρωση και με το πέρας της φωτιάς έγινε ακόμη πιο τρωτή. Από την άλλη, η τομή Γ-Γ’ βρίσκεται στο ρέμα Ακίδα, κοντά στον οικισμό της Αρήνης, σε περιοχή που αρχικά δεν ήταν ιδιαίτερα τρωτή, όμως, μετά από τις πυρκαγιές έγινε ιδιαίτερα τρωτή στη διάβρωση. Το κεφάλαιο 9 περιλαμβάνει την προσομοίωση της τομής Β-Β’. Σε πρώτη φάση γίνεται εντοπισμός της κρίσιμης επιφάνειας αστοχίας του εν λόγω πρανούς με τη χρήση του προγράμματος Phase καθώς και έλεγχος σε επιφανειακή ολίσθηση. Στη συνέχεια η τομή σχεδιάζεται στο CHASM όπου εκτελείται δωδεκάωρη προσομοίωση βροχόπτωσης. Μελετάται εδώ, η επίδραση του ύψους του υδροφόρου ορίζοντα, κατασκευάζοντας τρία σενάρια όπου το ύψος φτάνει στο 75%, 50% και 25% του ύψους του πρανούς. Οι εδαφικές παράμετροι καθορίζονται σε κάθε σενάριο με κριτήριο την ευστάθεια του πρανούς έναντι σεισμού. Επιπλέον, διεραυνάται η επίδραση του ύψους μύζησης στη διακύμανση του συντελεστή ασφαλείας, εξετάζοντας δύο περιπτώσεις. Στην Περίπτωση 1 γίνεται υπόθεση για ύψος μύζησης στα 5 m, ενώ στην περίπτωση 2 θεωρώντας μια περίοδο σχετικής ανομβρίας, επιλέγεται μικρότερο ύψος στα 2.5 m από την ελεύθερη επιφάνεια του υδροφόρου ορίζοντα. Στο Κεφάλαιο 10, στο πρόγραμμα Phase μελετάται η ευστάθεια του πρανούς της τομής Γ-Γ’, υπό φυσιολογικές συνθήκες, εξετάζοντας το ενδεχόμενο επιφανειακής ολίσθησης . Τέλος, τα συμπεράσματα της μελέτης που πραγματοποιήθηκε καθώς και οι προτάσεις για μελλοντική έρευνα του θέματος, παρουσιάζονται στα κεφάλαια 11 και 12 αντίστοιχα.

The object of this research is the investigation of rainfall effect on slope stability followed by wildfire occurences. Our area of study lies in the municipality of Zaharw, which suffered from a catastrophic wildfire in 2007. In particular, two profiles located in the drainage basin of ‘Zaharaiiko’ river have been chosen. The climate activity leads to the bedrock fragmentation and the production of smooth materials called soil. The forces acting on soil result in its deformation. Whereas, if they exceed specific limits, failure occurs in a way of havoc or great deformations. At a primary stage, fundamental conceptions of soil mechanics and hydrology are introduced. Particularly, a distinction between saturated and unsaturated soil is presented, as well as the articulation of the process of suction, which is the negative water pressure of soil. Furthermore, the procedure of infiltration and seepage are analyzed in order to perceive the hydrological circle. There is also a definition of strain and basic soil parameters; cohesion and friction angle (Chapter 1). The bedrock that lies under the slope, can disrupt the balance causing failure as a result of internal or external changes, such as rainfall. The presentation of general characteristics and main triggers of landslides is useful, as well as the stability analysis and the concept of safety factor – F.S. (Chapter 2). The erosion contributes to soil degradation and includes removement of soil and transportation of debris through water, wind, gravity etc. Chapter 3 illustrates the erosive ability of rain. The transient water which flows accross the surface erodes and corrodes the slope’s foot, while infiltrating water can cause an increase in pore pressure and internal erosion. Additionally, the response of a basin covered by vegetation is presented, so as to indicate the role of vegetation at slope stability (Chapter 4). Conversely, the next chapter remarks the impact of fire on soil and the type of erosion that fire can cause. In our days, several stability models are frequently utilized in order to simulate slides in real or hypothetical conditions and whenever a need to examine future plans appears. In this Diploma Thesis, CHASM 4 is fistly used. This software calculates the chorochronic changes of the water content in soils and a minimum factor of safety of a slope. Afterwards, Phase 2 v6.0 of Rocscience company is presented, which uses finite elements. This program provides us with the specific slip surface while CHASM calculates hypothetical surfaces. The area of study lies in the municipality of Zaharw, in the basin of ‘Zaxaraiiko’ stream (Chapter 8). According to the change of vulnerability rate before and after the wildfire in 2007, two slope profiles are chosen, B-B’ and Γ-Γ’. The first one rests along the Zaxaraiiko stream, in a region which had been considered quite vulner.