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K. Mair am Tinkhof, A. Preh, E.H. Tentschert, A. Eichhorn, T. Schmalz, C. Zangerl:
"FLAC3D and adaptive Kalman-filtering - A new way to install effective alarm systems for landslides?";
Vortrag: European Rock Mechanics Symposium (Eurock) 2010, Lausanne; 15.06.2010 - 18.06.2010; in: "Rock Mechanics in Civil and Environmental Engineering", J. Zhao, V. Labiouse, J. Dudt, J. Mathier (Hrg.); Taylor & Francis Group, London (2010), ISBN: 978-0-415-58654-2; S. 559 - 562.

Massenbewegungen gehören in Gebirgsregionen zum natürlichen morphologischen Prozessgeschehen. In Überschneidung mit der anthropogenen Raumnutzung stellen sie eine Gefahr für Personen sowie Gebäude und Infrastruktur dar. Die zunehmende Siedlungstätigkeit und das gleichzeitig verstärkte Auftreten von extremen Wetterbedingungen lassen der Untersuchung von Massenbewegungen eine immer größere Bedeutung zukommen. Mit der Erforschung und Installation von Frühwarnsystemen soll eine Steigerung der Sicherheit und eine Begrenzung von humanen, ökonomischen und ökologischen Schäden bewirkt werden.
Der untersuchte Hang "Steinlehnen" liegt in Gries im Sellrain in Nordtirol (Österreich) im Gebiet des Ostalpinen Kristallins. Die bewegte Masse besteht aus Paragneisen, Amphiboliten und Granodioritgneisen und ist im hochaktiven Bereich sehr stark zerlegt. Im Sommer 2003 haben sich Hangbereiche innerhalb weniger Monate bis zu 25 Meter talwärts bewegt und dadurch eine Serie von Felssturzereignissen ausgelöst. Aufgrund der Gefährdung anliegender Häuser und der Bundesstraße wurde die Installation eines Monitoring-System als notwendig erachtet. Wegen der anhaltenden Felssturzereignisse erfolgte die Überwachung anfangs mit einem terrestrischen Laserscanner. Erst nach Rückgang der Bewegungen wurden im Hang Reflektoren angebracht, die seitdem vom Gegenhang mittels Tachymeter überwacht werden. Im Frühjahr 2004 kam es wiederum zu einer Beschleunigung der Bewegungen, die binnen eines halben Jahres zu Verschiebungen von ca. 2 Metern führte. In den letzten Jahren hat sich der Hang annähernd stabilisiert und bewegt sich mit einer konstanten Bewegungsrate von bis zu 25 cm pro Jahr talwärts.
Ziel dieses Projektes ist die Kombination von Hangbeobachtungsdaten (Tachymetermessungen) mit einem numerischen Modell, welches den möglichen Versagensablauf des untersuchten Hanges wiedergeben soll. Schlussendlich soll das Modell die Vorhersage von kritischen Zuständen des Hanges ermöglichen und verbessern. Es wird eine zentrale Komponente eines neuartigen daten- und wissensbasierten Alarmsystems für Massenbewegungen sein.
Für die numerische Modellierung wird das kontinuumsmechanische Programm FLAC3D der Itasca Consulting Group verwendet, welches auf der Methode der Finiten Differenzen basiert. Anhand der Laserscanndaten sowie der geologischen Kartierungen wurde der Hang in FLAC3D aufgebaut. Als Materialmodell wurde das "Ubiquitous-Joint Modell" verwendet, welches auf dem Mohr-Coulomb Modell basiert und die Berücksichtigung von Anisotropien ermöglicht. Durch Variation der geotechnischen Parameter soll eine möglichst realistische Anpassung des Modells an die Wirklichkeit erfolgen um dadurch Aussagen über das zukünftige Verhalten des Hanges zu ermöglichen.
Numerische Berechnungen haben sich im geotechnischen Bereich etabliert, die Schätzung der Materialparameter stellt jedoch ein Problem dar. Zurzeit werden sie durch Laborversuche oder "try and error"-Methoden im Rahmen von Rückrechnungen ermittelt. Für die Kalibrierung des gegebenen Modells sind Methoden der adaptiven Kalman-Filterung angedacht, die das numerische Modell durch Vergleich von errechneten und gemessenen Verschiebungswerten laufend verbessern sollen. Diese Art der Identifikation von geomechanischen Prozessen stellt noch völliges Neuland dar.
Die wissensbasierte Systemanalyse agiert abschließend als übergeordneter "Alarm-Manager", der die Prädiktions- und Simulationsergebnisse des numerischen Modells mit zusätzlichem hybriden Expertenwissen verknüpft und beurteilt. Das werden Messergebnisse des Monitoring-Systems, lokale Deformationsmodelle (z.B. Polynome oder Spektralanalysen) und heuristisches Wissen von Massenbewegungsexperten sein.

Mass movements are natural morphological processes in mountain areas. They represent a danger for people as well as for infrastructure and buildings. Because of increasing settlement activities and the simultaneous appearance of extreme climatic conditions the analysis of landslides becomes more and more important. The investigation and installation of alarm systems targets on increasing safety and restriction of human, economical and environmental damage.
The study site investigated "Steinlehnen" is located in Gries im Sellrain in North Tyrol (Austria). The endangered zone is situated in crystalline rock which consists mainly of paragneisses, amphibolites and granodiorite-gneisses. In summer 2003 acceleration of a highly active slab occurred and induced a series of rock fall events, the deformations reached 25 meters within few months. Due to the hazard of close homes and the federal road a monitoring system was deemed necessary. Because of intensive rock fall events initially a terrestrial laser scanner was installed. Several months later when slope activity decreased surface-mounted reflectors for a total station were installed in the highly active slab. In spring 2004, the slide re-accelerated with deformations of circa 2 meters in half a year followed by a period of re-stabilization down to a movement rate of 25 centimeters per year that remained steady till today.
The objectives of this study are the combination of monitoring data (tacheometer measurements) with a numerical model which represents the failure mechanism of the slope. Finally the model should allow the prediction of future critical states of the slope. It will be one central component of a new type of data- and knowledge-based alarm system.
The numerical modeling is performed by using the continuum mechanics code FLAC3D from Itasca Consulting Group, which bases on the finite difference method. The model was build up by means of a DEM (digital elevation model) and the geological field mapping. The behavior of the rock is simulated by using an "ubiquitous-joint model", which is based on the mohr-coulomb model and allows the implementation of anisotropies. A realistic adaptation of the model and an information about possible failure processes can be achieved by varying the geotechnical parameters.
Using numerical models the estimation of their generally non-homogeneous and non-isotropic material parameters (friction angle, cohesion, bulk and shear modulus etc.) is a serious problem. Usually the determination is realized by geotechnical lab analysis or try and error methods in the framework of an inverse analysis. In this study for the model calibration step it is planned to use adaptive Kalman-filtering techniques which upgrade the numerical model and the material parameters by comparing the displacements of the calculation with the ones of the tacheometry.
The knowledge-based part acts as a superordinated alarm manager which combines and evaluates the calibration, simulation and/or prediction results of the numerical model with additional hybrid expert knowledge. This will be measuring results from the monitoring system, additional local deformation models (e.g. polynomials or spectral analysis) and heuristic knowledge from landslide experts.

landslides, monitoring, numerical modeling, finite difference method, adaptive Kalman-filtering

Projektleitung Andreas Eichhorn:
Wissensbasiertes Alarmsystem mit identifiziertem Deformations-Prädiktor