Loess, Water, &Κατολισθήσεις – Η ιστορία μιας εξαντλητικής βεράντας

Οι μανδύες Loess καλύπτουν περίπου το 6% της συνολικής έκτασης της Κίνας, καλύπτοντας μια μεγάλη περιοχή του βόρειου και κεντρικού τμήματος της χώρας, σχηματίζοντας ένα εντυπωσιακό τοπίο γνωστό ως οροπέδιο Loess. Η μοναδικότητα του loess έγκειται στη μετα-σταθερή δομή του εδάφους του (η οποία παρουσιάστηκε σε αυτό το προηγούμενο άρθρο Science Trends). Είναι προβληματικό κατά τη διαβροχή, καθώς μπορεί γρήγορα να μετατρέψει μια κάπως ανέπαφη πλαγιά σε ρευστοποιημένη κατολίσθηση με μεγάλη απόσταση και μεγάλη πρόσκρουση. Η μελέτη του λόους έχει άμεσο ενδιαφέρον για την ευημερία των κατοίκων στην περικαλυμμένη με λόες περιοχή. Η έρευνα για την κατολίσθηση του εδάφους Loess στην Κίνα διατήρησε τη δημοτικότητά της για πολλές δεκαετίες λόγω του σημαντικού κοινωνικού αντίκτυπου.

Τα τελευταία δύο χρόνια, μια συνεργατική ερευνητική ομάδα από το State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection (SKLGP) στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Chengdu και το Sustainable Geotechnical Systems Laboratory (SGSL) στο Georgia Institute of Technology, διερεύνησε 69 κατολισθήσεις loess κατανέμεται στο περιθώριο της ταράτσας Heifangtai (περιοχή:12 km) που βρίσκεται στην επαρχία Gansu, βορειοδυτική Κίνα. Η ταράτσα έχει κάλυμμα loess 26 – 48 m και ο οπισθοδρομικός χαρακτήρας πολλών κατολισθήσεων εδάφους στο Heifangtai (δηλαδή η νέα κατολίσθηση που αναπτύχθηκε στην ίδια τοποθεσία της προηγούμενης αστοχίας) εξαντλεί τη βεράντα με μέσο ρυθμό 0,024 km ετησίως.

Στη δεκαετία του 1960, η κατασκευή ενός υδροηλεκτρικού σταθμού που βρισκόταν κατάντη του Heifangtai είχε ως αποτέλεσμα οι σημερινοί ντόπιοι να εγκατασταθούν στην περιοχή, γεγονός που οδήγησε στην τεράστια ανάπτυξη των γεωργικών δραστηριοτήτων στην επιφάνεια της ταράτσας. Η άρδευση έχει αυξήσει τη στάθμη των υπόγειων υδάτων κατά 20 m με μέσο ρυθμό 0,18 m ετησίως. Ενδείξεις καθίζησης εδάφους (> 1 m) βρέθηκαν στις αρχές της δεκαετίας του 1980 με αρχικές αστοχίες να αναπτύσσονται κατά μήκος της άκρης της ταράτσας (Derbyshire, 2001· Derbyshire et al., 1995). Έκτοτε, έχουν αναφερθεί περίπου 200 κατολισθήσεις, πολλές από τις οποίες αναπτύχθηκαν πίσω από το ίδιο σκάψιμο της προηγούμενης αποτυχίας. Έχουν προκαλέσει σοβαρές επιπτώσεις στη ζωή των ντόπιων. 37 άνθρωποι σκοτώθηκαν και περισσότεροι από 100 τραυματίστηκαν, με άμεσες οικονομικές ζημιές που ξεπερνούν τα 25 εκατομμύρια δολάρια (Chen et al., 2011).

Η υψηλή συχνότητα των κατολισθήσεων σχετίζεται άμεσα με την άρδευση. Η ομάδα μας χαρτογράφησε όλες τις τρέχουσες κατολισθήσεις, εφάρμοσε συσκευές παρακολούθησης για τη μετατόπιση της κλίσης και τις αλλαγές της στάθμης των υπόγειων υδάτων στο χωράφι, και δειγματοληψία και δοκίμασε τις μηχανικές ιδιότητες του loess. Ταξινομήσαμε τύπους κατολισθήσεων που σχετίζονται με το loess στο Heifangtai επειδή σε πολλές περιπτώσεις, το σύστημα ταξινόμησης κατολισθήσεων μας δίνει τη δυνατότητα να καθορίσουμε μια «βασική γραμμή» του προβλήματος, καθώς μπορεί να αντικατοπτρίζει το υλικό και τη συμπεριφορά της κατολίσθησης. Peng et al. (2017) όρισε τις κατολισθήσεις που σχετίζονται με το Loess στο Heifangtai σε 5 τύπους και τις ενσωμάτωσε στο γνωστό πλαίσιο ταξινόμησης Varnes (Hungr et al., 2014; Varnes, 1978) για να παρέχει συμβατότητα προς τα πίσω για την έρευνα κατολισθήσεων σε άλλες περιοχές στο οροπέδιο Loess . Διαπιστώσαμε ότι η διαφορά μεταξύ της κατεύθυνσης της παραμόρφωσης της πλαγιάς και της βύθισης του βράχου καθορίζει τους τύπους κατολισθήσεων και με τη σειρά του, το μέγεθος, τον όγκο και την κινητικότητα των πιθανών κατολισθήσεων.

Αναλύσαμε και αποκαλύψαμε τη διαδικασία αποτυχίας έναν ιδιαίτερα ενοχλητικό τύπο κατολίσθησης loess, που ταξινομήθηκε ως loess flowslide , το οποίο χαρακτηρίζεται από την απότομη παραμόρφωσή του, τη ρευστοποιημένη κίνηση με υψηλή ταχύτητα και μακροχρόνια διαρροή, και οπισθοδρομικό μοτίβο αστοχίας. Qi et al. (2017) πρότεινε έναν μηχανισμό αστοχίας για την κατολίσθηση ροής που περιλαμβάνει μια διαδικασία δύο σταδίων που βασίζεται στην αλληλεπίδραση μεταξύ της κίνησης των υπόγειων υδάτων πίσω από την κλίση και της δομής loess.

Ο προτεινόμενος μηχανισμός εφάρμοσε την έννοια της υγροποίησης του εδάφους (ένα φαινόμενο περιγράφει τις απώλειες αντοχής και ακαμψίας ως απόκριση σε μια αλλαγή της κατάστασης τάσης) για να εξηγήσει την απότομη παραμόρφωση των ολισθήσεων ροών loess. Τα υπόγεια ύδατα πίσω από την πλαγιά διασπούν το ύφασμα loess, το οποίο μειώνει το μέγεθος των πόρων στο loess και επηρεάζει την κατανομή των πόρων γεμίζοντας τα κενά. Συνοδευόμενη από μαλάκυνση της τάσης, μείωση του λόγου κενών και αυξανόμενη πίεση πόρου-νερού μπορεί να αλλάξει το στοιχείο loess από σταθερή κατάσταση σε κινητό σύστημα με υψηλό δυναμικό υγροποίησης. Με την αυξανόμενη στάθμη των υπόγειων υδάτων λόγω της άρδευσης και της ίδιας της φύσης της αλληλεπίδρασης loess-νερού, η κατολίσθηση στο Heifangtai πιθανότατα θα ενταθεί καθώς η άρδευση συνεχίζεται.

Αυτό το άρθρο συνεισέφεραν ο Δρ. Qiang Xu, ο αναπληρωτής διευθυντής του SKLGP στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Chengdu και ο Fangzhou Liu από το SGSL του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Τζόρτζια.

Ο Δρ Xu και ο Liu δημοσίευσαν τις πρόσφατες μελέτες τους, «Τρόποι κατανομής και αστοχίας των κατολισθήσεων στην ταράτσα Heitai, Κίνα» και «Ανάλυση των οπισθοδρομικών ροών loess στο Heifangtai, Κίνα», σχετικά με την Μηχανική Γεωλογία . Πρόσφατα ευρήματα παρουσιάστηκαν επίσης στο Ιστολόγιο Κατολίσθησης από τον Δρ. Dave Petley.

Αναφορές

• Chen, C., Xing, X., Li, P., Li, T., 2011. Analysis of loess slope stability of Heifangtai, Gansu Province. J. Eng. Geol. 19, 550–554 (στα κινέζικα).
• Derbyshire, E., 2001. Γεωλογικοί κίνδυνοι στο έδαφος Loess, με ιδιαίτερη αναφορά στις περιοχές loess της Κίνας. Earth-Science Rev. 54, 231–260. doi:10.1016/S0012-8252(01)00050-2
• Derbyshire, E., Meng, X., Wang, J., Zhou, Z., Li., B., 1995. Collapsible loess on the loess plateau of China, στο:Genesis and Properties of Collapsible Soils. Springer Netherlands, σελ. 267–293.
• Hungr, O., Leroueil, S., Picarelli, L., 2014. Η ταξινόμηση Varnes των τύπων κατολίσθησης, μια ενημέρωση. Κατολισθήσεις 11, 167–194. doi:10.1007/s10346-013-0436-y
• Peng, D., Xu, Q., Liu, F., He, Y., Zhang, S., Qi, X., Zhao, K., Zhang, X., 2017. Τρόποι διανομής και αστοχίας οι κατολισθήσεις στην ταράτσα Heitai, Κίνα. Eng. Geol. doi:10.1016/j.engeo.2017.09.016
• Qi, X., Xu, Q., Liu, F., 2017. Ανάλυση αναδρομικών ροών loess στο Heifangtai, Κίνα. Eng. Geol. 0–1. doi:10.1016/j.engeo.2017.08.028
• Varnes, D.J., 1978. Τύποι και διεργασίες κίνησης κλίσης, στο Schuster, R.L., and Krizek, R.J., επιμ., Landslides – Analysis and control. Natl. Ακαδ. Sci. Transp. Res. Spec. Απ. 176, 11–33. doi:Στην ειδική έκθεση 176:Κατολισθήσεις:Ανάλυση και Έλεγχος, Επιτροπή Έρευνας Μεταφορών, Ουάσιγκτον, D.C.