Investigation of the Effect of Block Geometry in Three-Dimensional Rockfall Analyses (Gölbaşı, Ankara)

Abstract

Rockfall is one of the most significant types of instability within discontinuity bearing rock masses, which might threaten the built environment and human life. Therefore, cautious investigation of discontinuity characterization and source rock areas should be performed. This study aims to investigate the effect of block shape on the results of 3D rockfall analysis within andesites located within Oyaca residential area in Gölbaşı, Ankara. Discontinuity surveys of andesites were performed, and the roughness profiles of several discontinuity sections were determined with a Barton profilometer. The southern slope of the hill is comprised of andesites and slope debris covers the western slope between the source rock and residential areas. Hand samples were collected for petrographic evaluations, unit weight and uniaxial compressive strength were tested in cores obtained from the blocks. The precise locations of the fallen blocks and potential blocks within the source rock area were identified using a digital surface map produced from a real orthophoto mosaic based on the photogrammetric method in unmanned aerial vehicle (UAV) studies. Three-dimensional rockfall analyses were carried out using both spherical and cylindrical blocks with respect to discontinuity orientations on the southern and western slopes of the hill. The spatial distribution of kinetic energy, total velocity, bounce height and rockfall risk were specified based on three-dimensional analyses for both slopes. It is concluded that the runout distance and kinetic energy of spherical blocks are higher when compared to cylindrical blocks; however, no distinct variation was observed in terms of bounce height.

Keywords

• Rockfall
• UAV
• 3D analysis
• block geometry

Üç Boyutlu Kaya Düşmesi Analizlerinde Blok Geometrisi Etkisinin İncelenmesi (Gölbaşı, Ankara)

Abstract

Süreksizlik içeren kaya kütlelerinde gelişen en yaygın duraysızlıklardan olan kaya düşmesi, yapıları ve insan hayatını tehdit eden boyutlara varabilmektedir. Kaya düşmesi incelemelerinde süreksizlik karakterizasyonunun ve kaynak kaya alanının dikkatli şekilde incelenmesi gereklidir. Bu çalışmada, Ankara ili Gölbaşı ilçesi sınırlarındaki Oyaca Mahallesi yerleşim alanında andezitler içinde gelişen kaya düşmeleri kapsamında blok geometrisinin üç boyutlu kaya düşmesi analiz sonuçlarına olan etkisi incelenmiştir. Arazide süreksizlik karakterizasyonu hat incelemeleri ile gerçekleştirilmiş ve Barton profilometresi ile pürüzlülük profilleri farklı kesitlerde incelenmiştir. Arazinin güney yamacı andezit, batı yamacında ise kaynak kaya alanı ile yerleşim alanı arasında yamaç molozu olduğu belirlenmiştir. El örneklerinde petrografik tanımlamalar yapılarak, araziden alınan blok örneklerden hazırlanan karot örneklerin birim hacim ağırlık ve tek eksenli sıkışma dayanımı belirlenmiştir. İnsansız Hava Aracı (İHA) ile elde edilen görüntülerden hazırlanmış olan inceleme alanına ait gerçek ortofoto mozaiği kullanılarak inceleme alanına ait sayısal yüzey modeli (SYM) fotogrametrik yöntem ile elde edilmiştir. Kaynak kaya alanlarından düşebilecek ve halihazırda düşmüş olan blokların lokasyonları belirlenmiştir. Andezitlerde süreksizlik yönelimine bağlı olarak güney ve batı yamaçta hem dairesel hem de silindirik blokların bulunması nedeni ile her iki geometric yapı için üç boyutlu analizler yapılmıştır. Arazide iki yamaçta yapılan üç boyutlu analizler ile blokların kinetik enerji, toplam yuvarlanma hızı, sıçrama yükseklikleri ve kaya düşmesi riskinin alansal dağılımları belirlenmiştir. Sonuç olarak küresel blokların ulaşma mesafeleri ve kinetik enerjilerinin silindirik bloklara göre yüksek olduğu, sıçrama yüksekliğinde belirgin bir değişiklik olmadığı belirlenmiştir.

Keywords

• Kaya düşmesi
• İHA
• 3B analiz
• blok geometrisi

References

1. AFAD (2020). Kaya Düşmelerinden Kaynaklı Afetlerin Değerlendirilmesine Yönelik Teknik Kılavuz, 169 s., Ankara.
2. Agliardi, F., Crosta, G.B., Frattini, P. (2009). Integrating rockfall risk assessment and countermeasure design by 3D modelling techniques. Natural Hazards and Earth System Science, 9(4), 1059–1073.
3. Ağca, M., Gültekin, N., Kaya, E. (2020). İnsansız Hava Aracından elde edilen veriler ile kaya düşme potansiyelinin değerlendirilmesi: Adam Kayalar örneği, Mersin. Geomatik, 5(2), 134–145.
4. Akın, M., Dinçer, İ., Orhan, A., Ok, A.Ö., Akın, M.K., Topal, T. (2019). Kaya tutma hendek performansının 3 boyutlu kaya düşme analizleriyle değerlendirilmesi: Akköy (Ürgüp) örneği. Jeoloji Muhendisligi Dergisi, 43(2), 211–232.
5. Akyürek, B., Duru, M., Sütçü, Y.F., Papak, İ., Şaroğlu, F., Pehlivan, N., Gönenç, O., Granit, S., Yaşar, T. (1997). 1:100000 Ölçekli Açınsama Nitelikli Türkiye Jeoloji Haritaları Ankara F15 Paftası. MTA Jeoloji Etüdleri Dairesi, Ankara, 31 s.
6. Alemdağ, S., Kara, R.T., Bostancı, H.T. (2022). Evaluation of potential rock falls with three-dimensional analysis: Example of Oltanbey and Hasanbey districts (Gümüşhane city center). Bulletin of the Mineral Research and Exploration, 169, 87-104.
7. Alıcı Şen, P. (2009). Trace element modelling of the origin and evolution of the Oyaca-Boyalik volcanic rocks (NE of Haymana, Ankara, Turkey). International Geology Review, 51(2), 116-132.
8. Alvioli, M., Matteo de A., Castaldo, R., Tizzani, P., Reichenbach, P. (2022). Three-dimensional simulations of rockfalls in Ischia, Southern Italy, and preliminary susceptibility zonation. Geomatics, Natural Hazards and Risk, 13(1), 2712-2736.

9. Asteriou, P., Saroglou, H., Tsiambaos, G. (2012). Geotechincal and kinematic parameters affecting the coefficients of restitution for rock fall analysis. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences (54), 103-113.
10. Basson, F.R. (2012). Rigid body dynamics for rock fall trajectory simulation. 46th US Rock Mechanics/Geomechanics (1-7). Chicago: American Rock Mechanics Association.
11. Bozkurt, E., Koçyiğit, A., Winchester, J., Beyhan, A. (1999). Petrochemistry of the Oyaca-Kedikayası (Ankara) dacites as evidence for the post-collisional tectonic evolution of North-Central Anatolia, Turkey. Geological Journal, 34, 223-231.
12. Budetta, P. (2011). Application of the Swiss Federal Guidelines on rock fall hazard: A case study in the Cilento region (Southern Italy). Landslides, 8(3), 381–389.
13. Caymaz, P. (2023). Karahıdırlı (Mersin) Çevresindeki Kaya Düşmelerinin Üç Boyutlu Analizi ve Koruma Yöntemlerinin Belirlenmesi. [Yüksek Lisans Tezi]. Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 90 s. Ankara.
14. Chau, K.T., Wong, R.H.C., Lee, C.F. (1996). Rockfall problems in Hong Kong and some new experimental results for coefficients of restitution. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics. 35, (4-5). 662-663.
15. Chen, G., Zheng, L., Zhang, Y., Wu, J. (2013). Numerical simulation in rockfall analysis: a close comparison of 2-D and 3-D DDA. Rock Mechanics and Rock Engineering, 46, 527-541.
16. Clemente, J.A., Uriarte, J.A., Spizzichino, D., Faccini, F., Morales, T. (2023). Rockfall hazard mitigation in coastal environments using dune protection: A nature-based solution case on Barinatxe beach (Basque Coast, northern Spain). Engineering Geology, 314, 107014.
17. Çapar, N. (2018). Kaya Düşmesi Analizinde Geri Sıçrama Katsayısının Etkisinin Deneysel ve Analitik Yöntemlerle İncelenmesi. [Doktora Tezi]. Hacettepe Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara.
18. Dinçer, İ., Akın, M., Orhan, A. (2022). Kaya düşmelerinin 3-boyutlu analizi: Kapadokya örneği. Yer Mühendisliği, 17 (10), 46-59.
19. Farmakis I., Hutchinson DJ, Vlachopoulos N, Westoby M, Lim M (2023) Slope-Scale rockfall susceptibility modeling as a 3D computer vision problem. Remote Sensing, (15): 2712.
20. Giacomini, A., Thoeni, K., Lambert, C., Booth, S., Sloan, S.W. (2012). Experimental study on rockfall drapery systems for open pit highwalls. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, (56), 171-181.
21. Gültekin-Yeşiloğlu, N. (2023). Ankara Zir Vadisi kaya düşmelerinin üç boyutlu analizlerle değerlendirilmesi. Yerbilimleri, 44(2), 179-201.
22. ISRM, (1981). Rock Characterization Testing and Monitoring. Brown, E., Ed., Pergamon Press, Oxford, 211 p.
23. Jaboyedoff, M., Baillifard, F., Hantz, D., Heidenreich, B., Mazzoccola, D. (2001). Terminologie, in: Prévention des mouvements de versants et des instabilités de falaises, edited by Carere, K.,Ratto, S., and Zanolini, F.E., 48–57.
24. Kalender, A. (2017). Konik Yayılım Yaklaşımıyla Kaya Düşmesi Potansiyelinin Değerlendirilmesine Yönelik Bir Yöntem Önerisi. [Yüksek Lisans Tezi]. Hacettepe Üniversitesi, Ankara.
25. Karahan, M., Sünnetçi, M.O., Ersoy, H., İpek, A. (2023). 3 boyutlu kaya düşme analizleri ile birleşik kaya ıslah uygulamalarının değerlendirilmesi: Işıklar (Akçaabat, Trabzon) örneği. Jeoloji Mühendisliği Dergisi, 48, 179-202.
26. Keskin İ, Polat, A. (2022) Kinematic analysis and rockfall assessment of rock slope at the UNESCO World Heritage city (Safranbolu/Turkey). Iran J Sci Technol Trans Civ Eng 46: 367–384.
27. Knowles, J., Ma, Y., Evans, T.M. (2021). DEM modelling of 3D polyhedra with applications to gabion rockfall barriers. EPJ Web of Conferences, 249, 14008.
28. Lan, H., Martin, C.D., Lim, C.H. (2007). RockFall analyst: A GIS extension for three-dimensional and spatially distributed rockfall hazard modeling. Computers and Geosciences, 33 (2), 262-279.
29. Li, L.P., Sun, S.Q., Li, S.C., Zhang, Q.Q., Hu, C, Shi, S.S. (2016). Coefficient of restitution and kinetic energy loss of rockfall impacts. KSCE Journal of Civil Engineering, 20 (6), 2297- 2307.
30. Öztürk, M.Z., Utlu, M., Şimşek, M. (2022). Kaya düşmesi tehlikesinin belirlenmesi ve önlenmesinde İHA tabanlı 3B modelleme çalışmaları: Murtaza Köyü örneği (Niğde). Yerbilimleri, 43 (2), 482-196.
31. Peik, N. 2020. A New Three-Dimensional Rockfall Trajectory Simulator for Open-Pit Mines. [Master Thesis], University of Nevada Reno, USA.
32. Pilz, J., Agliardi, F., Crosta, G.B., Zavodni, Z.M. (2011). Three–dimensional rock fall simulation in the mining environment using Hy_Stone. Slope Stability 2011, International Symposium on Rock Slope Stability in Open Pit Mining and Civil Engineering.
33. Polat, A. (2020). CBS Tabanlı 3B kaya düşmesi anali̇zi̇ ve veri̇ hazırlama süreçleri̇: Kavak Köyü Si̇vas Türki̇ye Örneği̇. Uludağ University Journal of the Faculty of Engineering, 1205–1222.
34. Saroglou, H., Marinos, V., Marinos, P., Tsiambos, G. (2012). Rockfall hazard and risk assessment: an example from a high promontory at the historical site of Monemvasia, Greece. Natural Hazards and Earth System Sciences, 12(6), 1823–1836.
35. Spadari, M., Giacomini, A., Buzzi, O., Fityus, S., Giani, G. P. (2012). In situ rockfall testing in New South Wales, Australia. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences (49), 84-93.
36. Stimpson, B. (1981). A suggested technique for determining the basic friction angle of rock surfaces using core. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts, 18(1), 63–65.
37. Şen, P., Şen E. (2013). Petrogenetic Characteristics Of Oyaca – Kedikayası – Boyalık Adakites In SW Ankara (Central Anatolia, Turkey): Evidence For Slab Melt Metasomatism. Bulletin of the Mineral Research and Exploration, 81-91.
38. Thoeni, K., Giacomini, A., Lambert, C., Sloan, S.W., Carter, J.P. (2014). A 3D discrete element modelling approach for rockfall analysis with drapery systems. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 68, 107–119.
39. Topal, T., Akın, M., Ozden, U.A. (2007). Assessment of rockfall hazard around Afyon Castle, Turkey. Environmental Geology, 53, 191-200.
40. Utlu, M., Öztürk, M.Z., Şimşek, M. (2020). Rockfall analysis based on UAV technology in Kazıklıali Gorge, Aladağlar (Taurus Mountains, Turkey). International Journal of Environment and Geoinformatics, 7(3), 239-251.
41. Utlu M, Öztürk MZ, Şimşek M, Akgümüş MF (2023) Evaluation of rockfall hazard based on UAV technology and 3D Rockfall Simulations. International Journal of Environment and Geoinformatics 10(4): 001-016.
42. Varol OO, Akın M, Orhan A, Dinçer İ. (2023) Kaya düşmelerinin 3-Boyutlu olasılıksal analizlerle ve ampirik yöntemlerle değerlendirilmesi: Kayseri – Soğanlı yerleşim yeri örneği. Jeoloji Mühendisliği Dergisi, 47, 1-28.
43. Wang, Y., Tonon, F. (2011). Discrete element modeling of rock fragmentation upon ımpact in rock fall analysis. Rock Mechanics Rock Engineering, 44, 23-35.
44. Wendeler, C., Bühler, Y., Bartelt, P., Glover, J. (2017). Application of three-dimensional rockfall modelling to rock face engineering. Geomechanics and Tunnelling, 10 (1).
45. Zengin, Ü.B., (2024). Oyaca (Gölbaşı) Çevresindeki Kaya Düşmelerinin Modellenmesi ve Üç Boyutlu Analizi. [Yüksek Lisans Tezi], Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü,119 s, Ankara.
46. Zhang W, Zhao X, Pan X, Wei M, Yan J, Chen J (2022) Characterization of high and steep slopes and 3D rockfall statistical kinematic analysis for Kangyuqu area, China. Engineering Geology, (308), 106807.