Evaluation of Rockfalls with 3-Dimensional Probabilistic Analyses and Empirical Methods: The Case of the Kayseri – Soğanlı Settlement

Öz

This study evaluated the potential rockfall hazards in the Kayseri-Soğanlı settlement using the energy angle method and 3-dimensional probabilistic rockfall modeling. The high-resolution digital surface model (DSM) was obtained with the help of unmanned aerial vehicles (UAV) and high-resolution orthophoto. 3-dimensional probabilistic rockfall simulations were conducted on the DSM using the CONEFALL software, and rockfall zones were determined according to the energy line angle method. The dimensions of previously fallen rock blocks were determined using fieldwork and orthophoto generated by UAV. As a result of 3-dimensional probabilistic analyses, the maximum kinetic energy values of 15,000 kJ and bounce height of 15 m were determined during the movement of 3-meter rock blocks along the slope. When the energy line angle method was considered, it was found that the previously fallen blocks were mostly concentrated in the 40ο energy line angle zone in the southern part of the slope. On the other hand, although the rolling lines obtained from probabilistic 3- dimensional rockfall analyses for 3 metre block size reach up to the maximum 30ο energy line angle zone, these rolling lines end in the 40ο energy line angle zone, especially in the southern part of the slope. Therefore, the empirical method, 3-dimensional probabilistic method, and the positions of measured blocks in the field show general consistency.

Anahtar Kelimeler

• 3-Dimensional probabilistic analysis
• CONEFALL
• Energy line angle
• Rockfall
• Orthophoto
• RocPro3D

Kaya Düşmelerinin 3-Boyutlu Olasılıksal Analizlerle ve Ampirik Yöntemlerle Değerlendirilmesi: Kayseri – Soğanlı Yerleşim Yeri Örneği

Öz

Bu çalışma kapsamında Kayseri – Soğanlı yerleşim yerinde meydana gelebilecek kaya düşmeleri ampirik olarak enerji açısı yöntemiyle ve 3-boyutlu olasılıksal kaya düşme modellemeleri ile değerlendirilmiştir. Yüksek çözünürlüklü sayısal yüzey modeli (SYM) insansız hava aracı (İHA) ile elde edilen yüksek çözünürlüklü ortofoto yardımıyla elde edilmiştir. SYM üzerinde 3-boyutlu olasılıksal kaya düşme simülasyonları, CONEFALL yazılımı yardımıyla enerji çizgi açısı yöntemine göre kaya düşme zonları belirlenerek gerçekleştirilmiştir. Geçmişte düşmüş olan kaya blokların en, boy ve yükseklikleri arazi çalışmaları ve İHA ile oluşturulan ortofoto üzerinden belirlenmiştir. 3-boyutlu olasılıksal analizler neticesinde 3 m’lik kaya bloklarının yamaç boyunca hareketi esnasında kinetik enerji değerleri maksimum 15,000 kJ, sıçrama yüksekliği ise 15 m olarak belirlenmiştir. Enerji çizgi açısı yöntemi dikkate alındığında, incelenen yamacın güney kesiminde daha önceden düşen blokların çoğunlukla 40°’lik enerji çizgi açısı zonunda yoğunlaştığı tespit edilmiştir. Öte yandan, 3 m blok boyutu için yapılan olasılıksal 3-boyutlu kaya düşme analizlerinden elde edilen yuvarlanma hatları en fazla 30°’lik enerji çizgi açısı zonuna kadar ulaşsa da, özellikle yamacın güney kesiminde bu yuvarlanma hatları 40°’lik enerji çizgi açısı zonunda sonlanmaktadır. Buna göre, ampirik yöntem, 3-boyutlu olasılıksal yöntem ve arazide ölçülen blokların konumları genel olarak uyum göstermektedir.

Anahtar Kelimeler

• 3-boyutlu olasılıksal analiz
• CONEFALL
• enerji çizgi açısı
• Kaya düşmesi
• ortofoto
• RocPro3D

Kaynakça

1. Akın, M., Dinçer, I., Ok, A. Ö., Orhan, A., Akın, M.K., ve Topal, T. (2021). 3-Boyutlu Kaya Düşme Analizlerinde TLS ve İHA ile Oluşturulan Sayısal Yüzey Modellerinin Kullanımı. Ulusal Mühendislik Jeolojisi ve Jeoteknik Sempozyumu, 455-462.
2. Akın, M., Dinçer, İ., Orhan, A., Topal, T., İlgen, H. G., ve Demir, A. (2019). Kapadokya (Nevşehir) Bölgesindeki Kaya Düşmelerinin Arazi Lazer Taraması (TLS) Yardımıyla 3-Boyutlu (3-D) Analizi ve Kaya Düşme Tehlike Haritalarının Oluşturulması (1. bs, C. 1). AFAD.
3. Akin, M., Dinçer, I., Ok, A. Ö., Orhan, A., Akin, M. K., & Topal, T. (2021). Assessment of the effectiveness of a rockfall ditch through 3-D probabilistic rockfall simulations and automated image processing. Engineering Geology, 283, 106001. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2021.106001
4. Akin, M., Dinçer, İ., Orhan, A., Ok, A., ve Topal, T. (2019). Kaya Tutma Hendek Performansının 3-Boyutlu Kaya Düşme Analizleriyle Değerlendirilmesi: Akköy (Ürgüp) Örneği. Jeoloji Mühendisliği Dergisi, 43(2), 211-232. https://doi.org/10.24232/jmd.655005
5. Akin, M., Topal, T., & Akin, M. K. (2014). The Rockfall Potential of the Southwestern Part of Kastamonu Castle (Turkey) Based on 2-D and 3-D Analyses. Landslide Science for a Safer Geoenvironment: Volume 3: Targeted Landslides, 123-127. https://doi.org/10.1007/978-3-319-04996-0_20
6. Atabey, E. (1989). MTA Genel Müdürlüğü, 1/100.000 Ölçekli Türkiye Jeoloji Haritaları, Kayseri H19 (K33) Paftası. MTA Genel Müdürlüğü.
7. Baltzer, A. (1875). On a recent rockfall on Rossberg with a few observations on these phenomena in the Alps (ss. 914-924). Neues Jahr-buch fur Mineralogie, Geologie und Palaeontologie.
8. Binal, A., & Ercanoğlu, M. (2010). Assessment of rockfall potential in the Kula (Manisa, Turkey) geopark region. Environmental Earth Sciences, 61(7), 1361-1373. https://doi.org/10.1007/s12665-010-0454-1

9. Bozzolo, D., & Pamini, R. (1986). Simulation of rock falls down a valley side. Acta Mechanica, 63(1), 113-130.
10. Copons, R., Vilaplana, J. M., & Linares, R. (2009). Rockfall travel distance analysis by using empirical models (Solà d’Andorra la Vella, Central Pyrenees). Natural Hazards and Earth System Sciences, 9(6), 2107-2118. https://doi.org/10.5194/nhess-9-2107-200
11. Crosta, G. B., & Agliardi, F. (2004). Parametric evaluation of 3D dispersion of rockfall trajectories. Natural Hazards and Earth System Sciences, 4(4), 583-598. https://doi.org/10.5194/ nhess-4-583-2004
12. Dinçer, İ., Orhan, A., Frattini, P., & Crosta, G. B. (2016). Rockfall at the heritage site of the Tatlarin Underground City (Cappadocia, Turkey). Natural Hazards, 82(2), 1075-1098. https://doi.org/10.1007/s11069-016-2234-z
13. Dorren, L., Berger, F., Jonsson, M., Krautblatter, M., Mölk, M., Stoffel, M., & Wehrli, A. (2007). State of the art in rockfall–forest interactions. Schweizerische Zeitschrift fur Forstwesen, 158(6), 128-141. https://doi.org/10.3188/szf.2007.0128
14. Fanos, A. M., & Pradhan, B. (2019). A novel rockfall hazard assessment using laser scanning data and 3D modelling in GIS. Catena, 172, 435-450. https://doi.org/10.1016/j.catena.2018.09.012
15. Ghani, M. F. A., Simon, N., Mohamed, T. R. T., & Roslee, R. (2022). 3D Modelling of Rockfall Hazard at Gunung Lang, Ipoh. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 1103(1), 012028. https://doi.org/10.1088/1755-1315/1103/1/012028
16. Gökçe, O., Özden, Ş., & Demir, A. (2008). Türkiye’de afetlerin mekansal ve istatistiksel dağılımı afet bilgileri envanteri. Bayındırlık ve İskan Bakanlığı Afet İşleri Genel Müdürlüğü.
17. Guzzetti, F., Crosta, G., Detti, R., & Agliardi, F. (2002). STONE: A computer program for the three-dimensional simulation of rock-falls. Computers & Geosciences, 28(9), 1079-1093. https://doi.org/10.1016/S0098-3004(02)00025-0
18. Heim, A. (1932). Bergsturz und menschenleben. Fretz & Wasmuth.
19. Hepdenı̇z, K. (2019). Eğirdir İlçesi (Isparta) İçin Kaya Düşmesi Duyarlılık BölgelerininHaritalandırılması. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, 15, Article 15. https://doi.org/10.31590/ejosat.523612
20. ISRM, E. (1981). Rock characterization, testing and monitoring—ISRM suggested methods. Suggested methods for the quantitative description of discontinuities in rock masses (ss. 3-52). Pergamon Oxford.
21. Kalender, A., ve Sönmez, H. (2019). Kargabedir Tepe (Ankara-Eskişehir Karayolu) Bölgesinin Kaya Düşmesi Duyarlılığının İnsansız Hava Aracı (İHA) Görüntüleri Kullanılarak Konik Yayılım Yaklaşımıyla Değerlendirilmesi. Jeoloji Mühendisliği Dergisi, 43(2), Article 2. https://doi.org/10.24232/jmd.654900
22. Kaya, Y., & Topal, T. (2015). Evaluation of rock slope stability for a touristic coastal area near Kusadasi, Aydin (Turkey). Environmental Earth Sciences, 74(5), 4187-4199. https://doi.org/10.1007/s12665-015-4473-9
23. Kreimer, A., & Arnold, M. (2000). Managing disaster risk in emerging economies (C. 2). World Bank Publications.
24. Larcher, V., Simoni, S., Pasquazzo, R., Strada, C., Zampedri, G., & Berger, F. (2012). WP6 guidelines Rockfall and Forecast systems. PARAmount & Alpine Space, Italy & Grance, 84.
25. Marija, L., Martin, Z., Jordan, A., & Matthew, P. (2022). Rockfall susceptibility and runout in the Valley of the Kings. Natural Hazards, 110(1), 451-485. https://doi.org/10.1007/s11069-021-04954-9
26. Mutlu, S., Cı̇ndı̇oğlu, İ., ve Selçuk, A. S. (2022). Van İli Kaya Düşmesi Duyarlılık Haritasının Oluşturulması ve Afetsellik Açısından Değerlendirilmesi. Afet ve Risk Dergisi, 5(1), Article 1. https://doi.org/10.35341/afet.1068650
27. Polat, A. (2020). CBS Tabanlı 3B Kaya Düşmesi Analizi ve Veri Hazırlama Süreçleri: Kavak Köyü (Sivas-Türkiye) Örneği. Uludağ University Journal of The Faculty of Engineering, 25(3), 1205-1222. https://doi.org/10.17482/uumfd.769109
28. Quanterra. (2003). Conefall (v.1.0). Quanterra. www.quanterra.org
29. Ritchie, A. M. (1963). Evaluation of rockfall and its control. Highway research record, 17.
30. RocPro3D. (2014). RocPro3D software. http://www.rocpro3d.com/rocpro3d_en.php.
31. Rocscience Inc. (2020). Graphical and statistical analysis of orientation data (v.8.009).
32. San, N. E., Topal, T., & Akin, M. K. (2020). Rockfall hazard assessment around Ankara Citadel (Turkey) using rockfall analyses and hazard rating system. Geotechnical and Geological Engineering, 38, 3831-3851. https://doi.org/10.1007/s10706-020-01261-1
33. Şener, E. (2019). İnsansız hava araçları kullanılarak olası kaya düşmelerinin coğrafi bilgi sistemleri tabanlı 3D modellenmesi: Kasımlar köyü (Isparta-Türkiye) Örneği. Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 23(2), 419-426. https://doi.org/10.19113/sdufenbed.501482
34. Topal, T., Akin, M. K., & Akin, M. (2012). Rockfall hazard analysis for an historical Castle in Kastamonu (Turkey). Natural hazards, 62, 255-274. https://doi.org/10.1007/s11069-011-9995-1
35. Topal, T., Akin, M., & Ozden, A. U. (2006). Analysis and evaluation of rockfall hazard around Afyon Castle, Turkey. Proceedings of the 10th international congress IAEG.
36. Topal, T., Akin, M., & Ozden, U. A. (2007). Assessment of rockfall hazard around Afyon Castle, Turkey. Environmental Geology, 53(1), 191-200. https://doi.org/10.1007/s00254-006-0633-2
37. Tunusluoglu, M. C., & Zorlu, K. (2009). Rockfall hazard assessment in a cultural and natural heritage (Ortahisar Castle, Cappadocia, Turkey).Environmental geology, 56(5), 963-972. https://doi.org/10.1007/s00254-008-1198-z
38. Turner, & Schuster, R. L. (2012). Rockfall Characterization and Control, Transportation Research Board. Washington D.C.: National Academy of Sciences.
39. Ulusay, R., Gokceoglu, C., Topal, T., Sonmez, H., Tuncay, E., Erguler, Z. A., & Kasmer, O. (2006). Assessment of environmental and engineering geological problems for the possible re-use of an abandoned rock-hewn settlement in Urgüp (Cappadocia), Turkey. Environmental Geology, 50(4), 473-494. https://doi.org/10.1007/s00254-006-0222-4
40. Ulusay, R., & Hudson, J. A. (2007). The complete ISRM suggested methods for rock characterization, testing and monitoring. ISRM Turkish National Group, Ankara, Turkey.
41. Ulusay, R., ve Sönmez, H. (2007). Kaya kütlelerinin mühendislik özellikleri. Jeoloji Mühendisleri Odası Yayını, Güncellenmiş ve Genişletilmiş.
42. Varnes, D. J. (1978). Slope movement types and processes. Special report, 176, 11-33.
43. Volkwein, A., Labiouse, V., & Schellenberg, K. (2011). Summary on the NHESS Special Issue” Rockfall protection–from hazard identification to mitigation measures”. Natural Hazards and Earth System Sciences, 11(10), 2727-2728. https://doi:10.5194/nhess-11-2727-2011
44. Wyllie, D. C. (2014). Rock fall engineering. CRC Press.