Mobilität von Hangbewegungen mit Erosion: Proof-of-concept und Anwendung - Teil I: Modellierung, Simulation & Validierung

• Antragsteller: Professor Shiva P. Pudasaini, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 522097187

Erosion kann die zerstörerische Kraft von Hangbewegungen erheblich erhöhen, indem sie Volumen, Mobilität und Krafteinwirkung des Aufpralls steigert. Dabei steht das Gefahrenpotential in direkter Verbindung zur Mobilität. Es existiert bislang kein eindeutiger mechanischer Ansatz, um vorherzusagen wie viel Energie Hangbewegungen durch die Erosion hinzugewinnen oder verlieren. Erst das neue mechanische Modell zum Energiebudget von erosiven Hangbewegungen bietet eine Aussage über die veränderte Mobilität (Pudasaini & Krautblatter, 2021). Mit dem darin aufgezeigten grundlegend neuen Verständnis wird nachgewiesen, dass die erhöhte Trägheit der Hangbewegung mit einer „Materialaufnahme-Geschwindigkeit“ zusammenhängt. Somit kann die wahre Trägheit von erosiven Hangbewegungen berechnet werden, ein Durchbruch bei der korrekten Bestimmung von deren Mobilität. Wir haben damit gezeigt, wie die „Erosionsgeschwindigkeit“ das Energiebudget von Hangbewegungen reguliert und entscheidet, ob deren Mobilität sich erhöht oder verringert. Dies hängt zudem von dem entwickelten Energie-Generator ab, der erstmals eine mechanische Quantifizierung der Erosionsenergie und eine präzise Beschreibung der Mobilität gestattet. Damit wird die seit langem bestehende Frage beantwortet, warum viele erosive Hangbewegungen eine höhere Mobilität erzeugen, während andere die Mobilität verringern. Weiterhin wurde gezeigt, dass das Herauslösen von Körnern (Erosion) und deren Mitnahme (Entrainment) grundlegend unterschiedliche Prozesse sind. Die Energie von Hangbewegungen wird nur dann gesteigert und deren Mobilität erhöht, wenn die Erosionsgeschwindigkeit größer als die Materialaufnahme-Geschwindigkeit ist. Die Energiegeschwindigkeit grenzt dabei drei Überschuss-Energie-Regime ab: positiv, negativ und Null. Damit haben wir nachgewiesen, dass die bestehenden Fließmodelle bei Berücksichtigung von Erosion physikalisch und mathematisch falsch sind. Auch wenn wir mit den dynamischen Gleichungen die erosionsbedingte Nettoimpulsproduktion korrekt einbeziehen, müssen diese zwingend mit Laborexperimenten verifiziert und mit Feldereignissen validiert werden, um für Vorhersagen verwendet werden zu können. Wir wollen den Nachweis zu erbringen, dass die in Pudasaini & Krautblatter (2021) vorgestellten neuen physikalischen Prinzipien zur Mechanik der erosionsbedingten Mobilität von Hangbewegungen umgesetzt werden können. Wir werden dabei experimentelle Pionierarbeit leisten und neuartige Ansätze verfolgen, um die praktische Anwendbarkeit erosiver Hangbewegungen zu erforschen, zu verifizieren und mit Simulationen zu demonstrieren. Damit wird erstmals eine vollständige und wissenschaftlich fundierte Beschreibung der komplexen Entrainment-Phänomene und der Mobilität von mehrphasigen erosiven Hangbewegungen vorgelegt. Diese wird ein sehr nützliches und einzigartiges Instrument für die Anwendung sowie bei der Vorhersage von Hangbewegungen und Eindämmung der von ihnen erzeugten Naturgefahren darstellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Kolumbien, Nepal, Niederlande, Österreich, Schweiz
• Kooperationspartner: Professor Miguel Angel Cabrera; Professor Dr. Tjalling de Haas; Professor Dr. Christian Huggel; Professor Dr. Michel Jaboyedoff; Professor Dr. Parameshwari Kattel; Professor Dr. Martin Mergili
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Michael Krautblatter