Der Einfluss der Steinform auf die Steinschlagdynamik

Wenn in hohen Lagen Permafrosteis in Folge von klimatischen Veränderungen schmilzt, können sich aus den aufgetauten Schuttmassen und Felswänden Steine und Felsblöcke lösen. Damit kann die Gefahr von Steinschlag in Gebirgsregionen zunehmen. Allein im letzten Jahr waren in der Schweiz fünf Todesopfer durch Steinschlag zu beklagen und daneben wurden zahlreiche Strassen blockiert. Für die Behörden gehört der Schutz vor Steinschlag zu den dringenden Aufgaben.

Abbildung 1: Ein 80 t schwerer Steinbrocken blockiert die Julierpassstrasse (Foto: Maja Bless).

Steinschlag modellieren

Fachleute beurteilen die Gefahr von Steinschlag unter anderem auch anhand von Computermodellen, die einzelne Steinschlagereignisse in unterschiedlichem Gelände simulieren. Mit Hilfe ihrer Erfahrungen und den Resultaten der Simulationen können sie einschätzen, wie schnell die Steine fallen, wie hoch sie springen und wie weit sie ins Siedlungsgebiet vordringen.

Ein wichtiger Faktor bei den Berechnungen mit Computermodellen ist die Eingabe der Form der Steine. Bisher wurden meistens quader- oder kugelförmige Steine verwendet. Frühere Modelle berechneten den Stein als Massenpunkt und entsprechend mussten für die Bodenparameter fiktive Werte eingegeben werden. Damit konnten die Dämpfungseigenschaften und die Bodenrauhigkeiten beschrieben werden. Die Resultate der Simulationen mussten daher vorsichtig beurteilt werden. Der Einfluss der Steinform auf die Bewegung der Steine konnte bisher nicht simuliert werden.

Verschiedene Steinformen

Im Mittelpunkt des Forschungsprojektes steht deshalb die Frage, wie die verschiedenen Formen der Steine die Dynamik und das Verhalten des Steinschlages beeinflussen. Gibt es eine bestimmte Steinform, die schneller oder höher springt als eine andere? Welche Steine rollen am weitesten und wie breiten sie sich im Ablagerungsbereich aus? Wie gross ist die Kraft beim Aufprall? Solche Daten helfen den Prozess des Steinschlages besser zu verstehen und daraus Gefahrenkarten zu erstellen und Massnahmen zum Schutz von Strasse und Schiene zu ergreifen. 

Video 1: Steinschlag in Grabengüfer Randa, Katon Wallis, 2011

Experimente im Feld und Labor

Mit detaillieren Felduntersuchungen (Abbildung 2, Video 2) und Steinschlagexperimenten in verkleinertem Massstab, wird untersucht, wie weit hinunter verschiedene Steinformen vordringen und wo sie zum Stillstand kommen. Anhand von Bildern einer Highspeed Kamera lässt sich beobachten, wie sich die Steine bewegen und wie schnell sie fallen. Bewegungssensoren, im Innern der Steine, messen die Verzögerungen beim Aufprall und wie schnell sich die Steine drehen. 

Video 2: Laborexperiment auf schiefer Ebene

Abbildung 2: Verschiedene Steinformen mit Bewegungssensor

Neues Steinschlagmodell bald erhältlich

Die Erkenntnisse aus all diesen Experimenten fliessen direkt in das neue Computermodell RAMMS::Rockfall ein (Rapid Mass MovementS) (Abbildung 3), das die WSL in Zusammenarbeit mit dem Institut für Mechanische Systeme der ETH Zürich entwickelt hat. Die in den Simulationen verwendeten Steine und Blöcke werden als drei-dimensionale, konvexe Polytope eingegeben - es können also beliebige Formen von Steinen simuliert werden.

Das Steinschlagmodell wird zur Zeit von Fachleuten in der Schweiz getestet. Der erste Workshop zum neuen Computermodell RAMMS::Rockfall wird am 4. Juli 2013 an der WSL in Birmensdorf stattfinden.

Abbildung 3: Simulation eines Steinschlags bei Gurtnellen (UR) mit dem Programm RAMMS::Rockfall mit verschiedenen Steinformen (unten rechts); Geschwindigkeit mit Farben im Geländemodell (links) und Sprunghöhe (oben rechts) dargestellt.