Anthropogenic landslides at transportation infrastructure

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dc.contributor.advisor Damm, Bodo Prof. Dr. Wohlers, Annika 2023-03-24T07:37:44Z 2023-03-24T07:37:44Z 2022
dc.description.abstract The advancing industrialization in Central Europe in the 19th resulted in growing populations and growing demands for transportation infrastructure. Since 1890, the road network of interregional roads almost doubled until today. To minimize construction efforts in regions of high relief, roads were constructed and broadened tracing river valleys. Road cuts have been created by rock blasting or material removal by hand. Then, the removed material was used to broaden the exterior slope in order to create a leveled road surface. Simultaneously with the establishment of modern road construction in the middle of the 18th century, the first landslides were reported at road infrastructure which are closely linked to the road construction practices. In addition, the flourishing industrialization in Central Europe resulted in the realization of artificial waterways like the Mittelland canal connecting the Rhine trading area with the Elbe trading area. While the construction of the western canal branch remained unproblematic, the continuation of the canal between Hanover in the west and the Elbe River in the east resulted in construction-related landslides, especially in the first half of the 20th century. Until today, at least 30% of the registered landslides in southern Lower Saxony are linked to anthropogenic influences. With an ongoing growth of local urban centers and increasing percentages of impervious surfaces, the number of anthropogenic landslides tends to increase, regardless of future climate trends. Based on historical landslide data, several aspects of anthropogenic interactions considering landslides at transportation infrastructure were analyzed implying different approaches (i.e., descriptive and bivariate statistics as well as empirical analysis). The results have been published as three separate contributions in peer-reviewed scientific journals. The articles are entitled "Case histories for the investigation of landslide repair and mitigation measures in NW Germany", "Analysis of historical data for a better understanding of post-construction landslides at an artificial waterway" and "Rockfall vulnerability of a rural road network - a methodological approach in the Harz Mountains, Germany". In the second publication the predisposing and triggering factors of landslides at the Mittelland canal are examined, implementing quantitative statistical methods. In addition, case histories have been developed to examine repair and mitigation measures of landslide at transportation infrastructure. The majority of landslides occurred at three distinct sites: at the tributary canal to Hildesheim, at the main canal at km 195 (Schwicheldt, near Peine) and at the main canal at km 200 (Wenden, near Brunswick). The landslides at these sites are strongly controlled by material characteristics and are linked to over-steepened slopes which have been created by incision into vulnerable fine-grained clay− and marlstone and quickly disintegrate in wet−dry cycles. Strong correlations between landslide occurrence and construction phases can be identified between 1920 and 1938. Further phases of increased landslide activity have been registered during World War II and in the post-war phase between 1946 and 1957. Human influences contribute both to predisposing and triggering landslides. While precipitation can be neglected as landslide trigger, vibrations related to transportation of excavated materials on railroads during construction and faulty (re-)construction and mitigation planning have been reported to contribute to landslide triggering. In addition, during World War II the effects of air blasts due to aerial bombing are plausible as potential landslide trigger, though a final evaluation remains difficult due to the missing accuracy of landslide occurrence. In order to estimate potential risks of anthropologic landslides considering transportation infrastructure, the rockfall susceptibility has been modeled for the rural road network in the Harz mountains. In combination, the vulnerability of the road network has been assessed. The approach has been implemented in the publication 8Rockfall vulnerability of a rural road network — a methodological approach in the Harz Mountains, Germany9. For the susceptibility modelling, a bivariate statistical method (information value) was utilized. In addition, the vulnerability of road sections in the Harz mountains was assessed with vulnerability indicators. The indicators are calculated by summarizing the vulnerability factors for each road section, which have been weighted by analytic hierarchy processes. The vulnerability factors include daily traffic volumes, road type, speed reductions, length of alternate routing and mitigation measures. The susceptibility model assigns for 13 % of the road network area an positive information value which translates to a high or very high susceptibility for rockfall. The relevant road sections are linked to high slope values, NE orientations of road sections and low to moderate vulnerability values. The highest vulnerability values can be found on road sections with high average daily traffic volumes. While sections of high susceptibility are situated at roads connecting marginal with internal roads, sections of high vulnerability are located on marginal roads of the Harz mountains. Since the vulnerability is based on mitigation measures, among other factors, the road sections, where rockfall events have been registered, are characterized by the presence of structural and non-structural rockfall mitigation. Therefore, road section with a high number of registered rockfall events, show rather low vulnerabilities. The combination of the presented methods proposes an easily applicable estimate of vulnerability where conventional methods (i.e., vulnerability curves, matrices) cannot be implemented. For the presented area of the Harz mountains, the role of mitigation measures is emphasized and intact mitigation measures are of great importance for the road network vulnerability. The role of repair and mitigation measures at transportation infrastructure have been investigated with case histories in the Upper Weser area. This is included in the publication 8Case histories for the investigation of landslide repair and mitigation measures in NW Germany9. In the city of Hann. M ̧nden, three case histories have been developed to illustrate and analyze the landslide activity in interaction with land use practices including the application of structural mitigation measures. The three sites are characterized by anthropologic alterations due to road constructions at the end of the 19th and 18th century, respectively. Phases of increased landslide activity can be identified in the 1770s, 1880s, 1900s, 1930s, 1950s and 1970s, whereas phases of increased mitigation efforts can be observed in the 1900s, 1930s, 1960s, 1980s, 1990s and 2000s. Decades of increased landslide activity coincide and are followed with/by phases increased mitigation activity, respectively. The evolution of mitigation measures in the Upper Weser area can be categorized in distinct phases: During the phases of road construction in the 1770s and 1880s mitigation focused on stabilization of the lower interior slopes by implementing dry walls. The construction of dry walls was intensified to protect higher parts of the interior slopes in the 1900s and 1930s. In addition, engineered mitigation measures were planned for the first time in the 1930s. These measures were not executed until the 1960s by implementing concrete retaining walls and a combination of wire meshes and barriers for rockfall protection. Beginning in the 1980s, the phase of modern mitigation is characterized by comprehensive slope reconstructions with increasing efforts since the 1990s. The comparing case history from the Mittelland canal illustrates the contemporarily development and application of mitigation measures at an artificial waterway in the first half of the 20th century. The required canal depth of 16−17 m was reached by implementing trapezoidal incised slopes with inclinations of 50−70%. Shortly after construction or even during construction between 1920 and 1927, these created ditches failed. The first applied mitigation measures during that time included the installation of drainage trenches, which resulted in accelerated decomposition of the involved fine-grained clay− and marlstones. As a result, the canal profiles were gradually flattened and new profile types were developed in the subsequent construction phase between 1928 and 1938. During World War II the landslides slopes were still regraded to inclination of 1:3. These efforts were constrained by shortages of money, manpower and fuel during the war. Instead, landslide material was removed from the canal to enable a continuing shipping traffic. After the war had ended, reconstructions became necessary for a high percentage of vulnerable slopes along the canal due to shortages during the war. Materials and older drainage systems were removed, canal profiles were regraded and new drainage systems were implemented. In addition, the slopes were stabilized with tree plantations. The presented case histories can be utilized to reflect the public risk perception towards landslides. For the case histories in the Upper Weser area the phases of response, recovery and mitigation within the risk cycle can be clearly identified. Though, a final phase of preparedness has been lacking in the past and as a result, deficient mitigation measures contributed to the landslide hazard. The presented results suggest strong human influences considering landslides at transportation infrastructure. These include both predisposing and triggering factors. Furthermore, aged mitigation measures contribute to landslide hazards in the area of southern Lower Saxony. In highly developed countries in Central Europe, it is necessary to landslides consider anthropogenic influences in addition to 8natural9 factors when risk is assessed or mitigation measures are planned and executed. en
dc.description.abstract Die voranschreitende Industrialisierung im 19. Jahrhundert führte in Mitteleuropa sowohl zu steigenden Bevölkerungszahlen als auch zu einer steigenden Nachfrage nach Verkehrsinfrastrukturen. Seit 1890 hat sich das Verkehrsnetz von überregionalen Fernstraßen bis heute fast verdoppelt. Um den Bau von Straßeninfrastrukturen in Regionen mit starkem Relief zu vereinfachen, wurden Straßen besonders in Flusstäler gebaut. Die Straßenanschnitte wurden dabei anfangs durch Sprengungen hergestellt bzw. durch Räumung von Hand. Das anfallende Material fand anschließend für das talseitige Anlegen der Fahrbahn sowie deren Erweiterung Verwendung. Mit der Einführung des modernen Straßenbaus in der beschriebenen Weise, wurde auch über erste Massenbewegungen an Straßeninfrastrukturen berichtet. Im Zuge der voranschreitenden Industrialisierung wurden außerdem auch Wasserstraßen, wie der Mittellandkanal, verwirklicht, um die Gebiete der Schwerindustrie im Elbeeinzugsgebiet mit den Kohlerevieren des Rhein-Ruhr-Gebiets zu verbinden. Nachdem die Konstruktion des westlichen Teils des Mittellandkanals unproblematisch verlief, wurde seine Weiterführung zwischen Hannover und der Elbe besonders in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts immer wieder von baubedingten Rutschungen beeinträchtigt. Bis heute können mindestens 30 % der in der Datenbank registrierten gravitativen Massenbewegungen aus Südniedersachsen mit anthropogenen Einflüssen verbunden werden. Aufgrund eines anhaltenden Wachstums der lokalen urbanen Zentren und einer kontinuierlich zunehmenden Flächenversiegelung wird der Anteil anthropogener Massenbewegungen vermutlich auch in Zukunft steigen, ungeachtet möglicher zukünftiger Klimaentwicklungen. In der präsentierten Arbeit werden, basierend auf historischen Rutschungsdaten und unter der Verwendung unterschiedlicher Methoden (deskriptive und bivariate Statistik sowie empirische Studien), verschiedene Aspekte anthropogenen Einflusses an Verkehrsinfrastrukturen vorgestellt. Die Ergebnisse wurden in drei Fachartikeln in wissenschaftlichen Zeitschriften begutachtet und veröffentlich und werden hier kumulativ zusammengefasst. Die Fachartikel wurden unter folgenden Titeln veröffentlicht: „Case histories for the investigation of landslide repair and mitigation measures in NW Germany", „Analysis of historical data for a better understanding of post-construction landslides at an artificial waterway" und „Rockfall vulnerability of a rural road network - a methodological approach in the Harz Mountains, Germany). Im Rahmen der zweitgenannten Publikation wurden mit Hilfe von statistischen Methoden die Dispositionsfaktoren und Auslöser von Rutschungen am Mittellandkanal untersucht. Zusätzlich wurde eine Fallstudie entwickelt, um Art und Umsetzung von Sanierungs- und Sicherungsmaßnahmen am Kanal zu untersuchen. Der Großteil der Rutschungen am Mittellandkanal wurde an drei räumlichen Abschnitten registriert: am Seitenkanal nach Hildesheim, am Hauptkanal bei km 195 (bei Schwicheldt, nahe Peine) und am Hauptkanal bei km 200 (bei Wenden, nahe Braunschweig). Die aufgetretenen Rutschungen werden vor allem durch die Materialeigenschaften kontrolliert. Einerseits können rutschanfällige feinkörnige Ton- und Mergelsteine unter dem Einfluss von Feucht-Trocken-Zyklen beschleunigt verwittern. Andererseits wurden während des ursprünglichen Kanalbaus an den betreffenden Stellen mit problematischen Materialeigenschaften übersteilte Einschnitte hergestellt. Besonders im Zeitraum zwischen 1920 und 1938 lassen sich Rutschungen und Bauphasen miteinander korrelieren. Weitere Phasen mit erhöhter Rutschungsaktivität konnten während des Zweiten Weltkriegs und in der Nachkriegszeit zwischen 1946 und 1957 beobachtet werden. In diesem Zusammenhang tragen die anthropogenen Einflüsse sowohl zur Disposition von Rutschungen als auch als deren Auslöser bei. Während Niederschläge als Auslöser für einen großen Teil der Rutschungen am Mittellandkanal ausgeschlossen werden können, wird in zeitgenössischen Fachartikeln über Erschütterungen als mögliche Auslöser berichtet, welche durch den Transport von Abraum auf Loren entstehen. Zusätzlich besteht die Wahrscheinlichkeit, dass Rutschungen durch fehlerhaft geplante und ausgeführte Bau- und Sanierungsvorhaben von Kanalböschungen ausgelöst wurden. Während des Zweiten Weltkriegs könnten Rutschungen außerdem durch Erschütterungen ausgelöst werden, die im Zusammenhang mit der Explosion von Fliegerbomben stehen. Eine abschließende Beurteilung dieses Effekts ist jedoch schwierig, da die zeitliche Auflösung der Rutschungsdaten nicht ausreichend ist. Um potentielle Risiken von Massenbewegungen in Bezug auf anthropogene Dispositionsfaktoren besser einschätzen zu können, wurde für das Straßennetzwerk im niedersächsischen Teil des Harzes die Suszeptibilität in Bezug auf Steinschlagereignisse sowie die Vulnerabilität des Straßennetzwerks modelliert. Der beschriebene Ansatz ist Teil der Publikation "Rockfall vulnerability of a rural road network - a methodological approach in the Harz Mountains, Germany". Die Suszeptibilität für Sturzprozesse wurde dabei mit einer bivariaten statistischen Methode {Informationswert) modelliert. Für die Modellierung wurden zunächst für das Untersuchungsgebiet und für Sturzprozesse relevante Umweltfaktoren auf der Basis des zu untersuchenden Gebiets sowie der möglichen Prozesse ermittelt und kategorisiert. Aus der Summe der Rutschungspixel in einer Kategorie und der Gesamtzahl der Pixel in der gleichen Kategorie wurde dann der Quotient gebildet. Bei einem hohen Anteil von Rutschungspixeln in einer Kategorie ergibt sich ein größerer Quotient. Aus der Summe der Quotienten der einzelnen Faktoren konnte für jedes Pixel im Untersuchungsgebiet der Informationswert bestimmt werden. Abschließend wurde das Modell mit einer Grenzwertoptimierungskurve {engl. Receiver Operating Characteristic, ROC) validiert. Zusätzlich wurde die Vulnerabilität des Straßennetzwerks mit Hilfe von Indikatoren modelliert. Die Berechnung erfolgte durch das Summieren von vorher bestimmten Vulnerabilitätsfaktoren für die einzelnen Straßenabschnitte. Die Faktoren vorab mit Hilfe eines analytischen Hierachieprozesses {AHP) gewichtet. Als Faktoren für die Vulnerabilitätsmodellierung wurden die täglichen Verkehrsmengen, der Straßentyp, eventuelle Geschwindigkeitsbegrenzungen, die Länge möglicher Umleitungen sowie vorhandene Sicherungsmaßnahmen verwendet. Das Suszeptibilitätsmodell ergibt, dass 13% des Straßennetzwerks im Harz einen positiven Informationswert aufweisen. Dies entspricht einer hohen oder sehr hohen Suszeptibilität in Bezug auf Steinschlagereignisse. Entsprechende Straßenabschnitte sind charakterisiert durch hohe Neigungswerte und durch eine nordöstliche Ausrichtung der Straßen, die im Zusammenhang mit der tektonischen Entwicklung des Harzes und einer entsprechenden Ausrichtung von Faltenachsen, Störungen und Klüften steht. Häufig sind Abschnitte mit hoher und sehr hoher Suszeptibilität durch eine geringe bzw. moderate Vulnerabilität gekennzeichnet. Straßenabschnitte mit hoher Vulnerabilität treten hingegen vor allem bei hohen täglichen Verkehrsmengen auf. Dabei handelt es sich in der Regel um die Straßen am Gebirgsrand. Straßenabschnitte, die den Harzrand mit der Hochharzstraße verbinden, sind oft durch eine hohe Suszeptibilität gekennzeichnet. Durch den Einfluss von Sicherungsmaßnahmen bei der Berechnung des Vulnerabilitätsindikators, wird Straßen mit vorhandenen Sicherungsmaßnamen eine eher geringe Vulnerabilität zugeordnet. In der Regel handelt es sich dabei um Straßenabschnitte, an denen bereits Steinschlagereignisse aufgetreten sind. Dennoch eignet sich die präsentierte Methode der kombinierten Erfassung von Suszeptibilität und Vulnerabilität gut für eine erste Risikoeinschätzung, besonders wenn eine ausführliche Auflösung der Steinschlagdaten bzw. Kosteneinschätzungen fehlen. Der Einfluss des Vorhandenseins von Sicherungsmaßnahmen in der vorliegenden Vulnerabilitäts-Modellierung stellt deren Funktionalität in den Vordergrund. Daraus ergibt sich eine große Notwendigkeit von intakten und somit funktionellen Sicherungsmaßnahmen. Andernfalls kann ein Straßenabschnitt, der als wenig vulnerabel kategorisiert wird, besonders schadensanfällig sein. Beispielsweise könnten neben auftretenden Sturzereignissen auch Teile einer vorhandenen baulichen Sicherung einen Straßenabschnitt beschädigen oder Verkehrsteilnehmer bedrohen. Die Bedeutung von Sicherungs- und Sanierungsmaßnahmen in Bezug auf Massenbewegungen, wurde im Detail anhand von drei Fallstudien an der Oberweser untersucht. Die Ergebnisse werden in der Publikation „Case histories for the investigation of landslide repair and mitigation measures in NW Germany< beschrieben. Mit Hilfe dieser Fallstudien in der Umgebung von Hann. Münden lässt sich die Rutschungsaktivität mit Landnutzungspraktiken und dazugehörigen Sicherungsmaßnahmen gegenüberstellen. Die drei Untersuchungsstandorte stehen dabei im Kontext des Straßenbaus im 18. und 19. Jahrhundert und sind eng verbunden den jeweils verbreiteten Sicherungspraktiken. Eine erhöhte Rutschungsaktivität kann jeweils in den 1770er, 1880er, 1900er, 1930er, 1950er und 1970er Jahren festgestellt werden, Phasen mit erhöhter Sicherungsaktivität liegen in den 1900er, 1930er, 1960er, 1980er, 1990er und 2000er Jahren vor. Es wird deutlich, dass Jahrzehnte mit erhöhter Rutschungsaktivität oft mit Phasen erhöhter Sicherungsaktivität zusammenfallen oder von ihnen gefolgt werden. Die Entwicklung von Sicherungsmaßnamen an der Oberweser kann dabei folgendermaßen beschrieben werden: Während des Straßenbaus in den 1770er bzw. 1880er Jahren beschränkte sich die Sicherung auf den unteren Bereich des bergseitigen Hangs unter der Verwendung von Trockenmauern. Zwischen 1900 und 1930 wurden weiterhin Trockernmauern genutzt, um nun auch höhere Bereiche der bergseitigen Hänge zu sichern. In den 1930er Jahren kam erstmals die Hangsicherung durch ingenieurtechnische Maßnahmen hinzu, diese Verfahren wurden jedoch erst in den 1960er umgesetzt. Dazu zählt die Verwendung von Betonstützmauern sowie Netzen und Palisadenzäune, um gegen Sturzereignisse zu sichern. Mit den 1980er Jahren begann die Phase der modernen Sicherungsmaßnahmen mit umfassenden Maßnahmen, die ab den 1990er Jahren noch einmal intensiviert wurden. Dabei fanden neben modernen Vernetzungen und Fangzäunen auch Verankerungen Anwendung. Die vergleichende Fallstudie am Mittellandkanal zeigt mit dem Auftreten von Rutschungen eine zeitgleiche Entwicklung von Sanierungs- und Sicherungsmaßnahmen an einer künstlichen Wasserstraße in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts. Der notwendige Einschnitt von bis zu 17 m unter Geländehöhe wurde durch das Anlegen trapezförmiger Böschungen mit Steigungen zwischen 50 % und 70 % erreicht. Jedoch traten zwischen 1920 und 1927 immer wieder Rutschungen während bzw. kurz nach Fertigstellung der Böschungen auf. Die ersten Sicherungsmaßnahmen bestanden aus dem Anlegen von Sickerschlitzen, was zu einer beschleunigten Verwitterung der betroffenen feinkörnigen Ton- und Mergelsteine führte. Zwischen 1928 und 1938 wurden die Kanalprofile daher flacher gestaltet und es folgte die Entwicklung neuer Profiltypen. Während des Zweiten Weltkriegs wurden die Böschungen noch einmal auf 1:3 abgeflacht. Häufig kam es jedoch zur Unterbrechung der Arbeiten aufgrund des Mangels an Betriebsmitteln. Um die Schifffahrt auf dem Kanal während des Krieges dennoch aufrecht zu erhalten, wurde abgerutschtes Material regelmäßig aus der Fahrrinne geräumt. Nach Kriegsende waren dadurch Sanierungsarbeiten an einem Großteil der rutschgefährdeten Böschungen notwendig. Deren Ausführung ab 1950 beinhaltete das Ersetzen von alten durch neue Drainagesysteme und die Beseitigung von abgerutschten Massen. Zusätzlich wurden die Hänge durch Baumanpflanzungen stabilisiert. Die vorgestellten Fallstudien spiegeln die unterschiedliche Risikowahrnehmung gegenüber Massenbewegungen an Verkehrsinfrastrukturen wider. Die klassischen Phasen im Krisenmanagement, dazu zählen die Bewältigung, Nachbereitung und Prävention werden nach einer erhöhten Aktivität in Bezug auf Massenbewegungen durchlaufen. Jedoch fehlt die finale Phase der Vorbereitung auf das nächste Ereignis. Nachdem Sicherungsmaßnahmen aufgestellt wurden, sinkt das Bewusstsein für ein erneutes Auftreten von Massenbewegungen. Über die Jahrzehnte hinweg können Sicherungsmaßnahmen jedoch ihre Schutzwirkung verlieren und bei einer erneuten Massenbewegung beginnt der Zyklus von Neuem. Die präsentierten Ergebnisse zeigen einen engen Zusammenhang zwischen Massenbewegungen an Verkehrsinfrastrukturen und anthropogenen Einflüsse in Bezug auf Dispositionsfaktoren von Massenbewegungen und deren Auslöser. Hinzu können nicht in Stand gehaltene und veraltete Sicherungsmaßnahmen, die zur Gefährdung durch Massenbewegungen beitragen. Zum einen ergibt sich daraus neben der notwendigen Prozessunterscheidung in Bezug auf die gravitativen Massenbewegungen, eine Berücksichtigung der Dispositionsfaktoren sowie der Auslöser und inwiefern diese anthropogen geprägt sein könnten. Besonders in hoch entwickelten Industrieländen in Mitteleuropa vermischen sich „natürliche" mit anthropogenen Einflüssen. de_DE
dc.language.iso en de_DE
dc.publisher Universität Vechta de_DE
dc.rights.uri de_DE
dc.subject Gravitative Massenbewegungen de_DE
dc.subject Rutschungen de_DE
dc.subject Sturzereignisse de_DE
dc.subject Dispositionsfaktoren de_DE
dc.subject Suszeptibilität de_DE
dc.subject Vulnerabilität de_DE
dc.subject Mittellandkanal de_DE
dc.subject Südniedersachsen de_DE
dc.subject Harz de_DE
dc.subject.ddc 900 de_DE
dc.title Anthropogenic landslides at transportation infrastructure en
dc.title.alternative Comprehensive analysis of susceptibility, vulnerability, triggers and risk perception for a better understanding of the anthropogenic role in natural hazards in Lower Saxony, Central Germany en
dc.type DoctoralThesis de_DE
dcterms.dateAccepted 2023-02-01
dcterms.medium application/pdf de_DE
ubve.organisationseinheit Fakultät II:Geographie de_DE
thesis.level doctor de_DE
dc.contributor.referee Baumhauer, Roland Prof. Dr.
dc.contributor.referee Stolz, Christian Prof. Dr.
ubve.dnb.pnr Wohlers, Annika; 128431166X
ubve.dnb.pnr Damm, Bodo; 1067271805
ubve.dnb.pnr Baumhauer, Roland; 124651224
ubve.dnb.pnr Stolz, Christian; 129904546

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