A fractal fragmentation model for rockfalls

The final publication is available at Springer via http://dx.doi.org/10.1007/s10346-016-0773-8The impact-induced rock mass fragmentation in a rockfall is analyzed by comparing the in situ block size distribution (IBSD) of the rock mass detached from the cliff face and the resultant rockfall block size distribution (RBSD) of the rockfall fragments on the slope. The analysis of several inventoried rockfall events suggests that the volumes of the rockfall fragments can be characterized by a power law distribution. We propose the application of a three-parameter rockfall fractal fragmentation model (RFFM) for the transformation of the IBSD into the RBSD. A discrete fracture network model is used to simulate the discontinuity pattern of the detached rock mass and to generate the IBSD. Each block of the IBSD of the detached rock mass is an initiator. A survival rate is included to express the proportion of the unbroken blocks after the impact on the ground surface. The model was calibrated using the volume distribution of a rockfall event in Vilanova de Banat in the Cadí Sierra, Eastern Pyrenees, Spain. The RBSD was obtained directly in the field, by measuring the rock block fragments deposited on the slope. The IBSD and the RBSD were fitted by exponential and power law functions, respectively. The results show that the proposed fractal model can successfully generate the RBSD from the IBSD and indicate the model parameter values for the case study.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Analysis of rockfalls by means of a fractal fragmentation model

The final publication is available at Springer via http://dx.doi.org/10.1007/s00603-019-01987-2We present the performance of the rockfall fractal fragmentation model (RFFM) developed by Ruiz-Carulla et al. (Landslides 14(3):875–889. doi.org/10.1007/s10346-016-0773-8, 2017) and based on Perfect (Eng Geol 48:185–198, 1997). The RFFM combines disaggregation of the initial rock mass and breakage of the blocks. The model has been upgraded as to meet the mass balance, and to generate both a continuous decreasing and scale variant distribution of fragments volumes. The input of the model may be either a single block or a rock mass characterized by its In situ Block Size Distribution (IBSD). The measured fragment size distributions of seven inventoried rockfall events are used to calibrate the model. The results of the simulations fit well to the measured volume distributions. Our findings indicate that fragmentation is better characterized by the whole volume distribution of fragments generated and the increase of new surface area of the rock fragments. A relation has been observed between the potential energy of the first impact, the new surface area of fragments generated, and the model parameters. Although a greater number of parametric analyses and calibration exercises are required, this relation is proposed as a first approach to model rockfall scenarios.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Integració de bases de dades referents a informació geotècnica i al comportament de talussos en un projecte SIG

The current computer systems allow to register a great amount of data that keep on making the data bases of different organisms of the administration grow. Storage systems and data processing used are very diverse and there is great heterogeneity in the structures and formats hampering their compatibility. Civil work projects in Catalonia have generated a large amount of geological and geotechnical information which is gathered in a data base (DB) owned by GISA (Gestió d’Infraestructures S.A.). The DB, named as DINS (Dades INtegrades del Subsòl), includes records of the location of the surveys, borehole logs and both in situ and laboratory geotechnical tests. On the other hand, DGC (Direcció General de Carreteres) created a DB on the incident records in roads, which includes the occurrence of rock falls and slides, and the geomechanical characteristics of the slopes. In this work we present a GIS platform that we have set up capable to extract and manage all the available data from both DB and also from surveys carried out by the IGC (Institut Geològic de Catalunya). A significant part of the work have consisted of making compatible the databases and configuring the data-queries. The main goal of this work has been design a data-query tool which could be used by GISA, DGC and IGC. The GIS platform will allow the possibility of adding and overlapping the geological and hazard maps to the infrastructure network. This will help the decision-makers. Specifically, the GIS is able to show all the geotechnical information and the observed slope behaviour all over the catalan territory. Furthermore, it will allow the use of search criteria exclusive of a relational DB, or spatial criteria such as belonging to a region (municipality or a geological formation) or the vicinity to a conflicting slope or project.Els sistemes informàtics actuals permeten registrar una gran quantitat de dades que dia a dia van fent créixer les bases de dades de diferents organismes de l’administració. Els sistemes d’emmagatzematge i tractament d’informació que s’utilitzen són molt diversos i s’observa una gran heterogeneïtat en les estructures i formats dificultant la seva compatibilització. A l’entorn dels projectes d’obra civil a Catalunya es genera molta informació de caire geològico - geotècnic que es registra en una base de dades (BD) des de l’empresa pública GISA (Gestió d’Infraestructures S.A.). Aquesta BD s’anomena DINS (Dades INtegrades del Subsòl) i registra la localització de les prospeccions així com els registres dels sondeigs i els resultats dels assaigs tant in situ com de laboratori. Per altra banda, la DGC (Direcció General de Carreteres) registra en una BD les incidències viàries provocades per talussos inestables, és a dir, caigudes de blocs i moviments de massa dels quals se’n registra la localització i alguns trets geomètrics i geològico - geotècnics. En aquest marc de gestió de dades espacials del terreny, es posa sobre la taula la possibilitat de compatibilitzar les dues bases de dades en un projecte SIG (Sistemes d’Informació Geogràfica) capaç d’aglutinar tota la informació procedent tant de la BD de talussos inestables de la DGC com de la BD DINS de GISA, i fins i tot les prospeccions realitzades per l’Institut Geològic de Catalunya. L’objectiu fonamental d’aquest projecte és dissenyar una eina de gestió i consulta d’informació del terreny que pugui ser utilitzada per GISA, la DGC i l’IGC. La possibilitat de les eines SIG d’afegir i superposar els plànols dels projectes i les cartografies geològiques i de riscos, ajudarà a la presa de decisions al tenir disponible una major quantitat d’informació conjuntament. Concretament, aquest nou projecte SIG permetrà tenir tota la informació de les campanyes geotècniques antecedents distribuïdes sobre el territori català creuada amb el comportament dels talussos observat per la DGC. A més a més, permetrà utilitzar criteris de cerca propis d’una BD relacional, o criteris espacials com la pertinença a una regió (municipis o una formació geològica), o la proximitat a un nou projecte o a un talús conflictiu

Rockfall analysis : failure, fragmentation and propagation characterization : a fractal fragmentation of rockfalls

The present thesis aims at the analysis of the fragmentation of rockfalls. The fragmentation is a complex phenomenon poorly understood with a lack of tools to reproduce it on rockfall simulators. The effect of fragmentation on the hazard assessment and mapping is significant and it may substantially modify the risk scenario. The analysis of the empirical data acquired in a series of inventoried natural rockfalls and real-scale drop tests, clearly suggests that fragmentation displays a fractal behavior. Based on these observations, a fractal fragmentation model is proposed heare, adapting the basics of Perfect (1997) to the specific case of rockfalls. An important development of the thesis presented is the procedure to characterize the rockfall mass before and after the fragmentation, which include the methodology to measure the block size distributions of the deposit, the use of Unmaned Aerial Vehicles (UAV) equipped with digital camera digital, and the photogrammetric analysis to reconstruct the detached block volumes based on 3D models and discrete joint characterization. The block size distributions before and after the fragmentation are related with the proposed model, using the real data to calibrate the model parameters by back analysis. The methodologies and the model proposed contribute to the understanding of the fragmentation phenomenon and have the capability to reproduce the entire block size distribution and the calculation of the number and volume of the fragments. They also allow the quantification of the areas of the fresh faces created due to breakage, which may be related to the required fragmentation energy. The final goal of the ongoing research is the implementation of fragmentation behavior on a rockfall simulator which is currently under developed within the Rockmodels project (https://rockmodels.upc.edu/es), and modify the criteria to calculate the probability of impact used in hazard mapping and in quantitative risk assessment studies. The results of the fragmentation model may also contribute to the analysis of the efficiency and to the design of the rockfall protection systems.La present tesis es centra en el fenomen de la fragmentació en despreniments rocosos. La fragmentació és un fenomen complex de difícil caracterització i de la que ens manquen eines per a la seva modelació en programes de simulació de caiguda de blocs. Tanmateix, els efectes de la fragmentació sobre les prediccions i els conseqüents mapes de perill poden comportar modificacions en l’escenari de risc. A partir d’un conjunt de dades empíriques obtingudes mitjançant l’inventari de despreniments naturals, s’ha observat un clar comportament fractal. A partir d‘aquestes observacions, s’ha proposat un model de fragmentació fractal adaptant la descripció de Perfect (1997) al cas específic del despreniment rocós. Una part important del desenvolupament de la tesi són les metodologies utilitzades per a la caracterització de la massa rocosa abans i després de la fragmentació, des de metodologia per mesurar distribucions de volums de blocs al dipòsit, fins a la utilització de drons i fotogrametria digital per reconstruir el volums dels blocs abans de caure a partir de models 3D i de la caracterització discreta de les discontinuïtats del massís. Les distribucions de volums de blocs abans i després de la fragmentació és relaciones mitjançant el model de fragmentació proposat, utilitzant les dades reals per calibrar els paràmetres del model per retro anàlisis. La utilització de les metodologies proposades i del model de fragmentació ajuden a la comprensió del fenomen, permeten la reproducció de la distribució de blocs sencera amb una estimació del nombre de blocs i el seus volums. També permet una quantificació de la superfície nova creada en cares fresques degut a la ruptura, que es vincula amb l’energia dedicada a la fragmentació. L’objectiu final d’aquesta recerca és la implementació de la fragmentació en un simulador de caiguda de blocs que es troba en desenvolupament en el marc del projecte Rockmodels (https://rockmodels.upc.edu), així com modificar els criteris de càlcul de probabilitat d’arribada que s’utilitzen per elaborar els mapes de perill i els estudis quantitatius del risc. Les conclusions poden canviar la manera com es dissenyen els sistemes de protecció contra despreniments.La presente tesis se centra en el fenómeno de la fragmentación en desprendimientos rocosos. La fragmentación es un fenómeno complejo de difícil caracterización y de la que nos faltan herramientas para su modelación en programas de simulación de caída de bloques. Sin embargo, los efectos de la fragmentación sobre las predicciones y los consecuentes mapas de peligro pueden conllevar modificaciones en el escenario de riesgo. A partir de un conjunto de datos empíricos obtenidos mediante el inventario de desprendimientos naturales, se ha observado un claro comportamiento fractal. A partir de estas observaciones, se ha propuesto un modelo de fragmentación fractal adaptando la descripción de Perfect (1997) en el caso específico del desprendimiento rocoso. Una parte importante del desarrollo de la tesis son las metodologías utilizadas para la caracterización de la masa rocosa antes y después de la fragmentación, desde metodología para medir distribuciones de volúmenes de bloques en el depósito, hasta la utilización de drones y fotogrametría digital para reconstruir el volúmenes de los bloques antes de caer a partir de modelos 3D y de la caracterización discreta de las discontinuidades del macizo. Las distribuciones de volúmenes de bloques antes y después de la fragmentación se relacionan mediante el modelo de fragmentación propuesto, utilizando los datos reales para calibrar los parámetros del modelo mediante retro análisis. La utilización de las metodologías propuestas y del modelo de fragmentación ayudan a la comprensión del fenómeno, permiten la reproducción de la distribución de bloques entera con una estimación del número de bloques y sus volúmenes. También permite una cuantificación de la superficie nueva creada en caras frescas debido a la ruptura, que se vincula con la energía dedicada a la fragmentación. El objetivo final de esta investigación es la implementación de la fragmentación en un simulador de caída de bloques que se encuentra en desarrollo en el marco del proyecto Rockmodels (https://rockmodels.upc.edu), así como modificar los criterios de cálculo de probabilidad de alcance que se utilizan para elaborar los mapas de peligro y los estudios cuantitativos del riesgo. Las conclusiones pueden cambiar la forma en que se diseñan los sistemas de protección contra desprendimientos

Caracterització de la fragmentació en els despreniments rocosos

El present treball està centrat en l'estudi, la comprensió i l'anàlisi del procés de fragmentació de blocs rocosos al llarg del seu recorregut en despreniments i la distribució de blocs rocosos que en resulta. En concret, s'ha estudiat el cas d'un despreniment rocós de grans dimensions amb els objectius de: a) estimar el volum de material afectat pel despreniment i b) obtenir la distribució de volums de blocs a la paret rocosa (abans del despreniment) així com la distribució de volums de blocs propagats (una vegada ocorregut el despreniment i els blocs s'han propagat i fragmentat) per finalment c) observar les variacions de les distribucions de volums de blocs abans i després del despreniment. Per obtenir la distribució de volums de blocs propagats, després del despreniment, s'ha realitzat un exhaustiu treball de camp on s'han mesurat més de 1.500 blocs. Per a l'obtenció de la distribució de volums de blocs a la paret rocosa, abans del despreniment, s'ha generat un model digital de l'escarpat mitjançant tècniques fotogramètriques, sobre el que s'han caracteritzats les famílies de discontinuïtats que finalment s'ha utilitzar per tallar un volum de control i generar una mostra representativa dels volums de blocs de la paret rocosa. S'ha obtingut una distribució volums de blocs propagats, al dipòsit, que s'ajusta a una llei potencial, mentre que la distribució de volums de blocs in situ, a la paret rocosa, segueix una llei exponencial. Comparant les distribucions es pot observar una reducció en el nombre de blocs de volums superiors al metre cúbic i un fort augment en el nombre de blocs de volums inferiors al metre cúbic, producte de la fragmentació dels blocs majors d'un metre cúbic entre d'altres. De cara a la comprensió del fenomen de la fragmentació i a l'elaboració de lleis de fragmentació, es considera fonamental la observació de la naturalesa del fenomen i l'obtenció de dades de qualitat que reflecteixin la fragmentació dels blocs rocosos al propagar-se. Tals lleis, es podrien utilitzar per a la millora de la caracterització de la perillositat dels despreniments rocosos, incorporant la fragmentació i la seva influència sobre la redistribució de volums de blocs i per tant, sobre les velocitats, les energies d'impacte i les trajectòries d'aquests

Rockfall analysis : failure, fragmentation and propagation characterization : a fractal fragmentation of rockfalls

Tesi per compendi de publicacions, amb diferents seccions retallades pels drets d'editorThe present thesis aims at the analysis of the fragmentation of rockfalls. The fragmentation is a complex phenomenon poorly understood with a lack of tools to reproduce it on rockfall simulators. The effect of fragmentation on the hazard assessment and mapping is significant and it may substantially modify the risk scenario. The analysis of the empirical data acquired in a series of inventoried natural rockfalls and real-scale drop tests, clearly suggests that fragmentation displays a fractal behavior. Based on these observations, a fractal fragmentation model is proposed heare, adapting the basics of Perfect (1997) to the specific case of rockfalls. An important development of the thesis presented is the procedure to characterize the rockfall mass before and after the fragmentation, which include the methodology to measure the block size distributions of the deposit, the use of Unmaned Aerial Vehicles (UAV) equipped with digital camera digital, and the photogrammetric analysis to reconstruct the detached block volumes based on 3D models and discrete joint characterization. The block size distributions before and after the fragmentation are related with the proposed model, using the real data to calibrate the model parameters by back analysis. The methodologies and the model proposed contribute to the understanding of the fragmentation phenomenon and have the capability to reproduce the entire block size distribution and the calculation of the number and volume of the fragments. They also allow the quantification of the areas of the fresh faces created due to breakage, which may be related to the required fragmentation energy. The final goal of the ongoing research is the implementation of fragmentation behavior on a rockfall simulator which is currently under developed within the Rockmodels project (https://rockmodels.upc.edu/es), and modify the criteria to calculate the probability of impact used in hazard mapping and in quantitative risk assessment studies. The results of the fragmentation model may also contribute to the analysis of the efficiency and to the design of the rockfall protection systems.La present tesis es centra en el fenomen de la fragmentació en despreniments rocosos. La fragmentació és un fenomen complex de difícil caracterització i de la que ens manquen eines per a la seva modelació en programes de simulació de caiguda de blocs. Tanmateix, els efectes de la fragmentació sobre les prediccions i els conseqüents mapes de perill poden comportar modificacions en l’escenari de risc. A partir d’un conjunt de dades empíriques obtingudes mitjançant l’inventari de despreniments naturals, s’ha observat un clar comportament fractal. A partir d‘aquestes observacions, s’ha proposat un model de fragmentació fractal adaptant la descripció de Perfect (1997) al cas específic del despreniment rocós. Una part important del desenvolupament de la tesi són les metodologies utilitzades per a la caracterització de la massa rocosa abans i després de la fragmentació, des de metodologia per mesurar distribucions de volums de blocs al dipòsit, fins a la utilització de drons i fotogrametria digital per reconstruir el volums dels blocs abans de caure a partir de models 3D i de la caracterització discreta de les discontinuïtats del massís. Les distribucions de volums de blocs abans i després de la fragmentació és relaciones mitjançant el model de fragmentació proposat, utilitzant les dades reals per calibrar els paràmetres del model per retro anàlisis. La utilització de les metodologies proposades i del model de fragmentació ajuden a la comprensió del fenomen, permeten la reproducció de la distribució de blocs sencera amb una estimació del nombre de blocs i el seus volums. També permet una quantificació de la superfície nova creada en cares fresques degut a la ruptura, que es vincula amb l’energia dedicada a la fragmentació. L’objectiu final d’aquesta recerca és la implementació de la fragmentació en un simulador de caiguda de blocs que es troba en desenvolupament en el marc del projecte Rockmodels (https://rockmodels.upc.edu), així com modificar els criteris de càlcul de probabilitat d’arribada que s’utilitzen per elaborar els mapes de perill i els estudis quantitatius del risc. Les conclusions poden canviar la manera com es dissenyen els sistemes de protecció contra despreniments.La presente tesis se centra en el fenómeno de la fragmentación en desprendimientos rocosos. La fragmentación es un fenómeno complejo de difícil caracterización y de la que nos faltan herramientas para su modelación en programas de simulación de caída de bloques. Sin embargo, los efectos de la fragmentación sobre las predicciones y los consecuentes mapas de peligro pueden conllevar modificaciones en el escenario de riesgo. A partir de un conjunto de datos empíricos obtenidos mediante el inventario de desprendimientos naturales, se ha observado un claro comportamiento fractal. A partir de estas observaciones, se ha propuesto un modelo de fragmentación fractal adaptando la descripción de Perfect (1997) en el caso específico del desprendimiento rocoso. Una parte importante del desarrollo de la tesis son las metodologías utilizadas para la caracterización de la masa rocosa antes y después de la fragmentación, desde metodología para medir distribuciones de volúmenes de bloques en el depósito, hasta la utilización de drones y fotogrametría digital para reconstruir el volúmenes de los bloques antes de caer a partir de modelos 3D y de la caracterización discreta de las discontinuidades del macizo. Las distribuciones de volúmenes de bloques antes y después de la fragmentación se relacionan mediante el modelo de fragmentación propuesto, utilizando los datos reales para calibrar los parámetros del modelo mediante retro análisis. La utilización de las metodologías propuestas y del modelo de fragmentación ayudan a la comprensión del fenómeno, permiten la reproducción de la distribución de bloques entera con una estimación del número de bloques y sus volúmenes. También permite una cuantificación de la superficie nueva creada en caras frescas debido a la ruptura, que se vincula con la energía dedicada a la fragmentación. El objetivo final de esta investigación es la implementación de la fragmentación en un simulador de caída de bloques que se encuentra en desarrollo en el marco del proyecto Rockmodels (https://rockmodels.upc.edu), así como modificar los criterios de cálculo de probabilidad de alcance que se utilizan para elaborar los mapas de peligro y los estudios cuantitativos del riesgo. Las conclusiones pueden cambiar la forma en que se diseñan los sistemas de protección contra desprendimientos.Postprint (published version

Rockfall occurrence and fragmentation

Rockfalls are very rapid and damaging slope instability processes that affect mountainous regions, coastal cliffs and slope cuts. This contribution focuses on fragmental rockfalls in which the moving particles, particularly the largest ones, propagate following independent paths with little interaction among them. The prediction of the occurrence and frequency of the rockfalls has benefited by the rapid development of the techniques for the detection and the remote acquisition of the rock mass surface features such as the 3D laser scanner and the digital photogrammetry. These techniques are also used to monitor the deformation experienced by the rock mass before failure. The quantitative analysis of the fragmental rockfalls is a useful approach to assess risk and for the design of both stabilization and protection measures. The analysis of rockfalls must consider not only the frequency and magnitude of the potential events but also the fragmentation of the detached rock mass. The latter is a crucial issue as it affects the number, size and the velocity of the individual rock blocks. Several case studies of the application of the remote acquisition techniques for determining the size and frequency of rockfall events and their fragmentation are presented. The extrapolation of the magnitude-frequency relationships is discussed as well as the role of the geological factors for constraining the size of the largest detachable mass from a cliff. Finally, the performance of a fractal fragmentation model for rockfalls is also discussed.Peer ReviewedPostprint (published version

Magnitude and frequency relations: are there geological constraints to the rockfall size?

The final publication is available at Springer via http://dx.doi.org/10.1007%2Fs10346-017-0910-zThere exists a transition between rockfalls, large rock mass failures, and rock avalanches. The magnitude and frequency relations (M/F) of the slope failure are increasingly used to assess the hazard level. The management of the rockfall risk requires the knowledge of the frequency of the events but also defining the worst case scenario, which is the one associated to the maximum expected (credible) rockfall event. The analysis of the volume distribution of the historical rockfall events in the slopes of the Solà d’Andorra during the last 50 years shows that they can be fitted to a power law. We argue that the extrapolation of the F-M relations far beyond the historical data is not appropriate in this case. Neither geomorphological evidences of past events nor the size of the potentially unstable rock masses identified in the slope support the occurrence of the large rockfall/rock avalanche volumes predicted by the power law. We have observed that the stability of the slope at the Solà is controlled by the presence of two sets of unfavorably dipping joints (F3, F5) that act as basal sliding planes of the detachable rock masses. The area of the basal sliding planes outcropping at the rockfall scars was measured with a terrestrial laser scanner. The distribution of the areas of the basal planes may be also fitted to a power law that shows a truncation for values bigger than 50 m2 and a maximum exposed surface of 200 m2. The analysis of the geological structure of the rock mass at the Solà d’Andorra makes us conclude that the size of the failures is controlled by the fracture pattern and that the maximum size of the failure is constrained. Two sets of steeply dipping faults (F1 and F7) interrupt the other joint sets and prevent the formation of continuous failure surfaces (F3 and F5). We conclude that due to the structural control, large slope failures in Andorra are not randomly distributed thus confirming the findings in other mountain ranges.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Experiencias con drones para el estudio de movimientos de ladera

La tecnología de los vehículos aéreos no tripulados o drones (UAV) se ha desarrollado de forma exponencial los últimos años. Su uso para la toma de fotografías y el posterior tratamiento con técnicas de fotogrametría digital, permiten la generación de modelos 3D de alta resolución del terreno. Estas nuevas herramientas permiten realizar trabajos de caracterización geométrica de una forma más eficaz, más segura y con mayor resolución. En esta comunicación se presentan experiencias con esta tecnología en el campo del control de erosión y deposición o cambios en el tiempo, la caracterización geométrica para inventariar un desprendimiento rocoso, así como la identificación y caracterización del patrón de discontinuidades de un frente rocoso para el análisis de estabilidad y la cuantificación de volúmenes inestables.Postprint (published version

Quantitative analysis of risk from fragmental rockfalls

The final publication is available at Springer via http://dx.doi.org/10.1007/s10346-018-1087-9Rockfalls are ubiquitous diffuse hazard in mountain regions, cliffs, and cutslopes, with the potential of causing victims and severely damaging buildings and infrastructures. A vast majority of detached rock masses break up when impacting the ground, generating multiple trajectories of rock fragments. In this paper, we present the quantitative risk analysis (QRA) of fragmental rockfalls. Fragmentation in rockfalls requires the redefinition of the probability of reach and the evaluation of the effect of multiple rock blocks trajectories on the exposure. An example of QRA was carried out at the Monasterio de Piedra, Spain, using RockGIS, a rockfall propagation model that takes fragmentation into account (Matas et al. Landslides 14:1565–1578, 2017). The results show that fragmentation has a significant but contrasting effect in the calculation of risk. The risk is reduced if the slope where blocks propagate is sufficiently long and gentle. The reason for this is that, compared to the unfragmented rock masses, the new fragments generated travel shorter distances with lesser kinetic energy. The effect disappears in case of large rockfalls. Conversely, the risk increases if the rock fragments propagate over steep slopes. The reason is that few blocks stop along the way while the generation of a cone of fragments increases the exposure. Our simulations also show that assuming a continuous flow of visitors or segregating the flow in groups of different number of people has only a minor influence on the results. Finally, we observed that the capability of the protection barriers to stop rockfalls of up to a few tens of cubic meters increases with fragmentation.Peer ReviewedPostprint (author's final draft