Gruppe B

Gruppe B
Rutschungen in Wuhan und das Felslabor
Gregor Klambauer
Vanessa Payerl
Roswitha Samek
Clemens Serloth
Georg Steiner
1. Beschreibung der allgemeinen geologischen Situation im Raum Badong
– Zigui
1.1.
Geologische Situation
Das besuchte Gebiet rund um den Drei Schluchten Damm und die zum Teil durch ihn
entstandenen gravitativen Massenbewegungen, lagen entlang des Unterlaufes des Yangtze
Flusses, genauer zwischen den Ortschaften Badong und Zigui. Den ersten groben Überblick
der geologischen Situation wurde in der Vortragsreihe von Professor Xiang an der Universität
von Wuhan vermittelt, wobei wie in der nachfolgenden gezeigten regionalen Karte
besonders auf die Störungszonen und den wesentlich vorhandenen Gesteinen eingegangen
wurde.
Die Geologie rund um das besuchte Felslabor in Badong ist vorallem durch zwei wesentliche
Gesteine definiert. Einerseits durch das vor 800 Millionen Jahren entstandene SinianKristallin, welches magmatisch sowie metamorph geprägt ist und das darauf liegende SinianJura Sedimentgestein (Wu et al., 2001). Wobei das Kristallin regional gesehen nur vereinzelt
vorkommt und die Mehrheit der Oberfläche durch quartäre Verwitterungshorizonten und
Sinian-Trias Karbonatgesteinen, wie Kalk – und Tonstein, geprägt sind (Fourniadis et al.,
2007).
Abbildung 1:
Regionale geologische und tektonische Übersichtskarte (Fourniadis, 2007)
Aufschlüsse an der Oberfläche wurden keine Besucht, jedoch gab es die Möglichkeit im
Untersuchungsstollen der Huang Tupo-Rutschung die Bewegungszone und folglich einen Teil
der Badong-Gruppe (Ba 1-5), welche sich im mittleren Trias bildete (LIU et al., 2009) zu
erkunden. Da der Untersuchungsstollen unterhalb der Bewegungszone liegt, gab er einen
guten Einblick auf die „stabilere“ Formation Ba 3, welche aus einer grau bis gelblichen
Lockergesteinsmasse mit Kalkstein und tonigem Zwischenmaterial besteht, welche
Zwischenschichten mit schluffigem Ton sowie kalkreichen Schieferton besitzt. Und unterhalb
des Lockergesteins befindet sich der grau bis grauschwarze Kalkstein bzw. Mergel mit
Kalkreichem Schieferton, also Festgestein (QI et al., 2009).
Abbildung 2: : Bewegungszone der Huang Tupo-
Rutschung;
Abbildung 3: Direkter Aufschluss eines Gleitkörpers
(Badong)
Eine weitere Besonderheit welche uns Professor Xiang aufgezeigt hat und auch in der
regionalen Karte ersichtlich ist, ist die Tatsache, dass in der Nähe des Staudammes in Zigui
sowie generell im Bereich um Badong eine vermehrte Anzahl an Störungszonen auftreten.
Dies lässt auf eine erhöhte tektonische Aktivität schließen. 4 bis 5 Erdbeben sind alle 8 bis 10
Jahre in der Nähe des Dammes mit einer Magnitude zwischen 3 - 6 zu erwarten (Hu et al.,
2001). Es sei hier noch erwähnt, dass der Staudamm auf einem Kristallinfenster errichtet
wurde, welches bessere Festigkeiten gegenüber Karbonat- und Sedimentgesteinen vorweist.
1.2.
Geologische Triggerfaktoren (ungünstige Begebenheiten)
Es wird im weiteren Bericht noch vermehrt auf die gravitativen Massenbewegungen
(Rutschungen) eingegangen, dennoch wird hier noch auf die im Raum Badong gegebenen
Begebenheiten eingegangen.
Eine Besonderheit des vorhandenen Kalkgesteines ist, dass er relativ schnell an der
Oberfläche verwittert und seine Scherfestigkeiten verringert. Folglich entstehen an der
Oberfläche verstärkt Verwitterungshorizonte mit größeren Mächtigkeiten, welche
flachgründige Rutschungen begünstigen. Eine weitere ungünstige Begebenheit im Bereich
von Badong wird in der nachfolgenden schematischen Skizze dargestellt. Wobei der wie
vorher erwähnte Kalkstein, stark verkarstet ist und eine stark erhöhte Durchlässigkeit
aufweist und der darunter liegende Tonstein eine niedrige Durchlässigkeit besitzt. Folglich
wird aufgrund des relativ hohen Niederschlages (Winter: 100-150 mm; Sommer 200-300 mm
(Wu et al., 2001)) eine Erosion durch Schichtquellen begünstigt.
Abbildung 4: Schematische Darstellung einer gravitativen Massenbewegung entlang einer Kontaktfläche
zwischen Kalk- und Tonstein
Auch die Orientierung der vorhandenen Schichtungen und Trennflächen, welche ein NE-SW
Trend aufweisen begünstigen ein Versagen (Fourniadis et al., 2007), da sie wie in der oben
gezeigten Skizze hangausfallend liegend. Zusätzlich wirkt sich die tektonische Beanspruchung
auf die Schichtungen aus, welche die Festigkeitswerte (Reibungswinkel, Mohr-Coloumb
Parameter) reduzieren und folglich als Gleitmittel fungieren.
2: Rutschungen (allgemein)
2.1. Gravitative Massenbewegung
Unter dem Begriff „gravitative Massenbewegung“ versteht man Bewegungen welche in
mehr oder weniger steilem Gelände, der Gravitation folgend in Richtung der Schwerkraft
verlaufen. Es gibt diverse Arten und Typen der Prozesse welche sich mit unterschiedlicher
Genauigkeit in verschiedene Kategorien einteilen lassen. Nach Varnes 1978, wäre das eine
Einteilung der Kategorien nach dem jeweiligen Bewegungstypen. Diese sind demnach fließen
(flow), kippen/fallen (fall/topple), driften (spread) und rutschen (slide). (Varnes, 1978) In der
untenstehenden Abbildung ist die Kategorisierung nach Varnes dargestellt.
In dieser Arbeit soll vor allem auf den Bewegungstypen des Rutschens näher eingegangen
werden.
Abbildung 5: Klassifizierung der Massenbewegungen (Varnes, 1978)
2.2. Rutschungen
Definition: Rutschungen sind Materialienmassen welche durch eine Schwachschicht/
Rutschschicht vom festen Untergrund abgetrennt sind/ werden. Bei einer Rutschung fährt
die gesamte oberliegende Schicht entlang der Bruchfläche auf einer stabilen Schicht
aufliegend abwärts. (Krautblatter 2010) Oftmals werden Rutschungen durch einen
Scherbruch des Geländes aktiviert oder treten in zerklüftetem Gelände auf. (Krautblatter,
2010) Die Entwicklung der Rutschfläche nach einem Scherbruch ist ein progressiver Vorgang,
welche in den an Stärksten beanspruchten Zonen beginnt und sich in die benachbarten
Zonen weiter fortsetzt. Die Geschwindigkeit der Gleitkörper nimmt bis zum Eintreten einer
Rutschung zu. Nach einer Rutschung, kommt die Masse wieder in einem stabilen
Gleichgewicht
zur
Ruhe
(Wullimann/Schlüchter
1985).
Die
Schichtung
und
Lagerungsverhältnisse innerhalb der Rutschmasse bleiben dabei bestehen. (Krautblatter,
2010)
In Festgesteinen verläuft der Prozess ähnlich. Hierbei wird Instabilität durch das Öffnen von
Klüften einer bestimmten Kluftschar angezeigt und verursacht. Durch Vergrößerung der Last
(Ausweitung der Instabilität durch bereits bestehende Risse) kommt es zu Zunahme
bestehender und Neubildung weiterer Mikrorisse. Aus diesen entstehen Makrorisse welche
im Verlauf des Prozesses eine durchgehende Bruchfläche bilden. (Bergmeister et.al, 2008)
Grundsätzlich werden Hangrutschungen in zwei Unterkategorien eingeteilt.
2.2.1..Rotationsrutschung
Bei Rotationrutschungen bildet sich die Rutschfläche als Kreisradius in den Festkörper hinein
aus. Durch das Andrücken der Last von oben hebt es den Fuß des Gleitkörpers aus.
(Bergmeister
et.al.,
2008)
Dies
bezeichnet
die
namensgebende
Rotation
des
Bewegungsablaufes. Die gesamte Trennfläche hat nach Varnes zumeist die Form von Löffel
bzw. eines Halbzylinders. Die Achse der Rotation verläuft parallel zum Hang und quer zur
Rutschung.
Laut Bergmeister et.al besteht ein bestimmtes Verhältnis zwischen der Tiefe und der Länge
des Gleitkörpers, welches zwischen 0,15 und 0,30 liegt. Bei zunehmender Hangneigung
nimmt auch das Verhältnis zu.
Abbildung 6: Rotationsrutschung (Geological Survey, 2004)
Nach Buma & Asch werden Rotationsrutschungen weiter in drei Subkategorien unterteilt.
Diese
lauten
die
„Einfache
Rotationsrutschung“
(Single
slide),
die
„Mehrfache
Rotationsrutschung“ (Multiple slide) und die „rotationsförmige Rutschungsfolge“ (successive
slide). Die Einteilung hierbei erfolgt vereinfacht nach der Anzahl der Rutschflächen und
Rotationsachsen.
Bei der „Einfachen Rotation“ geschieht die Bewegung wie oben beschrieben entlang einer
Rotationsache auf einer einzigen Rutschfläche.
Die „Mehrfach Rotationsrutschung“ hingegen bezeichnet ein Rutschungsereignis allerdings
aufgeteilt in mehrere Rutscheinheiten mit jeweils einer eigenen Rutschfläche und
Rotationsachse.
Die oben genannte „Rotationsförmige Rutschungsfolge“ hingegen beschreibt mehrere
Rotationsrutschungen welche in Serie geschehen. (Buma & Asch, 1996) Und somit zwar
eigenständig Rutschungen sind allerdings durch räumliche und zeitliche Gegebenheiten doch
verknüpft sind.
Abbildung 7: Subkategorien nach Buma und Asch
2.2.2.Translationsrutschung
Bei Translationsrutschungen sind die Gleitflächen mehr oder weniger eben und haben
mehrfach tektonische, lithologische oder bodengenetische Gründe. Entscheidend ist bei
dieser Art der Rutschung dass der Gleitwiderstand/ Scherwiderstand deutlich geringer
ausgeprägt ist als die Schubkraft bleibt (Varnes, 1978). Zwei wichtige
Rollen in der
Entstehung von Translationsrutschungen spielen, Wasser und seismische Bewegungen.
Translationsrutschungen werden häufig durch die geologische Exposition in dem jeweiligen
Gebiet hervorgerufen. Die Rutschfläche bildet an der lithologischen Grenzfläche von Boden
und anstehendem Gestein aus (Karl, 1983). Translationsrutschungen entstehen in
Lockergesteinsböden sowie in Lockergestein oberhalb einer wasserundurchlässigen
Tonschicht, wenn die darüber befindliche Schicht wassergesättigt ist. Beim Prozess an sich
wird der Scherwiderstand wird durch die Wassersättigung herabgesetzt dass die
Schersspannung einen kritischen Wert erreicht und die Masse talwärts zu gleiten beginnt.
Translationsrutschungen können ebenfalls dem Verhalten der Rutschmasse entsprechend in
Subkategorien eingeteilt werden. Besteht eine Translationsrutschung aus einer einheitlichen
und zusammenhängenden Masse, welche sich im Verlauf der Rutschung sehr wenig in ihrer
Form verändert, handelt es sich um einen so genannten Block Slide (Blockartige Rutschung).
Verändert sich die Masse deutlich und zerfällt im Verlauf der Rutschung in Einzelblöcke so
spricht man von einem Disrupted Slide (getrennte Rutschung (Varnes 1978).
Abbildung 8 : Schema Translationsrutschung (Geological Survey, 2004)
3. Rutschung in Wuhan – Felslabor
Während des Aufenthalts in der Provinz Hubei standen Besichtigungen an verschiedenen
Orten entlang des Yangtse Flusses am Programm. Aufenthalte gab es in Zigui und Badong.
Während der Schwerpunkt in Zigui auf der Besichtigung des 3-Schluchten Staudammes lag,
wurden in Badong das Felslabor der Universität für Geowissenschaften, Wuhan und
verschiedene Rutschungen in der Region besichtigt. Die Anreise nach Badong erfolgte am
29.10.2015. Da keine Straße entlang des Yangtse Flusses existiert, muss für eine Reise
flussaufwärts auf dem Landweg ein großer Umweg in Kauf genommen werden. Beim
Aufenthalt in Wuhan In Badong und Umgebung konnten mehrere Rutschungen besichtigt
werden.
Beobachtungsstation
Abbildung 9: Satellitenbild der Huangtupo Rutschzone
Im Jahr 1995 setzte sich ein großer Hang am Yangtze im Gebiet der Stadt Badong ab
woraufhin alle Bewohner der Gebäude auf der Rutschmasse evakuiert wurden.
Die Entscheidung wurde getroffen, ein Felslabor zu bauen. Dafür wurde ein Tunnel parallel
zum Flusslauf unterhalb der Rutschung in den Fels getrieben. Seitenstollen ragen in die
Rutschung. Am Gegenhang wurde eine Beobachtungsstation auf dem Dach eines
Wohnhauses
eingerichtet.
Mit
Hilfe
eines
Radarsystems
(Genaue
Bezeichnung:
Interferometric Synthetic Aperture Radar – Remote Micro Deformation Monitoring System)
wird der Hang permanent überwacht.
Abbildung 10: Überwachungsstation auf Gebäudedach
Abbildung 11: Monitoring System am Gegenhang und Blick durch das Zielsystem des Geräts
3.1.
Xintan Erdrutsch und Lianzi Cliff:
Der Xintan Erdrutsch befindet sich am nördlichen Ufer des Yangtse Flusses, gegenüber des
von uns besichtigten Landschaftsparks „Lianzi Cliff Scenic Spot“. Aufgrund eines Unfalls auf
der Zufahrtstraße fehlte uns leider die Zeit für eine ausführliche Besichtigung und durch das
schlechte Wetter wäre laut Prof. Xiang die Begehung des Geländes zudem gefährlich
geworden.
Abbildung 12: Xintan Erdrutsch
Die Gegend des Xintan Erdrutsches blickt auf eine lange bewegte Geschichte zurück. Laut
den Aufzeichnungen des Guizhou Zhi ereigneten sich bereits in den Jahren 100 und 377 n.
Chr. Erdrutsche, die mehrere hundert Menschenleben forderten. Im Jahr 1030 machte ein
Erdrutsch den Fluss 21 Jahre lang für Schiffe unpassierbar. Ein ähnliches Ereignis dürfte im
Jahr 1542 stattgefunden haben, wobei die Passage danach 82 Jahre lang nicht befahren
werden konnte. Dokumentiere Ereignisse jüngeren Datums gab es in den Jahren 1935, als 20
Häuser über einen Zeitraum von 7 Tagen in den Fluss gedrückt wurden und 1985.
3.2.
Xintan Erdrutsch 1985
Am 12. Juni 1985 bewegte sich der Xintan Erdrutsch ein weiteres Mal in zerstörerischem
Ausmaß: Zwischen 3:52 und 3:56 setzte sich eine Rutschmasse von 1900 m Länge und einer
Breite zwischen 210 und 710 m in Bewegung. Auf einer Fläche von 0,73km² rutschten 30 Mio
m³ Lockermasse mit einer Geschwindigkeit von 10-30 m/s in den Yangtse Fluss. 1569 Häuser
wurden zerstört und eine etwa 50 m hohe Flutwelle ausgelöst, die noch 15 km flussaufwärts
bzw. 27 km flussabwärts registriert werden konnte. Die Ausläufer der Rutschmasse – 250 m
lang und 93 m breit – unterbrachen den Schiffsverkehr auf dem Fluss für 12 Tage. Dank guter
Vorhersagen konnten die Bewohner der Häuser rechtzeitig in Sicherheit gebracht werden,
was bis heute als Wunder gefeiert wird. (Informationstafel, 2015)
Abbildung 13: Lianzi Cliff
4. Fallbeispiel Huangtupo-Rutschung bei Badong
Im Jahr 1982 wurde in der Stadt Yichang der Gezhouba Staudamm errichtet wodurch es
aufgrund des Aufstaus des Jangtse zum Verlust einzelner Teile der Stadt gekommen ist. Als
Umsiedlungsfläche wurde der Hang Huangtupo besiedelt. Dieser liegt südlich der
„Guandukou“ Synklinale und gehört zur Kreisstadt Badong, welche im südwestlichen Teil der
chinesischen Provinz Hubei direkt am Jangtse Fluss liegt.
Die Huangtupo-Rutschung ist eine der Größten im gesamten Reservoir des Drei SchluchtenProjekts befindliche Rutschung uns zählt so unter anderem auch zu eine der mächrigsten
Hangrutschungen in der Kreisstadt Badong.
Sie umfasst eine Fläche von 135x104 m² und ein Volumen von ca. 6934x104 m³ (WANG et
al., 2009). Die morphologischen Gegebenheiten lassen sich vorerst mit steil-gemäßigt bis
steil–sehr steil beschreiben.
Abbildung 14: Schematische geologische Übersicht der Huangtupo Rutschung (China University of
Geosciences, Wuhan)
Die Gleitzone der Rutschung befindet sich komplett in der T2b 3 Formation. Dies bedeutet,
dass hier hauptsächlich Mergel und teils stark verwitterter mergeliger Kalk vorkommt
(WOLLENDORFER, 2009).
Durch die zahlreichen Bauarbeiten und Aushubarbeiten im Rahmen der Neubesiedelung
wurde das Untergrundmaterial frei gelegt. Die Festigkeiten des Gesteins wurden dadurch
herabgesetzt und die Gefahr für eine Bewegung innerhalb dieser Materialschicht, welche
doch einige Meter hoch sein kann, steigt.
5. Felslabor in Badong
Das Felslabor in Badong liegt direkt am Yangtze Fluss und besteht aus einem
Erkundungsstollen parallel zum Flusslauf und einer Beobachtungsstation auf der
gegenüberliegenden Seite.
Grund für den Bau dieses Labors ist die Untersuchung der Huang – Tupo – Rutschung, die
nach 15.000 – 30.000 Jahren wieder aktiv wurde. Verantwortlich dafür war die Errichtung
des Drei – Schluchten – Staudammes und der damit verbundenen Aufstauung des Yangtze.
Diese reaktivierte Rutschung erstreckt sich hangparallel auf einer Länge von ca. 2km und
besteht aus 4 Gleitkörpern unterschiedlichen Alters, welche eine Mächtigkeit von bis zu
80m aufweisen. Auf Grund der Größe dieser Massenbewegung, ist eine Sanierung nicht
machbar. Deshalb wurden die rund 15.000 Bewohner dieses Gebiets umgesiedelt um eine
mögliche Katastrophe zu vermeiden.
Am Gegenhang dieser Rutschung befindet sich eine Messstation der Universität, wo mit Hilfe
von Radarinterferometrie und 3D – Laserscan der Hang vermessen und untersucht wird. Mit
dem Ziel der genauen Erforschung dieser Rutschung, sollen zukünftig Massenbewegungen
am Yangtze frühzeitig erkannt und besser modelliert werden.
Abbildung 15: Huang – Tupo – Rutschung von der Beobachtungsstation am Gegenhang. gelb: Rutschmasse,
rot: ungefähre Lage des Tunneleingangs (rechts) und Tunnelende (links)
Infolge der Schwankungen des Wasserspiegels um bis zu 30m pro Jahr, konnten bis zu 4000
weitere Hangbewegungen im Staubereich dokumentiert werden. Mit dem Ziel solche
Massenbewegungen besser zu verstehen, wurde im Auftrag der Universität für
Geowissenschaften in Wuhan, dieses Untersuchungsprojekt errichtet. Das besondere an
diesem Stollen ist, die direkte Begehung der Gleitfläche einer Hangbewegung. Nach einer
Bauzeit von 2 Jahren, wurde der ca. 900m lange Stollen, der sich in der unteren stabilen
Hangschicht befindet, fertig gestellt. Neben dem Hauptstollen gibt es noch 5
Sondierungsstollen, die bis hin zur Gleitfläche ragen. An den Gleitflächen werden Proben
entnommen und Messungen vorgenommen. Damit kann eine detailliertere 3D – Simulation
erstellt werden. An den Gleitflächen selbst finden Triaxialversuche statt um die
Druckfestigkeit des Bodens zu bestimmen.
Außerdem sind Extensiometer an Rissen von Böden und Wänden des Untersuchungsstollens
angebracht. Mit diesen können Verformungen und Verschiebungen gemessen werden und
mit einem Datenaufnahmegeräte dokumentiert werden. Die Änderung der Strecke zwischen
den beiden Ankern wird beobachtet. Somit lassen sich Rückschlüsse auf die Hangstabilität
ziehen.
Weiteres sind Inklinometer eingebaut. Durch Bestimmung der Horizontalverschiebungen
entlang einer vertikalen Bohrung können Informationen über Anzahl und Mächtigkeit
verschiedener
Bewegungszonen
erfasst
werden.
Durch
Messungen
können
Hanggeschwindigkeiten in der Tiefe bestimmt werden. (Zangerl et al., 2008)
Abbildung 17: Extensometer im Tunnel
Abbildung 16: Triaxialversuch
Im Tunnel selbst sind beidseitig Rinnen angebracht um für eine Entwässerung zu sorgen. Des
Weiteren befinden sich hangseitig mehrere kleine Beobachtungsfenster um die Struktur des
anliegenden Fels zu erkunden.
Die gewonnen Erkenntnisse helfen der Frühwarnung von Massenbewegungen im Staugebiet
des Drei – Schluchten – Staudammes. So können etwa mit Hilfe der Daten Riskiokarten
erstellt werden.
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