A novel approach for quantifying rockfall and rock mass failure: point cloud analysis of multi-decadal rockfall activity and characterization of thermally induced rock deformation

Details

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Serval ID
serval:BIB_5CF619748FF2
Type
PhD thesis: a PhD thesis.
Collection
Publications
Institution
Title
A novel approach for quantifying rockfall and rock mass failure: point cloud analysis of multi-decadal rockfall activity and characterization of thermally induced rock deformation
Author(s)
Guerin Antoine
Director(s)
Jaboyedoff Michel
Institution details
Université de Lausanne, Faculté des géosciences et de l'environnement
Publication state
Accepted
Issued date
2021
Language
english
Abstract
Rockfalls and rock mass failures are often a primary driver of geomorphic change in mountainous settings. Rock mass failures pose significant hazard and risk since even in the case of small-size events, rockfalls sometimes seriously damage transportation corridors and their infrastructures, sometimes interrupting roads and railway traffics for several months or years. Mountain communities àre not spared from this hazard and risk either, since each year, the world's media report events that have reached urban and tourist areas, sometimes resulting in human fatalities. Although historical rockfall inventories exist and some of them are regularly updated, these databases often present gaps (e.g., observation and quantification biases) and characterizing rockfall activity (in terms of location and frequency) from this data remain challenging. In addition to providing data on rockfall occurrence and volume, some historical inventories also offer valuable information about the probable environmental triggers of rockfall events. Analysis of these triggers revealed that. even though most documented rockfalls occur due to precipitation-related seepage into rock fractures, a certain number of events without recognized triggers (sometimes including large volumes) occur in summertime, on sunny days and at the hottest hours of the day, suggesting that thermal effects play a significant raie in the triggering ofrockfalls.
To overcome the limitations associated with historical rockfall inventories and further investigate environmental thermal forcing in rock, a: multidisciplinary approach that benefits from the advantages of different techniques and sources of information has been adopted during this PhD thesis, including in-situ instrumental measurements, remote sensing and 2-D thermal modeling. For this purpose, a novel approach for quantifying multi-decadal rockfall activity and characterizing thermally induced rock deformation, has been developed using: (1) long-term terrestrial laser
scanning (TLS) monitoring; (2) structure-from-motion (SfM) methods applied to archivai pictures; and (3) high­ frequency intraday infrared thermography (IRT) surveys.
The first part of the manuscript is dedicated to monitoring of granitic rock faces located within the Mont Blanc massif (Haute-Savoie, France) and Yosemite Valley (California, USA). This research presents a unique inventory of more than 500 rockfall sources, including 308 in the Mont Blanc massif (2005-2016 period) and 235 in Yosemite Valley (1976- 2017 period). This inventory provides new insights into rockfall frequencies and retreat rates that shape the granitic rock faces of medium and high altitude. In particular, the 11 years of TLS monitoring performed in the Mont Blanc massif enabled very accurate characterization of the progression of a new state of stability of a rock face affected by a major rockfall event of nearly 300,000 m\ in June 2005. Similarly, the 3-D reconstruction of former topography using archivai imagery, allowed to "wind back the dock" and to quantify 40 years of rockfall activity in two adjacent cliffs of Yosemite Valley. In this way, we have been able to relate more precisely past and recent rockfall activities, to detect the rockfall scars still active, and to determine the weakness are as of the investigated rock cliffs. Additionally, the high-frequency SfM survey performed in Yosemite Valley during the autumn of 2017, allowed characterizing an entire very active rockfall sequence, which unfortunately left one persan dead and one injured. A retrogressive erosion dynamic system with increasing rockfall volumes similar to that identified in the Mont Blanc massif was observed, suggesting potential similarities between the erosion processes involved in the landscape evolution of granitic rock faces.
The second part of the manuscript is dedicated to infrared thermal characterization of partially detached rock sheets and exfoliated granitic rock faces. This research, conducted in its entirety in Yosemite Valley, enabled to characterize and image a complete thermally induced rock deformation cycle (i.e., over 24 hours), and to determine new relationships between daily thermal changes and rock face deformation. Thus, for the first time, the daily millimetric deformation pattern of partially detached rock sheets could be directly compared to their diurnal and nocturnal thermo­ spatial signatures. Our analyses indicate that the most deformed portion of the rock sheets coincides with the area where bath the fracture aperture and the temperature variations are greatest. Furthermore, the hundreds of IRT images
acquired on exfoliated rock faces as part of this work have revealed that partially detached rock sheets exhibited a
-noc tu rnal thermal signature colder than the surrounding rock. This innovative finding, independent of the rock sheet size, offers a new method for remote detection of partially detached rock sheets. In addition, the penultimate chapter of this PhD thesis illustrates the strong potential of the TLS-IRT coupling for investigating potential rockfall sources on exfoliating cliffs, especially since we demonstrated with 2-D thermal modeling that the presence of local warmer areas on the surface of rock sheets could be due to the presence of rock bridges that keep the rock in a state of at least temporary stability.
The research undertaken in this PhD thesis aimed to take advantage of historical SfM methods, lo_ng-term TLS monitoring and high-frequency IRT surveys, to propose a new and efficient approach to characterize rockfall activity and rock mass failures. Historical terrain models derived from archival imagery now provide the opportunity to reassess the volumes of the large rockfalls that occurred during the 20th century. Coupled with current monitoring, this approach enables bath correction and completion of historical rockfall inventories, and for the determination of volume-frequency relationships that are more accurate and more representative of rockfall activity that contrais the erosion of rock faces. The remote thermal detection of rock bridges and partially detached rock sheets are significant advances that open up new perspectives for improving rockfall susceptibility, hazard analyses and hazard mitigation in mountainous landscapes.
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Les chutes de blocs et les ruptures de masse rocheuse font partie des principaux facteurs géornorphologiques qui conditionnent l'évolution du milieu montagnard. Les ruptures de_ masse rocheuse présentent un danger et un risque important car même dans le cas d'événements de petite taille, les chutes de blocs qui en découlent endommagent parfois sévèrement les voies de communication et leurs infrastructures. Ces dernières peuvent alors entrainer une interruption totale du trafic routier ou ferroviaire pendant plusieurs mois ou années. Les communautés montagnardes ne sont pas non plus épargnées par ce danger et ce risque ; en effet, chaque année, les médias du monde entier rapportent des exemples d'éboulements ou de chutes de blocs meurtriers ayant atteint des zones urbaines et touristiques. Bien que des inventaires historiques de chutes de blocs existent et que certains d'entre eux sont régulièrement mis à jour, ces bases de données présentent souvent des lacunes (par exemple, des biais d'observation et/ou de quantification). De ce fait, caractériser l'activité historique des chutes de blocs en termes de localisation et de fréquence demeure une tâche difficile. D'autre part, en plus de fournir des informations sur l'occurrence et le volume des évènements, certains inventaires historiques présentent de précieuses données sur les probables déclencheurs environnementaux des chutes de blocs. L'analyse de ces données révèle que la plupart des évènements documentés se sont produits lors de précipitations où à la suite d'infiltrations d'eau dans les fractures du rocher. Cependant, il ressort également qu'un certain nombre d'événements (parmi lesquels figurent de grands volumes) n'ont pas pu être associés à un déclencheur environnemental spécifique; en effet, ils se sont produits en été, lors de périodes ensoleillées et durant les heures les plus chaudes de la journée. Cette constatation laisse penser que les effets thermiques jouent un rôle important dans le déclenchement des chutes de blocs.
Pour surmonter les limites associées aux inventaires historiques de chutes de blocs et étudier plus en détail l'impact du forçage thermique environnemental sur le comportement de la roche, une approche multidisciplinaire combinant différentes techniques inst rumentales .et sources d'informations a été adoptée au cours de cette thèse de doctorat. Cette approche comprend notamment des mesures in-situ, de la télédétection et de la modélisation thermique 2-D. Pour atteindre cet objectif, une approche novatrice pour quantifier l'activité pluri-décenn_ale des chutes de blocs et caractériser la déformation rocheuse induite par les effets thermiques, a été développée en: (1) surveillant des falaises sur le long terme par scanner laser terrestre (TLS); (2) en appliquant les techniques de photogrammétrie « structure­ from-motion » (SfM) aux images d'archives; et (3) en surveillant des parois rocheuses le temps d'une journée par imagerie thermique infrarouge (IRT) à haute fréquence d'acquisition.
La première partie du manuscrit est consacrée à la surveillance de parois rocheuses granitiques situées dans le massif du Mont-Blanc (Haute-Savoie, France) et dans la vallée du Yosemite en Californie (U.S.A.). Cette recherche présente un inventaire unique de plus de 500 sources de chutes de blocs, dont 308 ont été détectées dans le massif du Mont Blanc sur la période 2005-2016 et 235 dans la vallée du Yosemite sur la période 1976-2017. Cet inventaire apporte donc de nouvelles connaissances sur les fréquences de chutes de blocs et les taux de retrait qui façonnent les parois rocheuses granitiques de moyenne et haute altitudes. En particulier, les 11 années de surveillance TLS réalisées dans le massif du Mont-Blanc ont permis d caractériser, très précisément, l'évolution spatiale et temporelle des mouvements de réajustement gravitaire d'une paroi rocheuse affectée par un éboulement majeur de près de 300'000 m3, en juin 2005. De plus, la reconstruction 3-D d'anciennes topographies à l'aide d'images d'archives, a été le moyen de« remonter dans le temps » et de quantifier 40 ans d'activité de chutes de blocs dans deux falaises adjacentes de la vallée du Yosemite. De cette manière, nous avons pu relier plus précisément les activités passées et récentes des chutes de blocs, détecter les cicatrices d'éboulements encore actives et déterminer les zones de faiblesse des falaises rocheuses étudiées. D'autre part, le suivi SfM à haute fréquence réalisé dans la vallée du Yosemite à l'automne 2017, a permis de caractériser la totalité d'une séquence de chutes de blocs très active, qui malheureusement, a fait un mort et un blessé. Lors de cette
séquence, un système dynamique d'érosion régressive avec des volumes de chutes de blocs de plus en plus important, similaire à celui identifié dans le massif du Mont-Blanc, a été observé. Cette analogie nous incite alors à suggérer des similitudes potentielles entre les processus d'érosion qui sont impliqués dans l'évolution géomorphologique des parois rocheuses granitiques.
La deuxième partie du manuscrit est consacrée à la caractérisation thermique infrarouge des écailles rocheuses partiellement détachées et des falaises granitiques exfoliées. Cette recherche, menée dans son intégralité dans la vallée du Yosemite, a permis de caractériser et d'imager un cycle complet (i.e., sur 24 heures) de déformation rocheuse induite par les effets thermiques et de déterminer de nouvelles corrélations journalières entre les variations de température et la dilatation des parois rocheuses. Ainsi, pour la première fois, des images 3-D de déformations millimétriques d'écailles rocheuses partiellement détachées ont pu être directement comparées à leurs signatures thermiques diurnes et nocturnes. Nos analyses montrent que la portion de roche qui se déforme le plus correspond à la zone où l'ouverture de la fracture est la plus grande, mais également avec celle où les variations de température sont les plus importantes. D'autre part, la centaine d'images IRT acquise sur des parois rocheuses exfoliées a révélé que les écailles partiellement détachées présentaient une signature thermique nocturne plus froide que la roche environnante. Cette découverte innovante, indépendante de la taille des écailles, apporte une nouvelle méthode de détection à distance des écailles rocheuses partiellement détachées. Enfin, l'avant-dernier chapitre du manuscrit illustre le fort potentiel du couplage TLS-IRT pour détecter à distance les futures sources potentielles de chutes de bloçs dans les falaises exfoliées. En effet, nous.avons démontré par le biais de la modélisation thermique 2-D que la présence locale d'une zone plus chaude à la surface d'écailles partiellement détachées peut être causée par la présence de structures non fracturées appelées ponts rocheux, qui forment un contact entre la falaise et la portion de roche partiellement détachée.
La recherche entreprise dans cette thèse de doctorat visait à tirer profit des techniques SfM appliquées aux images d'archives, de la surveillance TLS à long terme et des acquisitions IRT à haute fréquence. Ce travail a permis de définir une approche novatrice et efficace pour caractériser l'activité des chutes de blocs et les ruptures de masse rocheuse. Les modèles numériques de terrain historiques dérivés de l'imagerie d'archives permettent désormais de réévaluer le volume des plus grandes chutes de blocs et éboulements survenus au cours du XX• siècle. Combinée à une surveillance actuelle, cette approche permet non seulement de corriger et de compléter les inventaires historiques, mais de déterminer également des relations volume-fréquence plus précises et plus représentatives de l'activité de chutes de blocs qui contrôle l'érosion des parois rocheuses. La détection à distance des ponts rocheux et des écailles partiellement détachées par thermographieïnfrarouge représente une avancée significative qui ouvre de nouvelles perspectives pour améliorer les analyses de susceptibilité aux chutes de blocs et les études de risque dans les ter_ritoires montagneux.
Keywords
chute de blocs, base de données d'inventaire, écaille rocheuse, effets thermiques, scanner laser terrestre, photogrammétrie « structure-from-motion », thermographie infrarouge, rockfall, inventory database, rock sheet, thermal effects, terrestrial laser scanning, structure-from-motion photogrammetry, infrared thermography.
Create date
11/10/2021 12:04
Last modification date
12/10/2021 6:39
Usage data