GEOLOGIJA 45/2, 457–463, Ljubljana 2002 Primerjava materialnih lastnosti drobirskih tokov iz plazov Sto‘e, Slano blato in Strug The comparisson of material properties of debris flows from Sto‘e, Slano blato and Strug landslides Bojan MAJES1, Ana PETKOVŠEK2 & Janko LOGAR1 1 Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeni{tvo in geodezijo, Katedra za mehaniko tal z laboratorijem, Jamova 2, 1000 Ljubljana, Slovenija 2 TIG ZRMK, Dimi~eva 12, 1000 Ljubljana, Slovenija Klju~ne besede: drobirski tok, laboratorijske preiskave, viskoznost Key words: debris flow, laboratory testing, viscosity Kratka vsebina V Sloveniji so bili v zadnjih letih trije veliki plazovi, ki neposredno ogro‘ajo prebivalstvo in infrastrukturo, razmeroma dobro geolo{ko in geomehansko raziskani. Ena od skupnih zna~ilnosti vseh treh plazov je pojav hitrih tokov gru{~a in mulja. Del geomehanskih raziskav je bil zato usmerjen v spoznavanje lastnosti materialov, ki so ob dolo~enih pogojih pre{li v viskozni blatni tok. Poleg standardnih geomehanskih raziskav smo izvajali preiskave teh materialov tudi v viskozimetru, kar je novost pri preiskavah zemljin. V ~lanku primerjamo rezultate vseh izvedenih preiskav za navedena plazi{~a. Rezultati preiskav v viskozimetru so za dva materiala pokazali skladnost obna{anja v naravi z obna{anjem pri preiskavi. Abstract The three large landslides that occured in Slovenia in past few years and threaten the population and infrastructure were relatively well investigated geologically and geo-mechanically. One of common characteristics of all three landslides is the occurence of fast debris flows. One part of laboratory investigations was therefore focused into the study of materials that under given circumstances transform into debris flow. In addition to standard geomechanical investigations their behaviour was tested also in rheometer. In the paper the results of all laboratory tests are compared for the mentioned three landslides. The results of rheometer tests showed a consistency between test results and material behaviour on site for two tested materials. Uvod Zemeljski plazovi so v Sloveniji zaradi naravnih danosti pogost pojav. Pojav dro-birskih tokov pa je bil tudi v strokovni javnosti dele‘en manj pozornosti. Ne moremo re~i, da tovrstnih pojavov pri nas nismo poznali. Ve~ina njih je bila po obsegu omejena in po lokaciji toliko oddaljena od naseljenih krajev, da ti pojavi niso bili natan~neje obravnavani. Zadnji dogodki pa so spro‘ili za tovrstne pojave tudi veliko zanimanje stroke. Pri tem je v za~etku prihajalo tudi do ter-minolo{kih razhajanj (hudourni{ka lava, mu-rasti tok, drobirski tok), kar pa je v veliki meri uredil Skaberne (2001); slika 1. Drobirski tok, ki je s pobo~ja pod Sto‘jem dosegel in delno poru{il Log pod Mangrtom je tako postavil pred stroko mnogo vpra{anj. Še prav posebno zato, ker sta se isto~asno spro‘ila {e plazova Slano blato nad Lokav-cem v Vipavski dolini in Strug nad vasjo Kose~ nad Kobaridom. Ali se lahko usoda, ki je doletela Log pod Mangrtom, ponovi v Lokavcu in Kose~u? Ali ~e postavimo vpra-{anje bolj splo{no: kak{ne lastnosti mora imeti zemljina, da se v dolo~enih pogojih prelevi v hiter viskozen blatni tok? Predvsem mora najprej nastopiti stati~no ali dinami~no neravnovesje, torej premik (plazenje) zemeljske gmote, ki je prakti~no povsem zasi~ena z vodo. Gibanje nato vzdol‘ drsine povzro~i dodatno pove~anje pornih tlakov, kar vpliva na redukcijo trdnosti in posledi~no na intenzivnej{e gibanje, v dolo-~enih pogojih pa lahko tudi nastanek viskoznega blatnega toka. Zato smo raziskave zemljin s treh ve~jih 458 Bojan Majes, Ana Petkov{ek & Janko Logar Slika 1: Sedimentno te‘nostni tokovi in prevladujo~i mehanizmi ohranjanja zrn v toku (privzeto iz S k a b e r n e , 2001). plazov razdelili v raziskave, ki pojasnjujejo nastanek »klasi~nega« zemeljskega plazu in v raziskave obna{anja plasti~nega toka. Za ra~unsko analiziranje zemeljskih plazov s stabilnostnimi analizami potrebujemo naslednje podatke: – sestava tal, – razpored pornih tlakov v tleh (nivo podtalnice) – prostorninska te‘a, – stri‘na trdnost, – prepustnost (ko ra~unamo razpored por-nih tlakov v pobo~ju), – deformabilnost (pri napetostno defor-macijskih analizah). Preiskave, s katerimi te parametre dolo~a-mo, sodijo ‘e dalj ~asa v rutinski del geo-tehni~ne stroke, zato natan~neje teh preiskav ne opisujemo. Druga~e je z ra~unskim modeliranjem plasti~nih zemeljskih tokov, kjer potrebujemo druga~ne podatke: – profil podlage (korita) po kateri te~e tok, – koncentracijo suspenzije trdnih delcev in vode, ki predstavlja tok, – gostoto toka, – viskoznost toka, – mejno stri‘no trdnost toka. Na~elno je mo‘no vse na{tete parametre dolo~ati s terenskimi in laboratorijskimi analizami. Pri obravnavi tovrstnih dogodkov pa se vselej poslu‘ujemo tudi povratnega analiziranja plazu ali toka, kar omogo~a ve~-jo zanesljivost podatkov. Laboratorijske meritve tokovnih lastnosti suspenzije zemljine in vode z viskozimetri (reometri) so mogo~e le na drobni frakciji zemljin do 80 mm. Tako je jasno, da taki podatki ne morejo biti neposredno uporabni za numeri~ne modele tokov, v katerih najdemo celoten spekter velikosti zrn od gline do skal in debla dreves. Ker pa je vendarle drobna frakcija tista, ki lahko tvori stabilno suspenzijo, je spoznavanje njenih reolo{kih lastnosti lahko pomembno za razpoznavanje tokovnih lastnosti posameznih zemljin. Lastnosti drobirskih tokov Na obna{anje drobirskega toka vplivajo {tirje glavni vplivni faktorji (Jan & Shen, 1997): – viskoznost – turbulenca, – drsenje delcev med seboj – medsebojni trki delcev. Z materialnega vidika so drobirski tokovi trifazni sistemi, sestavljeni iz trdne faze, zraka in vode. V trdni fazi so zastopane pred- Primerjava materialnih lastnosti drobirskih tokov iz plazov Sto`e, Slano blato in Strug 459 vsem zemljine, prisotna pa so tudi drevesa, korenine in razli~ni materiali, ki jih tok na svoji poti poru{i in odna{a s seboj. ^e predpostavimo, da so lastnosti vode in zraka konstantne, je zna~aj toka odvisen od: – relativne zastopanosti posameznih faz (sestave in koncentracije toka), – porazdelitve velikosti trdne faze (zrna-vostne sestave trdne faze), – lastnosti posameznih sestavnih delov trdne faze, med katerimi je zelo pomembna pla-sti~nost drobnih delcev. Navedene lastnosti direktno vplivajo na dinamiko toka. V osnovi pa se moramo pri na~rtovanju raziskav za dolo~itev materialnih lastnosti zavedati, da je vsak drobirski tok enkraten in neponovljiv v svoji sestavi in gibanju in da intaktnega, reprezentativnega vzorca iz toka ni mo‘no dobiti. Na verjetno sestavo ‘e spro‘enega drobirskega toka lahko sklepamo posredno in sicer iz: – geolo{kih in geotehni~nih podatkov o sestavi materialov na izvornem mestu, – iz podatkov raziskav materialov, ki so se odlo‘ili iz toka vzdol‘ poti in na razlivnem obmo~ju, – iz razpolo‘ljivih podatkov o hitrosti toka, – iz opazovanja sledov, ki jih je tok pustil vzdol‘ svoje poti. Le pri po~asnih, homogenih drobnozrna-tih viskoznih tokovih lahko vzor~ujemo »kva-zi intakten« material iz toka med premikanjem, merimo hitrost gibanja in tako dolo-~imo njegove realne reolo{ke lastnosti. Tako pridobljeni in-situ podatki, so vrhunske vrednosti. Strokovnjaki, ki so prvi poklicani na kraj dogodka, so ‘al najve~krat preobremenjeni z drugimi, v tistem trenutku pomemb-nej{imi skrbmi, tako da tokovi pogosto od-te~ejo v dolino, ne da bi uspeli zabele‘iti nekatere zelo pomembne podatke. Kratek opis posameznih plazi{~ in odvzem vzorcev za raziskave Plaz Sto‘e S pobo~ja na nadmorski vi{ini 1200 do 1600 m se je 15. in 17. novembra 2000 spro-‘ilo preko 1 milijon kubi~nih metrov po-bo~nega gru{~a in tila, ki je kot drobirski tok stekel po strugi Mangrtskega potoka, Predelice in Koritnice ter na svoji poti uni~il cesto na Mangrt, dva mostova na cesti Bovec – Predel ter del Gorenjega Loga, ob tem po- {kodoval {e dve manj{i hidroelektrarni in zahteval sedem ‘ivljenj. Ve~ina splazele mase se je ustavila v obmo~ju vasi Log pod Mangrtom in tako trajno spremenila njeno podobo. Na plazi{~u smo lahko tudi kasneje opazovali miniaturne drobirske tokove. Na terenu in v vrtinah smo lahko lo~ili sivkasti zaglinjeni in svetlo pe{~eno meljasti til. Predvsem slednjemu je bila posve~ena na{a pozornost in smo ga podrobneje preu~evali v laboratoriju. Plaz Slano blato Plaz Slano blato se je spro‘il okrog 20. novembra 2000, na fli{nem pobo~ju pod na-rivnim robom Trnovskega gozda pod ^av-nom, kot ve~ji zemeljski usad nekje na meji med pobo~nim gru{~em in fli{no preperino. Hitro se je pokazalo, da je na tem mestu mo~nej{i dotok podzemne vode, ki je intenzivno razmakal in meh~al fli{ne zemljine, te pa so se spreminjale v ‘idko blato, ki je po~asi lezlo proti dolini. Ve~je blatno jezero se je v razli~nih obdobljih ustvarilo na dveh mestih, nazadnje nad »Slapom« to je naravna pregrada, skoraj vertikalna plast kalkarenita, ki pa ni dolgo zdr‘ala pritiska blatne gmote. Da bi za{~itili vas, so ve~ji del plazine odpeljali na deponijo, za za{~ito pred morebitnimi hitrimi tokovi blata pa so v strugi potoka Graj{~ka postavili 8 m visoko kamnito pregrado. Hitri tokovi blata so se dejansko pojavljali, a le v manj{ih koli~inah. Celotna plazina je v obdobju bolj intenzivnih padavin napredovala z najve~jo hitrostjo 30 m/dan, v su{nih obdobjih pa tudi ve~ mesecev mirovala. Vzorci razmo~ene plazine za laboratorijske preiskave so bili odvzeti v bli‘ini cerkvice Sv. Urbana. Plaz Strug Od vseh treh obravnavanih plazov je plaz Strug najbolj kompleksen. V vrhnjem delu je pri{lo do kamnitega podora scaglije. Ve~ deset tiso~ kubi~nih metrov skal in gru{~a je v vzno‘ju podora oblikovalo meli{~e, ki je obremenilo fosilni plaz, ta pa se je po fli{ni podlagi ponovno premaknil. Premiki zemeljskih mas so onemogo~ili nemoten tok potoku Brusniku, kar je predstavljalo potencialno nevarnost za nastanek ve~jih koli~in razmo-~enih mas, ki bi kot drobirski tok po strugi Brusnika lahko stekle do vasi Kose~ in ga 460 Bojan Majes, Ana Petkov{ek & Janko Logar zaradi ozke struge in nizkega mostu lahko ogrozile. Vzorec, katerega lastnosti opisujemo v tem ~lanku, smo odvzeli na ~elu plazu v potoku Brusnik, ker se je v ~asu odvzema zdelo, da je ta material najpoglavitnej{a komponenta morebitnega drobirskega toka. Material je fli{nega izvora. Kasneje so se res za~eli pro-‘iti drobirski tokovi, vendar ne iz te lokacije, zato ga moramo uvrstiti med materiale, ki niso zelo ob~utljivi za nastanek hitrega dro-birskega toka. Skupne lastnosti vseh treh plazov ^eprav je vsak od plazov zelo poseben, kar se vidi ‘e iz gornjih kratkih opisov, pa lahko vendarle ugotovimo nekaj skupnih to~k, vezanih predvsem na hidrogeolo{ke pogoje. V vseh treh primerih so v zaledju ali neposredni okolici karbonatne kamnine, iz katerih lahko v plazino dotekajo ve~je koli~ine vode. Prav tako je v podlagi vseh treh plazov slabo prepustna podlaga. @e pred nastankom plazov so bili na vseh treh lokacijah prisotni povr{inski vodotoki. Rezultati raziskav Zrnavost Na vzorcih z vseh treh plazov je bila dolo-~ena porazdelitev velikosti trdne frakcije. Preiskanih je bilo ve~je {tevilo vzorcev. Na sliki 2 so prikazane le zna~ilne krivulje, ki ori{ejo porazdelitev zrnavosti za posamezno plazino. Vidimo lahko, da je najve~ji dele‘ drobnih frakcij pod 63 mm, celo do 60 %, v materialu iz plazu Slano blato, sledi material s plazu Sto‘e z 20 – 35 %, izjemoma na enem od prikazanih vzorcev celo preko 40 % drobne frakcije, najmanj, pod 15 %, pa je te frakcije v materialu iz potoka Brusnik, kar pripisujemo naravnemu izpiranju drobne frakcije. Plasti~nost Preglednica 1 predstavlja lezne meje, do-lo~ene na drobni frakciji plazine (pod 63 mm) z vseh treh plazov. Hitro vidimo, da sta si materiala s plazov Slano blato in Strug sorodna in ju lahko uvrstimo med srednje do visoko plasti~ne zemljine, izrazito pa odstopa drobna frakcija iz plazu Sto‘e, ki je nizko plasti~na. To zaradi karbonatnega izvora ni presenetljivo. Preglednica 1: Lezne meje Stože Slano blato Strug wP (%) 13 wL (%) 25 IP (%) 12 21 48 27 19 50 31 Efektivna stri‘na trdnost Rezultati triosnih konsolidiranih nedre-niranih preiskav, s katerimi smo ugotavljali efektivne stri‘ne parametre zemljin s plazov Sto‘e, Slano blato in Strug so prikazani v preglednici 2. Preiskali smo dve vrsti vzorcev. Najprej smo pripravili vzorce, ki so jim bila odstranjena zrna ve~ja od 4,75 mm, dru-gi~ pa vzorce iz zrn manj{ih od 80 mm (razen za plaz Strug). Tudi tu je opazna razlika in sicer pomembno ve~ji stri‘ni kot materiala s plazu Sto‘e v primerjavi s fli{no zemljino iz plazu Slano blato ali Strug. Nekoliko vi{ji stri‘ni kot zemljine s plazu Strug v primerjavi s plazino iz Slanega blata lahko pripi-{emo druga~ni zrnavostni sestavi. & 50 I 40 L lan ) blato t trug Slika 2: Krivulje zrnavosti za plazine iz plazov Sto‘e, Slano blato in Strug premer zrn (mm] Primerjava materialnih lastnosti drobirskih tokov iz plazov Sto`e, Slano blato in Strug 461 Preglednica 2: Efektivna strižna trdnost Stože Slano blato Strug (p’ (°) [<4,75 mm] 40 28 30