Formació de despreniments rocosos a la muntanya de Montserrat

Abstract

(English) In the Montserrat Mountain, high hazard of rockfall and high human exposure by visitors to both Monastery and Natural Park converge. It is a relevant geological risk difficult to mitigate since it is necessary to combine the safety requirements for assets and people together with those for the preservation of the natural environment. It is a case that poses a risk management challenge; to overcome it, an improvement in the knowledge on rockfall formation is needed, which is the objective of this thesis. The detachment hazard analysis of rockfalls at the starting zone has been raised from two parallel perspectives. On the one hand, the diffuse hazard corresponding to the activity distributed over space and time; on the other hand, the focused hazard of specific potentially unstable blocks corresponding to the assessment of their stability based on indications of their failure progression. The developments included in the thesis have made it possible to articulate a monitoring strategy integrated into risk management with this double perspective. To reach this point, different rock mass monitoring techniques have been explored with different degrees of continuity in space and time, from which it has been possible to conclude their high suitability and complementarity in the information provided, as well as the progressivity with which they can be applied to achieve a robust monitoring system. Methodologies have been developed for the quantitative analysis of the hazard through relationships between magnitude and frequency of occurrence of rockfall. Remote sensing using a terrestrial laser scanner, complemented by observational and historical inventories, have allowed maximizing sampling extent and optimizing the results obtained. The variability of the hazard in space has been analyzed at the scale of the massif and of the slope or wall. The variability over time has been analyzed as the statistical dispersion of the hazard itself, a fact that makes it possible to identify behavior cycles of the slopes at different time intervals. The reading is taken in terms of hazard scenarios what allows to face its zoning for the land use planning, as well as for the design and evaluation of the effectiveness of protection measures. The data obtained from the geotechnical instrumentation of different blocks of the massif, with in-contact sensors and with different network topologies, have allowed characterizing different aspects of the mechanics of rockfall formation under different configurations. The thermo-mechanical effect of environmental conditions on the blocks and plates has been revealed for the different detachment mechanisms defined for the case. Precursory signs of some rockfall have been identified, which lay the foundations for prediction and future local alert systems as a risk management resource. The geomatic techniques used in monitoring (mainly LiDAR and digital photogrammetry) provide high-resolution 3D models of the rock mass surface, generally in point cloud format. The existing barriers in the diffusion of the results of this nature towards other non-specialist agents in the matter are verified, although they are determinant in individual and collective decision-making for risk management. New technologies have been tested for the visualization of 3D geoinformation in the most intuitive, immersive and interactive way possible. In this sense, it has been shown how mixed reality, using holographic vision devices, makes it possible to break many barriers to understanding three-dimensionality derived from its geometric complexity. The high resolution and quality of the models are an advantage when it comes to making it easier for the different user profiles to perceive the idea of risk for themselves, sharing with other profiles the eventual mitigation measures, their role and their impact.

(Català) A la Muntanya de Montserrat hi conflueixen una elevada perillositat de caiguda de roques i una elevada exposició humana per part dels visitants al recinte del Monestir i al conjunt del Parc Natural. En resulta un risc geològic singular i de difícil mitigació, atès que cal compaginar els requeriments de seguretat de béns i persones amb els de preservació de l’entorn natural. És un cas que planteja un repte de gestió del risc; per tal de superar-lo, es necessita una millora en el coneixement de la formació dels despreniments, que és l’objectiu d’aquesta tesi. L’anàlisi de la perillositat de sortida dels despreniments de roques s’ha plantejat des de dues perspectives paral·leles. Per una banda, la perillositat difusa corresponent a l’activitat distribuïda en espai i temps; d’altra banda, la perillositat focal o concreta de blocs potencialment inestables i la seva valoració d’estabilitat en base a indicis de progressió de ruptura. Els desenvolupaments inclosos en la tesi han permès articular una estratègia de monitoratge integrada en la gestió del risc amb aquesta doble mirada. Per arribar a aquest punt, s’ha explorat diverses tècniques de monitoratge del massís rocós amb diferents graus de continuïtat en espai i temps, de les quals s’ha pogut concloure la seva elevada idoneïtat i complementarietat en la informació aportada, així com la progressivitat amb la qual es poden aplicar per tal d’assolir un sistema de monitoratge robust. S’ha desenvolupat metodologies per a l’anàlisi quantitativa de la perillositat a través de les relacions entre magnitud i freqüència d’ocurrència dels despreniments. La teledetecció amb escàner làser terrestre, complementada amb els inventaris observacionals i històrics, han permès maximitzar la cobertura del mostreig i optimitzar-ne els resultats extrets. S’ha constatat la variabilitat de la perillositat en l’espai i s’ha analitzat a escala de massís i de vessant o paret. La variabilitat en el temps s’ha analitzat com la pròpia dispersió estadística de la perillositat, fet que permet identificar cicles de comportament dels vessants al llarg del temps a diferents intervals. Se’n fa la lectura en termes d’escenaris de perillositat que permet afrontar la seva zonificació per a l’ordenació dels usos del sòl, així com el disseny i avaluació de l’efectivitat de mesures de protecció. Les dades obtingudes de la instrumentació de diversos blocs del massís, amb sensors geotècnics de contacte i amb diferents topologies de xarxa, han permès caracteritzar diversos aspectes de la mecànica de formació de despreniments sota diferents configuracions. S’ha posat de manifest l’efecte termomecànic de les condicions ambientals sobre els blocs i plaques dels diferents mecanismes de despreniment definits pel cas. S’ha identificat indicis precursors d’alguns despreniments, que posen les bases de la predicció i de futurs sistemes d’alerta locals com a recurs en la gestió del risc. Les tècniques geomàtiques emprades en el monitoratge (principalment LiDAR i fotogrametria digital) aporten uns models 3D d’alta resolució de la superfície del massís rocós, en general en forma de núvols de punts. Es constata les barreres existents en la difusió dels resultats d’aquesta naturalesa cap altres agents no especialistes en la matèria, però que son determinants en la presa de decisions individuals i col·lectives per a la gestió del risc. S’han assajat noves tecnologies per a la visualització de la geoinformació 3D de la forma més intuïtiva, immersiva i interactiva possible. En aquest sentit, s’ha demostrat com la realitat mixta, usant dispositius de visió hologràfica, permet trencar moltes barreres de comprensió de la tridimensionalitat derivades de la seva complexitat geomètrica. L’elevada resolució i qualitat dels models son un avantatge a l’hora de facilitar als diferents perfils d’usuari percebre la idea de risc per sí mateix, compartint amb altres perfils les eventuals mesures de mitigació, el seu paper i el seu impacte.

(Español) En la Montaña de Montserrat confluyen una elevada peligrosidad de caída de rocas y una elevada exposición humana por parte de los visitantes al recinto del Monasterio y al Parque Natural. Resulta un riesgo geológico singular de difícil mitigación, ya que es preciso compaginar los requerimientos de seguridad junto con los de preservación del entorno natural. Es un caso que plantea un reto de gestión del riesgo; para superarlo, se necesita una mejora en el conocimiento de la formación de los desprendimientos, que es el objetivo de esta tesis. El análisis de la peligrosidad de salida de los desprendimientos de rocas se ha planteado desde dos perspectivas paralelas. Por un lado, la peligrosidad difusa correspondiente a la actividad distribuida en espacio y tiempo; por otro lado, la peligrosidad focal o concreta de bloques potencialmente inestables y la valoración de su estabilidad en base a indicios de progresión de rotura. Los desarrollos incluidos en la tesis han permitido articular una estrategia de monitoreo integrada en la gestión del riesgo con esta doble mirada. Para lograrlo, se ha explorado distintas técnicas de monitoreo del macizo rocoso con distintos grados de continuidad en espacio y tiempo, de los cuales se ha podido concluir su elevada idoneidad y complementariedad en la información aportada, y también la progresividad con la cual se pueden aplicar para lograr un sistema de monitoreo robusto. Se ha desarrollado metodologías para el análisis cuantitativo de la peligrosidad a través de relaciones de magnitud y frecuencia de ocurrencia de desprendimientos. La teledetección mediante escáner laser terrestre, complementada con inventarios observacionales e históricos, han permitido maximizar la cobertura del muestreo y optimizar los resultados extraídos. Se ha constatado la variabilidad de la peligrosidad en espacio y se ha analizado a escala de macizo y de ladera. La variabilidad en el tiempo se ha analizado como la propia dispersión estadística de la peligrosidad, hecho que permite identificar ciclos de comportamiento de las laderas a lo largo del tiempo a diferentes intervalos. Se extrae la lectura en términos de escenarios de peligrosidad que permite afrontar su zonificación para la ordenación de los usos del suelo, al igual que el diseño y evaluación de efectividad de medidas de protección. Los datos obtenidos de la instrumentación de distintos bloques del macizo, con sensores geotécnicos y con distintas topologías de red, han permitido caracterizar distintos aspectos de la mecánica de formación de desprendimientos bajo diferentes configuraciones. Se ha identificado el efecto termo-mecánico de las condiciones ambientales sobre los bloques y placas de los mecanismos de desprendimiento definidos para el caso. Se ha detectado indicios precursores de algunos desprendimientos, que ponen las bases de la predicción y de futuros sistemas de alerta locales como un recurso en la gestión del riesgo. Las técnicas geomáticas empleadas de monitoreo (principalmente LiDAR y fotogrametría digital) aportan modelos 3D de alta resolución de la superficie del macizo rocoso, en general en forma de nube de puntos. Se constata las barreras existentes en la difusión de resultados de esta naturaleza hacia otros agentes no especialistas, pero que son determinantes en la toma de decisiones individuales y colectivas para la gestión del riesgo. Se ha ensayado nuevas tecnologías para la visualización de la geoinformación 3D de la forma más intuitiva, inmersiva e interactiva posible. En este sentido, se ha demostrado como la realidad mixta, usando dispositivos de visión holográfica, permite romper muchas barreras de comprensión de la tridimensionalidad. La elevada resolución y calidad de los modelos son una ventaja a la hora de facilitar a los diferentes perfiles de usuario el percibir la idea de riesgo por sí mismo, compartiendo con otros perfiles las eventuales medidas de mitigación, su papel y su impacto.