GEOSTUD: Utilizarea tehnicilor GIS pentru modelarea riscurilor geotehnice in cadrul proiectelor mari de infrastructura

Prabusirile si alunecarile de teren reprezinta unele dintre cele mai frecvente si periculoase procese geomorfologice care afecteaza regiunile montane din intreaga lume, avand un impact semnificativ asupra infrastructurii si sigurantei comunitatilor locale [1]. Aceste fenomene contribuie la degradarea terenurilor, afectarea drumurilor, retelelor de transport si pot genera pierderi economice semnificative [2]. Construirea infrastructurii rutiere in zone montane prezinta provocari semnificative, in special in ceea ce priveste stabilitatea terenului si riscurile geomorfologice asociate.

Principalul factor geomorfologic care contribuie la declansarea alunecarilor si prabusirilor il reprezinta caracteristicile terenului, precum panta, altitudinea, fragmentarea reliefului si adancimea apei subterane [3]. Acesti parametri influenteaza stabilitatea terenului si reactia sa la precipitatii, cutremure sau interventii antropice. De exemplu, REICHENBACH et al. [4] subliniaza ca panta terenului, prezenta proceselor geomorfologice active si tipologia rocilor sunt esentiale in determinarea susceptibilitatii terenului la instabilitate, evidentiind importanta unei analize geomorfologice detaliate, in timp ce LARI et al. [5] arata ca fragmentarea reliefului si adancimea apei subterane joaca un rol crucial in stabilitatea versantilor.

In cazul Carpatilor Meridionali, procesele geomorfologice complexe, in combinatie cu interventiile antropice recente, adauga o dimensiune suplimentara riscurilor. Aceasta cercetare urmareste sa evidentieze aceste aspecte printr-o metodologie integrata, care sa sprijine dezvoltarea unui cadru cuprinzator pentru gestionarea riscurilor geomorfologice asociate infrastructurii rutiere.

De asemenea, conform normativului NP 074/2022 privind documentatiile geotehnice pentru constructii, este esentiala monitorizarea continua a conditiilor de teren si a comportamentului structurilor pe parcursul executiei si exploatarii autostrazii, pentru a identifica si a remedia prompt eventualele probleme [6]. Prin urmare, abordarea integrata a studiilor geotehnice si geomorfologice, utilizarea tehnologiilor avansate de modelare si monitorizare, precum si implementarea unor solutii tehnice adaptate conditiilor specifice ale terenului sunt esentiale pentru succesul proiectelor de infrastructura in zone montane complexe [7].

Evaluarile existente in ceea ce priveste susceptibilitatea la prabusiri si alunecari de teren se bazeaza adesea pe analiza separata a factorilor geomorfologici, insa integrarea acestora intr-un model multivariabil de susceptibilitate spatiala este rar intalnita in regiunea de cercetare. Un exemplu este studiul realizat de DRAGOMIR et al. [8], care evidentiaza necesitatea unui model integrat pentru predictia prabusirilor de teren in Carpatii Orientali, dar in Carpatii Meridionali astfel de abordari sunt limitate sau inexistente. Alte cercetari, precum cele ale lui REICHENBACH et al. [4] si LOMBARDO et al. [9], subliniaza importanta metodelor multidisciplinare in analiza hazardelor geomorfologice, mai ales in regiunile montane, unde complexitatea conditiilor de teren necesita o abordare integrata.

De asemenea, integrarea tehnologiilor avansate, precum Sistemele Informatice Geografice (GIS), in analiza si modelarea terenului faciliteaza evaluarea susceptibilitatii la prabusiri si planificarea masurilor de preventie. De exemplu, proiectul autostrazii A1 din Italia a utilizat GIS pentru cartografierea zonelor de risc, optimizarea traseului si identificarea sectoarelor cu susceptibilitate ridicata la alunecari [10]. Prin aceasta metoda, s-a reusit reducerea cu 30% a incidentelor cauzate de alunecari de teren, iar costurile de intretinere anuala au fost diminuate semnificativ datorita interventiilor preventive. GIS a permis identificarea exacta a punctelor critice si monitorizarea continua a stabilitatii versantilor, contribuind astfel la cresterea sigurantei traficului si la prelungirea duratei de viata a infrastructurii [11].

Obiectivul principal al acestui studiu este de a realiza o evaluare detaliata a hazardelor geomorfologice si a riscurilor la prabusiri de roci si caderi de roci de-a lungul Lotului 2 al Autostrazii Sibiu ‒ Pitesti (Boita ‒ Cornetu), spre a integra aceste rezultate in procesul de proiectare si executie geotehnica, pentru optimizarea stabilitatii si rezilientei infrastructurii.

Prin utilizarea analizelor geomorfologice detaliate, coroborate cu datele rezultate din investigatiile geotehnice (foraje geotehnice echipate inclinometric/piezometric cu prelevare de probe pamant/roca si analize specifice de laborator), se urmareste identificarea sectoarelor critice in care riscul de instabilitate a versantilor este accentuat de factori naturali si antropici.

Studiul isi propune sa valorifice tehnici avansate de analiza spatiala, utilizand modele GIS, pentru cartografierea zonelor cu susceptibilitate ridicata la prabusiri si caderi de roci, in vederea fundamentarii unor decizii informate privind proiectarea si executia viitoarelor lucrari de arta. Un alt obiectiv esential este integrarea observatiilor directe din teren in analiza generala a riscurilor, oferind astfel o validare a modelarilor digitale si contribuind la reducerea incertitudinilor asociate cu dinamica geomorfologica a regiunii.

Originalitatea studiului consta in integrarea unei analize multidisciplinare cu o validare spatiala a rezultatelor utilizand indicele Moran’s I, metodologie care permite nu doar identificarea zonelor de risc, ci si evaluarea gradului de clustering al instabilitatilor. Aceasta abordare se diferentiaza de alte studii prin faptul ca ofera o reprezentare precisa a modului in care factorii de risc sunt distribuiti spatial, facilitand interventii localizate si eficiente, comparativ cu metodele traditionale care analizeaza fiecare factor separat, fara a corela distributia acestora in teren.

ANALIZA FACTORILOR DE RISC

In acest context, proiectul autostrazii Sibiu ‒ Pitesti, ce se afla in Carpatii Meridionali, traversand judetele Sibiu, Valcea si Arges (fig. 1A), reprezinta o provocare majora din punct de vedere geotehnic si geomorfologic. Lotul 2 al Autostrazii Sibiu ‒ Pitesti, care se intinde intre Boita si Cornetu, traverseaza o regiune caracterizata prin relief accidentat si conditii geotehnice complexe. Acest segment, cu o lungime de aproximativ 31,33 km, include construirea a 49 de poduri si viaducte, 7 tuneluri cu lungimi variind intre 250 m si 1.590 m, precum si a unui ecoduct in zona localitatii Lazaret.

Aceasta lucrare implica sectoare ce prezinta un risc semnificativ de instabilitate a versantilor, manifestat prin potentiale desprinderi de roci, care necesita o monitorizare si interventie atenta pe intreaga durata a activitatilor antropice. Subliniem ca riscul de prabusiri de roca, alunecari de teren si antrenarea materialelor erodate, inclusiv fragmente de roca si pamant, este in prezent ridicat.

Fig. 1: Arealul de studiu. A) Localizarea la nivel de tara; B) Localizare la scara locala

Lotul 2 al autostrazii Sibiu ‒ Pitesti acopera o regiune cu relieful accidentat si pante abrupte, caracteristici care il expun unui risc ridicat de instabilitate geomorfologica. Regiunea se distinge printr-o altitudine cuprinsa intre 285 si 900 m (fig. 1B), cu versanti puternic fragmentati, zone de eroziune activa si prabusiri frecvente. Geologia predominanta include roci metamorfice alcatuite din amfibolite, gnais, sisturi, alaturi de alte tipuri de roci sedimentare si minerale, ceea ce creste susceptibilitatea la prabusiri.

Din pacate, aplicarea unor metode avansate de autocorelatie spatiala, cum ar fi indicele Moran’s I, este rar intalnita in literatura de specialitate din Romania. Aceste metode sunt esentiale pentru detectarea si cuantificarea clusterelor de instabilitate, oferind o imagine clara asupra distributiei spatiale a proceselor geomorfologice [12].

Moran’s I permite identificarea zonelor cu risc ridicat pe baza corelatiilor spatiale, contribuind astfel la cresterea preciziei analizei si la o alocare mai eficienta a resurselor pentru masuri de preventie si stabilizare [13], [14].

Metodologia utilizata in acest studiu s-a concentrat pe aplicarea unor tehnici moderne de analiza spatiala pentru evaluarea susceptibilitatii la prabusiri de teren de-a lungul traseului autostrazii Sibiu ‒ Pitesti, Lotul 2. Prin integrarea unor parametri geomorfologici relevanti si utilizarea unor instrumente avansate de analiza GIS, au fost identificate sectoarele critice expuse riscurilor geomorfologice.

Pentru modelarea riscurilor, s-a utilizat analiza multicriteriala (AMC) in mediul GIS, unde 8 factori principali au fost selectati pentru modelarea susceptibilitatii. Acestia, fiind considerati esentiali pentru declansarea prabusirilor conform literaturii de specialitate [4], [15]: geodeclivitatea, expozitia versantilor, altitudinea, procesele geomorfologice, densitatea si adancimea fragmentarii reliefului, adancimea apei subterane si profilul curburii, au contribuit la realizarea produsului final (fig. 2, fig. 3). Acesti parametri au fost combinati intr-un raster final utilizand ArcGIS Pro – Raster Calculator, permitand astfel generarea unor harti precise de susceptibilitate.

Fig. 2: Parametrii utilizati in analiza susceptibilitatii la prabusiri. A) Treptele hipsometrice; B) Expozitia versantilor; C) gradul de inclinare a pantelor; D) Nivelul acvifer

Fig. 3: Parametrii utilizati in analiza susceptibilitatii la prabusiri. A) Procesele geomorfologice; B) Profilul curburii; C) Adancimea fragmentarii reliefului; D) Densitatea fragmentarii reliefului

REZULTATE

Rezultatele obtinute in urma analizei spatiale si a modelarii de susceptibilitate indica faptul ca sectoarele critice de-a lungul autostrazii se suprapun cu zonele caracterizate prin pante abrupte, fragmentare intensa, prezenta activa a proceselor geomorfologice, in special in zonele cu aflorimente de roci metamorfice intens fracturate si alterate. De exemplu, in sectorul dintre km 17+320 – 17+650 si km 18+700 – 25+300, au fost identificate 24 puncte critice cu semne clare de eroziune si prabusiri incipiente. De asemenea, in apropierea localitatii Caineni, si intre km 25+850 – 33+500, analiza indica o densitate ridicata a fragmentarii reliefului, si un risc crescut, corelata cu multiple prabusiri observate in timpul campaniilor de teren, unde s-au evidentiat 4 zone majore de risc la procesele de prabusiri (fig. 4).

Fig. 4: Profilul longitudinal de risc la prabusiri pe Autostrada Sibiu ‒ Pitesti , sectiunea Boita ‒ Cornetu

Harta de susceptibilitate obtinuta prin analiza multicriteriala in GIS (fig. 5) indica faptul ca aproximativ 42% din traseu traverseaza versanti cu risc geomorfologic moderat spre ridicat, in timp ce 9% din lungimea totala a lotului prezinta un risc foarte ridicat de prabusiri, in special in proximitatea viaductelor si tunelurilor proiectate. Cele mai vulnerabile sectoare au fost identificate intre km 18+700 si km 21+200, 21+500 – 22+400, 22+800 – 23+500, 23+850 – 24+300, respectiv intre km 25+800 si km 30+250, unde versantii prezinta pante de peste 40°. Validarea modelului cu observatiile din teren a confirmat o corelatie semnificativa intre zonele de risc identificate si locatiile efective ale prabusirilor observate, ceea ce atesta fiabilitatea metodei utilizate.

Fig. 5: Ponderea nivelului de susceptibilitate la prabusiri pentru autostrada Sibiu ‒ Pitesti, sectiunea Boita ‒ Cornetu

Curba ROC generata a aratat o valoare AUC de 0,84 (fig. 6), ceea ce indica o capacitate predictiva ridicata a modelului si confirma acuratetea metodologiei utilizate. In general, o valoare AUC intre 0,70 si 0,90 indica un model performant, in timp ce valori sub 0,70 sugereaza o acuratete moderata spre scazuta. Prin urmare, valoarea de 0,84 reflecta o performanta solida, apropiindu-se de categoria „excelent”, ceea ce subliniaza capacitatea puternica a modelului de a distinge intre zonele cu si fara susceptibilitate la prabusiri [16].

Fig. 6: Curba ROC (Receiver Operating Characteristic) pentru validarea susceptibilitatii modelului, cu valoarea AUC (Area Under the Curve) de 0,84

DISCUTII SI CONCLUZII

Pe baza rezultatelor obtinute, lucrarile de pe lotul 2 al autostrazii Sibiu ‒ Pitesti, din punct de vedere al relatiei teren ‒ structura, au fost incadrate in categoria geotehnica 3, risc geotehnic major. In urma analizei tuturor informatiilor au fost identificate urmatoarele riscuri majore: instabilitatea versantilor data de natura rocilor metamorfice, riscuri asociate existentei conurilor de dejectie, fenomene erozionale si actiunea torentilor, potential de infiltratie al apelor in tuneluri, zone de baltire si inundabilitate, existenta galeriilor.

Fig. 7-1: Fotografii reprezentative privind riscurile asociate executiei autostrazii

Fig. 7-2: Fotografii reprezentative privind riscurile asociate executiei autostrazii

Lotul analizat din punct de vedere geologic cuprinde formatiuni sedimentare apartinand partii sudice a Depresiunii Transilvaniei si formatiuni metamorfice apartinand Dacidelor Mediane din Carpatii Meridionali (dupa SANDULESCU M., 1984, in JURAVLE D-T., 2009). Rocile sedimentare cartate geologic sunt depozite siliciclastice de varsta Badenian-Holocen inferior, iar rocile de natura metamorfica sunt reprezentate prin sisturi, gnaise si amfibolite.

Particularitatile structurale ale rocilor care apar pe traseul autostrazii sunt anizotropia structurala data de prezenta planelor de sistozitate si aspectul cataclazat al rocilor datorat prezentei mai multor sisteme de fisuri, fracturi si falii care fragmenteaza aceste roci.

Sistozitatea reprezinta plane de minima rezistenta dupa care rocile se pot desprinde foarte usor. Frecventa acestor plane care afecteaza rocile este foarte variabila, de la dimensiuni centimetrice intre planele de sistozitate, pana la dimensiuni milimetrice.

Frecventa cea mai mare a acestor plane se intalneste in zonele de milonitizare, unde rocile sunt extrem de friabile.

Peste deformarile ductile se suprapun mai multe sisteme de fracturi si fisuri inchise si deschise, care fragmenteaza rocile in poligoane cu dimensiuni centimetrice-metrice. Acolo unde morfologia este favorabila, aceste blocuri de roci sunt extrem de instabile, ducand la prabusiri. Orice interventie antropica asupra acestor roci va duce la destabilizarea echilibrului acestor poligoane de roca.

Datorita particularitatilor structurale, cel mai important parametru de care trebuie sa se tina cont este gradul de fragmentare al masivului. In interiorul poligoanelor rocile sunt extrem de neomogene compozitional si structural, avand grade de deformare si alterare diferite.

Din cauza deformarilor si transformarilor suferite de rocile metamorfice din tronsonul cercetat, exista o mare neomogenitate structurala atat pe orizontala cat si pe verticala. Pe fondul tectonicii foarte active, rocile au fost deplasate, astfel incat, la distante metrice, la acelasi nivel structural, putem sa gasim alte tipuri de roci sau aceeasi roca, dar cu grade de deformare si transformare diferite.

Evaluarea gradului de fragmentare si de stabilitate al corpului de roca a fost realizat prin determinarea RQD (Rock Quality Designation), SCR (Solid Core Recovery) si GSI (Geological Strength Index). De asemenea, au fost determinati diversi parametri mecanici si fizici (rezistenta la compresiune uniaxiala, rezistenta la compresiune punctuala, densitatea, absorbtia, porozitatea, greutatea volumica etc.). Indexul RQD determinat pozitioneaza cea mai mare parte a corpului de roca in categoria foarte slaba si slaba.

Un alt element esential in discutia rezultatelor este prezenta apei in destabilizarea versantilor. Infiltratiile de apa, combinate cu procesele de inghet-dezghet, au fost identificate drept factori majori in accelerarea prabusirilor de roci, in special in sectoarele cu litologie predominant metamorfica, unde discontinuitatile favorizeaza acumularea apei. Aceasta observatie este sustinuta de cercetarile recente care evidentiaza rolul presiunii interstitiale in declansarea alunecarilor si prabusirilor de teren [17], [18].

Influenta schimbarilor climatice asupra proceselor geomorfologice este un alt aspect ce trebuie considerat in analiza, dar care este dificil de modelat. Cresterea frecventei fenomenelor meteorologice extreme (ploi abundente, cicluri intense de inghet-dezghet) va accentua instabilitatea versantilor, ducand la o crestere a numarului de prabusiri in urmatorii ani [19]. Acest fenomen necesita o reevaluare periodica a susceptibilitatii la prabusiri, pentru a adapta constant masurile de protectie in functie de conditiile climatice in schimbare.

Concluziile acestui studiu privind susceptibilitatea la prabusiri de teren de-a lungul autostrazii Sibiu ‒ Pitesti, Lotul 2 subliniaza importanta integrarii analizei geomorfologice detaliate in planificarea si dezvoltarea infrastructurii rutiere in zone montane.

Rezultatele obtinute confirma faptul ca panta terenului si fragmentarea reliefului sunt factorii determinanti in declansarea prabusirilor, in timp ce procesele geomorfologice active si adancimea apei subterane contribuie la accentuarea instabilitatii versantilor.

Modelul utilizat a demonstrat o capacitate predictiva ridicata, validata prin analiza ROC, cu o valoare AUC de 0,84. AUC reprezinta o masura a performantei unui model de clasificare, indicand capacitatea acestuia de a distinge intre clasele pozitive si negative. O valoare de 0,84 sugereaza ca modelul are o acuratete considerabila, fiind capabil sa identifice corect zonele de risc in 84% dintre cazuri, ceea ce il plaseaza intr-o categorie de performanta ridicata. Aceasta indica faptul ca metodologia aplicata este fiabila si poate fi utilizata pentru anticiparea sectoarelor vulnerabile, permitand implementarea unor masuri pentru prevenirea prabusirilor sau a altor procese geomorfologice care redau o vulnerabilitate.

BIBLIOGRAFIE 

*** GEOSTUD (2024), Studiu geotehnic PROIECTARE SI EXECUTIE – Autostrada Sibiu – Pitesti, Sectiunea 2: Boita – Cornetu;

[1] FROUDE, M. J., & PETLEY, D. N. (2018). Global fatal landslide occurrence from 2004 to 2016. Natural Hazards and Earth System Sciences, 18(8), 2161-2181. https://doi.org/10.5194/nhess-18-2161-2018;

[2] SKRZYPCZAK, I., KOKOSZKA, W., & KOGUT, J. (2017, April). The impact of landslides on local infrastructure and the environment. In Proc. of 10^th International Conference “Environmental Engineering”, Vilnius Gediminas Technical University, Lithuania (pp. 27-28). http://dx.doi.org/10.3846/enviro.2017.049;

[3] SIDLE, R. C., ZIEGLER, A. D., NEGISHI, J. N., NIK, A. R., SIEW, R., & TURKELBOOM, F. (2006). Erosion processes in steep terrain ‒ Truths, myths, and uncertainties related to forest management in Southeast Asia. Forest ecology and management, 224(1-2), 199-225. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2005.12.019;

[4] REICHENBACH, P., ROSSI, M., MALAMUD, B. D., MIHIR, M., & GUZZETTI, F. (2018). A review of statistically-based landslide susceptibility models. Earth-science reviews, 180, 60-91. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2018.03.001;

[5] LARI, S., FRATTINI, P., & CROSTA, G. B. (2014). A probabilistic approach for landslide hazard analysis. Engineering geology, 182, 3-14. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2014.07.015;

[6] Monitorul Oficial Al Romaniei, (2023). Normativ privind documentatiile geotehnice pentru constructii – NP 074 – 2022, PARTEA I, Nr. 56 bis/20.I.2023;

[7] Geostud. (2024). Analiza riscurilor geotehnice ce pot aparea in timpul executiei tunelului Balota. Revista Constructiilor (accesat la data de 07.01.2025). https://www.revistaconstructiilor.eu/index.php/2024/11/04/geostud-analiza-riscurilor-geotehnice-ce-pot-aparea-in-timpul-executiei-tunelului-balota/;

[8] DRAGOMIR, E. I., STIH, V., & PORTUGUES, R. (2019). Evidence accumulation during a sensorimotor decision task revealed by whole-brain imaging. Nature Neuroscience, 23(1), 85–93. https://doi.org/10.1038/s41593-019-0535-8;

[9] LOMBARDO, L., OPITZ, T., ARDIZZONE, F., GUZZETTI, F., & HUSER, R. (2020). Space-time landslide predictive modelling. Earth-science reviews, 209, 103318. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2020.103318;

[10] VEGLIANTE, G., BAIOCCHI, V., FALCONI, L. M., MORETTI, L., POLLINO, M., PUGLISI, C., & RIGHINI, G. (2024). A GIS-Based Approach for Shallow Landslides Risk Assessment in the Giampilieri and Briga Catchments Areas (Sicily, Italy). GeoHazards, 5(1), 209-232. https://doi.org/10.3390/geohazards5010011;

[11] CAPPUCCI, S., POLLINO, M., FARRACE, M. G., DELLA MORTE, L., & BAIOCCHI, V. (2024). Infrastructure Impact Assessment through Multi-Hazard Analysis at Different Scales: The 26 November 2022 Flood Event on the Island of Ischia and Debris Management. Land, 13(4), 500. https://doi.org/10.3390/land13040500;

[12] ANSELIN, L. (2019). The Moran scatterplot as an ESDA tool to assess local instability in spatial association. In Spatial analytical perspectives on GIS (pp. 111-126). https://doi.org/10.1201/9780203739051-8;

[13] MORAN, P. A. P. (1950). Notes on Continuous Stochastic Phenomena. Biometrika, 37(1/2), 17–23. https://doi.org/10.2307/2332142;

[14] WRIGLEY, N., CLIFF, A.D., & ORD, J.K. (1981). Spatial Processes: Models and Applications. https://doi.org/10.2307/2981590;

[15] VAN WESTEN, C. J., CASTELLANOS, E., & KURIAKOSE, S. L. (2008). Spatial data for landslide susceptibility, hazard, and vulnerability assessment: An overview. Engineering geology, 102(3-4), 112-131. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2008.03.010;

[16] COSTACHE, M. S., & MOROSANU, G. A. (2024). Gully erosion processes and their management in the Trivale Forest Park, Pitesti city, Romania. In Forum Geografic (Vol. 23, No. 1, p. 5). University of Craiova, Department of Geography. http://dx.doi.org/10.5775/fg.2024.1.3606;

[17] GUZZETTI, F., REICHENBACH, P., ARDIZZONE, F., CARDINALI, M., & GALLI, M. (2006). Estimating the quality of landslide susceptibility models. Geomorphology, 81(1-2), 166-184. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2006.04.007;

[18] MICHOUD, C., BAZIN, S., BLIKRA, L. H., DERRON, M. H., & JABOYEDOFF, M. (2013). Experiences from site-specific landslide early warning systems. Natural Hazards and Earth System Sciences, 13(10), 2659-2673. https://doi.org/10.5194/nhess-13-2659-2013;

[19] HUGGEL, C., KHABAROV, N., KORUP, O., OBERSTEINER, M., CLAGUE, J. J., & STEAD, D. (2012). Physical impacts of climate change on landslide occurrence and related 8 adaptation. https://doi.org/10.5167/uzh-68356.

Autori:

drd. ing. Florin Sebastian MUSTATEA ‒ sef Departament Geotehnica II, SC GEOSTUD SRL

Widad AL-TAHA ‒ geograf Departament Geotehnica II, SC GEOSTUD SRL

 www.geostud.ro

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 221 – februarie 2025, pag. 70-74