Αξιολόγηση και διαχείριση γεωκινδύνων σε τεχνικά έργα

Abstract

The doctoral thesis aims to develop appropriate methodologies and quantitative relationships to more accurately predict the occurrences of liquefaction phenomena, as well as assess the risk they pose to critical infrastructure. This effort falls within the broader context of the assessment and management of critical infrastructure exposed to geohazards. Taking into consideration that during the current decade, the importance of geomorphological evolution in influencing the spatial distribution of seismically induced liquefaction phenomena has become increasingly recognized, the design of a methodology for detailed mapping of surficial geological formations, which would allow a more accurate qualitative and quantitative assessment of their susceptibility, was considered a particularly important step for the scientific community. The implementation of such a methodology can form the basis for rapid and cost-effective risk assessment of critical infrastructure to liquefaction phenomena and, consequently, serve as a significant tool of their resilient design. Within this framework, a process for mapping surficial geological units is initially presented, based on the use of historical data, topographic and geological maps, as well as aerial photographs and satellite imagery. Its application forms the foundation for estimating the qualitative relationships between geomorphological formations and liquefaction phenomena and enables the creation of more reliable susceptibility maps. In the present study, this method is applied to the cases of Nestos River Delta and Piniada Valley. Afterwards, aiming to quantify the relationships between surficial geological units and liquefaction phenomena, this research proposes an equation, which allows the estimation and attribution of weight values to each geomorphological formation, based on the densities of liquefaction manifestations (ejecta, lateral spreading) observed on it. Its application is achieved by using liquefaction occurrence data induced by seismic sequences at Christchurch, New Zealand (2010-2011), Damasi, Thessaly (2021) and Kahramanmaraş, Turkey (2023). As the highest density values are recorded in the deposits of the inner part of meanders, characterized as point bar formations, research extends to the identification and mapping of their heterogeneity types (I-IV), while the application of the proposed equation results in the assessment of their relationships with the liquefaction manifestations (ejecta, lateral spreading). Finally, taking into account the low resilience of critical infrastructure to liquefaction phenomena, a methodology focusing on the estimation of risk and vulnerability of airport facilities is proposed. Highlighting the significance of the accurate liquefaction susceptibility assessment for estimating expected permanent ground displacements (PGD) in airports, this methodology consists of two phases. According to the first one, a workflow is provided for creating both a map of surficial geology and a liquefaction susceptibility map, while following the steps described in the second phase, the probability of liquefaction phenomena, the expected permanent ground displacements (PGD), the vulnerability and the total losses of the airport infrastructure are estimated. This methodology was applied at Kavala International Airport (KVA, Greece), while its validation was conducted using data from Oakland International Airport (OAK, USA), Boeing Field (BFI, USA), and Hatay Airport (HTY, Turkey). In conclusion, a large number of produced outcomes is generated through this doctoral thesis, categorized as follows:(1) A methodology for mapping the formations of surficial geology, (2) Maps depicting the surficial geology of Nestos River delta (Greece), Piniada Valley (Greece) and section of Orontes Valley (Turkey), (3) Liquefaction susceptibility maps of Nestos River Delta (Greece) and Piniada Valley (Greece), (4) An inventory of liquefaction manifestations occurred by the 2023 Kahramanmaraş earthquake in Turkey in a section of Orontes Valley (Turkey), (5) Maps depicting the lithological heterogeneity types (I-IV) of point bar deposits in sections of Pinios (Greece), Orontes (Turkey) and Avon (New Zealand) Rivers, (6) The relationship of “Liquefaction Weight Factor (LWF)”, (7) Attribution of liquefaction weight factors for the geomorphological formations of (a) old/abandoned channels, (b) point bars and (c) floodplains, based on (i) ejecta and (ii) lateral spreading phenomena, (8) Attribution of liquefaction weight factors for the lithological heterogeneity types (I-V) of points bars, based on (a) ejecta and (b) lateral spreading phenomena, (9) Vulnerability and risk assessment methodology of airport infrastructure, (10) Maps depicting the surficial geology, the liquefaction susceptibility, the liquefaction probability and the related expected permanent ground displacements (PGD) of Kavala International Airport (KVA, Greece), (11) Estimation of expected total losses of Kavala International Airport (KVA, Greece). The methodology for mapping surface geological formations provides a more accurate and direct depiction of geomorphological features. This enables a reliable qualitative assessment of their susceptibility to liquefaction. Importantly, it does not require specialized data derived from field surveys or laboratory tests. Consequently, the maps of surficial geology of Nestos Delta, Piniada and Orontes Valleys facilitate the large-scale identification of susceptible areas and offer a more reliable delineation of zones requiring further geotechnical investigation. Furthermore, the application of the proposed weighting factor equation to study the relationship between the surficial geological units and the liquefaction phenomena allows quantification of susceptibility in the study area. As a result, the estimated weighting factors for the geomorphological formations of (1) old/abandoned meanders, (2) floodplains, (3) point bar deposits, as well as for the heterogeneous lithological types of the latter (types I–IV), can be used as empirical indicators in assessing the liquefaction susceptibility of a study region. Finally, taking into account the workflow of detailed mapping of surficial geological units and the creation of more accurate susceptibility maps, the proposed methodology for estimating the risk of critical airport infrastructure to liquefaction phenomena allows the rapid evaluation of permanent ground deformations (PGD) and the associated economic losses. Using the example of Kavala International Airport (KVA), this approach contributes to the design and implementation of effective strategies for the prevention, protection, and resilience of critical infrastructure in areas of high seismic hazard.

Κίνητρο για την εκπόνηση της διδακτορικής διατριβής αποτέλεσε η ανάγκη ανάπτυξης κατάλληλων μεθοδολογιών και ποσοτικών σχέσεων που αποσκοπούν στην ακριβέστερη πρόβλεψη των θέσεων εμφάνισης του φαινομένου της ρευστοποίησης και στην αποτίμηση της διακινδύνευσης κρίσιμων υποδομών ως προς αυτό, στο πλαίσιο αξιολόγησης και διαχείρισης των γεωκινδύνων σε τεχνικά έργα. Εφόσον κατά τη διάρκεια της τρέχουσας δεκαετίας ενισχύεται όλο και περισσότερο η σημασία της γεωμορφολογικής εξέλιξης ενός περιβάλλοντος στη χωρική κατανομή των σεισμικά επαγόμενων ρευστοποιήσεων, ο σχεδιασμός μιας μεθοδολογίας λεπτομερούς χαρτογράφησης των σχηματισμών της επιφανειακής γεωλογίας, η οποία θα επιτρέπει την ακριβέστερη ποιοτική και ποσοτική αξιολόγηση της επιδεκτικότητάς τους, κρίθηκε ως ένα ιδιαίτερα σημαντικό βήμα για την επιστημονική κοινότητα. Η εφαρμογή αυτής μπορεί να αποτελέσει τη βάση για την άμεση και οικονομική εκτίμηση της διακινδύνευσης κρίσιμων τεχνικών κατασκευών ως προς τα φαινόμενα της ρευστοποίησης και ως επακόλουθο να λειτουργήσει ως ένα σημαντικό εργαλείο στον σχεδιασμό ανθεκτικότερων κρίσιμων υποδομών. Στο πλαίσιο αυτό, στη παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζεται αρχικά μια διαδικασία χαρτογράφησης της επιφανειακής γεωλογίας, βασισμένη στην αξιοποίηση δεδομένων ιστορικών, τοπογραφικών και γεωλογικών χαρτών, καθώς επίσης και αεροφωτογραφιών και δορυφορικών εικόνων. Η εφαρμογή της αποτελεί τη βάση για την εκτίμηση των ποιοτικών σχέσεων που αναπτύσσονται ανάμεσα στους γεωμορφολογικούς σχηματισμούς και τα φαινόμενα της ρευστοποίησης και προσφέρει τη δυνατότητα δημιουργίας χαρτών επιδεκτικότητας υψηλότερης αξιοπιστίας. Στη διατριβή, η μέθοδος αυτή εφαρμόζεται στις περιπτώσεις του δέλτα του Νέστου και της πεδιάδας της Πηνειάδας. Στη συνέχεια, έχοντας ως στόχο την ποσοτικοποίηση των σχέσεων των σχηματισμών της επιφανειακής γεωλογίας με τα φαινόμενα της ρευστοποίησης, στην παρούσα μελέτη προτείνεται μια εξίσωση, η οποία λαμβάνοντας υπόψη την πυκνότητα της εμφάνισης φαινομένων ρευστοποίησης που παρατηρούνται σε κάθε γεωμορφολογικό σχηματισμό (εμφανίσεις αναδυόμενου υλικού, πλευρικές εξαπλώσεις επιτρέπει την ποσοτική εκτίμηση της βαρύτητάς τους. Η εφαρμογή αυτής επιτυγχάνεται με την αξιοποίηση των δεδομένων των εμφανίσεων ρευστοποιήσεων που προέκυψαν από τις σεισμικές ακολουθίες στο Christchurch της Νέας Ζηλανδίας (2010-2011), στο Δαμάσι της Θεσσαλίας (2021) και στο Kahramanmaraş της Τουρκίας (2023). Καθώς οι μεγαλύτερες πυκνότητες των ρευστοποιήσεων παρατηρούνται στις αποθέσεις του εσωτερικού κοίλου μέρους ενός μαιάνδρου, η έρευνα επεκτείνεται στην αναγνώριση και χαρτογράφηση των διαφορετικών λιθολογικών τους τύπων (Ι-ΙV), ενώ μέσω της εφαρμογής της προτεινόμενης εξίσωσης, επιτυγχάνεται η εκτίμηση των σχέσεών τους με τις επιφανειακές εμφανίσεις του φαινομένου. Τέλος, λαμβάνοντας υπόψη τη χαμηλή ανθεκτικότητα κρίσιμων υποδομών στα φαινόμενα της ρευστοποίησης, και συγκεκριμένα των αερολιμένων, προτείνεται μια μεθοδολογία εκτίμησης της διακινδύνευσης και της τρωτότητάς τους σε κλίμακα περιφέρειας. Τονίζοντας τη σημασία της αξιολόγησης της επιδεκτικότητας του περιβάλλοντος της κατασκευής για την εκτίμηση των αναμενόμενων αστοχιών που προκαλούνται από φαινόμενα ρευστοποίησης, η παρούσα μεθοδολογία διακρίνεται σε δύο φάσεις. Σύμφωνα με την πρώτη, παρέχεται η δυνατότητα σχεδιασμού χάρτη αποτύπωσης της επιφανειακής γεωλογίας, καθώς επίσης και του βαθμού επιδεκτικότητας των σχηματισμών που παρατηρούνται στον αερολιμένα, ενώ ακολουθώντας τα βήματα της δεύτερης φάσης εκτιμάται η πιθανότητα εκδήλωσης των φαινομένων ρευστοποίησης, των αναμενόμενων μόνιμων εδαφικών μετατοπίσεων (Permanent Ground Displacement) και τέλος της τρωτότητας και των συνολικών απωλειών της κρίσιμης υποδομής. Η εφαρμογή της μεθοδολογίας αυτής πραγματοποιήθηκε στο Διεθνή Αερολιμένα Καβάλας (KVA), ενώ η επικύρωσή της βασίστηκε στις περιπτώσεις των διεθνών αεροδρομίων Oakland (OAK, Η.Π.Α), Boeing Field (BFI, Η.Π.Α) και Hatay (HTY, Τουρκία). Συμπερασματικά, η παρούσα διατριβή είχε ως αποτέλεσμα την παραγωγή ενός πλήθους αποτελεσμάτων τα οποία διακρίνονται ως εξής: (1) Μεθοδολογία χαρτογράφησης των σχηματισμών της επιφανειακής γεωλογίας, (2) Χάρτες επιφανειακής γεωλογίας για τις περιοχές του Δέλτα του Νέστου, πεδιάδα της Πηνειάδας και τμήματος της κοιλάδας του ποταμού Ορόντη (Τουρκία), (3) Χάρτες επιδεκτικότητας σε φαινόμενα ρευστοποίησης για τις περιοχές του Δέλτα του Νέστου και την πεδιάδα της Πηνειάδας, (4) Αρχείο αποτύπωσης των φαινομένων ρευστοποίησης που προκλήθηκαν σε τμήμα της κοιλάδας του ποταμού Ορόντη από τον σεισμό του 2023 στο Kahramanmaraş της Τουρκίας, (5) Χάρτες των λιθολογικών τύπων ετερογένειας των αποθέσεων του εσωτερικού κοίλου μέρους των μαιάνδρων σε τμήματα των ποταμών Πηνειού (Ελλάδα), Ορόντη (Τουρκία) και Avon (Νέα Ζηλανδία), (6) Σχέση εκτίμησης συντελεστή βαρύτητας σχηματισμών σε φαινόμενα ρευστοποίησης (Liquefaction Weight Factor – LWF), (7) Απόδοση συντελεστών βαρύτητας σε φαινόμενα ρευστοποίησης των γεωμορφολογικών σχηματισμών των (α) παλαιότερων εγκαταλελειμμένων κοιτών (old/abandoned meanders), (β) αποθέσεων του εσωτερικού κοίλου μέρους των μαιάνδρων (point bars) και (γ) πλημμυρικών πεδιάδων (floodplain), με βάση (i) τις επιφανειακές εμφανίσεις αναδυόμενου υλικού (ejecta) και (ii) τα φαινόμενα πλευρικής εξάπλωσης (lateral spreading), (8) Απόδοση συντελεστών βαρύτητας σε φαινόμενα ρευστοποίησης των τύπων λιθολογικής ετερογένειας (I-IV) με βάση (α) τις επιφανειακές εμφανίσεις αναδυόμενου υλικού (ejecta) και (β) τα φαινόμενα πλευρικής εξάπλωσης (lateral spreading), (9) Μεθοδολογία εκτίμησης της τρωτότητας και διακινδύνευσης των κρίσιμων υποδομών των αεροδρομίων, (10) Χάρτες γεωμορφολογικών σχηματισμών του Διεθνούς Αερολιμένα Καβάλας (KVA), καθώς επίσης και επιδεκτικότητας, πιθανότητας και αναμενόμενων εδαφικών καθιζήσεων λόγω φαινομένων ρευστοποίησης, (11) Εκτίμηση του συνολικού κόστους απωλειών λόγω ρευστοποίησης του Διεθνούς Αερολιμένα Καβάλας (KVA). Η μεθοδολογία χαρτογράφησης των σχηματισμών της επιφανειακής γεωλογίας προσφέρει την άμεση και ακριβέστερη αποτύπωση των γεωμορφολογικών σχηματισμών και ως επακόλουθο την αξιόπιστη ποιοτική αξιολόγηση της επιδεκτικότητάς τους, χωρίς να προϋποθέτει την χρήση εξιδεικευμένων δεδομένων που προέρχονται από εργασίες πεδίου ή εργαστηριακές δοκιμές. Επομένως, οι χάρτες επιφανειακής γεωλογίας των δέλτα του Νέστου, της πεδιάδας της Πηνειάδας και της κοιλάδας του ποταμού Ορόντη επιτρέπουν τον μεγαλύτερης κλίμακας εντοπισμό των επιδεκτικών περιοχών, προσφέροντας ακόμη πιο αξιόπιστα όρια στις ζώνες που χρήζουν περαιτέρω γεωτεχνικών μελετών. Ακόμη, η εφαρμογή της σχέσης εκτίμησης των συντελεστών βαρύτητας των γεωμορφολογικών σχηματισμών ως προς τα φαινόμενα ρευστοποίησης, προσφέρει την δυνατότητα ποσοτικοποίησης της επιδεκτικότητας μιας περιοχής έρευνας. Επομένως, οι εκτιμώμενοι συντελεστές βαρύτητας των σχηματισμών των (1) παλαιότερων εγκαταλελειμμένων κοιτών (old/abandoned meanders), (2) αποθέσεων του εσωτερικού κοίλου μέρους των μαιάνδρων (point bars), (3) πλημμυρικών πεδιάδων (floodplain), καθώς επίσης και των ετερογενών λιθολογικών τύπων των δεύτερων (I-IV) μπορούν να εφαρμοστούν ως δείκτες εμπειρικών σχέσεων που αποσκοπούν στην ποσοτική εκτίμηση της επιδεκτικότητας ρευστοποίησης μιας περιοχής μελέτης. Τέλος, βασισμένη στη διαδικασία της λεπτομερούς χαρτογράφησης των γεωμορφολογικών σχηματισμών και στους ακριβέστερους χάρτες αυτών ως προς την επιδεκτικότητά τους σε φαινόμενα ρευστοποίησης, η μεθοδολογία εκτίμησης της διακινδύνευσης των κρίσιμων υποδομών των αεροδρομίων προσφέρει τη δυνατότητα της άμεσης αποτίμησης των μόνιμων εδαφικών μετατοπίσεων (PGD) και των οικονομικών απωλειών που συνδέονται με αυτές. Με ενδεικτικό το παράδειγμα του Διεθνούς Αερολιμένα Καβάλας (KVA), αποτελεί μια μέθοδο που συμβάλλει στον σχεδιασμό και την εφαρμογή αποτελεσματικών στρατηγικών πρόληψης, προστασίας και ανθεκτικότητας των κρίσιμων υποδομών σε περιοχές υψηλής σεισμικής επικινδυνότητας.