Slope stability analysis of post-mining dumps with the use of photogrammetric geometry measurements - a case study

• Autorzy: Wróblewska Magdalena , Kowalska Magdalena , Łupieżowiec Marian

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2023.147654

Warianty tytułu

PL

Analiza stateczności skarp hałd pokopalnianych z wykorzystaniem pomiarów fotogrametrycznych - studium przypadku

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Post-mining dumps are a common sight in the industrial areas of Silesia (Poland). Despite several reclamation projects, many of them still constitute an unresolved problem. It is not only a matter of unaesthetic view - they often pose a threat to the environment and the people living nearby. Despite revitalization, some dumps are not properly maintained and are at the risk of slope failure. Such places require constant geodetic observation and stability control. In this article, the example of a dump located in the city of Gliwice was used to show the possibilities offered by the use of photogrammetry and unmanned aerial vehicles (UAV) for cyclic checks of the embankment condition. The current state of the dump and the results of interventions after two incidents of slope failure, were observed. The main slopes of the terrain surface and at the selected cross-sections were determined in two flight missions. The obtained geometrical data were used in the further numerical analysis. Finite Element Method model representing one of the escarpment cross-sections was built to estimate the factor of safety and determine the main mechanisms responsible for the failure. Elastic-perfectly plastic Coulomb-Mohr model was used to describe the behaviour of the minestone and the ‘c - tan φ reduction’ - for calculation of the stability. The problem of reliable material properties’ estimation was emphasized. The analysis included the impact of seepage and total head difference on the slope stability. It was concluded that the rainfall intensity had a decisive influence on the instability of the dump.

PL

Hałdy pokopalniane nadal stanowią typowy element w krajobrazie Górnego Śląska. Wiele z nich nie jest już użytkowana przez kopalnie węgla kamiennego jako miejsce składowania odpadów; została poddana procesom rekultywacji i przeznaczona na tereny inwestycyjne. Na takim obszarze mieści się np. katowicki „Spodek” czy Wojewódzki Park Kultury i Wypoczynku w Chorzowie. Często tereny te nie są jednak właściwie zabezpieczone i mimo rewitalizacji, niektóre nasypy mogą stanowić zagrożenie dla mieszkańców i środowiska. Przykładem takiego problemu jest hałda przy ulicy Pszczyńskiej w Gliwicach, będąca pozostałością po kopalni węgla kamiennego, która zakończyła wydobycie w tym rejonie ponad 20 lat temu. Na długości ok 600 metrów skarpa o wysokości ok. 8 m sąsiaduje bezpośrednio z ruchliwą drogą. Wielokrotnie, zwykle po ulewnych opadach deszczu, następowały na tym obszarze osuwiska skutkujące zamknięciem znacznego odcinka drogi dla ruchu kołowego. Tego typu miejsca wymagają stałej obserwacji geodezyjnej i kontroli stateczności. W wielu przypadkach trudno jest ustalić właściciela hałdy, przez co wejście w teren w celu wykonania klasycznych pomiarów geodezyjnych jest utrudnione. Dodatkowo z uwagi na często strome i wysokie skarpy, wykonywanie pomiarów klasycznych może stanowić zagrożenie dla osób mierzących. Wówczas przydatne stają się techniki zdalne, takie jak wykorzystanie bezzałogowego statku powietrznego (BSP, potocznie: „dron”). Wyniki pomiarów mogą być następnie wykorzystane w analizach numerycznych dotyczących stateczności skarp. Problematyczne oczywiście pozostaje ustalenie wartości parametrów modeli konstytutywnych reprezentujących materiał budujący hałdę. W niniejszym artykule na przykładzie hałdy zlokalizowanej na terenie miasta Gliwice pokazano możliwości, jakie daje wykorzystanie fotogrametrii oraz bezzałogowych statków powietrznych (BSP) do cyklicznych kontroli stanu nasypów. Obserwowano aktualny stan zwałowiska oraz efekty naprawy po dwóch przypadkach awarii skarpy. Podczas dwóch misji lotniczych wyznaczono główne spadki powierzchni terenu oraz wybrane przekroje poprzeczne. Uzyskane dane geometryczne wykorzystano w dalszej analizie numerycznej. Zdefiniowano model z wykorzystaniem Metody Elementów Skończonych, reprezentujący jeden z przekrojów skarpy w celu oszacowania współczynnika bezpieczeństwa oraz określenia głównych mechanizmów odpowiedzialnych za awarię. Do opisu zachowania ośrodka gruntowego wykorzystano sprężysto-idealnie plastyczny model Coulomba-Mohra, a w analizie stateczności użyto metody redukcji wytrzymałości „c - tan φ”. Zwrócono uwagę na problem wiarygodnego oszacowania właściwości materiałów. W analizie uwzględniono wpływ ciśnienia spływowego i różnicy naporów na stateczność skarpy. Stwierdzono, że decydujący wpływ na niestabilność zwałowiska miała intensywność opadów deszczu.

Słowa kluczowe

EN

post-mining dump; unmanned aerial vehicle; UAV; photogrammetry; slope stability; seepage pressure; Gliwice; case study

PL

statek powietrzny bezzałogowy; BSP; ciśnienie spływowe; fotogrametria; hałda pokopalniana; stateczność skarpy; Gliwice; studium przypadku

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 69, nr 4
• Strony: 171--185
• Opis fizyczny: Bibliogr. 40 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Wróblewska Magdalena

• Silesian University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Department of Geotechnics and Roads, Gliwice, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-4239-5026

autor

Kowalska Magdalena

• Silesian University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Department of Geotechnics and Roads, Gliwice, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-7549-2722

autor

Łupieżowiec Marian

• Silesian University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Department of Geotechnics and Roads, Gliwice, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-4863-2333

Bibliografia

• [1] M. Łupieżowiec, J. Rybak, Z. Różański, P. Dobrzycki, and W. Jędrzejczyk, “Design and construction of foundations for industrial facilities in the areas of former post-mining waste dumps”, Energies, vol. 15, no. 16, art. no. 5766, 2022, doi: 10.3390/en15165766.
• [2] G. Jordan and M. D’Alessandro, Eds., Mining, mining waste and related environmental issues: problems and solutions in Central and Eastern European Candidate Countries. European Communities, 2004.
• [3] A. Kainthola, D. Verma, S.S. Gupte, and T.N. Singh, “A coal mine dump stability analysis - a case study”, Geomaterials, vol. 1, no. 1, pp. 1-13, 2011, doi: 10.4236/gm.2011.11001.
• [4] O. Igwe, C.N. Ayogu, R.I. Maduka, N.O. Ayogu, and T.A.S. Ugwoke, “Slope failures and safety index assessment of waste rock dumps in Nigeria’s major mines”, Natural Hazards, vol. 115, pp. 1331-1370, 2023, doi: 10.1007/s11069-022-05597-0.
• [5] P.K. Behera, K. Sarkar, A.K. Singh, A.K. Verma, and T.N. Singh, “Dump slope stability analysis - A case study”, Journal of the Geological Society of India, vol. 88, no. 6, pp. 725-735, 2016, doi: 10.1007/s12594-016-0540-4.
• [6] K.S. Osasan and T.B. Afeni, “Review of surface mine slope monitoring techniques”, Journal of Mining Science, vol. 46, no. 2, pp. 177-186, 2010, doi: 10.1007/s10913-010-0023-8.
• [7] S. Artese and M. Perrelli, “Monitoring a landslide with high accuracy by total station: A DTM-based model to correct for the atmospheric effects”, Geosciences, vol. 8, no. 2, 2018, doi: 10.3390/geosciences8020046.
• [8] M. Kulupa, P. Magda, and M. Mrówczyńska, “Accuracy characteristics of the selected diagnostics methods and the adjustment of geodetic observations”, Civil and Environmental Engineering Reports, vol. 31, no. 4, pp. 167-183, 2021, doi: 10.2478/ceer-2021-0055.
• [9] O. Baykal, E. Tari, M. Z. Coskun, and T. Erden, “Accuracy of point layout with polar coordinates”, Journal of Surveying Engineering, vol. 131, no. 3, pp. 87-93, 2005, doi: 10.1061/(ASCE)0733-9453(2005)131:3(87).
• [10] M. Wróblewska and M. Grygierek, “Assessment of visual representation methods of linear discontinuous deformation zones in the right-of-way”, Applied Sciences, vol. 12, no. 5, art. no. 2538, 2022, doi: 10.3390/app12052538.
• [11] B.X. Nam, T. Van Anh, L.K. Bui, N.Q. Long, T. Le Thu Ha, and R. Goyal, “Mining-Induced land subsidence detection by persistent scatterer InSAR and Sentinel-1: application to Phugiao Quarries, Vietnam”, in Proceedings of the International Conference on Innovations for Sustainable and Responsible Mining, vol. 108, D. Tien Bui, H.T. Tran, and X.-N. Bui, Eds. Cham: Springer International Publishing, 2021, pp. 18-38, doi: 10.1007/978-3-030-60269-7_2.
• [12] H. Ren, Y. Zhao, W. Xiao, and Z. Hu, “A review of UAV monitoring in mining areas: current status and future perspectives”, International Journal of Coal Science & Technology, vol. 6, no. 3, pp. 320-333, 2019, doi: 10.1007/s40789-019-00264-5.
• [13] U.S. Lay, B. Pradhan, Z.B.M. Yusoff, A.F.B. Abdallah, J. Aryal, and H.-J. Park, “Data mining and statistical approaches in debris-flow susceptibility modelling using Airborne LiDAR data”, Sensors, vol. 19, no. 16, 2019, doi: 10.3390/s19163451.
• [14] B. Kršák, et al., “Use of low-cost UAV photogrammetry to analyze the accuracy of a digital elevation model in a case study”, Measurement, vol. 91, pp. 276-287, 2016, doi: 10.1016/j.measurement.2016.05.028.
• [15] F. Elghaish, S. Matarneh, S. Talebi, M. Kagioglou, M. R. Hosseini, and S. Abrishami, “Toward digitalization in the construction industry with immersive and drones technologies: a critical literature review”, Smart and Sustainable Built Environment, vol. 10, no. 3, pp. 345-363, 2021, doi: 10.1108/SASBE-06-2020-0077.
• [16] K. Pawlak and D. Serek, “High voltage transmission line stringing operation. Usage of unmanned aerial vehicles for installation of conductor and grounding wires with optical fibers”, in 2017 15th International Conference on Electrical Machines, Drives and Power Systems (ELMA). Sofia, Bulgaria, 2017, pp. 32-37, doi: 10.1109/ELMA.2017.7955396.
• [17] J. Howard, V. Murashov, and C.M. Branche, “Unmanned aerial vehicles in construction and worker safety”, American Journal of Industrial Medicine, vol. 61, no. 1, pp. 3-10, 2018, doi: 10.1002/ajim.22782.
• [18] M. Gheisari and B. Esmaeili, “Unmanned Aerial Systems (UAS) for construction safety applications”, in Construction Research Congress 2016: Old and new construction technologies converge in historic San Juan. ASCE: 2016, pp. 2642-2650, doi: 10.1061/9780784479827.263.
• [19] S. Zhou and M. Gheisari, “Unmanned aerial system applications in construction: a systematic review”, Construction Innovation, vol. 18, no. 4, pp. 453-468, 2018, doi: 10.1108/CI-02-2018-0010.
• [20] M.C. Tatum and J. Liu, “Unmanned aircraft system applications in construction”, Procedia Engineering, vol. 196, pp. 167-175, 2017, doi: 10.1016/j.proeng.2017.07.187.
• [21] C. Vanneschi, M. Eyre, M. Francioni, and J. Coggan, “The use of remote sensing techniques for monitoring and characterization of slope instability”, Procedia Engineering, vol. 191, pp. 150-157, 2017, doi: 10.1016/j.proeng.2017.05.166.
• [22] S. Coccia, M. Al Heib, and E. Klein, “Combination of UAV-borne LiDAR and UAV-borne photogrammetry to assess slope stability”, presented at the The 7th World Congress on Civil, Structural, and Environmental Engineering, Apr. 2022, doi: 10.11159/icgre22.107.
• [23] N. Ngadiman, I.A. Badrulhissham, M. Mohamad, N. Azhari, M. Kaamin, and N.B. Hamid, “Monitoring slope condition using UAV technology”, Civil Engineering and Architecture, vol. 7, no. 6A, pp. 1-6, 2019, doi: 10.13189/cea.2019.071401.
• [24] “Zniknie hałda z Pszczyńskiej. Poszerza się Nowe Gliwice?”, Nowiny Gliwickie. [Online]. Available: https://www.nowiny.gliwice.pl/zniknie-halda-z-pszczynskiej-poszerza-sie-nowe-gliwice. [Accessed: 19 Dec. 2022].
• [25] K. M. Skarżyńska, “Reuse of coal mining wastes in civil engineering - Part 1: Properties of minestone”, Waste Management, vol. 15, no. 1, pp. 3-42, 1995, doi: 10.1016/0956-053X(95)00004-J.
• [26] A. Urbański and M. Grodecki, “Protection of a building against landslide. A case study and FEM simulations”, Bulletin of the Polish Academy of Sciences Technical Sciences, vol. 67, no. 3, pp. 657-664, 2019, doi: 10.24425/BPASTS.2019.128545.
• [27] M. Jastrzębska and M. Łupieżowiec, “Analysis of the causes and effects of landslides in the Carpathian flysch in the area of Milówka and evaluation of their prevention methods”, Annals of Warsaw University of Life Sciences - SGGW. Land Reclamation, vol. 50, no. 2, pp. 195-211, 2018, doi: 10.2478/sggw-2018-0016.
• [28] Y. Zheng, X. Tang, S. Zhao, C. Deng, and W. Lei, “Strength reduction and step-loading finite element approaches in geotechnical engineering”, Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, vol. 1, no. 1, pp. 21-30, 2009, doi: 10.3724/SP.J.1235.2009.00021.
• [29] J. Ślusarek and M. Łupieżowiec, “Analysis of the influence of soil moisture on the stability of a building based on a slope”, Engineering Failure Analysis, vol. 113, art. no. 104534, 2020, doi: 10.1016/j.engfailanal.2020.104534.
• [30] M. Cała, M. Kowalski, and A. Stopkowicz, “The three-dimensional (3D) numerical stability analysis of Hyttemalmen Open-Pit”, Archives of Mining Sciences, vol. 59, no. 3, pp. 609-620, 2014, doi: 10.2478/amsc-2014-0043.
• [31] M. Kowalska, “Influence of loading history and boundary conditions on parameters of soil constitutive models”, Studia Geotechnica et Mechanica, vol. 34, no. 1, pp. 15-33, 2012, doi: 10.1515/sgem-2017-0020.
• [32] L. Wysokiński, Ocena stateczności skarp i zboczy. Zasady wyboru zabezpieczeń - instrukcja. Warszawa: ITB Publishing House, 2011.
• [33] B. Kawalec, “Właściwosci fizyczne i mechaniczne odpadów kopalnianych jako gruntu budowlanego”, PhD thesis, Politechnika Śląska, Gliwice, 1973.
• [34] J. Adamczyk, “Basic geotechnical properties of mining and processing waste - a state of the art analysis”, AGH Journal of Mining and Geoengineering, vol. 36, no. 2, pp. 31-41, 2012.
• [35] M. Onifade and B. Genc, “Spontaneous combustion of coals and coal-shales”, International Journal of Mining Science and Technology, vol. 28, no. 6, pp. 933-940, 2018, doi: 10.1016/j.ijmst.2018.05.013.
• [36] J. Kawalec, “In situ tests as the method of strength parameters determination for mining waste”, presented at the International Conference on In Situ Measurement of Soil Properties and Case Histories, Bali, Indonesia, May 2001.
• [37] J. Kim, S. Jeong, S. Park, and J. Sharma, “Influence of rainfall-induced wetting on the stability of slopes in weathered soils”, Engineering Geology, vol. 75, no. 3-4, pp. 251-262, 2004, doi: 10.1016/j.enggeo.2004.06.017.
• [38] K. M. Skarzyńska, Odpady powęglowe i ich zastosowanie w inżynierii lądowej i wodnej. Kraków: Akademia Rolnicza im. H. Kołłątaja, 1998.
• [39] T. Zydroń, A. Gruchot, and E. Zawisza, “Geotechnical characteristics of unburnt colliery spoils after coal-recovery”, MATEC Web Conferences, vol. 262, art. no. 04006, 2019, doi: 10.1051/matecconf/201926204006.
• [40] S. Commend, S. Kivell, R. Obrzud, K. Podleś, and A. Truty, Computational Geomechanics & Applications with ZSOIL.PC. Lausanne: Zace Services Ltd, Software Engineering, 2020.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).