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Doctoral thesis

Analyse de l'activité de glissements de terrain et relation avec les conditions climatiques : exemples dans les Préalpes fribourgeoises (Suisse)

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    24.06.2003

147 p

Thèse de doctorat: Université de Fribourg, 2003

English French German Deep landslides (> 10 m) are generally characterized by phases of acceleration alternating with periods of lull, but most often lack real stabilization. Due to the continuous movement, it is difcult to evaluate the evolution of the activity. Therefore, a new methodology has been developed in order to precisely identify the sub-recent (20th century) and present evolution of deep landslide activity, and to establish some predictions as for its future trends. This methodology represents an intermediate step between the recognition of instabilities (e.g., phenomena and hazard mapping) and investigations toward the stabilization of sites. To test and validate this methodology, three deep landslides located in the Prealps of Fribourg have been studied: The Hohberg landslide as reference site, and, for comparison, the Villarbeney and Falli Hölli landslides. Variations in the activity during the 20th century were carried out using dendrogeomorphology. A method of analysis, developed in this project to study deep landslides, demonstrated not only a general landslide activity but also variations in accelerations of the intensity (approximately at annual scale). At the Hohberg landslide, increase of movements was observed in the beginning of the years 1950 and, since the middle of the years 1980, accelerations were intensied. The most active years were 1987-88, 1994, 1995, and 1999. The same analysis done on the Villarbeney landslide also indicated a growth of activity during the 1950. However, the main zone of this landslide showed a real decrease of the movements since the 1980, probably caused by anthropogenic inuence (stabilization works). As for the Falli Hölli landslide, variations of activity recorded during the 20th century were similar to those of the Hohberg, but only until 1994. Indeed, the Falli Hölli landslide underwent a catastrophic event in the spring 1994 and remained "passive" thereafter. Furthermore, measurements of displacements were done in order to accurately determine the phase of accelerations. At the Hohberg landslide, a major acceleration occurred in winter-springtime 1999 that can be constrained, particularly with using a laser measurement device that continuously records displacements (DICLAS). In the same way, on Falli Hölli landslide, successive GPS measurements led to precisely dene the rate of displacements during the 1994 event. The data of recent and present activity were compared to main climatic parameters that potentially inuenced the stability, namely precipitations (raw and effective), temperature as well as rainfalls and snowfalls. The correlation tests were done at three distinct temporal scales: medium (multi-year scale), short (seasonal to yearly scale) and very short term (daily to monthly scale). At the medium scale, relationships between general landslide activity and climatic conditions evolution were dened for a period of 20 years for the Hohberg landslide, 15 years for Falli Hölli, and 8 years for Villarbeney. These results demonstrated the high sensitivity of the Villarbeney landslide with regard to climatic variations, probably due to a volumetrically less active mass and a less extended watershed basin that reduced the water ow (recharge of the landslide). At the Hohberg site, yearly precipitations and rainfalls were identied as the most inuent climatic parameters on the landslide activity. Furthermore, the inuence of winter precipitations and rainfalls has been demonstrated. However, the impact of snowfall variations is minor in comparison to that of rainfalls. As for temperature, the correlations demonstrated an obvious link between increase in activity and warming on the medium scale. With regard to the Falli Hölli landslide, the tests of correlations revealed almost identical relationships, except that no preferential link has been established between the rainfalls and snowfalls. As for the Villarbeney case study, no correlation was observed between landslide activity and temperature. The study of inuence at the short-term scale demonstrated that precipitations and rainfalls had an obvious impact on the major acceleration phases of the Hohberg landslide. However, snow and temperature had a minor inuence. This general tendency, also valid for the site of Falli Hölli, has not been recognized at the Villarbeney landslide that seems less inuenced by short-term climatic variations. At the very short-term scale, specic climatic conditions were observed concerning the acceleration of the Hohberg landslide in 1999 and the catastrophic event of Falli Hölli in 1994. In both cases, melting during spring combined with rainfalls played a major role in acceleration triggering. In this case, all considered climatic parameters can be regarded as controlling factors of landslide stability. The ultimate step of this study concentrated on forecast of the evolution of the studied landslides for the 21st century. The results, based on IPCC scenarios (IPCC, 2001; OcCC, 2002) indicated unfavourable trend for the Hohberg and Falli Hölli landslides. However, the impact of the melting ice cover at the medium scale remains uncertain. It seems unlikely that temperature increase estimated at 1.5 to 2 °C for 2050 can lead to the melting of the entire winter ice cover. Therefore, massive melting can be preserved. However, after 2050, it is likely that warming can lead to the melting of the entire winter ice cover. The spring melting will, thereafter, not longer inuence the landslide activity. As for the Villarbeney landslide, the trend for the future landslide evolution cannot clearly be established, partly due to winter warming. Les glissements de terrain profonds (> 10 m) sont généralement caractérisés par des phases d'accélération alternant avec des périodes d'accalmie, mais le plus souvent sans montrer de réelle stabilisation. Il est donc difcile d'étudier l'évolution de l'activité compte tenu de la continuité des mouvements. Pour cela, une méthode d'analyse a été mise en place an de reconnaître avec précision l'évolution récente (20ème siècle) et actuelle de l'activité d'un glissement profond, et tenter d'établir des pronostics quant à son évolution future. Cette méthode constitue une étape intermédiaire, se situant entre le travail préliminaire de reconnaissance des phénomènes instables (carte des phénomènes et de danger par exemple) et les investigations engagées lors de l'assainissement d'un site. Pour tester et valider cette méthode, trois glissements profonds, localisés dans les Préalpes fribourgeoises, ont été retenus: il s'agit du glissement du Hohberg comme de site référence ainsi que ceux de Villarbeney et de Falli Hölli pour comparaison. La reconnaissance des variations d'activité au cours du 20ème siècle a été entreprise au moyen de la dendrogéomorphologie. Une méthode d'analyse, développée dans le cadre de ce projet pour l'étude des glissements profonds, a permis de mettre en évidence non seulement l'évolution générale de l'activité des glissements mais également les variations précises de l'intensité des accélérations (à une échelle plus ou moins annuelle). Au glissement du Hohberg, une augmentation des mouvements a été observée au début des années 1950 et, depuis le milieu des années 1980, les accélérations se sont intensiées; les années les plus actives étant 1987-88, 1994, 1995 et 1999. Cette même analyse effectuée sur le glissement de Villarbeney a également indiqué un accroissement de l'activité au cours des années 1950. En revanche, le couloir principal de ce glissement a montré un réel ralentissement depuis les années 1980, vraisemblablement occasionné par des travaux d'assainissement. Quant au glissement de Falli Hölli, les variations d'activité enregistrées au cours du 20ème siècle ont révélé des similitudes évidentes avec celles du Hohberg, du moins jusqu'en 1994. En effet, le glissement de Falli Hölli a subi une crise catastrophique au printemps 1994 qui l'a conduit, par la suite, à un état de relative "passivité". En outre, des mesures de déplacements ont été effectuées an de déterminer avec exactitude le moment du déclenchement des accélérations. Sur le glissement du Hohberg, une accélération majeure survenue en hiver-printemps 1999 a pu être intégralement suivie, grâce entre autres à l'utilisation d'un appareil de mesures laser qui enregistre des distances en continu (DICLAS). De même, sur le glissement de Falli Hölli, des mesures GPS très rapprochées ont permis de dénir avec précision l'évolution des vitesses caractérisant la crise catastrophique de 1994. Les données d'activité récente et actuelle ont ensuite été confrontées aux principaux paramètres climatiques susceptibles d'avoir une inuence sur la stabilité. Il s'agit des précipitations (brutes et efcaces), de la température ainsi que des chutes de pluie et de neige. Les essais de corrélation ont été réalisés à trois échelles temporelles distinctes, à savoir le moyen (échelle pluriannuelle), le court (échelle saisonnière à annuelle) et le très court terme (échelle journalière à mensuelle). Au niveau du moyen terme, le lien entre l'activité générale du glissement et l'évolution des conditions climatiques a été déni pour une période de 20 ans au glissement du Hohberg, de 15 ans à Falli Hölli et de 8 ans à Villarbeney. Ces résultats démontrent la grande sensibilité du glissement de Villarbeney à l'égard des variations climatiques, probablement due à la présence d'une masse active moins volumineuse et un bassin versant moins étendu qui diminue le temps de transit de la recharge du glissement en eaux souterraines. Sur le site du Hohberg, les précipitations et les pluies annuelles ont été reconnues comme étant les paramètres climatiques les plus inuents sur l’évolution de l’activité. Par ailleurs, l’inuence des précipitations et des pluies hivernales a également été démontrée. En revanche, l’incidence des variations des chutes de neige est minime, ou en tout cas largement moins marquée que celle des pluies. Quant aux températures, les corrélations ont mis en évidence un lien très probable entre l’augmentation de l’activité et le réchauffement sur le moyen terme. En ce qui concerne le glissement de Falli Hölli, les essais de corrélations ont révélé des inuences quasi identiques, à l'exception du fait qu'aucun lien préférentiel n'a été établi entre les chutes de pluie et de neige. Quant au glissement de Villarbeney, la principale différence observée concerne l'absence de corrélation avec les températures. L'étude de l'inuence des variations de court terme a démontré que seules les précipitations et les pluies avaient une incidence certaine sur les phases d’accélération majeure du glissement du Hohberg, et ceci tant au niveau des conditions estivales que hivernales. En revanche, la neige et la température indiquent clairement une inuence moindre. Cette tendance, valable également pour le site de Falli Hölli, n'a toutefois pas été reconnue au glissement de Villarbeney qui semble peu inuencé par les variations climatiques de court terme. Des conditions de très court terme propices au déclenchement d'une accélération ont été observées lors de l'accélération de 1999 du glissement du Hohberg et durant l'événement catastrophique de Falli Hölli en 1994. Dans les deux cas il s'agissait de conditions printanières défavorables où des périodes de fonte ont été associées à des chutes de pluies. Dans ce cas, tous les paramètres climatiques prédénis peuvent être considérés comme inuents sur la stabilité du glissement. L'étape ultime de cette étude s'est concentrée sur les prévisions de l'évolution des glissements pour le 21ème siècle. Les résultats, basés sur les scénarios de l'IPCC (2001; OcCC, 2002) ont indiqué une tendance défavorable pour les glissements du Hohberg et de Falli Hölli. Toutefois, une interrogation subsiste concernant l'incidence de la probable disparition du manteau neigeux à moyen terme. Il a été supposé que l'augmentation de la température prévue pour 2050, estimée à 1.5 – 2 °C, ne soit pas sufsante pour faire disparaître entièrement le manteau neigeux hivernal. Par conséquent, la présence de fonte massive peut être préservée. En revanche, après 2050, il est probable que le réchauffement implique la disparition quasi complète du stock neigeux, annulant ainsi les conditions de fonte printanière. Quant au glissement de Villarbeney, la tendance évolutive a été moins bien établie, notamment en raison du problème lié au réchauffement hivernal. Tiefgründige Rutschungen (Scherhorizont tiefer als 10 m) zeichnen sich in der Regel durch alternierende Beschleunigungs- und Ruhephasen aus, zeigen aber nur selten länger andauernde Perioden wirklicher Stabilität. Da diese kontinuierliche Bewegung eine exakte Untersuchung der Entwicklung der Rutschaktivität erschwert, wurde eine neue Methodik entwickelt, um die subrezente (20. Jh.) und aktuelle Aktivitätsentwicklung tiefgründiger Rutschungen präzise nachzuvollziehen, sowie deren zukünftiges Verhalten vorhersagen zu können. An der Schnittstelle von Rutschungsklassizierung (z.B. Phänomen- und Gefährdungskarten) und Stabilitätsuntersuchungen angesiedelt, wurde die entwickelte Methodik an drei tiefgründigen Rutschungen in den Freiburger Voralpen getestet. Die Rutschung Hohberg diente dabei als Referenzlokalität, mit der die Rutschungen Villarbeney und Falli Hölli verglichen wurden. Die subrezenten Variationen der Rutschungsaktivität wurden durch dendrogeomorphologische Analysen ermittelt. Diese neu entwickelte Untersuchungsmethode ermöglicht nicht nur die Rekonstruktion des generellen zeitlichen Ablaufs der Rutschaktivität, sondern darüber hinaus auch das Erfassen von Änderungen der Rutschgeschwindigkeit auf annähernd ein Jahr genau. In Hohberg lässt sich eine Verstärkung der Hangbewegungen zu Beginn der 50er Jahre, sowie eine weitere Intensivierung der Beschleunigung seit Mitte der 80er Jahre nachweisen, mit Spitzenwerten in den Jahren 1987-88, 1994, 1995 und 1999. Die Rutschung Villarbeney zeigt ebenfalls ein Anwachsen der Aktivität im Laufe der 50er Jahre. Im Hauptkorridor dieser Rutschung nimmt die Aktivität dagegen seit den 80er Jahren ab, was sich wahrscheinlich auf den Erfolg von Hangstabilisierungsarbeiten zurückführen lässt. Der Aktivitätsverlauf der Rutschung Falli Hölli während des 20. Jh. zeigt klare Parallelen mit der Referenzlokalität Hohberg, allerdings nur bis 1994. Im Frühjahr dieses Jahres ereignete sich in Falli Hölli eine Krise katastrophalen Ausmasses, seitdem bendet sich die Rutschung in einem „passiven“ Zustand. Ausserdem wurden in-situ Bewegungsmessungen durchgeführt, welche das exakte Erfassen von Beschleunigungsphasen erlaubten. In Hohberg ereignete sich im Winter/Frühjahr 1999 eine bedeutende Beschleunigung, die mit einem kontinuierlich aufzeichnenden Laser-Abstandsmessgerät (DICLAS) lückenlos dokumentiert werden konnte. Ebenso erlaubte eine Serie von in sehr kurzen Zeitabständen wiederholten GPS-Messungen die präzise Rekonstruktion des Geschwindigkeitsverlaufs der Rutschung Falli Hölli im Katastrophenfrühjahr 1994. Die gesammelten Daten über rezente Aktivität, bzw. Aktivitäten in der jüngeren Vergangenheit wurden mit den wichtigsten klimatischen Parametern – Niederschlagsmenge (brutto und effektiv, Schnee oder Regen) und Temperatur – verglichen, welche potentiell einen Einuss auf die Hangstabilität haben. Die Korrelationen wurden für drei verschiedene Zeitmassstäbe durchgeführt: mittelfristig (mehrere Jahre), kurzfristig (mehrere Monate bis ein Jahr) und sehr kurzfristig (Tage bis Monate). Der mittelfristige Zeitmassstab für die Zusammenhänge zwischen genereller Rutschungsaktivität und Klimabedingungen wurde für die Lokalität Hohberg auf eine Zeitspanne von 20 Jahren deniert, für Falli Hölli auf 15 und für Villarbeney auf 8 Jahre. Darin spiegelt sich die höhere Empndlichkeit der Rutschung Villarbeney gegenüber klimatischen Bedingungen wider, die wahrscheinlich im kleineren Volumen der aktiven Rutschmasse und einem kleineren Einzugsgebiet (was zu geringerer Inltration führt) begründet ist. In Hohberg wurden die jährlichen Niederschlags- und Regenmengen als wichtigste klimatische Einüsse auf die Rutschaktivität bestimmt. Ausserdem konnte auch die Bedeutung von Winterniederschlags- und Winterregenmengen gezeigt werden. Betrachtet man den Einuss der Temperatur, so zeigen die Korrelationen für den mittelfristigen Zeitmassstab einen klaren Zusammenhang zwischen verstärkter Rutschaktivität und klimatischer Erwärmung. Für die Lokalität Falli Hölli belegen die Korrelationen fast identische Reaktionen auf die klimatischen Signale, allerdings scheinen hier, im Unterschied zu Hohberg, die jährliche Schnee- und die Regenmenge nicht als getrennte Einussfaktoren zu wirken. In Villarbeney lässt sich kein nachweisbarer Zusammenhang zwischen Rutschaktivität und Temperatur nachweisen. Die Untersuchung der kurzfristigen Einüsse ergab, dass in diesem Zeitmassstab nur die Niederschlags- und Regenmenge in eindeutigem Zusammenhang mit bedeutenden Beschleunigungsphasen der Rutschung Hohberg stehen. Schneemenge und Temperatur haben dagegen nur untergeordnete Bedeutung. Dieser, auch für die Rutschung Falli Hölli gültige, generelle Trend zeigt sich in der Rutschung Villarbeney nicht; diese wird von kurzfristigen Klimaschwankungen anscheinend weniger stark beeinusst. Die Beschleunigung der Rutschung Hohberg 1999, wie auch die katastrophalen Ereignisse in Falli Hölli 1994, waren an spezische klimatische Ereignisse (sehr kurzfristiger Zeitmassstab) gekoppelt. In beiden Fällen el die Schneeschmelze mit starken Regenfällen zusammen, was unmittelbar zur Auslösung der Hangbewegungen führte. Hierbei können alle untersuchten klimatischen Parameter als negative Einussfaktoren auf die Hangstabilität angesehen werden. Im abschliessenden Teil dieser Arbeit wird eine Vorhersage der weiteren Entwicklung der untersuchten Rutschungen für das 21. Jh. versucht. Basierend auf den IPCC-Szenarios (IPCC, 1999; OcCC, 2002) ergibt sich ein unvorteilhafter Verlauf für die Rutschungen Hohberg und Falli Hölli, wobei der Einuss des wahrscheinlichen, mittelfristigen Abnehmens der Schneedecke jedoch nur schwer abzuschätzen ist. Von deren völligem Verschwinden kann bei einer potentiellen Erwärmung von 1.5 - 2°C bis zum Jahr 2050 noch nicht sicher ausgegangen werden. Nach 2050 dagegen ist es durchaus möglich, dass es bei fortgesetzter Erwärmung nicht mehr zur Ausbildung einer winterlichen Schneedecke kommen und somit der negative Effekt der Schneeschmelze im Frühjahr wegfallen wird. Eine Vorhersage der weiteren Entwicklung der Rutschung Villarbeney ist, speziell aufgrund der Unsicherheiten über den Verlauf der winterlichen Erwärmung, wesentlich schwieriger.
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Faculté des sciences et de médecine
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Département de Géosciences
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