Skredsikring på Svalbard

Abstract

Etter de tragiske ulykkene på Svalbard i 2015 og 2017 ble det satt i gang omfattende arbeider for å sikre lokalbefolkningen mot skred. Det er knyttet usikkerhet til om de lokale forholdene på Svalbard gir opphav til en endring i snøens mekaniske egenskaper, sammenlignet med blant annet Fastlands-Norge og Alpelandene. Snø er et komplekst materiale som er under kontinuerlig omvandling. Denne prosessen kalles metamorfose. De mekaniske egenskapene varierer med flere faktorer, blant annet temperatur, vanninnhold, densitet og kornform. Derfor er det ikke gitt at maksimalt snøtrykk opptrer når snødybden er på sitt maksimale.

For å undersøke om snøens mekaniske egenskaper er annerledes på Svalbard ble det i 2017 satt i gang et felteksperiment. En forsøksvegg utstyrt med lastceller ble plassert i skrånende terreng for å måle snøtrykket gjennom vintersesongen. Dataen fra disse målingene ble brukt som utgangspunkt for å sammenligne snøtrykket fra forsøksveggen med beregningsanvisninger fra Statens vegvesen og The Institute for Snow and Avalanche Research i Sveits. Basert på tidligere felteksperiment fra Island var det knyttet usikkerhet til om beregningsmetodene fra Sveits underestimerte snøtrykket fra den maritime snøen på Svalbard, sammenlignet med den alpine snøen i Alpelandene. Resultatene viser at mistankene var korrekte, og at beregningsmetodene fra Sveits underestimerer snøtrykket på Svalbard.

Beregningene fra Vegvesenet viser derimot god overensstemmelse med målingene fra felteksperimentet når det sees bort ifra endeeffekter i beregningene. Endeeffektene kan være opptil fem ganger større enn snøtrykket på en uendelig lang støtteforbygning, og det er derfor viktig å kontrollere disse nøye. Snøtrykket på en støtteforbygning stammer fra snøsig og glidning som er kvasi-statiske bevegelser i snødekket. På Svalbard er det observert neglisjerbare deformasjoner som følge av glidning. Det kan derfor forventes at endeeffektene er mindre i størrelsesorden, sammenlignet med områder hvor glideforholdene er gode. I dag viser Vegvesenet til beregningsmetoder i Sveits for å beregne endeeffektene, og dette virker å være i overkant konservativt. Det foreslås derfor å supplere formelgrunnlaget til Statens vegvesen med egne beregningsmetoder for beregning av endeeffekter.

For å kunne simulere bevegelser i snødekket i skrånende terreng kreves det en kompleks tredimensjonal modell som må kunne ta høyde for variasjoner i temperatur og densitet i snødekket. I samarbeid med ETH Zürich utviklet Martin Stoffel et tredimensjonalt simuleringsverktøy basert på elementmetoden, hvor materiallovene i programvaren er basert på triaksiale tester med snø i Sveits. Med utgangspunkt i egne feltmålinger fra Svalbard ble det utført en simulering for å vurdere presisjonen til programvaren. Brukergrensesnittet i programvaren er begrenset per dags dato, noe som førte til komplikasjoner i analysene. Resultatene fra simuleringen viste seg å være urealistiske ettersom meshet i DTM-filen var for grovt inndelt.

Because of the tragic accidents in Svalbard in 2015 and 2017, extensive work was initiated to protect the population from avalanches. There is uncertainty as to whether the local conditions in Svalbard give rise to a change in the mechanical properties of the snow, compared with mainland Norway and the Alpine countries. Snow is a complex material that undergoes continuous transformations. This process is called metamorphosis. The mechanical properties of the snow vary with temperature, water content, density, and grain shape in addition to several other factors. Therefore, it is not a given that the maximum snow pressure occurs when the snow depth is at its maximum.

To investigate whether the mechanical properties of snow are different in Svalbard, a field experiment was initiated in 2017. A test wall equipped with load cells was placed in sloping terrain to measure snow pressure throughout the winter season. The data from these measurements were used to compare the snow pressure from the field experiment with calculations from The Norwegian Public Roads Administration and The Institute for Snow and Avalanche Research in Switzerland. Based on previous field experiments from Iceland, it was suspected that the calculation methods from Switzerland underestimated the snow pressure. The reason for this was the different behavior in the mechanical properties of snow in a maritime climate, compared to the snow in the Alps. The results show that the suspicions were correct and that the calculation methods from Switzerland underestimate the snow pressure in Svalbard.

The calculations from The Norwegian Public Roads Administration on the other hand show good agreement with the measurements from the field experiment when the end effects in the calculations are disregarded. The end effects can be up to five times greater than the snow pressure on an infinite long support structure, and it is therefore important to control these carefully. The snow pressure on a support structure arises from quasi-static movements in the snowpack called creeping and gliding. In Svalbard, it is observed negligible deformations due to gliding of the snowpack. It can therefore be expected that the end effects are smaller in magnitude, compared to areas where the gliding conditions are good. The Norwegian Public Roads Administration refers to calculation methods in Switzerland for calculating the end effects, and this seems to be too conservative for the terrain characteristics in Svalbard. It is therefore proposed to supplement the calculation methods in the Norwegian guidelines with its own methods for calculating end effects.

To be able to simulate deformations of the snowpack in sloping terrain, a complex three-dimensional model is required to consider variations in temperature and density in the snowpack. In collaboration with EHT Zürich, Martin Stoffel developed a three-dimensional simulation tool based on the finite element method, where the material laws in the software are based on triaxial tests with snow in Switzerland. Based on field measurements from Svalbard, a simulation was carried out to evaluate the precision of the software. As of today, the user interface in the software is limited, and this led to complications in the analyzes. The results from the simulation proved to be unrealistic due to a DTM file with a mesh that was too coarse.