The Effect of Dry Spell Preceding Intense Rainfall on Mass Movements: The Kaptanpaşa Landslide Example

Tayyar D., Tanyaş H., Işık N. S., Ekmekçi M.

Uluslararası Katılımlı 78. Türkiye Jeoloji Kurultayı , Ankara, Turkey, 13 - 17 April 2026, (Unpublished)

  • Publication Type: Conference Paper / Unpublished
  • City: Ankara
  • Country: Turkey
  • Hacettepe University Affiliated: Yes

Abstract

The most widely used approach globally for predicting landslides triggered by intense rainfall is the determination of threshold values ​​based on the empirical relationship between rainfall intensity and duration (I-D). However, this traditional approach, which generally assumes the soil to be homogeneous and focuses only on meteorological inputs at the time of the event, is insufficient to explain the effect of prior hydrological conditions. This is especially critical in regions like the Eastern Black Sea, which, despite having a rainy climate, have experienced significant irregularities in rainfall regimes in recent years due to climate change. The high swelling-shrinkage potential of clay soils in the region makes the soil more susceptible to hydrological fluctuations and accelerates mechanical weathering. Unlike studies on soil saturation, research on the effect of intense rainfall after prolonged periods of drought (Dry Spell) on slope stability is not frequently found in literature. This study aims to investigate the relationship between dry spell and slope stability by examining landslides that developed after two different intense rainfall events in the Kaptanpaşa area of ​​the Eastern Black Sea Region, which has a clayey soil structure. A hybrid methodology was followed in the study, integrating physical-based numerical modeling simulating soil-atmosphere interaction with data-driven statistical Generalized Additive Model (GAM). In the numerical analyses, going beyond standard flow models, the nonlinear effect of the drying process on the hydraulic conductivity of the soil and how desiccation cracks affect the system were investigated. A literature review on the Rize Kaptanpaşa landslides revealed that shallow slips generally occurred. The soil profile in the region consists of fine-grained soils containing active clay minerals and organic matter, with calculated moderate to high swelling potential. According to the examined geophysical and geotechnical reports, the weathered, heterogeneous residual soil layer, reaching a thickness of 5-10 meters, shows increasing rigidity with depth and is partially saturated in the near-surface areas. Numerical simulation results show that desiccation cracks formed in clayey soils during dry periods behave like macropores in the soil structure. These cracks increase the infiltration of water into the soil during subsequent intense rainfall, causing water to reach deep layers rapidly. This process leads to the rapid loss of matrix suction that holds the soil particles together, a decrease in shear strength, and an increased probability of slope failure. The statistical analyses performed also support these mechanistic findings. The results reveal that landslides are more likely to be triggered by sudden and intense rainfall events following a severe drought, rather than by periods of continuous rainfall. These findings indicate that current prediction models, which disregard the dry spell, are inadequate in environments dominated by clay soils. Consequently, a thorough understanding of the landslide triggering mechanism is crucial for preventing loss of life and property in countries like Türkiye, which frequently experience such disasters. This study also empirically examines the relationship between rainfall intensity and rainfall duration.

Şiddetli yağışlar sonucu tetiklenen heyelanların tahmininde küresel ölçekte en yaygın kullanılan yaklaşım, yağış şiddeti ve süresi (I-D) arasındaki ampirik ilişkiye dayanan eşik değerlerin belirlenmesidir. Ancak, zemini genellikle homojen kabul eden ve yalnızca olay anındaki meteorolojik girdilere odaklanan bu geleneksel yaklaşım, öncül hidrolojik koşulların etkisini açıklamada yetersiz kalmaktadır. Özellikle Doğu Karadeniz gibi, her ne kadar yağışlı bir iklime sahip olsa da son yıllarda iklim değişikliğine bağlı olarak yağış rejiminde belirgin düzensizliklerin görüldüğü bölgelerde bu durum daha kritiktir. Bölgedeki killi zeminlerin şişme-büzülme potansiyelinin yüksek olması, hidrolojik dalgalanmalara karşı zemini daha hassas hale getirmekte ve mekanik bozunmayı hızlandırmaktadır. Toprağın suya doygun olduğu durumların aksine, uzun süreli kurak dönemlerden sonra şiddetli yağışların şev duraylılığı üzerindeki etkisine ilişkin çalışmalara literatürde sık rastlanmamaktadır. Bu çalışma, Doğu Karadeniz Bölgesi’nin killi zemin yapısına sahip Kaptanpaşa sahasında, iki farklı şiddetli yağış olayı sonrasında gelişen heyelanları inceleyerek, öncül kuraklık koşulları ile şev duraylılığı arasındaki ilişkiyi ortaya koymayı amaçlamaktadır. Çalışmada, zemin-atmosfer etkileşimini simüle eden fiziksel tabanlı sayısal modelleme ile veriye dayalı istatistiksel Genelleştirilmiş Toplamsal Model (GAM)’i entegre edilerek hibrit bir metodoloji izlenmiştir. Sayısal analizlerde, standart akım modellerinin ötesine geçilerek, kuruma sürecinin zeminin hidrolik iletkenliği üzerindeki doğrusal olmayan etkisi ve kuruma çatlaklarının sisteme nasıl etki ettiği irdelenmiştir. Rize Kaptanpaşa heyelanları üzerine yapılan literatür taraması sonucunda, genel olarak sığ kaymaların gerçekleştiği belirlenmiştir. Bölgedeki zemin profili, aktif kil mineralleri ve organik içerik barındıran ince taneli zeminlerden oluşmakta olup, şişme potansiyellerinin orta ila yüksek derecede olduğu hesaplanmıştır. İncelenen jeofizik ve jeoteknik raporlara göre, 5-10 metre kalınlığa ulaşan ayrışmış, heterojen rezidüel zemin tabakasının derinlikle birlikte rijitliğinin arttığını ve yüzeye yakın kısımlarda kısmen doygun durumda olduğunu ortaya koymaktadır. Sayısal simülasyon sonuçları, kurak dönemlerde killi zeminlerde oluşan kuruma çatlaklarının, zemin yapısında makro gözenekler gibi davrandığını göstermektedir. Bu çatlaklar, takip eden şiddetli yağışlarda suyun zemin içine süzülmesini arttırmakta ve suyun derinlere hızla ulaşmasına neden olmaktadır. Bu süreç, zemin tanelerini bir arada tutan matrik emilmenin hızla kaybolmasına, kayma dayanımının düşmesine ve şev yenilme olasılığının artmasına yol açmaktadır. Gerçekleştirilen istatistiksel analizler de bu mekanik bulguları desteklemektedir. Sonuçlar, heyelanların sürekli yağışlı dönemlerden ziyade, şiddetli bir kuraklığı takip eden ani ve yoğun yağış olaylarında tetiklenme olasılığının daha yüksek olduğunu ortaya koymaktadır. Bu bulgular, killi zeminlerin hâkim olduğu ortamlarda, öncül kuraklık faktörünü göz ardı eden mevcut tahmin modellerinin yetersiz kaldığını göstermektedir. Sonuç olarak, heyelan tetiklenme mekanizmasının iyi anlaşılması, Türkiye gibi bu tip afetlere sık sık maruz kalan ülkelerde yaşanabilecek can ve mal kayıplarını önüne geçilmesi açısından önem arz etmektedir. Bu çalışma sonucunda, ayrıca yağış şiddeti-yağış süresi ampirik ilişkisi bu doğrultuda irdelenmiştir.