Frane nelle coltri di copertura

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Frane nelle coltri di copertura

  1. 1. IST - SUPSI 21 febbraio 2000 UNA METODOLOGIA PER LO STUDIO DELLE FRANE NELLE COLTRI DI COPERTURA ( ‘SOIL SLIP’ ) A. Buletti - B. Sincich
  2. 2. Azione 3 INTERREG II IST DSTP CNR - IRPI Torino Politecnico Torino valutare i fattori che determinano l'instabilità descrivere risposta idrologica terreno valutare l'instabilità dei pendii identificare i valori di soglia delle precipitazioni CARTOGRAFARE LE ZONE A RISCHIO
  3. 3. COME AVVIENE L’APPROCCIO 3 FIGURE COMPITI rileva i siti con instabilità costruisce il modello che rappresenti la realtà fornisce i parametri necessari al modello provvede a interventi di protezione utilizza i parametri per calibrare il modello INGEGNERE GEOLOGO FISICO GEOLOGO FISICO
  4. 4. ARGOMENTI <ul><li>COSA E’ UN “SOIL SLIP” </li></ul><ul><li>FATTORI CHE LO DETERMINANO </li></ul><ul><li>COME LO SI PUO’ STUDIARE  UTILIZZO DI UN MODELLO MATEMATICO </li></ul><ul><li>SVILUPPO DEL MODELLO </li></ul><ul><li>STUDIO DI CASI </li></ul><ul><ul><li>VAL VERGELETTO  alluvione 7 agosto 1978 </li></ul></ul><ul><ul><li>VALLE MOROBBIA: per determinare la quantità di acqua che ruscella e quella che si infiltra  CALIBRAZIONE DEL MODELLO </li></ul></ul><ul><li>CONCLUSIONI E SVILUPPI </li></ul>
  5. 5. SOIL SLIP <ul><li>COINVOLGONO LIMITATE PORZIONI DI COPERTURA SUPERFICIALE (40-100 cm) </li></ul><ul><li>DISSESTI FREQUENTI IN TERRENI DI ZONE ALPINE E PREALPINE DI VARIA NATURA </li></ul><ul><ul><li>colluviali, regolitici, glaciali, di riporto, ecc. </li></ul></ul><ul><ul><li>ampio fuso granulometrico </li></ul></ul><ul><ul><li>comportamenti molto differenti </li></ul></ul><ul><li>CAUSA SCATENANTE: brevi e intense precipitazioni  sovrapressioni interstiziali </li></ul><ul><li>FENOMENI PERICOLOSI </li></ul><ul><ul><li>rapidità del fenomeno </li></ul></ul><ul><ul><li>ampia diffusione </li></ul></ul><ul><ul><li>difficoltà di individuazione delle zone di distacco </li></ul></ul>
  6. 6. STABILITA' PARAMETRI GEOTECNICI PIOGGIA MORFOLOGIA PENDIO pendenza (  ) vegetazione spessore copertura (d) coesione (c) angolo attrito (  ) peso terreno (  t ) variazione umidità (  ) eventuale accumulo di acqua peso del terreno saturo (  s >  t )
  7. 7. CALCOLO DELLA STABILITÀ <ul><li>MODELLO DI PENDIO INFINITO  FATTORE DI SICUREZZA </li></ul>FS > 1 FS < 1 STABILITÀ INSTABILITÀ coesione terreno (c) coesione apparente (c  ) coesione apparente (c v ) peso terreno (  t ) peso acqua nel terreno (  s )
  8. 8. FATTORE DI SICUREZZA <ul><li>FATTORE DI SICUREZZA </li></ul><ul><li>si trascura la resistenza dell’apparato radicale  c v =0 </li></ul><ul><li>si considera la presenza di una certa quantità di acqua </li></ul>h altezza dell’acqua
  9. 9. MODELLO IDRAULICO STABILITA'
  10. 10. PERCHE’ IL MODELLO MATEMATICO? <ul><li>POSSIBILITÀ DI RAPPRESENTARE LA REALTÀ </li></ul><ul><li>POSSIBILITÀ DI SIMULARE SITUAZIONI DIVERSE FRA LORO </li></ul><ul><li>POSSIBILITÀ DI OTTENERE RISPOSTE IMMEDIATE </li></ul><ul><li>POSSIBILITÀ DI INTERVENIRE CON EVENTUALI OPERE DI PROTEZIONE </li></ul>
  11. 11. COME SI REALIZZA UN MODELLO <ul><li>RICOSTRUIRE LO SCHEMA GEOLOGICO - IDROGEOLOGICO DELL’AREA DA STUDIARE </li></ul><ul><li>SCRIVERE LE EQUAZIONI MATEMATICHE CHE DESCRIVONO IL FENOMENO FISICO </li></ul><ul><li>SCEGLIERE LA SCALA DEL MODELLO PER DISCRETIZZARE LE EQUAZIONI </li></ul><ul><li>IMPLEMENTARE UN CODICE DI CALCOLO PER RISOLVERE NUMERICAMENTE IL SISTEMA DI EQUAZIONI ALGEBRICHE </li></ul><ul><li>ANALISI DI SENSIBILITÀ </li></ul>
  12. 12. MODELLO MATEMATICO MODELLO STABILITÀ valuta innesco frana MODELLO INFILTRAZIONE MODELLO DEFLUSSO infiltrazione acqua flusso nel non saturo distribuzione umidità flusso nel saturo scorrimento acqua accumulo acqua
  13. 13. MODELLI IDRAULICI 1 2
  14. 14. <ul><li>conducibilità (k o ) </li></ul><ul><li>pendenza (  ) </li></ul><ul><li>rapporto tra la </li></ul><ul><li>pioggia e la k o </li></ul><ul><li>conducibilità (k v ) </li></ul><ul><li>umidità iniziale (  ) </li></ul><ul><li>porosità (n) </li></ul><ul><li>spessore copertura </li></ul>k v = k o 1 2
  15. 15. FLUSSO NEL NON SATURO <ul><li>SISTEMA TRIFASE </li></ul><ul><ul><li>fase solida  matrice solida </li></ul></ul><ul><ul><li>fase liquida  acqua </li></ul></ul><ul><ul><li>fase gassosa  aria </li></ul></ul><ul><li>CONTENUTO VOLUMETRICO DI UMIDITÀ </li></ul>V w volume d’acqua k sat conducibilità saturazione V v volume di vuoti k v conducibilità verticale n porosità
  16. 16. <ul><li>COME AVVIENE L’INFILTRAZIONE </li></ul><ul><ul><li>formazione di un fronte saturo che avanza ( a ) </li></ul></ul><ul><ul><li>infiltrazione dell’acqua senza la formazione del fronte ( b ) </li></ul></ul>a b t1 t2 t3 t4 t5
  17. 17. MODELLO IDRAULICO <ul><li>MODELLO DI INFILTRAZIONE </li></ul><ul><ul><li>EQ. DI FOKKER-PLANK </li></ul></ul><ul><li>MODELLO DI DEFLUSSO </li></ul><ul><ul><li>EQ. DI DUPUIT- FORCHEIMER </li></ul></ul><ul><li>discretizzazione di tali equazioni  TECNICA DELLE DIFFERENZE FINITE </li></ul><ul><ul><ul><li>METODO DEL BILANCIO </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>PRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DELLA MASSA </li></ul></ul></ul> x·[k s ·h·  h  x]=n  h  t-I·k·  h  x -R  w  ·  /  t -  /  z ·[k(  w  ·  w /  t    ?
  18. 18. <ul><li>sotto le ipotesi: </li></ul><ul><ul><li>temperatura, porosità e densità costanti </li></ul></ul><ul><ul><li>fluido incomprimibile </li></ul></ul><ul><ul><li>stazionarietà della fase gassosa </li></ul></ul><ul><ul><li>biunivocità delle </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>CURVE DI RITENZIONE (  w e  ) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>CURVE DI CONDUCIBILITÀ (  w e k) </li></ul></ul></ul><ul><li>EQUAZIONE DI FOKKER-PLANK (monodimensionale) </li></ul><ul><li> w  ·  /  t -  /  z ·[k(  w  ·  w /  t    </li></ul><ul><ul><li> w   w /  coefficiente di immagazzinamento </li></ul></ul><ul><ul><li> w contenuto volumetrico di umidità </li></ul></ul><ul><ul><li>k(  w  conducibilità (= k s quando  w =1) </li></ul></ul><ul><ul><li> (  w  suzione </li></ul></ul><ul><ul><li> w potenziale di Hubbert (  z +  ) </li></ul></ul>EQUAZIONE CHE DESCRIVE IL FLUSSO NEL NON SATURO
  19. 19. <ul><li>sotto le ipotesi </li></ul><ul><ul><li>mezzo omogeneo </li></ul></ul><ul><ul><li>mezzo isotropo </li></ul></ul><ul><ul><li>flusso monodimensionale </li></ul></ul><ul><li>EQUAZIONE DI DUPUIT-FORCHEIMER </li></ul><ul><li> x·[k s ·h·  h  x]=n  h  t-I·k·  h  x -R </li></ul><ul><ul><li>k s e’ la conducibilità di saturazione (m/s) </li></ul></ul><ul><ul><li>h=h(x,t) e’ l’altezza della falda (m) </li></ul></ul><ul><ul><li>n e’ la porosità </li></ul></ul><ul><ul><li>I=I(x) e’ la pendenza del substrato </li></ul></ul><ul><ul><li>R=R(x) e’ il termine di sorgente (m/s) </li></ul></ul>EQUAZIONE CHE DESCRIVE IL FLUSSO NEL SATURO
  20. 20. MODELLO DI INFILTRAZIONE <ul><li>TECNICA ALLE DIFFERENZE FINITE </li></ul><ul><li>si approssimano gli operatori differenziali </li></ul>i+1 i i-1 z x X' y (  F/  z) i+1/2  (F i+1 - F i )/  z (  F/  z) i-1/2  (F i-1 - F i )/  z  z
  21. 21. <ul><li>EQUAZIONE DI FOKKER-PLANK </li></ul><ul><li> w  ·  /  t -  /  z ·[k(  w  ·  w /  t    </li></ul><ul><li>discretizzazione per la cella i-esima </li></ul><ul><li>1/2·{[(k nc (  i+1 -  i ))+(k sc (  i-1 -  i ))] t+  t + [(k nc (  i+1 -  i ))+(k sc (  i-1 -  i ))] t }=-  (  t+  t +  t ) i /  t·(  z) 2 </li></ul><ul><li>k i conducibilità cella i-esima </li></ul><ul><li> i potenziale cella i-esima </li></ul><ul><li> coeff. immagazzinamento </li></ul><ul><li> z dimensione cella </li></ul><ul><li> t intervallo temporale </li></ul><ul><li>k nc e k sc conducibilità di internodo calcolate: </li></ul>
  22. 22. MODELLO DI DEFLUSSO <ul><li>EQUAZIONE DI DUPUIT-FORCHEIMER </li></ul><ul><li> x·[k s ·h·  h  x]=n  h  t-I·k·  h  x -R </li></ul><ul><li>discretizzazione per la cella i-esima </li></ul>T oc e T ec trasmissività di internodo k oc e k ec conducibilità di internodo T trasmissività
  23. 23. ANALISI DI SENSIBILITÀ 10 -6 <k s <10 -4 (m/s ) 30 <  <80 (% n) pioggia infiltrata STABILITÀ NON STABILITÀ 40 <  <80 (% n) k s >10 -6 (m/s )  < 30% n k s < 10 -6 (m/s )
  24. 24. Claro - EU-MAP-Project www.map.ethz.ch/ Precipitazioni (mm/h) Umidità (Vol%)
  25. 25. VALLE VERGELETTO <ul><li>località campione Valegin [1110 m.s.m] </li></ul><ul><li>alluvione del 7 agosto 1978  franamenti superficiali </li></ul>VALLE CAMANA VALEGIN VALLE ONSERNONE LOCARNO VALLE VERGELETTO
  26. 26. Valle Vergeletto - Soil Slip
  27. 27. Valle Vergeletto - Soil Slip
  28. 28. PROVE GEOTECNICHE <ul><li>PROFILO DEL PENDIO </li></ul><ul><li>PROVA PENETROMETRICA DINAMICA </li></ul><ul><li>PROVA DI INFILTRAZIONE </li></ul><ul><li>DETERMINAZIONE DEL PESO SPECIFICO APPARENTE </li></ul><ul><li>ANALISI GRANULOMETRICA COMPLETA </li></ul>
  29. 29. <ul><li>ubicazione delle prove eseguite e dei campioni prelevati </li></ul>PROFILO DEL PENDIO
  30. 30. PROVA PENETROMETRICA DINAMICA <ul><li>PER RICAVARE: </li></ul><ul><ul><li>lo spessore della copertura quaternaria </li></ul></ul><ul><ul><li>i parametri geotecnici </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>densità relativa (D r ) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>angolo di attrito interno (  ) </li></ul></ul></ul><ul><li>PENETROMETRO DINAMICO MEDIO LEGGERO “ TIPO EMILIA” </li></ul><ul><li>RISULTATI: </li></ul><ul><ul><li>presenza di uno strato superficiale, di spessore compreso tra i 30 e 40 cm con densità relativa compresa tra il 15 e il 35% (depositi di versante e colluvio) </li></ul></ul><ul><ul><li>presenza di uno strato più compatto con densità relativa compresa tra il 35 e il 65% (till di alloggiamento) </li></ul></ul><ul><ul><li>substrato roccioso (gneiss a biotite e feldspato) </li></ul></ul>
  31. 31. Risultati della prova penetrometrica dinamica
  32. 32. PROVA DI INFILTRAZIONE <ul><li>METODO DEL “DOUBLE RING INFILTRATION TEST” </li></ul><ul><ul><li>v inf velocità di infiltrazione </li></ul></ul><ul><ul><li>acqua inf acqua infiltrata </li></ul></ul><ul><ul><li>d diametro cilindro interno </li></ul></ul><ul><ul><li> t intervallo di tempo fra due misure </li></ul></ul>
  33. 33. <ul><li>dato che: </li></ul><ul><li>RISULTATO  conducibilità di saturazione pari a circa 8.0 * 10 -5 m/s </li></ul>
  34. 34. DETERMINAZIONE DEL PESO SPECIFICO APPARENTE <ul><li>VOLUMOMETRO </li></ul><ul><li>la misura si basa sulla norma svizzera SNV 70337 </li></ul><ul><li>SI RICAVA: </li></ul><ul><ul><li>PESO SPECIFICO APPARENTE DEL TERRENO IN CONDIZIONI DI UMIDITÀ’ NATURALI (  ) </li></ul></ul><ul><ul><li>PESO SPECIFICO APPARENTE DEL TERRENO SECCO(  d ) </li></ul></ul>
  35. 35. Volumometro
  36. 36. ANALISI GRANULOMETRICA COMPLETA <ul><li>ANALISI GRANULOMETRICA </li></ul><ul><ul><li>analisi per setacciatura (frazione > 1mm) </li></ul></ul><ul><ul><li>metodo del densimetro (frazione < 1mm) </li></ul></ul><ul><li>Norma svizzera SN 670 008a </li></ul><ul><li>CURVE GRANULOMETRICHE </li></ul><ul><li>CLASSIFICAZIONE USCS  GP-GM </li></ul>
  37. 37. Risultati prova granulometrica completa
  38. 38. RISULTATI DELLA PROVA SPERIMENTALE ANGOLO ATTRITO PENDENZA POROSITÀ PESO TERRENO SPESSORE COPERTURA CONDUCIBILITÀ 8·10 -5 m/s 45% 16.4 kN/m 2 38°-42° 0.4-0.6 m 36.5°
  39. 39. APPLICAZIONI AL MODELLO ? PARAMETRI DI INPUT DATI SPERIMENTALI DATI PLUVIOMETRICI Camedo (305 mm in 34 ore) PROVE 30 <  iniz < 50 (%n) 2*10 -5 < k sat < 2*10 -4 ( m/s) 0.4 < d < 0.6 (m) 38 <  < 42 (  ) % di pioggia infiltrata (30 - 100%)
  40. 40. RISULTATI <ul><li>PARAMETRI CHE INFLUENZANO FS </li></ul><ul><ul><li>angolo di attrito interno </li></ul></ul><ul><ul><li>quantità di pioggia infiltrata </li></ul></ul><ul><ul><li>umidità iniziale </li></ul></ul><ul><ul><li>spessore copertura </li></ul></ul><ul><li>NON SI HA L’INNESCO DELLA FRANA </li></ul>
  41. 41. <ul><li>LA PIOGGIA E’ INFERIORE ALLA CONDUCIBILITÀ ORIZZONTALE  L’ACQUA NON SI ACCUMULA </li></ul><ul><li>k=8·10 -5 m/s  pioggia 288 mm/h </li></ul><ul><li> CONCAVITA’ DEL TERRENO </li></ul>innesco
  42. 42.  CAMBIAMENTI DI PENDENZA accumulo
  43. 43.  CAMBIAMENTI DI PENDENZA accumulo
  44. 44. <ul><li> CAMBIAMENTI DI PENDENZA </li></ul><ul><ul><li>da 20  a 40  </li></ul></ul><ul><ul><li>l'altezza della falda è costretta ad aumentare per permettere all'acqua di continuare a defluire </li></ul></ul>
  45. 45. VALLE MOROBBIA <ul><li>per stabilire la quantità di acqua che ruscella e quella che si infiltra </li></ul>profilo Bellinzona Giubiasco Val Morobbia campo sperimentale
  46. 46. APPARATO SPERIMENTALE pendenza  45°
  47. 47. Valle Morobbia - campo sperimentale
  48. 48. canaletta simulatore di pioggia contatore acqua
  49. 49. PROVE E RISULTATI <ul><li>ESPERIMENTO 25, 29, 30 novembre </li></ul><ul><li>25/11 </li></ul><ul><ul><li>pioggia per 1 ora </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>608.3 l di acqua </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>superficie 12 m 2  55 mm/h </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>rilevazioni dopo 5, 15, 25, 60 minuti </li></ul></ul><ul><ul><li>aumento dell'umidità dal 6 al 10% </li></ul></ul><ul><ul><li>non si e’ raccolta acqua nella canaletta </li></ul></ul>
  50. 50. <ul><li>29-30/11 </li></ul><ul><ul><li>umidità più elevata (diminuzione dell’1-2%) </li></ul></ul><ul><ul><li>pioggia per 4 ore e 20 minuti </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>2200 l di acqua </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>aumento umidità del 5%  saturazione </li></ul></ul><ul><ul><li>non si e’ raccolta acqua nella canaletta </li></ul></ul><ul><li>si e’ bagnato per tutta la notte </li></ul>
  51. 51. <ul><li>PER LA BASSA TEMPERATURA </li></ul><ul><ul><li>5636.5 l di acqua </li></ul></ul><ul><ul><li>nel secchio 4 dl di acqua </li></ul></ul>Valle Morobbia - campo sperimentale
  52. 52. <ul><li>TUTTA L’ACQUA TENDE AD INFILTRARSI (k=1.5 ·10 -5 m/s) </li></ul><ul><li>SCORRE ORIZZONTALMENTE LUNGO LA BASE DELLA COPERTURA (70-90 cm) </li></ul><ul><li>VENUTA D’ACQUA ALL’ALTEZZA DELL’INTERFACCIA </li></ul>CONCLUSIONI ESPERIMENTO
  53. 53. CONCLUSIONI E SVILUPPI <ul><li>UTILIZZARE IL MODELLO PER CARTOGRAFARE LE ZONE DI PERICOLO </li></ul><ul><ul><li>parametri geologici simili per le coperture che si studiano  la stabilità dipende </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>morfologia del pendio </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>dalla pioggia </li></ul></ul></ul><ul><li>CARTOGRAFIA CHE DÀ LA RICORRENZA DELLA FRANA IN BASE AI TEMPI DI RITORNO DELLE PIOGGE </li></ul><ul><li>STABILIRE IL GRADO EFFETTIVO DI PERICOLO QUANDO SI HA IL SOIL SLIP </li></ul><ul><ul><li>massa mobilitata </li></ul></ul><ul><ul><li>successiva evoluzione del versante </li></ul></ul><ul><ul><li>calcolo dell’energia prodotta </li></ul></ul><ul><ul><li>pressione esercitata su un eventuale edificio </li></ul></ul>

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