Paolo Simonini: modellazione geotecnica per l'analisi del comportamento di argini fluviali

Paolo Simonini
Modellazione geotecnica per l’analisi del comportamento di
argini fluviali. Esperienza nella Regione del Veneto
Mai più!
…Verso un’idraulica responsabile
Confindustria Venezia
Area Metropolitana di Venezia e Rovigo
Sala Oro - Giovedì 10 novembre2016 - 14:30/18:30
ORDINE DEGLI INGEGNERI
DELLA PROVINCIA DI VENEZIA

1. Meccanismi di collasso arginale
2. Il modello geotecnico del sottosuolo in accordo con il DM
14.1.2008 – Norme Tecniche per le Costruzioni
3. Esempi nella Regione Veneto
4. Osservazioni conclusive
Articolazione della relazione
Paolo Simonini – 10 Novembre 2016

Meccanismi di collasso arginale
Sono legati ai regimi di filtrazione e alle pressioni dell’acqua nell’argine e nel
terreno di fondazione nelle diverse fasi dell’azione della forzante idraulica (crescita
della piena, stazionarietà al massimo livello, esaurimento).
- Erosione esterna spondale lato fiume dovuta alla corrente in alveo, al moto
ondoso o per sormonto;
- Erosione interna con formazione di condotti nel terreno del rilevato o nel
terreno di fondazione;
- Instabilità lato campagna per liquefazione statica e sifonamento indotta
dal regime di filtrazione nel terreno di fondazione.
- Instabilità del paramento arginale interno ed esterno indotta dal regime di
filtrazione;
- Instabilità del terreno di fondazione e dell’argine per sottopressione
idraulica al piede lato campagna.

Principali meccanismi di collasso arginale
EROSIONE ESTERNA

EROSIONE INTERNA
(Hanson et. al, 2010)

EROSIONE INTERNA E SIFONAMENTO

INSTABILITA’ DELLE SCARPATE LATO FIUME E CAMPAGNA
EFFETTO DELLE TANE DI ANIMALI

NTC 2008 – Veritifiche di sicurezza
DM 14.1.2008 Norme Tecniche per le Costruzioni
Cap. 6 Progettazione geotecnica
6.8 OPERE DIMATERIALI SCIOLTI E FRONTI DI SCAVO
Le presenti norme si applicano ai manufatti di materiali sciolti, quali rilevati, argini di
difesa per fiumi, canali e litorali, rinfianchi, rinterri, terrapieni e colmate. Le norme si
applicano, inoltre, alle opere e alle parti di opere di materiali sciolti con specifiche
funzioni di drenaggio, filtro, transizione, fondazione, tenuta, protezione ed altre. Gli
sbarramenti di ritenuta idraulica di materiali sciolti sono oggetto di normativa
specifica
6.8.1 Criteri generali di progetto
6.8.2 Verifiche di sicurezza (SLU)
6.8.3 Verifiche in condizioni di esercizio (SLE)
6.8.4 Aspetti costruttivi
6.8.5 Controlli e Monitoraggio

NORMATIVA NTC 2008 – Modello geotecnico
DM 14.1.2008 Norme Tecniche per le Costruzioni
Cap. 6 Progettazione geotecnica
6.2.2 INDAGINI, CARATTERIZZAZIONE E MODELLAZIONE
GEOTECNICA
Le indagini geotecniche devono essere programmate in funzione del tipo di opera
e/o di intervento e devono riguardare il volume significativo di cui al § 3.2.2, e
devono permettere la definizione dei modelli geotecnici di sottosuolo necessari alla
progettazione.
…..
Per modello geotecnico si intende uno schema rappresentativo delle
condizioni stratigrafiche, del regime delle pressioni interstiziali e della
caratterizzazione fisico-meccanica dei terreni e delle rocce comprese nel
volume significativo, finalizzato all’analisi quantitativa di uno specifico
problema geotecnico.
È responsabilità del progettista la definizione del piano delle indagini, la
caratterizzazione e la modellazione geotecnica.

Modello geotecnico del terreno
• Caratterizzazione a grande scala con raccolta delle
informazioni di carattere storico e geomorfologico.
• Caratterizzazione a media scala con sopralluoghi e
indagini geofisiche di superficie finalizzate alla zonizzazione
in tratti aginali omogenei e all’individuazione di situazioni
locali critiche.
• Caratterizzazione di dettaglio a piccola scala, con prove
geotecniche in sito e in laboratorio, integrate con misure
geofisiche di dettaglio, nelle sezioni individuate come
rappresentative di un tratto omogeneo o come punti critici.

Modello geotecnico del terreno
Indagini geofisicheSondaggi con
campionamento
Metodi analitici Metodi numerici
Prove in posto
Modello geotecnico
Valutazione dei parametri
caratteristici del terreno
D50, U, g, f’ , c’, k, Vs......
Verifiche della sicurezza e
delle prestazioni
Prove di
laboratorio
Monitoraggio
-150 -140 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
-16
-12
-8
-4
0
4
8
-150 -140 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 1
-16
-12
-8
-4
0
4
8
[m]
[m]
1
2
1
Argine sinistro
Argine destro
  2.1ln10.168.0tan2.1/, LccHH
w
p
SC  
g
g


San Michele al Tagliamento (VE)
Obiettivi dell’indagine:
• Determinare il modello geotecnico del terreno per la
valutazione del grado di sicurezza dell’argine in due tratti
• Valutare l’efficacia dei metodi geofisici di superficie per la
caratterizzazione arginale
Fiume Tagliamento

Aree di indagine

Prove geotecniche in sitoIndagini geotecniche in sito

 profili tomografici ERT longitudinali
 profili tomografici ERT trasversali
 FDEM (Frequency Domain Electro Magnetic)
 GPR (Ground Penetrating Radar)
Prove geofisiche
San GiorgioSan Mauretto
Indagini geofisiche

LEGEND
COARSE GRAVEL
COARSE SAND
SILT AND CLAY
MEDIUM GRAVEL
MEDIUM SAND
FINE GRAVEL
FINE SAND
GHIAIA MEDIA
GHIAIA MEDIA
GHIAIA FINE
SABBIA GROSSA
SABBIA FINE
SABBIA MEDIA
FINE (<200 ASTM)
MODELLO STRATIGRAFICO
Sabbia limosa
Limo da sabbioso a
debolmente sabbioso
Argilla limosa
Limo sabbioso
Ghiaia con sabbia
debolmente limosa
ANALISI GRANULOMETRICA
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
6831
253 72
69
69
74
74
52
94
95
94
95
81
47
50
63
40
56
18
20
17
27
26
23
24
40
4
5
3
8
6
5
6
5
17
21
18
12
45
15 25
32
4
16
50
38
10
15
9
7
8
32
32
25
6 19 6
9 7 3
7 9 5
100% 0%
B-1 B-2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
depth(m)
depth(m)
17 45 35
42 55
19 78
15
19
14
85
80
85
7 93
26 73
13 87
25 75
80
94
68
56
20
6
32
44
30 15 5 35 6
5 35 18 7 25
8 49 18
9
5
5
9
10
15
5
3134
8
3
5
37
42
31
24
19
21
4
5
8
8
4
5
10
17
15
3
3
100% 0%
Sondaggio S1: composizione granulometrica

LEGEND
COARSE GRAVEL
COARSE SAND
SILT AND CLAY
MEDIUM GRAVEL
MEDIUM SAND
FINE GRAVEL
FINE SAND
GHIAIA MEDIA
GHIAIA MEDIA
GHIAIA FINE
SABBIA GROSSA
SABBIA FINE
SABBIA MEDIA
FINE (<200 ASTM)
Sondaggio S1: conducibilità idraulica
GRANULOMETRIA
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
6831
253 72
69
69
74
74
52
94
95
94
95
81
47
50
63
40
56
18
20
17
27
26
23
24
40
4
5
3
8
6
5
6
5
17
21
18
12
45
15 25
32
4
16
50
38
10
15
9
7
8
32
32
25
6 19 6
9 7 3
7 9 5
100% 0%
B-1 B-2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
depth(m)
depth(m)
17 45 35
42 55
19 78
15
19
14
85
80
85
7 93
26 73
13 87
25 75
80
94
68
56
20
6
32
44
30 15 5 35 6
5 35 18 7 25
8 49 18
9
5
5
9
10
15
5
3134
8
3
5
37
42
31
24
19
21
4
5
8
8
4
5
10
17
15
3
3
100% 0%
12 % argilla
Sondaggio S1: conducibilità idraulica

20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
depth(m)
0 2 4 6 8 10 12 14 16
qt (MPa)
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
fs (MPa)
0 0.2 0.4 0.6
u2 (MPa)
0 1 2 3 4 5 6 7
Rf (%)
100 200 300 400 500
Vs (m/s)
a) SCPTU-1
hydrostatic
profile
Prova con piezocono sismico SCPTU1
SCPT
Prova con piezocono sismico SCPT

Indice di comportamento del materiale
Robertson (2009)
LEGEND
1 GRAVELLY SAND / DENSE SAND
2 SAND
3 SAND MIXTURE
4 SILT MIXTURE
5 CLAY MIXTURE
6 ORGANIC SOIL
𝐈 𝐜 = 𝟑. 𝟒𝟕 − 𝐥𝐨𝐠𝐐𝐭𝐧
𝟐 + 𝐥𝐨𝐠𝐅𝐫 + 𝟏. 𝟐𝟐 𝟐
Fr =
fs
qt − σ′v0
100%
Qtn =
qt−σv0
pa
∙
pa
σ′v0
n
n = 0.38Ic + 0.05
σ′v0
pa
− 0.15
Indice di comportamento del terreno

Indice di comportamento del materiale
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
B-1
depth(m)
17 45 35
42 55
19 78
15
19
14
85
80
85
7 93
26 73
13 87
25 75
80
94
68
56
20
6
32
44
30 15 5 35 6
5 35 18 7 25
8 49 18
9
5
5
9
10
15
5
3134
8
3
5
37
42
31
24
19
21
4
5
8
8
4
5
10
17
15
3
3
100% 0%
12 % argilla
S1
Indice di comportamento del materialeIndice di comportamento del terreno

Indice di comportamento del materialeIndice di comportamento del materialeIndice di comportamento del terreno

150 Ω m: passaggio da
limo sabbioso a deb. sabbioso
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
6831
253 72
69
69
74
74
52
94
95
94
95
81
47
50
63
40
56
18
20
17
27
26
23
24
40
4
5
3
8
6
5
6
5
17
21
18
12
45
15 25
32
4
16
50
38
10
15
9
7
8
32
32
25
6 19 6
9 7 3
7 9 5
100% 0%
B-1 B-2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
depth(m)
depth(m)
17 45 35
42 55
19 78
15
19
14
85
80
85
7 93
26 73
13 87
25 75
80
94
68
56
20
6
32
44
30 15 5 35 6
5 35 18 7 25
8 49 18
9
5
5
9
10
15
5
3134
8
3
5
37
42
31
24
19
21
4
5
8
8
4
5
10
17
15
3
3
100% 0%
LEGEND
COARSE GRAVEL
COARSE SAND
SILT AND CLAY
MEDIUM GRAVEL
MEDIUM SAND
FINE GRAVEL
FINE SAND
passaggio da
limo sabbioso
a deb. sabbioso
Tomografie elettrica: profili longitudinali
12 % argilla
San Mauretto San Giorgio
Indice di comportamento del materialeTomografia elettrica: profili longitudinali

Tomografia elettrica: profili trasversali
CPTU2
Tomografie elettrica: profili longitudinaliIndice di comportamento del materialeTomografia elettrica: profili trasversali

Ground Penetrating Radar (San Giorgio)
GPR 3, f = 50 MHz
Condotta sotterranea
EM 3
Frequenze utilizzate:
50, 200 and 600 MHz.
50 MHz:
• resoluzione inferiore
• penetrazione maggiore
(< 3 m)
Metodi elettromagneticiTomografie elettrica: profili longitudinaliIndice di comportamento del materialeRadar GPR: San Giorgio

Ground Penetrating Radar (San Giorgio)
GPR 3, f = 50 MHz
Metodi elettromagneticiTomografie elettrica: profili longitudinaliIndice di comportamento del materialeModello geotecnico del terreno per l’analisi della
filtrazione

Megliadino San Fidenzio (PD)
Obiettivo dell’indagine:
Individuare percorsi di filtrazione preferenziali
Metodi elettromagneticiTomografie elettrica: profili longitudinaliIndice di comportamento del materialeFiume Frassine

Metodi elettromagneticiTomografie elettrica: profili longitudinaliIndice di comportamento del materialeLa rotta dei Santi: 1.11.2010

Metodi elettromagneticiTomografie elettrica: profili longitudinaliIndice di comportamento del materialeIl ripristino della rotta

piezometri profondi
Metodi elettromagneticiTomografie elettrica: profili longitudinaliIndice di comportamento del materialeGli interventi di consolidamento arginale

Perdite diffuse e fontanazzi
Perdita concentrata
Processi erosivi in atto nel Novembre 2012

n. 2 carotaggi continui (S1 e S2) fino a -33.50 m dalla cresta arginale,
attrezzati con piezometro, fessurato tra -15.00 e -18.00 m dal piano campagna
n. 3 piezometri (P3, P4 e P5) installati con perforazione a distruzione di nucleo
attraverso il corpo arginale
Metodi elettromagneticiTomografie elettrica: profili longitudinaliIndice di comportamento del materialeIndagini geotecniche Dicembre 2012

Metodi elettromagneticiTomografie elettrica: profili longitudinaliIndice di comportamento del materialeQuadro di unione e modello geotecnico

-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
12 24 36 48 60 72 84
Livellopiezometrico(m)
Tempo (ore)
idrometro
P2b
P2c
P1b
P1c
Misure piezometriche (Novembre 2012)
piano campagna

• Prove Lefranc ogni metro di sondaggio
• A2, A3 attrezzati a piezometro tra -13.00 e -16.00 m
Metodi elettromagneticiTomografie elettrica: profili longitudinaliIndice di comportamento del materialeIndagini geotecniche Ottobre 2013
Opera di sistemazione: dreno al piede

-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
0 12 24 36 48 60
Tempo (ore)
Livello
fiume
Lato fiume
Lato
campagna
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
12 24 36 48 60 72 84
Tempo (ore)
S1 -> 13.20-23.20 m: «Sabbia da media a
grossolana, debolmente limosa verso il basso»
S2 -> 14.00-26.00 m: «Sabbia da medio a
grossolana, pulita, ben gradata, molto addensata»
Misure piezometriche: modellazione numerica

Affinamento del modello geotecnico con una
dettagliata di laboratorio

-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
0 12 24 36 48 60
Tempo (ore)
Livello
fiume
Lato
fiume
Lato
camp
agna
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
0 12 24 36 48 60
Tempo (ore)
S1 (valle)S2 (monte)
k1
k2 < k1
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
12 24 36 48 60 72 84
Tempo (ore)
Misure piezometriche - modellazione numerica

T1
T1’
T2’
T2
Indagini geofisiche Università di Padova
(Ottobre 2014- Aprile 2015)

Tomografie elettrica: profili longitudinaliIndice di comportamento del materialeTomografia elettrica ERT: profili longitudinali

T1
T2
MONTEVALLE T1 T2
Tomografie elettrica: profili longitudinaliIndice di comportamento del materialeTomografia elettrica: profili trasversali

-4.0
-3.5
-3.0
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
Profondità
dallacrestaarginale(m)
Contenuto idrico (-)
T1
T2
Tratto indagato
Tomografie elettrica: profili longitudinaliIndice di comportamento del materialeMisure con radar (GPRS) in trans-illuminazione

Considerazioni conclusive
• I meccanismi di instabilità degli argini fluviali - erosione esterna ed interna,
sifonamento, collasso spondale e del complesso argine-terreno - sono molteplici
e spesso tra loro fortemente interconnessi.
• Le metodologie d’indagine, in particolare di quelle geofisiche, necessarie per
formulazione del modello geotecnico del terreno, in accordo con quanto
richiesto dalle NTC 2008, hanno compiuto enormi progressi e consentono di
investigare lunghi tratti arginali. E’ però necessario personale altamente
qualificato con protocolli di interpretazione dei dati geofisici ed è necessaria l’
integrazione con prove geotecniche.
• Sulla base di accurati modelli geotecnici del terreno le analisi di calcolo
beneficiano oggi di utili approcci numerici, che necessitano di misure in sito,
per una loro completa validazione. Peraltro, alcuni tipi di instabilità arginale
sono ancora oggi, per la loro complessità, oggetto di studio e ricerca.

Considerazioni conclusive
• Le innovazioni nelle tecniche di monitoraggio, anche con la diffusione dei
metodi indiretti e della sensoristica a basso costo, consentiranno di disporre di
sistemi diffusi lungo interi tratti arginali (smart levees).
• Tali sistemi, misurando in continuo grandezze significative, potranno
funzionare, accanto alla sorveglianza umana, come sistemi di allertamento della
popolazione, nei casi in cui sia difficile intravedere visivamente e per tempo i
segni precursori di un imminente collasso.
GRAZIE PER L’ATTENZIONE
Particolari ringraziamenti a: Ing. Silvia Bersan, Ing. Salvatore Patti, Prof. Giorgio
Cassiani, Dott. Jacopo Boaga, Dott. Alberto Dacome, Ing. Mascia Gaino

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Editor's Notes