RICERCA ITALIANA     

VALUTAZIONE DEL RISCHIO DA FRANA: MODELLAZIONE FISICA E NUMERICA E CONTROLLO DI FLUSSI A CINEMATICA VELOCE IN AMBIENTI ALPINI ED APPENNINICI

Università degli Studi di Padova

Abstract

Lo scopo principale del progetto è costituito dalla valutazione sperimentale della pericolosità dei fenomeni di colata detritica rapida attraverso l'analisi degli eventi che avvengono in differenti aree delle Alpi e dell'Appennino, l'identificazione dei fattori di innesco sfavorevoli esistenti e la raccolta di informazioni e dati sui meccanismi di inizio e di mobilizzazione, di propagazione e di deposizione delle colate detritiche rapide. La valutazione e la gestione del rischio da frane di questo tipo richiedono, quindi, la conoscenza dei seguenti aspetti: (a) la probabilità di accadimento; (b) le caratteristiche del flusso e del percorso della colata; (c) la pericolosità del fenomeno; (d) le strategie di gestione e decisionali. Per la valutazione del rischio da frana deve essere dterminata la probabilità di accadimento spaziale e temporale dell'evento , oltre alla distribuzione degli elementi a rischio sempre nello spazio e nel tempo.
Al fine di raggiungere questi obiettivi è stato considerato importante: migliorare le conoscenze dei fattori predisponesti; valutare i possibili scenari di colate detritiche con riferimento ai meccanismi di innesco, mobilizzazione, propagazione ed arresto caratteristici di ambienti, di proprietà a di caratteristiche di flusso differenti; migliorare i modelli di simulazione esistenti e confrontare i risultati della loro applicazione in differenti aree; fornire nuovi strumenti per la modellazione dinamica della pericolosità e trasferire le maggiori conoscenze ottenute attraverso seminari aperti al pubblico. Sono state, pertanto, previste le seguenti attività.
Per ogni bacino scelto in tre differenti aree delle Alpi e dell'Appennino verranno condotti rilievi geologici, geomorfologici, morfologici, idrologici, idrogeologici e geotecnici di dettaglio: i risultati così ottenuti porteranno all'identificazione dei fattori predisponesti all'innesco di colate detritiche rapide.
Un notevole incremento delle conoscenze sui processi di colata detritica è fornito dalla raccolta di dati in tempo reale attraverso stazioni di monitoraggio installate in campagna. Verrà, pertanto, effettuata una sistematica raccolta di tutti i dati di campagna e di quelli ottenuti con le stazioni di monitoraggio installate; essi verranno inseriti in un database organico così che possano essere effettuate considerazioni statistiche sulla storia e le caratteristiche degli eventi e sulla caratteristiche complessive del bacino, comprese quelle pluviometriche.
Studi e ricerche teorici e sperimentali verranno condotti sulla dinamica delle colate detritiche con l'utilizzazione di modelli fisici e numerici. E' prevista un'estesa applicazione delle simulazioni numeriche per la valutazione della pericolosità nelle differenti aree studiate. Sulla base anche dei risultati così ottenuti, verranno realizzate carte della pericolosità all'interno di un GIS per una migliore conoscenza dei fattori spaziali e temporali che controllano l'innesco e la propagazione degli eventi di colata.
Infine, verranno stilate procedure di allarme e di gestione delle situazioni di emergenza e le conoscenze raggiunte verranno trasferite ai tecnici pubblici e privati. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Rinaldo GENEVOIS Università degli Studi di PADOVA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Le colate detritiche rapide sono forse i più distruttivi tra tutti i tipi di fenomeni franosi e quelli che avvengono naturalmente sono anche tra i più difficili da prevenire. Esse sono eventi di trasporto di masse di acqua e detriti che avvengono frequentemente negli ambienti alpini ed appenninici, innescati da fattori naturali, prevalentemente piogge intense, ma anche dalle stesse attività umane. Nonostante il miglioramento nel riconoscimento della pericolosità, nella capacità di previsione, nelle misure di mitigazione e nei sistemi di allarme, la frequenza delle frane è ovunque in continuo aumento e si ritiene che questa tendenza continuerà per tutto il 21° secolo. Per affrontare i problemi posti da fenomeni di questo tipo, è necessario quindi da un latosviluppare una migliore conoscenza della loro pericolosità e, dall'altro, rendere razionali le decisioni relative all'allocazione dei fondi per la gestione delle situazioni di rischio.
E', comunque, ampiamente riconosciuto che il problema delle instabilità di qualunque genere, ma in particolar modo le colate detritiche rapide, è dominato da uno stato di incertezza che è presente in tutti gli stadi del processo cognitivo, dalla caratterizzazione del sito alla valutazione delle proprietà dei materiali sino all'analisi ed alla valutazione delle conseguenze, talmente che negli ultimi anni l'analisi e la valutazione delle condizioni di rischio sono diventate un mezzo essenziale nel definire l'incertezza inerente alla pericolosità da frana.
Nella valutazione della probabilità di accadimento in un determinato periodo di tempo ed all'interno di una certa area, l'individuazione delle condizioni e dei processi che innescano i movimenti è di primaria importanza. I fattori che determinano questa probabilità possono essere raggruppati i due categorie fondamentali:
(2) le variabili preparatorie (caratteri ed assetto geologici, pendenza ed esposizione, quota, caratteristiche geotecniche, copertura vegetale e processi a lungo termine relativi all'alterazione e allo sviluppo del reticolo di drenaggio) che rendono il versante solamente suscettibile di essere interessato da fenomeni di rottura, tendendo così a porre il versante stesso in una condizione di stabilità marginale.
(3) Le variabili di innesco (particolarmente ma non esclusivamente le piogge intense ed i terremoti) che spostano il versante da una condizione marginalmente stabile ad una instabile. Queste variabili possono essere in genere difficilmente stimate poiché possono cambiare notevolmente anche nel breve periodo, tanto da non essere prese in considerazione: in questo caso il termine "suscettibilità" è usato per definire la probabilità di accadimento dell'evento franoso.
Trattandosi di fenomeni generalmente a relativamente bassa frequenza, le colate detritiche rapide non sono mai state analizzate in una prospettiva multidisciplinare e, soprattutto, in differenti condizioni ambientali allo stesso tempo. Il progetto vuole affrontare l'insieme di queste problematiche e gli obiettivi principali sono:
1. migliorare le conoscenze dei fattori predisponesti;
2. definire i possibili scenari in cui si possono sviluppare fenomeni di colata detritica rapida, con riferimento ai meccanismi di innesco, mobilizzazione e propagazione collegati a caratteristiche ambientali, proprietà dei materiali e reologia del flusso significativamente differenti;
3. migliorare le caratteristiche degli attuali modelli di simulazione numerica e confrontare i risultati della loro applicazione in aree differenti;
4. predisporre nuovi strumenti per la modellazione dinamica della pericolosità in base alla variabilità spaziale e temporale dei processi geomorfologici ed ai risultati della modellazione fisica e numerica;
5. trasferire le conoscenze tramite seminari aperti agli interessati.
Tali obiettivi verranno conseguiti principalmente tramite le seguenti attività:
1. la raccolta sistematica di dati e di misure direttamente effettuate in sito;
2. studi teorici e sperimentali sulla dinamica delle colate detritiche;
3. un'estesa applicazione delle simulazioni numeriche per la valutazione della pericolosità in aree con caratteristiche differenti;
4. realizzazione di carte tematiche e di modelli integrati in un sistema GIS, basati su studi e ricerche sui fattori spaziali e temporali che controllano l'innesco e la propagazione delle colate detritiche;
5. lo sviluppo di procedure di allarme e di gestione delle condizioni di rischio.
Il Progetto potrà produrre significativi miglioramenti nella conoscenza delle colate detritiche, particolarmente per quanto riguarda:
a) Le indagini in campagna: i) dati raccolti sistematicamente e sistemati in un unico database; ii) monitoraggio delle colate detritiche e raccolta dei parametri significativi; iii) analisi dell'influenza delle modificazioni indotte dall'uomo; iv) caratteristiche fisiche, temporali e spaziali degli eventi di colata.
b) Modellazione fisica e numerica: i) esperimenti e studi per una migliore conoscenza teorica dei processi naturali; ii) modelli numerici utilizzati per l'analisi delle osservazioni di campagna; iii) incremento dei legami tra dati sperimentali e risultati della modellazione.
c) Valutazione della pericolosità: i) strutturazione di possibili scenari di innesco e mobilizzazione di eventi naturali; ii) miglioramento nelle metodologie di valutazione della pericolosità tramite l'uso di tecniche GIS , combinando tutti i dati ambientali con i modelli di simulazione dei processi naturali al fine della realizzazione di un modello dinamico; iii) disponibilità dei dati per scopi pratici e riduzione della distanza tra ricerca teorica ed applicazioni pratiche; iv) sviluppo di sistemi di allarme basati sul contenuto del database e sui risultati del progetto. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Le colate s.l. sono tra le più distruttive fra tutte le tipologie di frana e, tra quelle che avvengono in condizioni naturali, le più difficili da prevenire. Molti fenomeni franosi, che vengono descritti come scivolamenti di detrito, colate di fango e valanghe di detrito, possono essere tutti considerati come colate detritiche (debris flow) (Varnes,1978;Johnson,1984;Pierson & Costa,1987), esse sono state riconosciute e studiate in ambienti geologici e geomorfologici estremamente diversi (Takahashi,1981;Costa & Wieczorek,1987;Hutchinson,1988;Cruden & Varnes,1996; Coussot,1997; Malet et alii, 2005).
La sistematica relativa a questo tipo di fenomeni è stata recentemente arricchita da Hungr et alii (2001) i quali considerano "debris flows" i flussi da rapidi ad estremamente rapidi di materiale detritico non-plastico saturo che si muove lungo un canale ad elevata pendenza, mentre riservano il termine "mud flow" ai materiali nei quali la matrice presenta un indice plastico maggiore del 5%. Naturalmente, in natura sono comuni alcune sovrapposizioni tra le varie tipologie, ma l'adozione della classificazione di Hungr può aiutare nell'identificazione dei meccanismi dominanti responsabili sia nell'innesco che nella propagazione delle colate detritiche.
I flussi a cinematica veloce, ed in particolare i debris-flow, si originano nelle parti alte dei versanti a seguito di eventi piovosi intensi e prolungati, muovendosi con velocità da elevate ad estremamente elevate e ponendo a rischio elevato settori del territorio anche molto distanti dalle aree sorgenti. Essi si inquadrano tra i processi franosi più frequenti nelle aree montane, quali quelle alpine ed appenniniche, e ne costituiscono una tra le più pericolose tipologie. Lo studio dei caratteri geomorfologici, geologici, idrologici e geotecnici risulta, quindi, di fondamentale importanza per la definizione e l'identificazione di quelli che sono i fattori predisponenti e i loro meccanismi d'innesco, soprattutto laddove eventi franosi storici ed evidenze morfologiche indicano la possibilità che nuovi eventi si possano verificare in futuro. Tali fattori rappresentano, però, solo una parte degli aspetti che riguardano lo sviluppo di queste tipologie franose; altre condizioni fondamentali sono quelle connesse ai meccanismi di mobilitazione, propagazione e deposito del materiale.
La maggior parte delle colate di detriti che si osservano in natura può essere schematizzata, per una parte sostanziale del loro comportamento, come il flusso di una mistura solido-liquida composta da grani non coesivi di dimensione uniforme, circondati da un fluido newtoniano (Takahashi 1981). Nonostante la semplicità dei costituenti, anche questi flussi ideali sono caratterizzati da una fenomenologia complessa, in grado di stimolare approcci di tipo teorico e sperimentale.
La comprensione profonda delle proprietà reologiche dei materiali granulari, sia in presenza sia in assenza di fluido interstiziale, è stata un compito notevole per scienziati e ricercatori durante l'ultimo secolo. L'approccio al problema è stato originato dagli studi teorici e sperimentali di R. A. Bagnold (1954) su misture granulari ideali, successivamente adattati alle colate di detriti reali dalla scuola giapponese di Takahashi (1981). Un nuovo approccio, basato sull'estensione delle teorie cinetiche ai flussi granulari, è stato poi introdotto da Savage (1984), seguito dalle simulazioni numeriche di Campbell (1990), dalle analisi sperimentali di dispersioni secche di dischi bidimensionali, dallo studio di flussi liquido-granulari in regime collisionale eseguiti da Jenkins & Hanes (1998) e dalle ricerche sui flussi lenti e frizionali condotte da Savage (1998). Si potrebbero citare molti altri contributi, ma in generale ciò che emerge dalla revisione della letteratura del settore è la difficoltà di ottenere misure sperimentali dettagliate in condizioni di flusso ben controllate.
La comprensione, a livello scientifico, delle differenze insite nei diversi tipi di flusso e dei loro meccanismi di innesco e propagazione, rappresenta un prerequisito conoscitivo indispensabile per affrontare e/o migliorare la valutazione della pericolosità ad essi associati, la definizione di soglie di allarme e la capacità di gestire le situazioni in fase di emergenza. Infatti, i processi che regolano l'innesco e le caratteristiche idrologiche del terreno in risposta agli eventi di pioggia, rivestono un ruolo fondamentale nelle caratteristiche in termini di frequenza, ubicazione e tempo di attivazione dei debris flow (Hutchinson, 1995).
I meccanismi di mobilizzazione dei debris avalanches e dei debris flow possono essere generalmente connessi a due differenti eventi (Lambe and Whitman, 1969; Sassa, 1984; Fleming et al., 1989; Takahashi, 1991; Iverson et al., 1997): i) alla trasformazione delle masse solide in materiale fluido dopo una frana superficiale, eventualmente associata a fenomeni liquefattivi indotti dal sovraccarico dei depositi di pendio e di alveo; ii) al progressivo inglobamento di materiale solido da parte dell'acqua di scorrimento superficiale o, inversamente, di acqua dalla massa solida in movimento. Nelle aree alpine ed appenniniche, anche se caratterizzati da differenti assetti geologici e morfologici, entrambi i meccanismi sono frequenti nel tempo e nello spazio. Affinché possa innescarsi un debris flow è chiaramente necessaria una critica combinazione di fattori predisponesti, quali quelli idrologici e idrogeologici, e di particolari assetti geomorfologici e specifiche caratteristiche dei materiali (Johnson and Rodine, 1984; Johnson and Sitar, 1990; Iverson et al., 1997; Iverson, 2005). Caratteri geometrici, quali l'angolo del pendio e lo spessore dei depositi, o i parametri geotecnici del materiale, quali permeabilità e resistenza al taglio dei suoli, giocano un ruolo fondamentale nell'influenzare i meccanismi di rottura e di propagazione delle masse lungo i pendii.
I debris flows indotti da frane superficiali avvengono generalmente nei settori più elevati dei pendii sovente attraverso scorrimenti superficiali dei depositi di copertura. In questo tipo di fenomenologia, dopo l'iniziale mobilizzazione, la massa del materiale in frana può incrementarsi attraverso il coinvolgimento delle coperture di pendio sottostante o dei depositi d'alveo, con meccanismi sia erosivi sia di carico non drenato (cf. Johnson, 1984; Sassa, 1984). Questa fase dello sviluppo è quella che consente al materiale di accrescere considerevolmente il proprio volume che può trasformarsi in un flusso estremamente rapido attraverso l'inglobamento del materiale d'alveo e dell' acqua superficiale. Questo meccanismo di frana può essere comparato a quello descritto da Hungr et al. (2001) come debris avalanche, che coinvolge pendii aperti e quindi risulta tipicamente non confinato in fossi o canali, almeno nel suo stadio iniziale.
Le scoperte teoriche e sperimentali di Bagnold (1954) su una dispersione di sfere solide di grandi dimensioni, immerse in un fluido newtoniano sottoposto a deformazione tangenziale e non soggette all'effetto della forza di gravità, rappresentano probabilmente la ricerca più ampiamente citata nel corso dell'ultimo cinquantennio dai ricercatori coinvolti nello studio delle colate di detriti, delle valanghe di neve e, in generale, del flusso di materiali granulari.
Strumenti più recenti sono stati derivati da teorie cinetiche (Chapman & Cowling 1970) per la descrizione del moto dei miscugli granulari. Infatti, un materiale granulare soggetto a deformazione può determinare differenti tipi di interazione tra le particelle e, perciò, generare sforzi attraverso differenti meccanismi. Singoli grani possono interagire con gli altri formando aggregati rigidi, generando delle reti di forze di contatto attraverso contatti prolungati di rotolamento o scorrimento, oppure attraverso collisioni quasi istantanee, durante le quali viene scambiata quantità di moto e viene dissipata energia a causa dell'anelasticità degli urti e dell'attrito. L'importanza relativa di questi meccanismi può essere impiegata come caratteristica per distinguere i vari regimi di flusso (Savage 1984).
L'evidenza delle teorie citate è basata essenzialmente sui risultati di simulazioni numeriche. Pertanto, importanti miglioramenti sullo stato di conoscenza delle proprietà reologiche dei materiali e sulla modellazione fisica dei flussi sono stati ottenuti mediante verifiche sperimentali (Larcher 2002), che hanno consentito di sottolineare l'importanza dei flussi che avvengono su un deposito costituito dallo stesso materiale in movimento, con velocità e gradienti di velocità che decrescono con continuità fino a zero avvicinandosi al fondo.
Il processo di attivazione può essere, quindi, descritto da modelli matematici basati sull'equilibrio delle forze agenti sulle singole particelle. Armanini & Gregoretti (2000) e Tognacca et alii (2000) hanno proposto un criterio di soglia per l'innesco dei debris flow nel quale le caratteristiche critiche del flusso sono messe in relazione al di moto di una certa distribuzione granulometrica del materiale stesso. In genere, i modelli esistenti in letteratura sono sviluppati partendo da assunzioni semplificatorie e contengono un "limitato" numero di parametri calibrati; tuttavia, raramente essi sono testati e convalidati per confronto con parametri e dati provenienti da casi reali.
Proprio in tale ambito, i dati provenienti da misure eseguite in sito risultano estremamente importanti sia per quanto attiene gli aspetti teorici del problema (determinazione del comportamento reologico, calibrazione dei modelli numerici), sia per quelli più strettamente "pratici" (predisposizione delle misure di contenimento o prevenzione, definizione di sistemi di allarme ecc..). Le principali grandezze che possono essere misurate o calcolate sono: proprietà fisiche e meccaniche; altezza del flusso; velocità del flusso e portata; piogge d'innesco; vibrazioni ; immagini o filmati del flusso e, runout (Okuda, 1985; Suwa,1989; Chien et al., 2005; Marcial et al., 1996; LaHusen, 1996; Arattano et al., 1997; Genevois et al. 2000a, b; Berti et al., 2000). La capacità previsionale di tali fenomeni è elevatissima qualora si adottino sistemi di monitoraggio in sito.
L'analisi delle caratteristiche dinamiche di tali fenomenologie acquisisce dunque un carattere primario data l' elevata velocità ed energia dei debris flow ed in vista di una valutazione preliminare della loro pericolosità. Riproducendo nello spazio e nel tempo il movimento di una determinata massa in frana, l'analisi dinamica ha, infatti, lo scopo primario di valutare i caratteri d'intensità del fenomeno, definiti come un insieme di parametri qualitativi e quantitativi spazialmente distribuiti che ne determinano il potenziale distruttivo (Hungr, 2002). I parametri quantitativi, in particolare, definiscono il comportamento durante il percorso di un evento, cioè le velocità e le massime distanze raggiungibili dopo il movimento iniziale, ma anche lo spessore della massa in movimento, del materiale eroso lungo il pendio e del deposito. Inoltre, il percorso di un debris flow è controllato da diversi fattori (morfologia del versante, caratteristiche della massa in frana e del materiale, stress interni, trasporto e deposito di detrito) dalla cui corretta comprensione dipende una valutazione realistica del comportamento della massa durante il percorso. Idealmente, quindi, un modello di simulazione dinamica dovrebbe considerare tutti i caratteri summenzionati, ma risulterebbe troppo complesso. Per tale motivo, si sono necessarie delle semplificazioni allo scopo di ottenere un modello teorico applicabile in pratica. Numerosi modelli dinamici sono disponibili in letteratura (e.g. Takahashi, 1991; Hungr (1995); Iverson and Delinger, 2001); Hungr, tra gli altri, ha sviluppato un modello dinamico (DAN) che ha la possibilità di selezionare differenti reologie e che è stato applicato con successo nell'area Campania (Revellino et al., 2002; 2004).
I debris flows sono generalmente caratterizzati da una pericolosità elevata dovuta alle peculiari caratteristiche quali l'estemporaneità del fenomeno, l'elevata velocità, la rapidità dell'evento e la sua breve durata ed infine l'elevata capacità distruttiva.
Le tecniche previsionali disponibili in tale ambito spaziano da semplici correlazioni empiriche a complesse soluzioni dinamiche, anche se nessuno di questi ultimi metodi ha ancora visto una sistematica calibrazione.
Il rischio connesso allo sviluppo di debris avalanche e debris flow nelle aree alpine ed appenniniche è notevolmente cresciuto negli ultimi decenni a causa dell'intensa urbanizzazione e delle modifiche nell'uso nel suolo (Sidle, 2005). Come conseguenza, le aree montane e gli insediamenti residenziali non interessati da fenomeni di flusso nel passato possono attualmente essere considerati come potenziali zone di impatto e coinvolgimento.
Al fine di mitigare il rischio associato a questi fenomeni è necessario prevedere statisticamente le caratteristiche di eventi futuri (volume movimentato, percorso, quote e velocità plausibili della corrente, eventuale presenza di ondate in successione, zona di deposito); progettare opere che ne contengano gli effetti negativi (argini, bacini di accumulo, opere di trattenuta dei detriti, canali di scarico, sopstare le attività a rischio) o prevedere strumenti di pianificazione (destinazione delle opere esposte) e sistemi di allarme (semafori sulla viabilità).
Infine, per rispondere in particolare alle ultime due necessità, le autorità locali preposte necessitano di standard per eseguire censimenti sulle colate, di linee guida per i processi decisionali, di modelli semplici ed affidabili per la definizione della pericolosità e del rischio associato ( Fell,1994; Morgenstern,1997; Sassa et al.,1997; Glade & Jensen, 2004; Glade, 2005) e per la pianificazione degli interventi di mitigazione (Morgan et al.,1996; Godt,1999). <<<