RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Analisi e mitigazione del rischio indotto da movimenti rapidi di versante.

Università di riferimento

Politecnico di TORINO - INGEGNERIA STRUTTURALE E GEOTECNICA - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Claudio Scavia

Descrizione

Il progetto si pone l’obiettivo generale di sviluppare una metodologia che consenta di valutare le condizioni di pericolosità per caduta massi su grandi aree, a partire da un metodo meccanico-probabilistico per la definizione ed il calcolo della probabilità di distacco dei massi in parete. A causa della grande estensione delle zone d'indagine, la metodologia di lavoro sarà basata sull’impiego di metodi di calcolo che necessitano della conoscenza di parametri fisico-meccanici e geometrici di agevole determinazione su vasta scala, spesso disponibili in ambiente GIS (Geographical Information System).
La procedura prevede la suddivisione del versante in aree omogenee dal punto di vista dei possibili cinematismi (un’area omogenea è caratterizzata da condizioni strutturali che possono portare alla definizione di uno o più cinematismi planari o a cuneo o eventualmente ribaltamenti). All’interno di ciascuna area omogenea e per ciascun cinematismo evidenziato, un rilievo speditivo di terreno fornirà i dati geometrici e strutturali necessari per condurre analisi di stabilità tramite il metodo dell’equilibrio limite.
A causa della grande estensione delle aree di indagine non è possibile condurre analisi di terreno dettagliate. Per questo motivo verrà sviluppata una metodologia di rilievo delle condizioni strutturali dei versanti basata sulla foto-interpretazione e su osservazioni in sito. Tale metodologia sarà dedicata in particolare alla definizione delle principali famiglie di discontinuità presenti e fornirà misure delle loro caratteristiche tramite l’osservazione del versante da alcuni punti di vista situati al piede del pendio o sul versante opposto. I parametri su cui si concentrerà l’attenzione sono quelli utilizzati nella fase meccanico-probabilistica per il calcolo della probabilità di rottura dei massi in parete (giacitura delle famiglie di discontinuità, giacitura media del fronte, dimensioni dei blocchi potenzialmente instabili). Tali parametri saranno forniti in senso statistico, tramite un intervallo di variazione intorno ad un valore medio.
Sulla base di questi dati sarà possibile calcolare una probabilità di rottura di ciascun cinematismo potenzialmente instabile. La valutazione della probabilità di rottura, caratteristica dei metodi probabilistici completi, prevede la conoscenza delle distribuzioni statistiche delle variabili di base o dei loro istogrammi e può comportare un notevole impegno di tipo computazionale. Per tale motivo, in questo lavoro il fattore di sicurezza verrà calcolato con il metodo dell’equilibrio limite che, implementato con l’analisi probabilistica, rappresenta una soluzione rapida per lo studio della stabilità dei pendii.
Tra i metodi probabilistici disponibili in letteratura si farà riferimento alla tecnica di simulazione di Monte Carlo, facilmente implementabile in codici di calcolo automatico. In sintesi, con tale tecnica, il processo di generazione della densità di probabilità del fattore di sicurezza si articola (Harr, 1987; Barla et al., 1988), a partire dalle distribuzioni cumulative di frequenza F (xi) delle variabili di base zi, in:
1. estrazione di un numero casuale R(0,1), compreso tra 0 e 1, mediante generatori automatici;
2. assunzione di un valore F(xi) pari a R(0,1);
3. calcolo del valore di zi corrispondente a F(xi), in accordo con la particolare distribuzione cumulativa;
4. calcolo deterministico del fattore di sicurezza F;
5. ripetizione n volte dei punti 1–4 fino alla costruzione per punti della distribuzione statistica di F;
6. valutazione della probabilità di rottura:
• assumendo una legge di densità per F e ricavando la probabilità che F sia minore di uno;
• calcolando direttamente il rapporto tra il numero di casi per i quali F<1 ed il numero totale di campionamenti.
In questa fase del progetto verranno utilizzati i codici di calcolo meccanico-probabilistici WINTAM (Major et al, 1974) per gli scivolamenti a cuneo; PLASMON (Pisani, 2005) per gli scivolamenti planari e TOPPLING STONES (Allodi e Castelli, 2007) per i ribaltamenti a blocchi.
I parametri su cui è basata l’analisi di stabilità sono essenzialmente quelli geometrici del pendio (orientazione del fronte, del piano sommitale, del giunto di trazione e del piano di scivolamento, altezza del pendio, posizione del giunto di trazione ed eventuale larghezza della zona instabile) e le proprietà fisiche e meccaniche (pesi di volume, coesione ed angolo di attrito del piano di scivolamento, posizione della falda e tipo di distribuzione delle pressioni idrauliche nei giunti, modulo ed orientazione delle forze esterne). A tutti i parametri geometrici e meccanici coinvolti nell’analisi è possibile assegnare distribuzioni statistiche di frequenza di diverso tipo (uniforme, triangolare, gaussiana, esponenziale, istogramma ecc.). In relazione allo scarso livello di dettaglio con cui possono essere ricavati i dati nel corso di un rilievo speditivo di terreno a grande scala (forniti per esempio in termini di intervallo di variazione intorno ad un valore medio), è possibile considerare distribuzioni di frequenza uniformi. Ciò significa che qualunque valore compreso tra il minimo ed il massimo dell’intervallo di variazione della variabile ha la stessa probabilità di essere estratto nel corso del campionamento di Monte Carlo. In realtà questa assunzione non sempre è realistica ma il suo scopo è quello di tener conto della scarsità di informazioni sui parametri di base, che può essere interpretata come una forte casualità (Harr, 1987). Solo un rilievo molto dettagliato sarebbe in grado di introdurre maggiori informazioni ed ulteriori vincoli all’analisi sulla base dei quali assumere una distribuzione delle variabili in modo più realistico.
Nel corso del progetto verrà inoltre esplorata la possibilità di valutazione della probabilità di occorrenza temporale dei fenomeni, sulla base di analisi storiche degli eventi passati unite all’osservazione delle nicchie di distacco e dei volumi rocciosi presenti al piede del versante.
L’ultima fase del progetto prevede la definizione delle aree di invasione del fenomeno di caduta massi e della sua intensità, al fine di giungere alla costruzione di mappe di pericolosità sul fondovalle. Tale fase potrà essere condotta in modo speditivo sulla base di metodi empirici quali il metodo dello shadow angle o metodo dei coni (Evans & Hungr, 1993) o tramite simulazioni numeriche delle traiettorie di caduta massi, sulla base di codici di calcolo tridimensionali. Associando al cono di invasione relativo a ciascuna area omogenea o ai massi in caduta provenienti da una specifica area, un volume e la relativa probabilità di distacco (spaziale e temporale), potrà quindi essere calcolata la pericolosità in ogni punto del fondovalle.
Nel corso del progetto verrà inoltre esplorata la possibilità di valutazione della vulnerabilità del fondovalle (in particolare delle vie di comunicazione) al fine di fornire una zonazione del territorio in fasce a diverso grado di rischio.
I campi di applicazione della metodologia sono essenzialmente relativi a problemi di protezione civile e di pianificazione territoriale, in particolare legati alla protezione delle vie di comunicazione in ambiente montano. Negli ultimi anni, infatti, l’aumento della circolazione di merci e persone nelle aree alpine, ha evidenziato una serie di problemi legati all’adeguamento delle infrastrutture e delle reti destinate ai trasporti. Alcuni esempi di applicazione nella regione Piemonte verranno presentati per illustrare la metodologia e le sue potenzialità.