L`UTILIZZO DEI SENSORI DI VIBRAZIONE PER IL MONITORAGGIO

Rivista Italiana di Acustica
Vol. 39 (2015), N. 3, pp. 45-59
ISSN: 2385-2615
www.acustica-aia.it
L’UTILIZZO
DEI
SENSORI
DI
VIBRAZIONE
PER
IL
MONITORAGGIO DELLE FRANE E LA SALVAGUARDIA DEL
TERRITORIO
ON THE USE OF GROUND VIBRATION SENSORS FOR LANDSLIDE
MONITORING AND LAND CONSERVATION
Massimo Arattano *, Velio Coviello, Marta Chiarle, Laura Turconi
Italian National Research Council (CNR), Research Institute for Geo-hydrological
Protection (IRPI),
* Indirizzo dell’autore di riferimento - Corresponding author’s address:
Strada delle Cacce 73 - 10135, Torino, Italy
e-mail: [email protected]
(Ricevuto il 03/07/2015, accettato il 31/07/2015)
RIASSUNTO
I sensori sismici ed acustici sembrano mostrare promettenti possibilità di utilizzo per la
mitigazione del rischio da frana. Recenti ricerche sul M.te Cervino, ad esempio, hanno utilizzato
reti microsismiche per individuare le sedi di crolli potenziali e per stabilire la relazione tra
variazioni di temperatura ed emissioni acustiche in roccia. È invece attualmente in fase di
sperimentazione l’utilizzo di sensori geofonici e sismometri per la realizzazione di innovativi
sistemi di allarme per colate detritiche, capaci di rilevarne l’arrivo con un significativo margine
di tempo di anticipo. Nell’articolo vengono illustrati e discussi in dettaglio alcuni esempi
applicativi.
ABSTRACT
Seismic and acoustic sensors seem to show promising possibilities of employment for the
mitigation of landslide hazards. Recent researches carried out on the Matterhorn, as an example,
have used microseismic networks to locate potential areas of rockfalls and to establish a
relationship between temperature variations and acoustic emissions in rocks. It is currently
under investigation, instead, the use of geophone sensors and seismometers for the realization of
innovative warning systems for debris flows, capable to detect their arrival with a significant
amount of time in advance. In this article some practical examples will be presented and
discussed in detail.
Parole chiave: monitoraggio sismico e acustico, colate detritiche, allarme, emissioni acustiche,
Keywords: seismic and acoustic monitoring, debris flows, warning, acoustic emissions,
© Associazione Italiana di Acustica, 2015
Massimo Arattano et al.
L’utilizzo dei sensori di vibrazione per il monitoraggio delle frane e la salvaguardia del territorio
On the use of ground vibration sensors for landslide monitoring and land conservation
1. Introduzione
Il monitoraggio e lo studio dei movimenti di massa possono essere efficacemente
effettuati ricorrendo all’utilizzo di sensori di vibrazione del terreno (accelerometri,
sismometri, geofoni) e di altre tipologie di sensori acustici (idrofoni, microfoni, sensori
ad infrasuoni) [1–8]. Queste due categorie di sensori rilevano rispettivamente le
vibrazioni e le emissioni acustiche indotte dai movimenti franosi nel mezzo di
propagazione (terreno, roccia, aria). I principi che regolano la progettazione dei sistemi
di monitoraggio, l’acquisizione e l’analisi del dato sono analoghi. In questo lavoro ci
riferiremo in particolare ai sensori di vibrazione del terreno, maggiormente utilizzati in
campo, mentre i sensori acustici sono prevalentemente trasduttori impiegati in
laboratorio [9]. In particolare, esploreremo due applicazioni dei sensori di vibrazione
del terreno allo studio delle frane da crollo e delle colate detritiche, una particolare
tipologia di trasporto in massa che può verificarsi nell’alveo dei torrenti montani.
I sensori di vibrazione sono trasduttori passivi che rilevano la vibrazione del mezzo
su cui sono installati e la convertono in segnale elettrico. Il segnale rilevato dai sensori
viene campionato e trasformato in forma digitale da un convertitore analogico/digitale e
poi registrato da un apposito sistema di acquisizione. La frequenza di acquisizione del
segnale è scelta in base alle frequenze caratteristiche dei fenomeni da investigare,
secondo la legge di Nyquist: un segnale deve essere campionato a frequenza maggiore o
uguale al doppio della massima frequenza del fenomeno che si vuole indagare. I metodi
di installazione dei sensori di vibrazione variano a seconda delle caratteristiche del sito
di indagine, della distanza dalle sorgenti sismiche e dall’oggetto dell’indagine (Fig. 1).
Si rimanda alle referenze [10, 11] per ulteriori dettagli sull’utilizzo dei sensori sismici
per il rilevamento dei processi geo-idrologici.
Fig. 1 - Sensori di vibrazione del terreno e metodi di installazione: (a) geofono
verticale da 10 Hz installato in pozzetto in cemento; (b) geofono
triassiale da 4,5 Hz installato su roccia: (c) geofono verticale da 10 Hz
installato nel terreno [14] – Ground vibration detectors and methods of
installation: (a) 10-Hz vertical geophone installed in concrete; (b) 4,5-Hz
triaxial geophone mounted on rock; (c) 10-Hz vertical geophone
installed in the ground [14].
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L’utilizzo dei sensori di vibrazione per il monitoraggio delle frane e la salvaguardia del territorio
On the use of ground vibration sensors for landslide monitoring and land conservation
A partire dal 2007, l’Istituto di Ricerca per la Protezione Idrogeologica (IRPI) del
CNR ha avviato sul M.te Cervino (Valtournanche, AO), con il supporto finanziario e
logistico della Regione Valle d’Aosta e in collaborazione con Solgeo Srl, una serie di
campagne di rilevamento microsismico, originariamente finalizzate ad investigare la
degradazione del permafrost e i suoi effetti sulla stabilità delle pareti rocciose [12].
L’interesse è emerso a seguito di alcuni importanti crolli verificatisi sulle Alpi nella
torrida estate del 2003, nel corso dei quali era stata documentata la presenza di ghiaccio
nelle aree di distacco della roccia. Per tali campagne è stata utilizzata una serie di
geofoni tri-assiali, installati nell’intorno della Capanna Carrel (3835 m slm). La rete,
operativa sino al 2013, ha rilevato una accentuazione significativa dell’attività
microsismica (MS) in corrispondenza di gradienti termici negativi della temperatura
[13]. La successiva, approssimativa localizzazione delle aree sorgente di tali emissioni
ha quindi consentito di individuare le zone simicamente più attive nell’intorno della
Capanna, potenziali sedi di futuri distacchi di roccia. Le prime informazioni, raccolte
grazie all’installazione della rete microsismica, costituiscono un primo passo nella
direzione della realizzazione di un sistema di allarme in grado di individuare segnali
precursori di possibili crolli.
Il monitoraggio delle colate detritiche tramite l’utilizzo di sensori di vibrazione del
terreno è stato invece condotto dai ricercatori dell’IRPI sino a partire dal 1995 [15]. Le
prime installazioni di sismometri e geofoni a tal fine furono effettuate nel T. Moscardo
(Paluzza, UD), dove sono continuate fino a pochi anni fa [16]. Successivamente, alcune
reti microsismiche per il monitoraggio delle colate detritiche, basate sull’utilizzo di soli
geofoni, sono anche state installate nel T. Gadria e nel T. Marderello [17, 18]. I risultati
ottenuti negli anni hanno evidenziato come i geofoni possano anche venire utilizzati per
finalità di allertamento, contribuendo alla salvaguardia del territorio. Spesso le aree
agricole vengono infatti sfruttate per la realizzazione di invasive misure di protezione
dalle colate detritiche, quali valli, bacini di deposito ecc., sottraendole così al loro
originario utilizzo. L’impiego di sistemi di allerta potrebbe consentire di diminuire il
numero di tali opere e di ridurne in parte le dimensioni.
Nel seguito analizzeremo in maggior dettaglio le esperienze nell’uso dei sensori
sismici sia sul Cervino, per lo studio dei precursori di crollo, sia nei diversi torrenti
adibiti al monitoraggio delle colate detritiche.
2. Il rilevamento dell’attività microsismica sul M.te Cervino
I crolli di roccia sono fenomeni d’instabilità estremamente diffusi in ambiente
alpino, per la tipologia delle rocce presenti e per l’elevata energia del rilievo.
Normalmente si tratta di fenomeni di dimensioni modeste (dell’ordine di qualche metro
cubo di roccia), con impatti poco rilevanti sul territorio. I crolli di roccia sono tuttavia
fenomeni insidiosi, che localmente possono avere conseguenze anche gravi per l’uomo.
Particolarmente esposti ai rischi derivanti dai crolli di roccia sono turisti, escursionisti,
alpinisti e quanti a vario titolo frequentano ambienti dove siano presenti ripide pareti
rocciose, che per loro natura sono soggette a franamento. A differenza di quanto
avviene per altre tipologie di frana, l’esatta ubicazione dei crolli di roccia è difficilmente
prevedibile in anticipo, anche se idonei studi sull’assetto strutturale dei versanti possono
consentire di individuare i settori più predisposti a questo tipo di instabilità. Per questa
ragione, le tecniche di indagine comunemente impiegate per monitorare a scopo
previsionale i movimenti franosi trovano difficile applicazione ai crolli di roccia.
L’esigenza di meglio conoscere cause e dinamica d’innesco dei crolli di roccia e di
monitorare i versanti rocciosi, per la mitigazione dei rischi connessi a questo tipo di
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instabilità, ha portato ad approfondire le potenzialità dei sensori sismici e acustici in
questo campo.
Il rilievo dell’attività MS di un ammasso roccioso può consentire infatti di
evidenziare anomalie che possono rappresentare precursori di eventi d’instabilità, o
testimoniare di una dinamicità dell’ammasso roccioso predisponente all’instaurarsi di
condizioni d’instabilità. Il rilievo dell’attività MS può anche consentire l’individuazione
delle aree maggiormente attive di un versante roccioso e dunque la localizzazione di
possibili aree sorgente di crolli: a questo scopo è tuttavia necessario poter disporre di un
accurato e affidabile modello della velocità di propagazione delle onde sismiche nella
porzione di roccia indagata. Le emissioni acustiche sono divenute per la prima volta
oggetto di studio nel secolo scorso, quando si scoperse, effettuando alcuni studi
all’interno di una miniera, che alcuni pilastri, sottoposti a particolare sollecitazione,
emettevano micro-segnali acustici [19]; solo in tempi relativamente recenti la comunità
scientifica ha dedicato attenzione alle potenzialità del fenomeno nello studio dei
fenomeni franosi [20–22].
Allo scopo di sperimentare la fattibilità dell’uso di reti geofoniche per il
monitoraggio della stabilità degli ammassi rocciosi, il Monte Cervino, e in particolare
l’intorno della Capanna J.A. Carrel (Fig. 2), situata a 3835 m di quota, è stato
individuato come area campione estremamente significativa, sia per i fenomeni di crollo
occorsi, indicatori di una vivace dinamica di versante in atto, sia per i rischi correlati
[12]. L’evento che ha avuto la maggiore risonanza mediatica è stato il crollo lungo la
via normale di salita dal versante italiano del tratto denominato “La Chemineé”, la notte
del 18 agosto 2003. L’episodio, che ha coinvolto circa un migliaio di metri cubi di
roccia, per una fortunata coincidenza non ha causato danni a cose o persone, ma la via
di salita è rimasta interdetta per lungo tempo, con significative ripercussioni a livello
turistico e d’immagine.
La rete di monitoraggio è stata predisposta nel 2007, nell’ambito del progetto
Interreg IIIA Alcotra “Permadataroc”, e aggiornata nel 2010, nell’ambito del progetto
Alcotra 2007-2013 “Massa”. Nella sua configurazione più completa, il sistema di
monitoraggio MS installato comprende: cinque geofoni triassiali ad alta frequenza (100
Hz), tre geofoni triassiali a bassa frequenza (4,5 Hz), un gruppo di alimentazione a
pannelli solari, un sistema di acquisizione a 24 bit e un GPS, un sistema per la
trasmissione radio dei dati. I geofoni sono stati installati con la componente x allineata
con l'Est, la componente y allineata con il Nord e la z allineata con la verticale. Tre di
essi sono stati installati in foro, solidali con la roccia, i rimanenti in superficie. Il
sistema di acquisizione è alimentato da una tensione continua compresa tra 10,5 e 18 V
e consiste di quattro schede di acquisizione a 4 canali. Ogni scheda è dotata di un
processore di segnale digitale (DSP) che avvia l'algoritmo di riconoscimento automatico
dell’evento, registra i dati con un buffer di 1 s su una RAM (Random-Access Memory)
e converte i segnali analogici registrati in segnali digitali. Il DSP permette di impostare
diverse soglie di registrazione per ogni canale. Il GPS consente di sincronizzare le
acquisizioni di tutti i canali. La registrazione di un evento avviene quando un dato
valore di soglia viene superato su un certo numero di canali. La registrazione copre un
intervallo di tempo di 3 - 5 s con un buffer di 1 s. Dopo l’installazione, è stata effettuata
la taratura del valore di soglia: dopo alcuni tentativi, è stata fissata una soglia pari a 0,01
mm/s, da superarsi contemporaneamente su 6 canali.
Nel complesso, tra il 2007 e il 2011 sono stati così registrati 1348 eventi. I segnali
corrispondenti sono stati analizzati e classificati identificando le principali
caratteristiche di traccia in termini di tempo e frequenza, e verificando la loro
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distribuzione spaziale e temporale. In questo modo, si sono potute identificare due
categorie principali di eventi: a) eventi singoli, quando la soglia viene superata solo una
volta durante la registrazione; b) eventi multipli, se la soglia viene superata più di una
volta. L’analisi combinata della distribuzione nel tempo del numero di eventi MS e
dell’andamento delle temperature giornaliere ha evidenziato come gran parte
dell’attività microsismica si concentri durante alcuni specifici periodi freddi, sia durante
la stagione invernale che durante quella estiva (Fig. 3). In questi casi, l’attività MS può
essere attribuita ai processi criogenici innescati dal repentino abbassamento della
temperatura [11]. Alcune concentrazioni minori di eventi MS sono state osservate
durante i mesi estivi anche in corrispondenza di temporanei rialzi della temperatura al di
sopra di 0 °C: questi eventi presentano caratteristiche diverse dai precedenti, in
particolare sono per lo più eventi multipli e possono pertanto essere attribuiti al
verificarsi di deformazioni superficiali dell’ammasso, associate a distacchi di roccia di
piccole dimensioni [13].
Fig. 2 - (a) Ubicazione della Capanna J.A. Carrel, M.te Cervino, (3835 m s.l.m.
(foto: Velio Coviello). L’ammasso roccioso circostante la capanna (b) è
stato scelto per l’installazione di una rete microsismica finalizzata al
monitoraggio della stabilità degli ammassi rocciosi (foto: Paolo Pogliotti)
- (a) Location of Capanna J.A. Carrel, Matterhorn, 3835 m a.s.l. (photo:
Velio Coviello). The microseismic network was installed in the rock
mass surrounding the hut (b) to monitor the rock slope stability (photo:
Paolo Pogliotti).
Nel complesso, tra il 2007 e il 2011 sono stati così registrati 1348 eventi. I segnali
corrispondenti sono stati analizzati e classificati identificando le principali
caratteristiche di traccia in termini di tempo e frequenza, e verificando la loro
distribuzione spaziale e temporale. In questo modo, si sono potute identificare due
categorie principali di eventi: a) eventi singoli, quando la soglia viene superata solo una
volta durante la registrazione; b) eventi multipli, se la soglia viene superata più di una
volta. L’analisi combinata della distribuzione nel tempo del numero di eventi MS e
dell’andamento delle temperature giornaliere ha evidenziato come gran parte
dell’attività microsismica si concentri durante alcuni specifici periodi freddi, sia durante
la stagione invernale che durante quella estiva (Fig. 3). In questi casi, l’attività MS può
essere attribuita ai processi criogenici innescati dal repentino abbassamento della
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temperatura [11]. Alcune concentrazioni minori di eventi MS sono state osservate
durante i mesi estivi anche in corrispondenza di temporanei rialzi della temperatura al di
sopra di 0 °C: questi eventi presentano caratteristiche diverse dai precedenti, in
particolare sono per lo più eventi multipli e possono pertanto essere attribuiti al
verificarsi di deformazioni superficiali dell’ammasso, associate a distacchi di roccia di
piccole dimensioni [13].
Fig. 3 - Numero di eventi microsismici per giorno e temperature medie
giornaliere registrati alla Capanna J.A. Carrel [13]. Gran parte
dell’attività microsismica si concentra in periodi di repentino
abbassamento delle temperature - Number of MS events per day and
daily temperature trend [13]. Most MS activity occurs during cold
periods.
La definizione, mediante test in situ, di un modello delle velocità di propagazione
delle onde nell’ammasso roccioso considerato ha consentito una localizzazione
preliminare degli eventi MS, e la conseguente individuazione della porzione di
ammasso più attiva dal punto di vista MS, e dunque presumibilmente più propensa a
generare fenomeni di crollo.
L’esperienza di monitoraggio effettuata sul Cervino, che non ha paragoni in termini
di lunghezza delle serie di registrazione per siti d’alta quota, ha evidenziato le
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potenzialità dei sensori MS e acustici per il monitoraggio degli ammassi rocciosi, ma
anche le molte sfide che occorre ancora vincere per trasformare sistemi del tipo
descritto in strumenti di uso applicativo. Nel caso del sito indagato, in particolare, alle
difficoltà di analisi ed interpretazione del dato si sommano le notevoli difficoltà
logistiche, legate all’ubicazione delle installazioni in un area estremamente impervia dal
punto di vista topografico e climatico. Le condizioni ambientali estreme del sito
campione richiedono infatti una costante opera di manutenzione del sistema, non
sempre possibile a causa delle difficoltà d’accesso del sito. Al termine del progetto
MASSA, in assenza di finanziamenti, la rete MS ha subito una rapida degradazione,
portando gli autori a decidere per la sua dismissione.
In ogni caso, i risultati fin qui ottenuti, e il diffondersi in anni recenti di esperimenti
analoghi in altre aree [23–25], incoraggiano la prosecuzione degli studi sull’utilizzo di
questi sensori per il monitoraggio dello stato tensionale e della rottura degli ammassi
rocciosi, in particolare in quei contesti in cui non trovano applicazione le comuni
tecniche di monitoraggio.
3. Il monitoraggio delle colate detritiche tramite sensori geofonici
Le colate detritiche costituiscono uno dei movimenti di massa più pericolosi che si
possano verificare in ambiente montano. Esse sono costituite da miscele di acqua e
sedimenti in elevata concentrazione che, propagandosi sottoforma di onde e
incanalandosi nell’alveo di un torrente, possono percorrere notevoli distanze, arrecando
danno ad infrastrutture e abitazioni ubicate a valle, sul conoide di deiezione del torrente
stesso. Le colate detritiche presentano solitamente un fronte molto ripido e ricco di
massi di grosse dimensioni, che può raggiungere svariati metri in altezza. Alle spalle del
fronte l’altezza miscuglio della miscela gradatamente decresce, sino a tornare al livello
che precedeva l’arrivo del fenomeno. Dietro al fronte decrescono anche la
concentrazione e la dimensione dei sedimenti (Fig. 4).
Fig. 4 - Sezione longitudinale in scala di una colata detritica che si propaga in un
torrente (è stato adottato un fattore di scala maggiore per le dimensioni orizzontali) Longitudinal section of a debris flow (not in scale).
Il notevole contenuto d’acqua di cui è costituita la miscela di una colata detritica
conferisce all’onda un carattere alquanto fluido, nonostante l’abbondante componente
detritica. Il contemporaneo contenimento dell’onda offerto dall’alveo torrentizio
favorisce il raggiungimento di velocità piuttosto elevate, che conferiscono alle colate
detritiche un notevole potere distruttivo. Esse sono infatti in grado di abbattere interi
edifici ed arrecare danni significativi ad infrastrutture e mezzi di trasporto (Fig. 5). In
Italia, in particolare sull’arco alpino, sono numerosi i torrenti sede di tali fenomeni e
notevoli sono i danni che essi hanno provocato negli anni [26–28].
La propagazione di un’onda detritica genera forti vibrazioni del terreno, facilmente
rilevabili tramite sensori di vibrazione. Per il loro monitoraggio è dunque frequente il
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ricorso a reti microsismiche che utilizzano come sensori, a seconda dei casi, sismometri,
geofoni, idrofoni, microfoni o dispositivi ad infrasuoni [29], [30]. Il monitoraggio delle
colate detritiche avviene comunemente in specifiche aree attrezzate ove la frequenza
con cui si verifica il fenomeno risulti sufficientemente elevata da giustificare la
realizzazione di installazioni strumentali fisse. Queste risultano infatti inevitabilmente
piuttosto onerose, sia in termini economici sia di risorse umane necessarie per la loro
gestione, e possono essere realizzate solo in torrenti in cui si verifichi in media almeno
una colata detritica all’anno. In molti casi, infatti, la frequenza di accadimento è di
molto inferiore.
Fig. 5 - Eventi di colata detritica nelle Alpi Italiane: (a) Autostrada A23, località
Alpe Adria (Friuli), Giugno 1996; (b) località Campiglia Cervo,
Valmosca (Biella), giugno 2002; (c) Val Canale (Fiuli), agosto 2003; (d)
Cogne (Aosta), ottobre 2000 (fonte: Archivio CNR IRPI) - Debris flow
events along the Italian Alps: (a) Higway A23, Alpe Adria (Friuli) June
1996; (b) Campiglia Cervo, Valmosca (Biella), June 2002; (c) Val
Canale (Fiuli), August 2003; (d) a Cogne (Aosta), October 2000 (source:
CNR IRPI archive).
In Fig. 6 è riportato, a titolo esemplificativo, un tipico grafico sismico prodotto da
una colata detritica, registrato mediante un geofono posizionato sulla sponda torrente.
Nella stessa figura è riportata anche l’elaborazione del segnale ottenuta tramite la
determinazione della sua Amplitude, A,
Fr
(1)
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A=
∑v
i =1
F
i
[Hz]
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L’utilizzo
’utilizzo dei sensori di vibrazione per il monitoraggio delle frane e la salvaguardia del territorio
On
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in cui vi è la velocità di vibrazione del terreno, ottenuta moltiplicando il segnale in volt,
campionato alla frequenza F, per una opportuna costante strumentale fornita dal
produttore.
Fig. 6 - Prima riga: segnale sismico grezzo (frequenza di campionamento = 250
Hz) prodotto da una colata detritica nel T. Rebaixader (Spagna) il 4
Luglio 2012; seconda riga: elaborazione del segnale ottenuta tramite la
determinazione dell’Amplitude; terza riga: elaborazione del segnale con
c
il metodo degli Impulsi [14] - First row: raw seismic signal (sampling
frequency = 250 Hz) produced by a debris flow in the Rebaixader basin
(Spain) on July 4, 2012;
2012; second row: signal transformation with the
Amplitude method; third row: signal transformation with the method of
Impulses [14].
La determinazione dell’amplitude consente di evidenziare la forma dell’onda della
colata, contribuendo anche a rivelare la presenza,
presenza, dietro al fronte principale, di eventuali
onde secondarie (Fig. 7). I grafici che mostrano il variare dell’amplitude nel tempo
forniscono dunque un’informazione analoga a quella ottenibile grazie ai sensori di
livello (ultrasuoni, radar, laser). Questi
Questi ultimi consentono infatti di determinare
l’idrogramma della colata, che rappresenta la variazione del livello in alveo nel tempo
(Fig. 7).
Il segnale sismico ottenuto dal geofono
geofono può essere elaborato anche con altri metodi.
Tra questi il più noto è certamente il metodo degli impulsi [31]; consente anch’esso di
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L’utilizzo
’utilizzo dei sensori di vibrazione per il monitoraggio delle frane e la salvaguardia del territorio
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evidenziare la forma d’onda tipica delle colate, pur presentando alcune limitazioni
rispetto al metodo dell’amplitude [32].
[
Fig. 7 - Confronto tra l’idrogramma ottenuto tramite l’utilizzo di sensori ad
ultrasuoni installati sul conoide del T. Moscardo ed il grafico della
variazione dell’amplitude nel tempo ottenuta tramite l’utilizzo di un
geofono installato a monte [32] - Comparison of a hydrograph recorded
through ultrasonic sensors on the fan of the Moscardo Torrent and the
amplitude-vs-time
time graph recorded upstream of the fan apex for the same
event [32].
Grazie alla rivelazione della forma d’onda, l’elaborazione del segnale sismico
consente di determinare l’istante in cui il fronte principale della colata transita nella
sezione d’alveo ove risulta posizionato il geofono. Il passaggio del fronte produce infatti
un picco dell’amplitude molto ben definito e riconoscibile.
riconoscibile. L’individuazione dell’istante
in cui transita il fronte consente la stima della sua velocità media di propagazione. Per
operare tale stima è tuttavia necessario un secondo sensore geofonico, installato lungo
lo stesso tratto d’alveo ad una adeguata distanza
distanza dal primo. A quel punto è infatti
sufficiente calcolare il rapporto tra la distanza tra i sensori e il tempo intercorso tra il
manifestarsi dei picchi di amplitude nei rispettivi segnali registrati.
Se al posto di uno dei due geofoni si dispone un sensore
sensore di livello (e si ottiene
dunque un idrogramma della colata), è possibile risalire anche al valore della portata
media in corrispondenza al passaggio del fronte. Per determinarlo è tuttavia necessario
rilevare topograficamente la sezione trasversale dell’alveo
dell’alveo in corrispondenza alla
posizione del sensore di livello [15]. Disponendo di una stima della portata e del rilievo
della sezione trasversale in corrispondenza alla posizione del sensore di livello, è anche
possibile operare una stima del volume di materiale solido liquido transitato. Sono
attualmente in corso alcune ricerche volte a stimare il livello di approssimazione delle
stime di volume ottenute in tal modo [33].
Il segnale
nale sismico generato da una colata detritica e rilevato tramite geofoni installati
sulle sponde del torrente, a pochi metri dal centro alveo, ha frequenze che variano
generalmente tra 10 e 80-100
100 Hz [34, 35]. Tali valori risultano solitamente più bassi in
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L’utilizzo
’utilizzo dei sensori di vibrazione per il monitoraggio delle frane e la salvaguardia del territorio
On
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corrispondenza al passaggio del fronte (nel range tra 10 e 30 Hz) mentre tendono ad
aumentare in corrispondenza al passaggio della coda, solitamente molto più liquida e
diluita. In Fig. 8 è riportato lo spettrogramma relativo ad una colata detritica verificatasi
veri
nel 2012 nel T. Rebaixader in Spagna [32, 36]. Considerati i campi di frequenza
precedentemente indicati, per il monitoraggio delle colate detritiche sono opportuni
geofoni da 4,5/10 Hz che certamente intercettano i valori di frequenza sopra citati
citat e che
risultano i più comunemente utilizzati [10, 31].
Fig. 8 - Segnale grezzo campionato a 250 Hz e spettrogramma della colata
detritica verificatasi il 4 Luglio 2012 nel
nel T. Rebaixader in Spagna [14] Raw signal sampled at 250 Hz and spectrogram of a debris flow event
that occurred on July 4, 2012 in the Rebaixader basin, Spain [14].
I sensori geofonici possono essere utilmente impiegati anche come sensori
d’allarme. È tuttavia necessario l’utilizzo di algoritmi capaci di elaborare il segnale
geofonico e riconoscere le colate detritiche, distinguendole da altri tipologie di sorgente
sismica.
smica. Posizionando un geofono in prossimità di un torrente è infatti possibile rilevare
anche altri tipi di fenomeno che possono manifestarsi sia in alveo (debris floods,
trasporto solido di fondo) sia al di fuori di esso (crolli in roccia, instabilità di versante,
terremoti, colate in torrenti limitrofi ecc.) [10, 36, 37].
I sensori geofonici presentano numerosi vantaggi rispetto ad altri tipi di sensore,
quali sensori di livello, pendoli, cavi a strappo ecc. Essi possono essere installati ad una
certa distanza
istanza dal torrente, evitando così di essere danneggiati e/o asportati dalle colate,
non richiedono alimentazione e rilevano l’arrivo di una colata con decine di secondi di
anticipo rispetto alla loro posizione. Proprio per queste ragioni, negli ultimi anni
an sono
aumentate le attività di ricerca volte allo sviluppo e al test di sistemi e algoritmi di
allarme basati sul l’utilizzo di geofoni [36, 38, 39]. Il segnale geofonico risultata
tuttavia di più complessa elaborazione e interpretazione rispetto a quello
quello di altri sensori.
Nonostante i progressi compiuti dalla ricerca negli ultimi anni, l’ambito del
monitoraggio sismico e acustico delle colate detritiche richiede ancora un’adeguata
opera di standardizzazione per quanto riguarda numerosi suoi aspetti, quali
qual ad esempio
il metodo di installazione dei sensori nel terreno, l’individuazione dei metodi di
elaborazione del segnale più idonei, la scelta dell’algoritmo di riconoscimento più
efficace [10, 36, 38].
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Vol. 39, N. 3, p. 55
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L’utilizzo dei sensori di vibrazione per il monitoraggio delle frane e la salvaguardia del territorio
On the use of ground vibration sensors for landslide monitoring and land conservation
Conclusioni
Le reti microsismiche per il monitoraggio delle deformazioni degli ammassi rocciosi
rappresentano un utile strumento a supporto della mitigazione dei rischi collegati ai
crolli di roccia in quei contesti nei quali le comuni tecniche di monitoraggio della
stabilità dei versanti non possono essere utilizzate. Ne sono un esempio i crolli diffusi
che da alcuni anni stanno interessando con maggiore frequenza le pareti rocciose di alta
quota, per effetto dei processi di destabilizzazione dei versanti conseguenti alla
degradazione del permafrost. Si tratta infatti di fenomeni di piccole dimensioni, che
tuttavia per la loro frequenza e per le difficoltà di previsione possono localmente
determinare condizioni di rischio importante, in particolare lungo le vie a maggiore
frequentazione turistica. Alcune esperienze pilota realizzate in ambiente alpino, tra cui
quella descritta in questo contributo, dimostrano le potenzialità di impiego dei sensori
MS e acustici in questo ambito. In particolare, lo studio dell’attività microsismica può
consentire di riconoscere anomalie propedeutiche al verificarsi di fenomeni di crollo, di
studiare l’influenza delle condizioni meteoclimatiche sulla dinamica dei versanti
rocciosi, e di localizzare i settori maggiormente attivi. Tuttavia, si tratta di un campo di
applicazione relativamente giovane, che necessita ancora di notevoli sforzi per poter
tradurre i sistemi del tipo illustrato in questo lavoro in strumenti di uso applicativo.
Anche il monitoraggio delle colate detritiche viene spesso condotto facendo ricorso
a reti microsismiche. Esse consentono infatti di evidenziare la forma dell’onda della
colata, contribuendo anche a rivelare la presenza di eventuali onde secondarie dietro al
fronte principale. Il sensore in assoluto più utilizzato per il rilevamento è il geofono.
L’elaborazione del segnale geofonico consente la stima della velocità media di
propagazione della colata, nel momento in cui si disponga delle registrazione di almeno
due geofoni disposti a significativa distanza tra loro lungo l’alveo. Se a fianco di uno
dei due geofoni, oppure in sua sostituzione, è installato anche un sensore di livello, è
possibile risalire alla portata della colata detritica ed al suo volume. I sensori geofonici
possono essere utilmente impiegati anche come sensori d’allarme. Poiché essi
presentano numerosi vantaggi rispetto ad altri tipi di sensore, negli anni recenti sono
aumentate le attività di ricerca volte allo sviluppo di sistemi di allarme basati sul loro
utilizzo. Nonostante i progressi della ricerca, le procedure per il monitoraggio e
l’allertamento delle colate detritiche non risultano ancora sufficientemente
standardizzate.
Conclusions
The use of microseismic networks for the monitoring of the deformation of rock
masses is a useful tool for the mitigation of the risks due to rockfalls. This is particularly
true in all those contests where the techniques commonly adopted to monitor slope
stability cannot be employed. As an example, in the last few years, diffuse rockfalls are
affecting the cliffs that are found at high elevation. These collapses, which are occurring
with growing frequency, are mainly due to the degradation of permafrost. They are
usually phenomena of little dimension, but because of their high frequency and the
difficulties to predict them, they may create locally conditions of severe risk,
particularly along tourist pathways. Some pilot research activities have been carried out
in the alpine environment to investigate the potentialities of the MS and acoustic sensors
as monitoring devices for this type of mass movements. One specific example of such
activities will be described in this paper. The analysis of the MS activity may allow to
recognize anomalies that may lead to collapse, to investigate the influence of
meteorological conditions on the dynamics of rocky slopes and to locate the most
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On the use of ground vibration sensors for landslide monitoring and land conservation
seismically active sectors. However, this is a field of application that is relatively young
and that still needs several efforts to transform the methods and systems adopted in
applicable tools.
Microseismic networks are also successfully employed for the monitoring of debris
flows. They allow to reveal, in fact, the wave form of the debris flow and to detect the
presence of secondary waves behind the main front. The most commonly employed
type of sensor is the geophone. The processing of the geophone signal allows the
estimation of the mean propagation velocity of the debris flow. The recordings of two
geophones installed at a significant distance from each other along the torrent is needed
for this purpose. When the additional information of the value of the level reached by
the flow is available, it is also possible to estimate the mean discharge and the total
volume of the debris flow. Geophones may also be employed as warning sensors. Since
they offer many advantages, in comparison with other type of sensors, during last years
research activities devoted to the development of warning systems based on their use
have increased. Nevertheless, even though research is making many progresses,
procedures and methods for the debris flow monitoring and warning based on
microseismic networks still need a thorough standardization.
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