Prof. P. Lollino

Giornata di Studio
“La protezione superficiale dei suoli come prevenzione
dall’erosione e contributo alla manutenzione di frane stabilizzate”
Studio numerico degli effetti indotti
da sistemi di trincee drenanti
profonde in pendii argillosi in frana
Dr. Ing. Piernicola Lollino
Consiglio Nazionale delle Ricerche
Istituto di Ricerca per la Protezione Idrogeologica
F. Cotecchia1, G. Mitaritonna1, G. Elia2
1
Politecnico di Bari - 2 University of Newcastle
Politecnico di Bari - 17 giugno 2011
Finalità della ricerca
razionalizzare le metodologie di mitigazione del rischio da frana in contesti
interessati diffusamente da processi di frana - il caso della Daunia
Contenuti della presentazione
•
Descrizione caratteri delle fenomenologie franose nell’area di studio per
l’individuazione di sistemi efficaci di intervento
•
Strategie di intervento: analisi dello stato esistente
•
Proposta di criteri innovativi: analisi numeriche per la verifica degli effetti di
sistemi di trincee drenanti sui regimi piezometrici in profondità
•
Conclusioni e sviluppi della ricerca
1. Caratteri dei processi franosi
Il caso di studio: appennino dauno pugliese
a)
M1
M1
GM1
M2
Territorio interessato da processi di
frana a cinematica lenta
GM2
d
zm
M3
1
GM3
zm
• Danneggiamento diffuso di strutture
ed infrastrutture
M3
2
• Condizionamento dello sviluppo socioeconomico
Santaloia et al. (PS_119, 2011)
Volturino (FG)
Celenza
Valfortore (FG)
1. Caratteri dei processi franosi
100
Fattore predisponente:
80
regime piezometrico, con superficie libera
poco profonda ed elevati carichi
piezometrici in profondità
60
40
20
Fattore innescante:
Bovino
Volturino
Dicembre
Novembre
Ottobre
Settembre
Agosto
Luglio
Giugno
Maggio
Aprile
Marzo
Febbraio
escursioni piezometriche, come effetto di
piogge cumulate nel lungo periodo
Pisciolo
Regime pluviometrico
tipico nell’area
SCP1_Superficiale
SCP2_Profondo
SCP6_Superficiale
SCP7_Profondo
SCP1_Profondo
SCP5_Superficiale
SCP6_Profondo
Cumulate 180gg
SCP2_Superficiale
SCP5_Profondo
SCP7_Superficiale
600,00
0
2
500,00
400,00
6
300,00
8
10
200,00
12
100,00
14
0,00
02/09/2010
13/08/2010
24/07/2010
04/07/2010
14/06/2010
25/05/2010
05/05/2010
15/04/2010
26/03/2010
06/03/2010
14/02/2010
25/01/2010
05/01/2010
16/12/2009
06/11/2009
27/09/2009
07/09/2009
Regime piezometrico –
frana Pisciolo (PZ)
18/08/2009
16
Cumulate 180gg (mm)
Piezometrie (m)
4
17/10/2009
Gennaio
0
26/11/2009
Altezza di pioggia (mm)
120
Frana “Fontana a monte”
– Volturino (FG)
1. Caratteri dei processi franosi
Formazione delle argille di
Toppo Capuana
Bande di taglio a profondità
di 40 – 50 m, con riattivazioni
molto lente
IP
Volturino - Piezometro Casagrande
500,00
450,00
u (kPa)
400,00
350,00
IC
Cella 1 49 m dal p.c
Cella 2 25 m dal p.c
300,00
250,00
200,00
150,00
set-08
dic-08
mar-09
lug-09
ott-09
gen-10
mag-10
ago-10
data (giorni)
SSE
m s.l.m.
700
SP1
NNO
SD1 SP2 SC1
SD2
S1
torrente
S2
500
300
100 m
1. Caratteri dei processi franosi
Frana “Fontana a monte” – Volturino (FG)
F
0.95
1
1.05
1.1
1.15
1.2
15
Analisi LEM
20
25
z (m)
30
Profondità critica = 37 - 45 m
Variazione di F (inverno - estate) = 7 – 10 %
35
40
φ' = 19°
45
φ' = 18.5°
c' = 3 kPa φ' =18.5°
50
Analisi FEM
c' = 5 kPa φ' =18°
c' = 10 kPa φ' =17.5°
55
c' = 8 kPa φ' =17.5°
2. Interventi: stato esistente
Strategie di intervento: stato esistente
Interventi strutturali
Contenimento del danneggiamento strutture in cresta
2. Interventi: stato esistente
Criticità degli interventi di tipo strutturale nei contesti indagati
1
2
1. Inefficace nel lungo termine rispetto al corpo di frana (processo motore)
2. Complessa realizzazione per corpi di frana con superfici di scorrimento
profonde
2. Interventi: stato esistente
SOLUZIONE INGEGNERISTICA
Obiettivo: incremento del fattore di stabilità di un pendio
Richiede la conoscenza del MECCANISMO che governa la
rottura, nonché dei FATTORI CAUSA che generano l’attivazione
del collasso
NECESSITA’ DI INTERVENTI
DI
MITIGAZIONE
DEL
RISCHIO CHE AGISCANO SUL CORPO DI FRANA CON
BUONE GARANZIE DI EFFICACIA NEL LUNGO TERMINE
Anche con lievi incrementi del fattore di stabilità
3. Interventi: criteri innovativi
Nuove strategie di intervento
Riduzione delle pressioni
interstiziali in profondità
Interventi di drenaggio con effetti in profondità
Ksito >> Klab
ANALISI PARAMETRICA al variare delle:
Analisi FEM-2D (SEEP/W) per
valutare l’efficienza media in una
sezione trasversale di sistemi di
trincee drenanti profonde
9 caratteristiche idrauliche del terreno
9 caratteristiche geometriche del sistema
di trincee
q = q(t)
70 m
250 m
Maglia di calcolo considerata e condizioni al contorno
3. Interventi: criteri innovativi
N = 3; S = 15 m; H = 12 m
Analisi parametrica:
effetto delle proprietà idrauliche del terreno
0,7
hw (m)
-20
0
20
40
0,6
60
0
0,5
t=0
Argilla Montemesola
10
0,4
θw
Limo Abate Alonia
Argilla Montemesola
Limo Abate Alonia
Sabbia con matrice
Terreno trincee
0,3
Sabbia con matrice
0,2
0,1
0
0,01
0,01
1,0E-03
z (m)
20
0,1
0,1
1
1
10s (kPa)
100
10
s (kPa)100
1000
1000
10000 100000
10000 100000
1,0E-04
1,0E-05
30
Δhw = 1.5 – 2.5 m
40
k (m/s)
1,0E-06
1,0E-07
1,0E-08
1,0E-09
1,0E-10
1,0E-11
1,0E-12
Limo Abate Alonia
Sabbia con matrice
Argilla Montemesola
terreno trincee
50
(Cafaro et al. 2008; Bottiglieri 2009)
3. Interventi: criteri innovativi
N = 3; S = 15 m; H = 12 m
Analisi parametrica:
effetto delle proprietà idrauliche del terreno
0,7
Argilla Montemesola
Limo Abate Alonia
Sabbia con matrice
Terreno trincee
0,6
0,5
z = 45 m
0,4
θw
45
40
0,3
0,2
35
0,1
z = 30 m
0
0,01
0,01
1,0E-03
25
0,1
0,1
1
1
10s (kPa)
100
10
s (kPa)100
1000
1000
10000 100000
10000 100000
1,0E-04
20
1,0E-05
z = 20 m
15
1,0E-06
k (m/s)
hw (m)
30
10
1,0E-07
1,0E-08
1,0E-09
5
0
300
600
900
tempo (giorni)
1200
1500
1800
1,0E-10
1,0E-11
1,0E-12
Limo Abate Alonia
Sabbia con matrice
Argilla Montemesola
terreno trincee
(Cafaro et al. 2008; Bottiglieri 2009)
3. Interventi: criteri innovativi
Analisi
Kterreno
N
(m/s)
H
S
(m)
(m)
1
1E-09
3
12
15
2
1E-09
5
12
15
3
1E-09
3
12
22
4
1E-09
3
16
22
5
1E-09
7
16
22
6
3E-09
3
16
30
7
5E-09
3
16
30
q = q(t)
S
Analisi parametrica al variare delle:
9caratteristiche geometriche del sistema di trincee
N = numero trincee (3 - 7)
H = profondità trincee (12 – 16 m)
S = interasse trincee (15 – 30 m)
9caratteristiche di permeabilità del terreno (ksat)
H
Configurazione minima: sistema di 3 trincee (H=12 m; S = 15 m)
1*10-9 – 5*10-9 m/s
Configurazione massima: sistema di 7 trincee (H=16 m; S = 22 m)
Si
3. Interventi: criteri innovativi
z = 45 m
Effetto del parametro
H/S e del parametro ΣSi
t=0
H = 12 m - S = 22 m - 3 trincee
H = 12 m - S = 15 m - 3 trincee
H = 12 m - S = 15 m - 5 trincee
H = 16 m - S = 22 m - 7 trincee
t=0
H = 16 m - S = 22 m - 3 trincee
42
hw (m)
41,6
41,2
40,8
40,4
40
40
50
60
70
80
ascisse (x)
90
100
Andamento dell’altezza piezometrica a z = 45 m per diverse combinazioni di trincee drenanti al tempo t = 5 anni
110
3. Interventi: criteri innovativi
z = 45 m
Effetto del parametro
Ksat
t=0
42
41,5
H = 16 m - S = 30 m - 3 trincee - K = 5E-09
41
t=0
H = 16 m - S = 30 m - 3 trincee - K = 3E-09
40,5
hw (m)
40
39,5
39
38,5
38
37,5
37
40
50
60
70
80
90
100
ascisse (x)
Andamento dell’altezza piezometrica a z = 45 m per diversi valori di ksat al tempo t = 5 anni
110
3. Interventi: criteri innovativi
Frana di Volturino: calcolo LEM dell’efficienza media attraverso
l’implementazione delle variazioni delle altezze piezometriche calcolate
Condizioni pre-intervento
F=1
Condizioni post-intervento
ks = 1E-09 m/s, N = 5, H = 12 m, S = 15 m:
ks = 1E-09 m/s, N = 7, H = 16 m, S = 22 m:
ks = 3E-09 m/s, N = 3, H = 16 m, S = 30 m:
ks = 5E-09 m/s, N = 3, H = 16 m, S = 30 m:
F = 1.06
F = 1.10
F = 1.14
F = 1.17
Considerazioni conclusive e sviluppi di ricerca
• L’analisi indica valori accettabili di efficienza dei sistemi drenanti a grande
profondità, soprattutto se tali sistemi sono spinti a profondità elevate (H >
15 m)
• Necessità di una valutazione del sistema più efficiente (N, S, H) in
relazione alle caratteristiche di permeabilità del terreno in sito
• Intervento efficace nel lungo periodo se protetto in superficie rispetto a
rischi di erosione ed infiltrazione nelle trincee
• Necessità di approfondimento della ricerca mediante indagine circa le
proprietà idrauliche dei terreni a scala di pendio (Ksito)