20- hillslope stability

Stabilità dei versanti secondoSHALSTAB

Riccardo Rigon e Cristiano Lanni

all, T

Wednesday, May 30, 12

Rigon e Lanni

Obbiettivi

•Introdurre e discutere il modello del pendio infinito

• Accoppiarlo ad una analisi idrologica semplificata e stazionaria dei deflussi subsuperficiali, di cui si discutono i limiti

•Introdurre il modello SHALSTAB

•Affrontare il problema della determinazione dell’ammontare del detrito/suolo disponibile

•Discutere qualitativamente le formazione delle piene con grande trasporto solido

Franosità

Rigon e Lanni

ANALISI di STABILITA’: modello del pendio infinito

Pendio Indefinito

Riccardo Rigon

Pendio infinitoLa formula

Franosità

Riccardo Rigon

Coesione

Franosità

Riccardo Rigon

Franosità

Riccardo Rigon

Franosità

p e n d e n z a

topografica

Riccardo Rigon

Franosità

Riccardo Rigon

Franosità

p e s o

specifico

Riccardo Rigon

Franosità

Riccardo Rigon

Franosità

a n g o l o d i

attrito

Riccardo Rigon

Franosità

Riccardo Rigon

Franosità

spessore del

Riccardo Rigon

Franosità

Rigon e Lanni

Coesione Mohr-Coulomb Idrologia

Franosità

Riccardo Rigon

Consideriamo ora che se il coefficiente di sicurezza

è minore di 1

maggiore di 1

il punto è instabile

il punto è incondizionatamente stabile

SHALSTAB

Il che non significa che sia assolutamente stabile perchè altre

cause di instabilita (come la presenza di ruscellamento in

superficie) possono essere presenti. Qui sono le instabilità generate

dal deflusso subsuperficiale.

Rigon e Lanni

Pendio infinito

+ Acqua NON presente

Coesione non presente

Franosità

Riccardo Rigon

Minimal Hydrology

Supponete dunque di essere paracadutati in un punto di un bacino e di

avere solo informazioni solo sulla sua pendenza e sulla sua area a monte:

Per poter dire qualcosa sulla sua stabilità dovete avere anche una ulteriore

informazione: l’angolo di attrito.

Mininal information

Rigon e Lanni

Nel grafico Pendenza Aree

Punti Instabili

Slope-Area

Out[548]=

1 10 100 1000 104

Pendenza

Rigon e Lanni

Qual’e’ il senso che vi siano punti instabili che

invece sono, in pratica stabili ?

Proviamo ad elencarne alcune ragioni:

•L’angolo di attrito non è in realtà una costante: i luoghi stabili che

dovrebbero essere instabili, hanno in realtà un angolo di attrito

superiore a quello stimato.

•La presenza di radici, anche della sola erba, introducono un fattore di

coesione: che aumenta l’angolo di attrito apparente

•Non c’è suolo/ detrito

•Il suolo c’è, ma è insaturo

Slope-Area

Rigon e Lanni

Angolo di attrito Hajdarwish, 2006

Pendio Indefinito

Rigon e Lanni

Punti Instabili

Slope-Area

Out[548]=

1 10 100 1000 104

Pendenza

Riccardo Rigon

Il problema geo-litologico

E’ associare alla presenza di formazioni geologiche e litologiche, ed

eventualmente ad altre informazioni, valori accettabilmente

approssimati del coefficiente di attrito

Cose che di solito si dimenticano

Rigon e Lanni

La non saturazione

Introduce una variazione del calcolo del Fattore di sicurezza, che tiene

conto della:

•coesione apparente introdotta dalla tensioni capillari

Esistono varie formulazioni del problema (e.g Bishop, 1959, Ning Lu e

Likos, 2006), ma per ora, ci limitiamo a considerare il caso da cui siamo

partiti,

che esclude questo contributo)

Riccardo Rigon

Le stagioni

Le stagioni non sono più quelle di una volta ma ....

Esistono.

E’ chiaro che, in montagna ed in inverno, le precipitazioni tendono ad

essere nevose, il suolo si ghiaccia, i coefficienti di attrito cambiano (ma

anche: le curve di ritenzione idrica, la coesione del suolo, la conducibilità

idraulica, la viscosità cinematica dell’acqua.

Tutto questo ha conseguenze sulla stabilità.

Rigon e Lanni

Pendio infinito

Falda al piano di campagna

La condizione di stabilità diventa

Pendio Indefinito

⌘w z

Riccardo Rigon

Minimal Hydrology

Poichè il peso specifico del Suolo/Sedimento/Detrito (d’ora

in poi SSD) è attorno a 2, allora con l’informazione

sull’angolo di attrito, siamo in grado di stabilire quali punti

siano anche stabili in condizioni di completa saturazione

Mininal information

Rigon e Lanni

Punti Stabili

Slope-Area

Punti Instabili

Out[548]=

1 10 100 1000 104

Pendenza

Rigon e Lanni

SHA.L.STAB (Montgomery and Dietrich, 1992,1994)

FoS <---- 1

c’ <--- 0

SHALSTAB

Rigon e Lanni

SHA.L.STAB (Montgomery and Dietrich, 1992,1994)

Ovvero un punto è instabile (condizionatamente alla presenza di una falda alla quota relativa )

SHALSTAB

Riccardo Rigon

Minimal Hydrology

si trascura la coesione e si conosce

la posizione della falda,

si è in grado di dire se il punto è instabile per effetto del contenuto

d’acqua.

Mininal information

Rigon e Lanni

SHA.L.STAB Ma come si calcola la posizione della falda ?

Sostituita l’espressione sopra in quella della slide precedente

SHALSTAB

Rigon e Lanni

SHA.L.STAB Stabilità condizionale

Stabili

Instabili

Aree condizionatamente

SHALSTAB

Out[548]=

1 10 100 1000 104

Pendenza

Rigon e Lanni

La Linea verde

s f o r z o

tangenziale

d o v u t o a l

d e f l u s s o

superficiale t i r a n t e

d e f l u s s o

superficiale

Slope-Area

Rigon e Lanni

La Linea verderappresenta una soglia all’erosione

bilancio di massa in

regime stazionario

Slope-Area

Rigon e Lanni

resistenza al moto

Slope-Area

costante di gravità

Rigon e Lanni

numero di Reynolds

Slope-Area

Rigon e Lanni

Con le opportune sostituzioni si ottiene la condizione necessaria per innescare

l’erosione:

Slope-Area

dove e c sono due coefficienti empirici

Rigon e Lanni

Tutto insieme

EROSIONEINSATURO

AREE INSTABILI

SATURO

NO EROSIONE

AREE STABILI

Slope-Area

Out[548]=

1 10 100 1000 104

Pendenza

Rigon e Lanni

Si noti che le considerazioni precedenti valgono

separatamente per ogni punto del pendio, in quanto le curve

di separazione sono diverse da punto a punto (anche se nei

lavori in letteratura, per esempio tutti i punti di un versante

sono tracciati sullo stesso grafico. Per ogni area omogenea.

Slope-Area

Riccardo Rigon

Assegnato il punto

Traccio le linee separatrici nel piano pendenze aree

Le condizioni di stabilità sono determinate

ripeti per ogni punto

Slope-Area

Rigon e Lanni

Just SHALSTAB

Oltre alle grandezze morfologiche: A, b,

Si mappa l’angolo di attrito

Si mappa

SHALSTAB again

Rigon e Lanni

Just SHALSTAB

Rimane da determinare Tk/rp che, dal punto di vista di SHALSTAB e’ un unico parametro.

In pratica questo diventa un parametro di taratura

SHALSTAB again

Rigon e Lanni

Just SHALSTAB

Anche se, in letteratura, vi sono tentativi di determinare TK sulla base dell’analisi

dei suoli o dei detriti presenti e rp sulla base delle precipitazioni antecedenti,

mediate su un certi intervallo temporale.

Ma questo ha solo un valore euristico.

Da un altro punto di vista , si può pensare di considerare la trasmissività

(Mappa dello) spessore dei suoli(Mappa della) conducibilità idraulica

a saturazione

SHALSTAB again

Rigon e Lanni

Just SHALSTAB

Bisognerebbe considerare poi che dove non c’e’ detrito/sedimento ...

non cè’ nulla da portare via.

Torrente Canali

ioSHALSTAB again

Rigon e Lanni

SHALSTAB

SHALSTAB again

Rigon e Lanni

SHALSTAB

Dopo aver consultato il genio della lampada e

combinato le varie mappe mostrate nelle slide

precedenti

SHALSTAB again and a little of magic

Rigon e Lanni

SHALSTAB

Si selezionano i volumi di sedimento che

possibilmente possono fluire nell’alveo

Rigon e Lanni

Si può tentare di usare questa informazione

Per alimentare dei modelli di propagazione del sedimento, o semplicemente, usare

l’informazione così com’è, se serve.

Potremmo terminare qui, ma si possono tentare di fare alcune ulteriori

considerazioni

Rigon e Lanni

Precipitazioni

110 mm/day no cohesion

Generalizzazioni di SHALSTAB e osservazioni

Rigon e Lanni

Precipitazioni

Usando precipitazioni

ragionevolmente intense i nostri

b a c i n i a l p i n i t e n d o n o a

presentare aree di instabilità

t r o p p o e s t e s e p e r e s s e r e

realistiche

Rigon e Lanni

Ragionevolmente

questo è il pattern di

instabilità che si

ottiene.

Rigon e Lanni

Se si introduce la coesione

Rigon e Lanni

10 mm/day cohesion

Rigon e Lanni

Varie altre questionilegate alla mappatura del pericolo

Il reticolo idrografico estratto dai DTM ufficiali NON coincide con con quello estratto dal DEM

In blu il reticolo

u f f i c i a l e d e l l a

P.A.T. ( formato

shape) ed in rosso

la rete estratta dal

DTM a 5x5m.

Rigon e Lanni

Anche i rilievi laser-altimetrici possono presentare degli errori

Rigon e Lanni

La determinazione quantità di suolo/sedimento/detrito disponibile

al trasporto richiede analisi geologiche e geofisiche normalmente non

disponibili (e soprattutto che le amministrazioni non si rendono

conto di dover produrre o considerare)

Rigon e Lanni

Usereste SHALSTAB in terreni argillosi ?

(vedi Appennino Emiliano)M

Argille - Courtesy of M. Berti

Rigon e Lanni

Q: Usereste SHALSTAB in terreni argillosi ?

(Si vedano i lavori di Matteo Berti)

A: In terreni argillosi l’acqua praticamente non si muove lateralmente.

La falda si trova in posizioni approsimativamente stabili che rispecchiano

l’andamento stagionale/climatico delle precipitazioni. In Appennino la falda è

spesso prossima alla superficie (il terreno è completamente saturo o quasi).

Le condizioni di stabilità sono praticamente ben definite e variano di poco, in

dipendenza dell’infiltrazione verticale (che avviene anche attraverso crack e

macropori).

E’ questa infiltrazioni che causa i successivi riattivarsi delle frane.

Argille - Courtesy of M. Berti

Rigon e Lanni

Q: Conta di più l’infiltrazione verticale o la redistribuzione laterale ?

(Si vedano vari contributi di Montgomery-Dietrich, R. Iverson e D’Odorico et al.,)

Hanno ragione Bill e David ? O Dick ?

Rigon e Lanni

Q: Conta di più l’infiltrazione verticale o la redistribuzione laterale ?

(Si veda Lanni et al. 2010 ... quando riusciremo a finirlo)

A: La risposta in generale è: dipende!

•Dalla conducibilità dei suoli

•Dalla pendenza

•Dal volume d’acqua precedentemente presente nel versante

Rigon e Lanni

Q: Esistono modelli idrologici e di Franamento più completi di SHALSTAB

o BTW di TRIGRS ?(Quest’ultimo di Baum et al. 2002)

Rigon e Lanni

snow, ice, permafrost

water cycle

shallow landslides

A: This is it !

Rigon e Lanni

Grazie per l’Attenzione

Grazie-Grazie-Grazie

Rigon e Lanni

Tabella dei simboli

20- hillslope stability

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