UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI SALERNO

FACOLTÀ DI INGEGNERIA

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria per l’ambiente ed il territorio

CORSO DI FRANE

RELAZIONE CASO STUDIO

“MONITORAGGIO CON INCLINOMETRI DELLA FRANA DI CASTELROTTO IN ITALIA” di L. Simeoni e L. Mongiovì (2007)

DOCENTE: STUDENTE:

Prof. Ing. Michele Calvelllo Rinaldi Francesco

Anno accademico 2013/2014

Indice

1. Illustrazione del caso studio................................................................................................................................................... 3Inquadramento territoriale....................................................................................................................................................3Descrizione del fenomeno.......................................................................................................................................................3Monitoraggio del sito.................................................................................................................................................................4

2. Il lavoro degli autori................................................................................................................................................................... 7Elaborazione dei dati della sonda inclinometrica mobile.........................................................................................7Elaborazione dei dati delle sonde inclinometriche fisse............................................................................................8Posizionamento delle sonde inclinometriche in sito...................................................................................................9Registrazione dei dati delle sonde inclinometriche in sito...................................................................................10Approccio statistico per la comparazione dei dati.....................................................................................................11Origine degli errori.................................................................................................................................................................. 12

3. Analisi critica...............................................................................................................................................................................134. Bibliografia...................................................................................................................................................................................14

1. Illustrazione del caso studio

Inquadramento territoriale

La frana di Castelrotto si trova 20 km a nord di Bolzano (Trentino Alto Adige) tra il km 64+500 e 65+500 dell’autostrada del Brennero (A22), nella valle Isarco, la quale è attraversata da un affluente sinistro del fiume Adige. Tale valle rappresenta una delle più importanti vie di comunicazione tra sud e nord Europa; essa infatti ospita l’autostrada A22, la ferrovia e la statale 12 che collega l’Italia con l’Austria attraverso il passo del Brennero.

Descrizione del fenomeno

L’area di studio è approssimativamente di forma triangolare con due lati delimitati da scarpate rocciose di ignimbrite ed il terzo lato dal fiume Isarco, copre un’area di 100.000 m2 ed ha un volume di circa 2,5 milioni di m3. L’area in frana presenta altitudini comprese tra 450 m e 700 m, ha uno spessore

che va da 30 m (parte inferiore) a 60 m (parte superiore), lunga 500 m, larga 600 m ed è inclinata mediamente di 20°.La zona interessata è composta principalmente da una coltre di rocce sedimentarie che ricoprono le unità più antiche, rappresentate dalle rocce ignee e ancora più in profondità da rocce metamorfiche. Il materiale coinvolto è costituito da detriti di tufo e ignimbrite immersi in una matrice limo-argillosa.

Figura 2 Litologia del sito.

Per quanto riguarda la tipologia del fenomeno, in passato si è data molta attenzione al rischio dovuto alla caduta di massi e alle rock avalance, infatti si è puntato alla mitigazione del rischio per questo tipo di pericoli. Dopodiché si è notato nell’ammasso in frana la presenza di piccoli spostamenti che la caratterizzano come frana estremamente lenta. Attualmente, il sito in esame è oggetto di numerosi studi volti alla conoscenza dell’entità degli spostamenti esibiti dal corpo in frana grazie alla fitta rete di monitoraggio presente su di esso.

Monitoraggio del sito

Dal 1997, al fine di ottenere informazioni sulle cinematiche del versante, sono stati misurati gli spostamenti profondi utilizzando una sonda inclinometrica mobile. In particolare sono stati trivellati 10 pozzi nella parte bassa dell’area oggetto di studio dei quali 7 sono stati equipaggiati con tubi inclinometrici (S1, S2, S4, S8, S9, S11, e S12) e 3 con celle piezometriche di tipo Casagrande (S6, S7 e S10). Ulteriori 3 pozzi sono stati trivellati nel tardo 2000 (T8, T11 e T12) equipaggiati con inclinometri per sostituire gli inclinometri S8, S11 e S12 non più utilizzabili e nel 2004 l’inclinometro T12 è stato sostituito dal nuovo inclinometro V12.Dal 2004 inoltre, la rete di monitoraggio è stata ampliata mediante l’istallazione di capisaldi topografici.

In figura sono riportati i grafici relativi agli spostamenti registrati dall’inclinometro S4. È possibile osservare la presenza di due superfici di scorrimento, una posta ad una profondità di circa 36 m, l’altra formatasi nel tardo 2000, ad una profondità di 15 m.

Informazioni relative agli spostamenti registrati da ciascun inclinometro per uno spessore di 150 cm sono riportate nella figura che segue, nella quale questi sono messi in relazione con i dati di pioggia e di direzione.

E’ stato evidenziato che gli spostamenti misurati dagli inclinometri posizionati nella parte nord della frana sono generalmente maggiori di quelli misurati nella parte sud. Inoltre, le direzioni del primo gruppo di spostamenti variano tra 293° a 322° in senso orario dalla direzione nord mentre le direzioni del secondo gruppo variano tra 275° a 285°. Prendendo a riferimento i due inclinometri S4 ed S9 posizionati rispettivamente nella parte alte e nella parte bassa del corpo frana, sono stati misurati i seguenti spostamenti:

- S4: 4,5 cm verso 293°;- S9: 0,9 cm verso 283°.

Gli spostamenti massimi esibiti dal corpo frana risultano essere di circa 1,5 cm in 6 mesi.Confrontando gli spostamenti locali cumulati con le piogge, è stato anche riconosciuto che la frana si riattiva durante la stagione delle piogge. Tuttavia attualmente non è stata trovata alcuna correlazione diretta tra gli spostamenti e le piogge.

L’importanza dell’elemento esposto a rischio, l’autostrada A22 posta ai piedi della frana in oggetto, richiede una conoscenza in tempo reale degli spostamenti. Per tale motivo, nel gennaio 2001 è stato

istallato un sistema di monitoraggio automatico per misurare gli spostamenti della frana e per studiare un modello di evoluzione degli stessi. Tale modello dovrebbe collegare i possibili movimenti con la storia meteorologica ed una volta definito saranno istallati dispositivi per arrestare il traffico quali ad esempio semafori.Il sistema di monitoraggio consiste in:

- sette inclinometri fissi: le sonde inclinometriche sono state poste alla profondità della superficie di scorrimento (da 23 m all’inclinometro T11 a 64 m all’inclinometro S4);

- un’unità di acquisizione dati: CR10X connessa al sistema di monitoraggio che acquisisce dati ogni 15 minuti attraverso un multiplatore per la commutazione del segnale di ciascuno sensore;

- un dispositivo wireless di comunicazione: comunica i dati attraverso un modem GSM remoto connesso al CR10X mediante una porta seriale e due telefoni modem situati rispettivamente all’università di Trento e sull’autostrada.

- pc

Gli inclinometri fissi sono stati istallati nelle verticali già a disposizione del monitoraggio periodico. In particolare è stata istallata una sola sonda inclinometrica fissa per ciascuna verticale in quanto già ben definita la zona di scorrimento dalle precedenti indagini.

2. Il lavoro degli autori

Gli autori L. Simeoni e L. Mongiovì nell’articolo dal titolo “Inclinometer Monitoring of the Castelrotto Landslide in Italy” pubblicato sulla rivista Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering (2007), incentrano il loro lavoro sull’elaborazione dei dati provenienti dal monitoraggio periodico ed in tempo reale (riportati nel precedente capitolo) al fine valutarne l’affidabilità.

Elaborazione dei dati della sonda inclinometrica mobile

Gli autori hanno elaborato i dati provenienti dalla sonda mobile ponendo particolare attenzione alla valutazione della loro affidabilità, respingendo le letture con errori grossolani e valutando la precisione degli spostamenti misurati. Per definire l’evoluzione cinematica della frana occorre infatti valutare preventivamente l’attendibilità delle informazioni riguardanti intensità e direzione degli spostamenti. In particolare per l’elaborazione dei dati gli autori hanno fatto riferimento a letture standard prese su direzione opposte, A0 e A180 sul piano A, B0 e B180 sul piano B (fig 7) che possono essere espresse come segue:

dove A e B sono i veri valori sui rispettivi piani (deterministici);

e sono errori sistematici sui rispettivi piani ( deterministici);

e sono errori random sui rispettivi piani (con distribuzione normale e assunti indipendenti).

La differenza A e B delle letture sul piano A e B e la somma SA e SB sono date da:

La differenza e la somma sono normalmente distribuite con la stessa varianza sullo stesso piano. Per tale motivo può essere utilizzato il criterio di Chauvenet mediante il quale possono essere riconosciuti gli errori grossolaniAd esempio, con riferimento ai valori di sommatoria A riportati in fig 8 per le misurazioni dell’inclinometro T8, gli autori vogliono valutare se il valore sospetto Sp=-28 unita di lettura (punto P) sia frutto di un errore grossolano. Per valutare ciò fanno riferimento al criterio di Chauvenet per il quale il valore sospetto Sp sarà affetto da un errore grossolano se il numero atteso n di SA risulta inferiore a 0,5. Nel caso di P n è 0,02, minore di 0,5 per cui Sp è respinto in quanto si suppone che esso includa un errore grossolano. Gli autori ricalcolando i valori di media e varianza dei dati escludendo i punti soggetti ad errori grossolani stimano l’accuratezza delle misure. In figura 9 si riportano i risultati di alcune misurazioni dell’inclinometro T8 dai quali è possibile vedere la variazione dell’accuratezza degli spostamenti e della direzione in funzione dell’intensità degli spostamenti. In particolare si può osservare che:

- la precisione degli spostamenti è indipendente dall’intensità degli stessi e

varia tra 0,06 e 0,13 mm;- la precisione della direzione è fortemente dipendente dall’entità deli spostamenti, in

particolare minore è lo spostamento minore è la precisione.

Elaborazione dei dati delle sonde inclinometriche fisse

Gli autori hanno elaborato i dati provenienti dalla sonda fissa al fine di utilizzarli per la gestione di un sistema di allarme mediante un modello capace di stimare le caratteristiche cinematiche del movimento. Esso è basato sull’analisi delle serie di dati nel tempo. In figura 11 sono rappresentati spostamenti velocità ed accelerazione rispetto al tempo, ottenuti attraverso l’elaborazione dei dati medi giornalieri forniti dall’inclinometro T8 dal 8 ottobre 2000 all’8 aprile 2003, prestando attenzione al fatto che durante questo periodo gli inclinometri fissi sono stati rimossi quattro volte per eseguire

misurazioni usando la sonda mobile. Per tale motivo gli autori hanno opportunamente scartato i dati restituiti dalle misurazioni con sonde fisse immediatamente successive a quelle effettuate con sonde

mobili. In figura 11 sono riportati i grafici che mettono in relazione la direzione, gli spostamenti, le velocità e le accelerazioni nel tempo. Si vede che i valori iniziali delle direzioni degli spostamenti sono differenti dagli aspettati valori di circa 300° in corrispondenza del quale l’andamento delle velocità assume un trend costante. Per quanto riguarda invece i valori di accelerazione, gli autori reputano che la loro stima non sia affidabile in quanto l’entità degli stessi è talmente piccola da non discostarsi di molto dallo zero; di conseguenza, i valori di direzione di accelerazione sono sparsi su un ampio intervallo e non seguono alcun modello.

Posizionamento delle sonde inclinometriche in sito.

Gli autori forniscono informazioni riguardo il corretto posizionamento delle sonde inclinometriche in sito al fine di utilizzare il sistema di monitoraggio per definire le condizioni di allerta. Le sonde inclinometriche dovrebbero essere posizionate nella zona di rottura dove si registrano i massimi spostamenti. A questo scopo si deve notare che le distanze tra le ruote delle sonde sul posto e quelle mobile sono differenti, e pertanto i massimi spostamenti non possono essere direttamente valutati dalle registrazioni della sonda inclinometrica mobile, ma devono essere valutati con riferimento all’attuale profilo del tubo. Questi profili vengono ridotti in curve che passano per i bordi, superiore e inferiore, della sonda inclinometra mobile (fig 12): è stata usata una poligonale passante per 4 punti per descrivere il profilo del tubo inclinometrico. In figura 13 si riportano gli spostamenti e la profondità dell’inclinometro S4 (calcolata dalla sommità della superfice alla metà della sonda). Questi dati sono rappresentati sia in termini di spostamenti cumulati che parziali. In particolare, il punto di mezzo della sonda inclinometrica fissa è posta a 36,2 m.

Registrazione dei dati delle sonde inclinometriche in sito

Un esempio di registrazione dell’inclinometro sul posto è data in figura 14 per gli assi A e B dell’inclinometro T8.

Dai grafici si osserva:- un periodo (P1): il segnale è disturbato dalla presenza dell’amplificatore del datalogger (alla

fine di questo periodo esso è stato rimosso);- un periodo (P2): il segnale è intorno allo 0 perché un fulmine ha danneggiato l’alimentatore; - periodi in cui il segnale sembra più accurato, ma subisce cambiamenti indicati dalle frecce.

Le frecce chiuse indicano cambiamenti verificatesi dopo misurazioni con inclinometri mobili. È stato rilevato che la rimozione della sonda fissa e la sua sostituzione può causare una variazione del segnale fino a 100 mV dovuta ad un inevitabile piccola variazione di posizionamento delle ruote della sonda nel tubo. Come mostrato nell’ingrandimento in figura 14 lo spostamento non è istantaneo: si è riscontrato che può richiedere un tempo variabile da un'ora a due settimane. Lo spostamento indicato con le frecce aperte in figura 14 si è verificato dopo l’esecuzione di una misura piezometrica. Essa è stata effettuata utilizzando un indicatore di livello dell'acqua, la cui sonda è passata vicino all’inclinometro sul posto.

Gli autori, Simeoni e Mongiovì, inoltre classificano quatto tipologie di disturbi di segnale:- 1: disturbo dovuto al sistema di acquisizione;- 2: errore sistematico associato ai danni del sistema di acquisizione o alla sonda;- 3: errori occasionali dovuti ad azioni esterne previste o riconosciute, come spostamenti causati

dalla rimozione delle sonde fisse per effettuare misure con sonde mobili o per misure piezometriche effettuate tramite un indicatore di livello dell’acqua; e

- 4: errori occasionali dovuti a fenomeni imprevisti e sconosciuti.Disturbi di tipo 1 e 3 sono direttamente introdotti nel modello statistico definito; Simeoni e Mongiovì suggeriscono di riconoscere gli errori di tipo 2 e 4 comparando gli spostamenti stimati dai dati inclinometrici sul posto ai cambiamenti del profilo e alla posizione dove la sonda inclinometrica è fissata. Per rilevare il profilo è stata usata la sonda inclinometrica mobile. La tabella 2 contiene i risultati ottenuti per l’inclinometro T8.

Si è visto che non vi è alcun accordo tra gli spostamenti misurati con sonde sul posto e mobili, nè in grandezza nè in direzione. Le differenze in grandezza sono spesso più grandi di 1 mm, quelle in direzione possono essere più grandi di 90°. È interessante notare che nel primo intervallo di tempo riportato in tabella gli spostamenti della sonda mobile sono il doppio rispetto a quella fissa, sebbene le direzioni siano abbastanza simili. Viceversa, nell’intervallo temporale che va dal 16 dicembre 2002 all’8 aprile 2003 gli spostamenti misurati dall’inclinometro fisso sono simili rispetto a quello mobile, ma le direzioni differiscono di più di 20°. Al fine di ottenere qualche informazione sul confronto tra i dati inclinometrici mobili e fissi, è stato definito un approccio statistico.

Approccio statistico per la comparazione dei dati

L’approccio statistico serve a calcolare la varianza e la tripla deviazione standardSi riportano in tabella 3 e 4 i risultati ottenuti dall’elaborazione dei dati provenienti rispettivamente da sonda mobile e fissa durante due intervalli temporali di riferimento (30 ottobre-16 dicembre 2002 e 16 dicembre 2002-8 aprile 2003); x e y sono le componenti dello spostamento. I dati ai quali si fa riferimento sono quelli riportati in figura 14. Tali dati sono stati elaborati usando il modello statistico definito dagli autori e i risultati degli spostamenti, velocità, e accelerazione sono riportati in figura 11.

Per valutare se la differenza fra i valori registrati dalle sonde inclinometriche mobili e fisse sia dovuta ad eventuali imprecisioni nelle misurazioni, gli autori formulano delle ipotesi che successivamente verificano mediante test di significatività.

Come si può osservare in tabella 5, per l’intervallo temporale 30 ottobre-16 dicembre 2002 l’ipotesi lungo la direzione x è rigettata ad ogni valore di livello di significatività, mentre l’ipotesi lungo la direzione y è rigettata al 5% di livello di significatività. Per l’intervallo 16 dicembre 2002 all’8 aprile 2003 l’ipotesi lungo x non è mai rigettata mentre l’ipotesi lungo y è rigettata a tutti

i livelli di significatività. A conferma dei risultati dei test gli autori evidenziano i risultati in termini di direzioni valutati per l’inclinometro T8. In particolare per tale inclinometro il valore atteso di direzione varia tra 293° e 322°;

- intervallo 30 ottobre-16 dicembre 2002: la direzione calcolata con i dati degli inclinometri sul posto è pari a 355° e si differenzia significativamente dalla direzione aspettata 293-322°, infatti dai test risulta che l’ipotesi lungo x è respinta;

- intervallo 16 dicembre 2002- 8 aprile 2003: la direzione dai dati inclinometrici in sito è 297° e cade all’interno dell’intervallo previsto, infatti dai test risulta che l’ipotesi lungo x non è respinta;

In tabella 7 sono riportate le differenze tra misure con sonde in sito e mobili degli spostamenti, sia per grandezza che direzione, questi sono stati comparati con i valori di accuratezza. Per il primo intervallo di tempo, quando l’ipotesi è stata sempre rigettata per la componente x, entrambe le differenze sono più grandi della precisione. Pertanto, si può sostenere che la direzione di spostamento rappresenta un buon indicatore per verificare l'affidabilità degli spostamenti.

Origine degli errori

Il confronto tra gli spostamenti misurati con la sonda mobile e quella in sito consente di individuare le differenze fra le misurazioni ma non danno informazioni circa la loro affidabilità. Tuttavia, è possibile affermare che se i dati non differiscono in modo sostanziale tra loro, è molto probabile che la misura sia effettivamente corretta; al contrario, se tali differenze risultano rilevanti è possibile solo determinare che almeno un tipo di misura sia affetta da errore o disturbo. Con riferimento alla classificazione degli errori riportata in precedenza, la differenza negli spostamenti valutata per gli intervalli 30 ottobre-16 dicembre 2002 e 16 dicembre 2002 – 8 aprile 2003 potrebbe essere associata a disturbi di tipo 4 (errore nel segnale della sonda inclinometrica fissa). In particolare nel caso dell’intervallo 30 ottobre-16 dicembre 2002, nel giorno 697 è stata effettuata una misura piezometrica calando un indicatore di livello nel tubo che, passando vicino alla sonda inclinometrica, ha disturbato il segnale. Durante il secondo intervallo di tempo non sono state effettuate né misure inclinometriche con sonda mobile né misure piezometriche, per cui non sono note le cause delle anomalie. Inoltre, tre tipi di errori sistematici sono stati riconosciuti da Mikkelsen: la deriva della sensibilità, l'errore di rotazione, e l'errore di posizionamento di profondità. Seguendo i metodi suggeriti da Mikkelsen (2003), sono stati stimati gli errori di rotazione per sapere se potevano essere responsabili della differenza tra gli spostamenti della sonda mobile e fissa. La deriva della sensibilità e l'errore di posizionamento di profondità sono stati assunti nulli. Il primo perché non è stata rilevata deriva durante la calibrazione della sonda, il secondo perché variazioni della lunghezza assiale del tubo e i cambiamenti nella lunghezza del cavo sono improbabili in quanto gli spostamenti sono molto piccoli.

3. Analisi critica

La frana di Castelrotto è un fenomeno a cinematica estremamente lenta con volumi coinvolti molto grandi e risulta essere causa di rischio per l’autostrada A22 sita al piede del versante instabile. Data l’importanza dell’infrastruttura esposta a rischio il sito in esame è oggetto di numerosi studi da parte dei ricercatori dell’Università di Trento i quali, grazie alla fitta rete di monitoraggio presente in sito, hanno valutato le profondità delle superfici di scorrimento e le caratteristiche di spostamento, velocità, accelerazione nonché le rispettive direzioni. Uno degli obiettivi che si vogliono conseguire al fine di ridurre il rischio per i veicoli che transitano lungo l’autostrada A22 è la realizzazione di un modello che leghi il monitoraggio degli spostamenti con quello delle piogge per la definizione di soglie limite rispetto alle quali attivare dispositivi di allerta sul tratto dell’infrastruttura esposta, come ad esempio segnali luminosi. Gli studi condotti, infatti, hanno messo in luce che gli spostamenti esibiti dal corpo in frana aumentano in concomitanza della stagione piovosa; tuttavia l’articolo in esame non affronta tale problematica. Gli autori L. Simeoni e L. Mongiovì nell’articolo dal titolo “Inclinometer Monitoring of the Castelrotto Landslide in Italy” esposto nel presente elaborato, incentrano il proprio lavoro sulla valutazione dell’affidabilità dei dati derivanti dalla campagna di monitoraggio effettuata per mezzo di inclinometri a sonde fisse e mobili. Tale lavoro nasce dalla necessità di strumentare il sito mediante dispositivi di monitoraggio automatici per la realizzazione del modello volto alla definizione delle soglie di allarme di cui sopra accennato. Le sonde inclinometriche fisse tuttavia seppure presentano il vantaggio di essere automatiche, restituiscono dati meno accurati rispetto a quelle mobili; da qui il bisogno di correlare i dati derivanti dalle due diverse tipologie di sonde inclinometriche per la definizione degli errori e la depurazione delle misure dagli stessi. La valutazione dell’accuratezza dei dati, inoltre, assume particolare importanza nel caso della frana in oggetto essendo quest’ultima caratterizzata da spostamenti di piccola entità: per la corretta valutazione dell’evoluzione cinematica del fenomeno infatti, risulta tanto più importante la definizione dell’accuratezza dei dati relativi alla direzione degli spostamenti quanto minori sono gli spostamenti esibiti dal corpo in frana.In un altro articolo dal titolo “ Complementarietà tra i monitoraggi inclinometrico e topografico per l’analisi di stabilità di un versante” gli autori L. Simeoni e G.B.Benciolini hanno esteso tale lavoro analizzando non solo i dati derivanti da monitoraggio profondo ma anche quelli restituiti mediante monitoraggio superficiale. In particolare essi hanno voluto capire se le misure topografiche potessero essere utilizzate per l’individuazione e la valutazione dell’errore sistematico del quale risultano generalmente affette le misure inclinometriche. Gli autori, confrontando gli spostamenti orizzontali valutati mediante monitoraggio profondo e superficiale in corrispondenza del piano campagna, affermano che è possibile stimare gli errori sistematici che caratterizzano le misure inclinometriche e quindi valutare correttamente il cinematismo della frana.Nell’ottica della gestione del rischio della frana di Castelrotto, note le caratteristiche cinematiche del versante grazie alla rete di monitoraggio presente in sito, risulta necessario intervenire mediante opere di mitigazione del rischio. Tuttavia non è possibile agire in sito mediante interventi di tipo strutturale attivi vista la notevole dimensione dell’area interessata dal fenomeno franoso per cui, al fine di ridurre il rischio sarebbe interessante valutare le relazioni che legano gli spostamenti esibiti dal corpo in frana con gli eventi meteorici in modo da valutare delle soglie di allerta mediante le quali attivare opportuni sistemi di allarme.

4. Bibliografia

-Complementarietà tra i monitoraggi inclinometrico e topografico per l’analisi di stabilità di un versante, L. Simeoni G.B. Benciolini (http://www.geologimarche.it/wp-content/uploads/2013/11/SP07-S03_Simeoni.AGI_.IncTopo.pdf)- Monitoraggio di spostamenti e pressioni interstiziali della frana di Castelrotto L. Simeoni (http://www.ing.unitn.it/~simeonil/Seminari/Castelrotto.pdf§)- Inclinometer Monitoring of the Castelrotto Landslide in Italy L. Simeoni, L. Mongiovì.-Frana a cinematica estremamente lenta in una valle glaciale delle alpi centro-orientali L. Simeoni, L. Mongiovì. (http://www.iargperugia.unipg.it/assets/download_file/atti/Simeoni_Lucia.pdf)