Grandi frane: la rupe di San Leo

10/10/2014
CAMBIAMENTO CLIMATICO, ACQUE E DISSESTO IDROGEOLOGICO
Grandi frane: la rupe di San Leo (RN)
Prof.ssa Lisa BORGATTI
Università di Bologna
DICAM Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali
San Leo
Calcari di San Marino e
arenarie della Formazione del
Monte Fumaiolo
Placca di San Leo
(ortofoto, 2007)
«Argille Scagliose»
1
10/10/2014
San Leo
Modello evolutivo di Cancelli e Pellegrini (1987)
PLACCA ROCCIOSA -> LATERAL SPREADING con crolli e ribaltamenti ai margini della placca
SUBSTRATO ARGILLOSO -> movimenti plastici e lenti (colate e scivolamenti)
CAUSE:
• contrasto di rigidità tra la ammasso roccioso e il substrato argilloso
• stress tensionali nell’ammasso roccioso
• grado di fratturazione dell’ammasso roccioso
• flusso delle acque sotterranee all’interno della placca
• frane per colata alla base della placca e progressivo scalzamento al piede
Franosità storica
Vista da
Sant’Igne e
Acquerello di
Mingucci (1626).
1a: Porta di Sotto;
1b: ponte levatoio;
2: larga porzione di
terreno franata; 3:
attuale bordo della
placca; 4:quartieri
scomparsi.
Benedetti et al. (2013); Guerra e Nesci (2013)
2
10/10/2014
Franosità storica
Acquerello di
Mingucci (1626)
e stampa di
Bleau (1633)
1a: scarpata; 2:
deposito.
Benedetti et al. (2013); Guerra e Nesci (2013)
Stampa di
Mortier
(1700)
Tanzini (2011)
Franosità storica
Schizzo
(dal 1748 al 1757)
Si individuano due
frane nel lato nord
della placca rocciosa.
Archivio Storico
Comunale di San Leo,
Carteggio, c.13 f.
4.12.
Benedetti et al. (2013)
3
10/10/2014
Franosità storica
Benedetti et al. (2013)
Vista da incrocio Fornace – Sant’Igne e foto di Cassarini (1894)
1: blocco crollato; 2: blocco spostato;
3: blocco non spostato; 4: blocco ruotato
Franosità storica
Vista da Le Celle e
foto di Belli 1920–
1930.
A: area
confrontabile; 1:
bordo della scarpata
attuale; 2: contatto
calcareniti-argilliti;
3: corpo di frana;
4: settore crollato
Benedetti et al., 2013
4
10/10/2014
Franosità storica
Fotografie della rocca
a. Anni ’30
b. Prima del 1949
c. 1949
d. Schema delle discontinuità
Da Tanzini (2011)
Franosità storica
Vista da
Sant’Igne e foto
di Marchini
(1946-1950).
1: blocco crollato;
2: blocco spostato
e/o ruotato;
3: blocco non
spostato
Benedetti et al., 2013
5
10/10/2014
Franosità storica
Fotografie
della rocca
a. 1962
b. Anni 70
Da Tanzini (2011)
Franosità recente
Evento dell’11 Maggio 2006
Crollo
(50.000 m3)
Rio Maggio
Un crollo di roccia
ha interessato il
lato nord della
placca, innescando
una colata di terra
e riattivando uno
scivolamento di
terra alla base
della parete
stessa.
Scivolamento/colata
di terra riattivato
Colata di terra
Vm = 4.2 cm/h – 1.0 m/d
2006 landslide in San Leo, Benedetti et al., 2011
6
10/10/2014
Franosità recentissima
Il 27 febbraio
2014 un crollo
in roccia ha
interessato il
lato nord est
della placca
rocciosa.
Circa 330.000
m3 di materiale
si sono staccati
da una parete
subverticale,
alta 100 m, su
un fronte di
300 m.
Franosità recentissima
Il crollo ha
causato la
retrogressione
della scarpata
principale,
mettendo a
rischio alcune
abitazioni ed
edifici
pubblici, che
sono stati
evacuati a
seguito della
promulgazione
di una ordinanza
e di piano di
protezione civile
Foto Servizio Tecnico di Bacino della Romagna
7
10/10/2014
Crollo del febbraio 2014
Borgatti et al., submitted
Crollo del febbraio 2014
Borgatti et al., submitted
8
10/10/2014
San Leo
Modello evolutivo di Cancelli e Pellegrini (1987)
PLACCA ROCCIOSA -> LATERAL SPREADING con crolli e ribaltamenti ai margini della placca
SUBSTRATO ARGILLOSO -> movimenti plastici e lenti (colate e scivolamenti)
CAUSE:
• contrasto di rigidità tra la ammasso roccioso e il substrato argilloso
• stress tensionali nell’ammasso roccioso
• grado di fratturazione dell’ammasso roccioso
• flusso delle acque sotterranee all’interno della placca
• frane per colata alla base della placca e progressivo scalzamento al piede
Lavori in corso…
1. Modello geologico
di riferimento
3.
Caratterizzazione
dei materiali
2. Caratterizzazione
dell’ammasso
roccioso
6. Modello
geotecnico e
numerico
4. Modello
idrogeologico
5. Spostamenti
• Comprensione dei principali fattori che influenzano la stabilità del sistema e
delle loro interazioni;
• Ipotesi sull’evoluzione dei fenomeni di instabilità a lungo e breve
termine
• Misure di mitigazione?
9
10/10/2014
1. Modello Geologico
Landuzzi (2012)
E’
D’
D
E
Badioli (2012)
1. Modello Geologico
E’
D’
D
E
Badioli (2012)
10
10/10/2014
2. Caratterizzazione dell’ammasso
roccioso: raccolta dei dati
Rilievo tradizionale
Fotogrammetria
Close-Range
TerrestrialLaserScanner
2008 e 2011 Scans
2013 Scans
2. Caratterizzazione dell’ammasso
roccioso: analisi dei dati
IMMERSIONE
INCLINAZIONE
TLS e
fotogrammetria
close range
PERSISTENZA
Identificazione
delle
famiglie di
discontinuità
Analisi
cinematiche e
analisi di
stabilità
DIPS
SWEDGE
(Rocscience)
SPAZIATURA
LUNGHEZZA MEDIA
COLTOP 3D
(Jaboyedoff et al. 2004),
POLYWORKS
(Innovmetric)
JOINT ROUGHNESS
COEFFICIENT
Rilievo
tradizionale
Parametri
meccanici
delle discontinuità
JOINT COMPRESSION
STRENGTH
APERTURA
RIEMPIMENTO
11
10/10/2014
Dal TLS: individuazione delle famiglie
di discontinuità e analisi cinematica
a) Nuvola prima della frana 2014
b) Nuvola dopo la frana 2014
Analisi in COLTOP
Viste della nuvola di punti con i
software utilizzati per le analisi
(Polyworks e COLTOP)
Dal TLS: volume della frana del 2014
Scansione pre
frana
Differenza tra le
superfici prefrana e post-frana
proiettata sulla
nuvola di punti
della scansione
post frana.
Scansione post
frana
@DICAM UNIBO
Laboratorio di
Rilievo e
Geomatica LARIG
In blu e viola le aree di distacco,
in rosso e giallo le aree di
accumulo
12
10/10/2014
Dal TLS: sezioni pre e post frana
Scansione pre frana
Scansione post frana
Sezione
3
Sezione
3
Sezione
17
Sezione
17
Dal TLS: dimensioni dei blocchi del
deposito di frana
300 blocchi mappati (33,3% del volume totale)
larghezza
3.3
max
30.7
min
0.4
90
• Lunghezza
• Larghezza
• Valore medio
80
70
Numero di misure
lunghezza
6.4
60
50
40
30
20
10
0
1
3
5
7
9
11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31
Dimensione (m)
Lunghezza del lato equivalente (m)
0
5
10
15
20
25
30
100 1
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1
% di volume inferiore a
% di blocchi con lato medio superiore a
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
10
10
100
1000
10000
100000
Volume del blocco (m3)
13
10/10/2014
3. Caratterizzazione dei materiali
Calcareniti e arenarie (Formazioni di S.
Marino e Monte Fumaiolo) @ DICAM
UNIBO Laboratorio di GeoIngegneria e
Risorse Naturali LAGIRN
Argille varicolori @ Ruhr Universitaet,
Bochum (D)
4. Modello idrogeologico
14
10/10/2014
4. Modello idrogeologico
Superficie piezometrica media
Rilievo
delle
sorgenti
- Dati di pioggia
- Dati climatici
- Dati di copertura
del suolo
FEFLOW
Equivalent
Porous Medium
(EPM) approach
Variazione della
superficie piezometrica
nel periodo antecedente
alla frana del 2014
Valori iniziali di permeabilità e
immagazzinamento
equivalenti da rilievo
geomeccanico
- Dati di monitoraggio
delle sorgenti in
continuo
- Livello della falda da
misure in foro di
sondaggio
Calibrazione con dati di
monitoraggio
5. Spostamenti: analisi interferometrica e
rilievo delle deformazioni sugli edifici
Movimenti delle placche rocciose della Valmarecchia (RM)
Dati interferometrici (PST):
• ERS periodo 1992-2000
• Envisat periodo 20032008
Rilievo di deformazioni
sugli edifici
2
PS Time (Berti et al., 2013)
5
15
10/10/2014
6. Modellazione numerica
1. FLAC 3D
- comportamento della placca rocciosa
- ruolo del contrasto di deformabilità
- evidenze morfologiche e lineamenti strutturali
Geometria semplificata
-
2. PHASE 2
Back analysis della frana del 2014
Erosione e rimaneggiamento nelle argilliti basali
Frattura principale
Frannturazione dell’ammasso
Geometria reale
3. 3DEC
- Simulazione 3D della frana del 2014
- Ruolo delle famiglie di discontinuità
- differenti strategie per inserire le discontinuità
3DEC con geometria reale e 3 famiglie di
discontinuità fully persistent
3DEC con geometria reale e tre famiglie di
discontinuità a grado di persistenza differente
@ Simon Fraser University, Vancouver, BC, Canada
Lavori in corso…
1. Modello geologico
di riferimento
3.
Caratterizzazione
dei materiali
2. Caratterizzazione
dell’ammasso
roccioso
6. Modello
geotecnico e
numerico
4. Modello
idrogeologico
5. Spostamenti
• Comprensione dei principali fattori che influenzano la stabilità del sistema e
delle loro interazioni;
• Ipotesi sull’evoluzione dei fenomeni di instabilità a lungo e breve
termine
• Misure di mitigazione?
16
10/10/2014
Lavori in corso…
dopo la frana del 2014
1. Modello geologico
di riferimento
3.
Caratterizzazione
dei materiali
2. Caratterizzazione
dell’ammasso
roccioso
6. Modello
geotecnico e
numerico
4. Modello
idrogeologico
5. Spostamenti
• Comprensione dei principali fattori che influenzano la stabilità del sistema e
delle loro interazioni;
• Ipotesi sull’evoluzione dei fenomeni di instabilità a lungo e breve
termine
• Misure di mitigazione?
6. Modellazione numerica
Foto di C.C. Lucente (2013)
Quale è il ruolo del rimaneggiamento
e della erosione delle argilliti alla
base delle pareti rocciose?
17
10/10/2014
Quale è il ruolo del
rimaneggiamento e della erosione
delle argilliti alla base delle pareti
rocciose?
• Sorgenti
• Colate di terra
• Erosione a rivoli e diffusa
• Piping
• Pseudo carsismo
6. Modellazione numerica: Phase2
Analisi a ritroso del crollo del 2014
a. Sottoescavazione al piede dell’ammasso roccioso
b. Frattura principale in coronamento
c.
Livello di argille rimaneggiate alla base della placca
d. Falda acquifera ospitata nella placca
e. Famiglie di discontinuità
Sezioni pre e
post frana da
rilievo TLS
18
10/10/2014
Phase2: Sezioni analizzate
Sezione 3
Sezione 3
Sezione 17
Sezione 17
a. Rimozione progressiva di livelli di argilliti per
simulare l’erosione
Sezione 3
19
10/10/2014
a. Rimozione progressiva di livelli di argilliti per
simulare l’erosione
Sezione 3 – Modello di base
b. Rimozione progressiva di livelli di argilliti per
simulare l’erosione + frattura principale
Sezione 3, stage 14
20
10/10/2014
b. Rimozione progressiva di livelli di argilliti per
simulare l’erosione + frattura principale
Stage 11
Stage 12
Stage 13
Stage 14
b. Rimozione progressiva di livelli di argilliti per
simulare l’erosione + frattura principale
Shear Strength Reduction Factor
Sezione 3
1,6
6
1,4
7
1,2
8
9
10
SRF
1
11
12
13
14
15
16
0,8
17
18
19
ssr area
0,6
0,4
0,2
0
0
5
10
15
20
meters of removed clay
25
30
35
21
10/10/2014
c. Rimaneggiamento delle argilliti basali
+ frattura principale
50 m
5m
25 m
10
m
Sezione 3
c. Rimaneggiamento delle argilliti basali
+ frattura principale
10 m
25 m
50 m
22
10/10/2014
60%
70%
80%
85%
Alterazione spinta
50 metri all’interno
della placca,con
progressivo
aumento del grado
di alterazione
90%: il modello
90%
non converge
c. Rimaneggiamento delle argilliti basali
+ frattura principale
70%
80%
Alterazione
diffusa
all’interno
della placca
85%
90%
23
10/10/2014
Conclusioni
• La città di San Leo convive con fenomeni di instabilità dei versanti
documentati da diverse centinaia di anni;
• I fenomeni franosi che si verificano attualmente ricalcano gli eventi
storici in quanto a tipologia e magnitudo;
• La frequenza dei fenomeni storici più rilevanti appare essere legata
a condizioni climatiche avverse, verificatesi durante la Piccola Età
Glaciale;
• La frana del 2014 segue anni caratterizzati da importanti nevicate
tardive ed eventi piovosi intensi;
• Dati topografici, geologici, geomorfologici, idrogeologici,
geomeccanici etc. sono stati interpretati in un modello geologico
di riferimento che è la base per un modello numerico che indaga
le cause predisponenti e innescanti dei fenomeni a medio e
lungo termine;
• Il ruolo delle argilliti basali appare fondamentale
nell’evoluzione dei fenomeni di instabilità dei versanti, sia
dal punto di vista idrogeologico che meccanico.
Grazie della vostra attenzione e…
molte grazie a:
Gianluca Benedetti, Paolo Berry, Gabriele Bitelli, Mario Gabrielli, Cristiano Guerra,
Alberto Landuzzi, Claudio Corrado Lucente, Gianfranco Marchi, Olivia Nesci,
Luigi Perotti, Gian Andrea Pini, Roberto Romeo, Tom Schanz, Doug Stead
e tanti tanti altri, non ultimo Maurizio Pellegrini
Lisa Borgatti, Federico Cervi, Alberto Landuzzi,
Francesca Petronici & Margherita Cecilia Spreafico
DICAM
Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali
ALMA MATER STUDIORUM Università di Bologna
Viale Risorgimento, 2 40136 Bologna
tel. 051-2093103
fax 051-2093114
skype lisaborgatti
email [email protected]
www.dicam.unibo.it
24
10/10/2014
Franosità recentissima
25
10/10/2014
3. Caratterizzazione dei materiali
Caratterizzazione delle argilliti
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Distribuzione granulometrica
Contenuto d’acqua
Porosità
Densità
Permeabilità
Suzione in situ
Limiti di Atterberg
Curva caratteristica SWCC
Prova di taglio
Edometro
Clay-shale: Laboratory test
TEST
Initial state
Loading conditions
Device
Duration of
the test
saturated
permeability
(constant head test,
constant gradient)
undisturbed sample
hydraulic gradient:
confining pressure: 50kPa (1) and 2400 kPa (2)
Triaxial cell (1),
Mr.Agus multipurpose
cell (2)
1-2 weeks
Oedometer (collapse
test)
undisturbed sample
(in-situ water content)
1. consolidation: 9.37-18.75-37.5-75-150
2. add water
3. continue loading steps: 300-600-800
Standard Oedometer
cell
1-2 weeks
samples can get water from
the bottom
Oedometer
(Determination of
Stiffness)
undisturbed sample
(saturate before loading)
(test1) max sig.v=1000 kPa
unloading at 200 kPa
(test2) max sig.v=25 MPa
unloading at 1000 kPa
Standard Oedometer
cell
High stress cell
3 weeks
3 weeks
(1) 12.5-25-50-100-200-5012.5-25-50-100-200-400800-(1000)
(2)12.5-25-50-100-200400-800-200-50-100-200400-800-1600-2400-36005400-8100-12150-1822525000
In-situ suction
undisturbed sample
Aqualab
1/4 h
Pressure plate (axis
translation technique)
+ vapour equilibrium
technique (VET)
several
months
Notes
SWCC determination
undisturbed sample
ATT: 10-50-250-500-1000-1500 kPa
VET:2-10-22-37-80-220 MPa
Shear test (in sito
suction)
undisturbed sample
(test1) sigv=405-716-1120 kN/m2
(test2) sigv=50-100-150
1 week for
each test
apply in sito suction before
shear test
Shear test for
residual parameters
saturated condition,
disturbed sample, same
density of undisturbed
sample
consolidate, than unload the sample
1. consolodation phase (max 1120 kN/m2)
2.unloading
3.reload to 50 kPa
4. shearing at 50 kPa
3 days
to get residual parameters
26
10/10/2014
Material Properties
Rock slab properties from RocLab:
Sgci =99
GSI =50
Mi =17
D=0 (peak properties), D=0.7 (residual
properties)
One of the properties that most influences the
behaviour of the model is the rock slab tensile
strength.
With the value determined using RocLab, the model
doesn’t reach the stability:
Clay-shale properties derived from literature
and lab tests.
(Cohesion, friction angle and tensile strenght
increased with deep)
Plastic models
Section 17 not stable, higher parameters until SRF>1
New parameters:
GSI 65
Tensile strength 1,25
27
10/10/2014
Inserting the joint on the
top
Why?
- Similar fractures detected in the post 2014 landslide survey
- In the model the formation of areas with high shear strain values behind the
cliff may lead to the formation of similar fractures
Properties:
Parameters
Enser Lab tests after 2006 landslide:
Friction angle: 17-26 gradi, medio 24 gradi
Residual friction angle: 10-16 gradi, medio 14 gradi
Cohesion: 0-25 kPa, media 10 kPa (0,010 MPa)
Residual cohesion: 0-5 kPa
80% Reduction:
Properties changed in Stage 7
•Young's modulus: 300 MPa (factor = 0.2)
•Peak tensile strength: 0.0096 MPa (factor = 0.2)
•Residual tensile strength: 0.009 MPa (factor = 0.2)
•Peak friction angle: 5.6 degrees (factor = 0.2)
•Peak cohesion: 0.008 MPa (factor = 0.2)
•Residual Friction Angle: 3.92 degrees (factor = 0.2)
•Residual Cohesion: 0.0064 MPa (factor = 0.2)
28
10/10/2014
5. Spostamenti
SISTEMA 101
2 clinometri di superficie
1 fessurimetro
1 inclinometro fisso
2 estensimetri
3 celle di carico
1 piezometro
1 centralina meteo
PERIODI DI MISURA
dal 15/5/04 al 9/5/05
dal 15/9/07 al 17/12/09
SISTEMA 102
4 estensimetri
2 inclinometri fissi a due canali
PERIODI DI MISURA:
dal 18/12/04 al 14/4/05 (solo estensimetri)
dal 21/5/07 al 6/11/07
dal 29/5/09 al 14/11/09
6. Modellazione: FLAC 3D
•
Analisi del comportamento generale della placca
•
Verifica del rapporto tra il contrasto di
deformabilità e lo sviluppo di stress nella placca
•
Inserimento dei principali lineamenti strutturali
Geometria semplificata
3D
CONTINUO
PICCOLA SCALA
Stress nella placca
(sezione) e conseguente
depressione al centro
della stessa (in basso)
Geometria da DTM
Vista della placca dall’alto, y=Nord
FLAC 3D:
intera placca
Phase2: area
del crollo del
2014 (sezione)
Inserimento nel modello
dei lineamenti strutturali
individuati sul terreno e
da foto aeree (sezione)
3DEC: area
del crollo del
2014
CODE_BRIGHT:
area della frana
del 2006
29
10/10/2014
6. Modellazione: 3DEC
•
Simulazione 3D del crollo del 2014 (cinematica del crollo)
•
Ruolo dei sistemi di discontinuità
3D
DISCONTINUO
MEDIA SCALA
•
Effetto del diverso grado di sottoescavazione al piede dell’ammasso roccioso dovuta al flusso dell’acqua
•
Effetto dell’introduzione di sistemi di discontinuità “fully persistent” o con persistenza stimata da rilievi
Grado di escavazione al piede
dell’ammasso roccioso:
-
stimato da rilievo TLS
-
Ipotizzato da modello
idrogeologico
6. Modellazione: CODE_BRIGHT GID
In collaborazione con il
Prof. Tom Schanz,
Ruhr Universitat Bochum
Nguyen-Tuan L., Spreafico M.C., Datcheva M., Borgatti L., Schanz T. , A
coupled hydro-mechanical analysis of slope instability processes in San
Leo (RN, Italy), Proceedings of the 22nd UK Conference of the Association
for Computational Mechanics in Engineering, 2 – 4April 2014, University
of Exeter, Exeter.
•
Effetto della presenza della falda all’interno dell’ammasso
roccioso sulla formazione degli stress
•
Comparazione di due modelli costitutivi viscoplastici basati sul
Modified Barcelona Basic Model (BBM-VP), che tiene in
considerazione il grado di saturazione e sul modello Drucker
Prager (DP-VP), indipendente dalla suzione
•
Comportamento delle argilliti
Impossibile v isualizzare l'immagine.
30

Download Report