Reologia e dinamica di propagazione delle colate detritiche: analisi e modellazione a diversa scala

This research focuses on small scale laboratory tools to characterize the rheological behavior of the matrix (maximum diameter of sediment analyzed equal to 19 mm) of real debris flows affecting Eastern Italian Alps. The main aim is to define novel, easily reproducible and low-cost procedures that make available to a wider audience, in particular to the end users of numerical models, this kind of information. The research seeks therefore to delineate a connection between the laboratory data and the numerical models because, as mentioned by Calligaris and Zini (2012), the current main objective of debris-flow modeling is to clearly describe the input variables in order to better understand the formation of debris flow fans and to predict, mitigate or control the hazard posed by these phenomena to communities situated into the mountain areas. This research takes into account monophasic numerical models because of their widespread and proven efficiency (Rickenmann et al., 2006; Bisantino et al., 2009; Calligaris and Zini, 2012). Summarizing, the detailed aims of this research are: - Debris-flow behavior investigation through small scale laboratory tools and original and easily reproducible procedures; - Identify methodologies for applying the laboratory data to the numerical modeling and to calibrate the rheological parameters; - Verify the methodologies identified through a performance analysis of numerical simulations of real and well documented debris flows. Initially, the objectives have been pursued through a literature review focused, in particular, on the methodologies for analyzing debris-flow behaviors. In the following laboratory investigation, the results of two different tools are displayed: the vane spindle rheometer Brookfield DVIII Ultra and the tilting plane rheometer of the Institute for Hydrological and Geological Protection of the Italian Research Council (CNR IRPI) (D’Agostino and Cesca, 2009-a; D’Agostino et al., 2010). Moreover, a standard and easily repeatable procedure, based on the two-dimensional simplification suggested by Hungr (1995), is proposed to estimate the mean basal shear stress, which develops during the runout phase. Interesting considerations about flow regime and depositional features have been achieved thanks to the velocity recorded in the tilting plane laboratory test. Considering the definition of procedures to calibrate the rheological parameters, two approaches have been proposed. The first is based on the tilting plane rheometer results while the second uses the relation between magnitude and debris-flow mobility (Rickenmann, 1999; Lorente et al., 2003) and a specifically-shaped index. In the last part of the research work, a performance analysis about two monophasic numerical models is presented. The compared models are FLO-2D (O’Brien et al., 1993) and RAMMS (Rapid Mass MovementS, Christen et al. 2010). The models have been tested in the simulation of some debris flows with heterogeneous characteristics: different rheological behavior, magnitude and topographic situation. The efficiency of the laboratory tests in the calibration of the rheological parameters of the model has been also investigated through this performance analysis. The output of the model has been assessed through two indexes: the first analyzes the positive accuracy (Scheidl e Rickenmann, 2010), whereas the second expresses the model efficiency quantifying the excess deposit simulation.

Il lavoro di ricerca, presentato in questo elaborato di tesi, riguarda lo studio della reologia delle colate detritiche attraverso indagini di laboratorio a piccola scala che permettono la caratterizzazione di miscele di acqua e sedimento che riproducono la fase matriciale e una parte della frazione solida (massimi diametri utilizzati in laboratorio pari a 19 mm) di colate detritiche verificatesi nelle Alpi e Prealpi orientali italiane. L’obiettivo è individuare procedure innovative, facilmente riproducibili e a basso costo per la definizione delle caratteristiche reologiche e fisiche che descrivono la dinamica delle colate detritiche, in modo da rendere disponibile questa tipologia di indagine a un pubblico più vasto e in particolar modo agli utenti dei modelli numerici monofasici. Per quanto riguarda i modelli analizzati nello studio, la scelta è ricaduta nei monofasici poiché sono la tipologia di modelli che, ad ora, è maggiormente diffusa e la cui efficacia è stata comprovata in diversi studi scientifici (Rickenmann et al., 2006; Bisantino et al., 2009; Calligaris e Zini, 2012). Il lavoro di ricerca, oltre al mero studio delle caratteristiche reologiche, vuole dare quindi un contributo alla definizione di procedure per la calibrazione dei parametri di input dei modelli numerici in quanto, come descritto anche da Calligaris e Zini (2012), attualmente l’obiettivo fondamentale nel campo dello studio delle colate detritiche è definire chiaramente le variabili di input dei modelli numerici per meglio comprendere la formazione dei conoidi da colata detritica e per predire, mitigare e controllare il pericolo che questi fenomeni hanno nei confronti delle comunità che vivono in questi territori. Riepilogando, gli obiettivi di questo studio sono: - studiare il comportamento delle colate detritiche a piccola scala con l’utilizzo di diversi strumenti, cercando di identificare nuove procedure per la definizione delle caratteristiche reologiche utili anche a fini modellistici; - determinare l’applicabilità dei risultati ottenuti a piccola scala alla scala reale e in particolare nella modellazione numerica delle colate detritiche, e identificare metodologie per la calibrazione dei parametri di input della modellazione numerica; - valutare i risultati ottenuti attraverso la loro applicazione alla modellazione di eventi reali di colata detritica, anche attraverso l’utilizzo di diversi modelli numerici sui quali poter effettuare un confronto ed un’analisi di performance. Gli obiettivi prefissati sono stati raggiunti inizialmente attraverso un’analisi bibliografica dello stato dell’arte concernente la fisica delle colate detritiche e in particolar modo ai metodi utilizzati per la misura delle grandezze fisiche che ne descrivono il comportamento. Le conoscenze acquisite sono state quindi messe a frutto attraverso un’indagine di laboratorio che ha visto l’utilizzo di due diverse strumentazioni per lo studio delle caratteristiche reologiche della frazione più fina che compone colate detritiche reali verificatesi in territorio alpino. Gli strumenti utilizzati sono un reometro con giranti a vano Brookfield DVIII Ultra e il reometro a piano inclinato presente nei laboratori del C.N.R. di Padova (D’Agostino e Cesca, 2009-a; D’Agostino et al., 2010). Oltre all’applicazione di procedure già riportate in letteratura, nell’ambito delle misure con reometro a piano inclinato è stato messo a punto, partendo dalle considerazioni di Hungr (1995), un metodo innovativo per la definizione degli sforzi tangenziali medi agenti al fondo nella fase di arresto di una colata detritica. Successivi test realizzati su piano inclinato, avvalendosi dell’uso di fotocellule per la misura della velocità del fronte del flusso di detriti all’interno di una canaletta, hanno permesso di effettuare interessanti considerazioni sui regimi di flusso che governano la fase di arresto e deposizione delle colate detritiche. Il secondo obiettivo, relativo alla definizione di metodologie per la calibrazione dei parametri di input della modellazione numerica, è stato perseguito attraverso due approcci diversi che prevedono l’utilizzo o meno dei risultati di laboratorio. La prima procedura proposta si basa su prove reologiche su piano inclinato mentre la seconda utilizza la relazione tra magnitudo dell’evento e mobilità già descritta in letteratura (Rickenmann, 1999; Lorente et al., 2003) e un indice reologico realizzato ad hoc. Nell’ultima fase del lavoro di ricerca si è realizzato un confronto e un’analisi di performance su due modelli bidimensionali monofasici, ampiamente utilizzati nel campo della modellazione delle colate detritiche, FLO-2D (O’Brien et al., 1993) e RAMMS (Rapid Mass MovementS, Christen et al. 2010). In questa fase di lavoro è stata valutata l’attendibilità dei due modelli nella modellazione di colate detritiche dalle caratteristiche diverse per comportamento reologico e volumetria in gioco, e nella modellazione di situazioni topografiche diverse (libertà di divagazione del flusso o presenza di opere di trattenuta importanti). In questa fase è stata inoltre valutata l’applicabilità dei test dinamici su reometro a piano inclinato per la calibrazione dei parametri utilizzati in FLO-2D. La bontà dei risultati delle modellazioni è stata misurata sulla base di un confronto tra l’area del deposito reale e quella simulata dal modello attraverso l’applicazione di due indici. Il primo misura l’accuratezza positiva della simulazione (indice utilizzato da Scheidl e Rickenmann, 2010) mentre il secondo, realizzato ad hoc, misura l’efficienza del modello valutando quanto il flusso modellato vada a coprire aree che nella realtà non sono state interessate dalla colata.