Rainfall-Triggered Shallow Landslides in a Large-Scale Physical Model

Shallow landslides studies are usually extended over landscape scale, where the investigations about geotechnical and hydrological properties of the soil are limited to some local points and not sufficient to assure an in-depth explanation of failure trigger. The physics of the phenomenon is thus minimized, and resolution in space and time is maximized. Such as approach can be useful to predict landslide occurrences for emergency purposes, but it is not effective to interpret the real triggering landslide mechanism. A local scale analysis become needed to achieve an understanding of the processes leading to the failure. Specifically, a full comprehension requires to provide experimental data from a carefully monitored and controlled landslide field site. The present study focuses on a large-scale device aimed at simulating shallow landslides triggered by heavy intensity rainfall. The physical model consists of an artificial hillslope built with a reinforced concrete box: the maximum height is 3.5 m, with length of 6 m and width of 2 m, so that a 2:3 slope can be built. On each lateral side of the box, 50 openings closed with screw caps allow the insertion on properly chosen positions of the control instrumentation (6 tensiometers and 6 Water Content Reflectometer sensors). The monitoring network, connected to an automatic acquisition system, was completed by two piezometers, and two stream gages able to evaluate both the surface runoff and subsurface contributions to the total outflow. The work developed in this study concerns the design and the performance analysis of the main features characterizing the large-scale hillslope model, up to the performance of two landslide experiments on a 60 cm thick sandy soil layer. A rainfall simulator was designed and built to reproduce an intensive precipitation causing the soil collapse. It was realized with a one-loop network equipped with spray nozzles appropriately chosen to minimize the surface splash erosion. In such a way the effects induced by the simulator concern infiltration dynamics without generating top erosion, which could introduce further factors of more difficult understanding. The nozzle configurations on the network were chosen to reproduce i) the desired range of the rainfall intensity, varying from 50 to 150 mm/h, and ii) the spatial uniformity of the produced rain. A careful analysis of the rain sprayed by a single nozzle was developed on a prototype, in order to recognize the main variables affecting the nozzle functioning and performance. Further investigations were then carried out to test the performance of the final full-scale version of the rainfall simulator, highlighting its flexibility for the regulation and the control of the generated rain intensity. Depending on the desired rainfall range, four different configurations of nozzles, distinguished by the number of active nozzles and their location, were chosen to cover the required intensity interval. A careful analysis about the drop diameters was conducted by recurring to an oil mixture poured in Petri dishes that were exposed to the rain. The drop size distribution thus collected characterizes the induced rainfall and was used for a numerical simulation aimed at estimating the impact energy of the drops falling on the soil. The proposed model calculates the trajectories of the particles injected by the nozzle using a constitutive law of sphere aerodynamics in a 3D space. As a result, the rainfall potential erosion and its spatial distribution were assessed, highlighting the limited surface erosion generated by the proposed rainfall simulator. In a second step, a suitable device was realized to calibrate the WCR (Water Content Reflectometer) sensors. It consists of a 0.6 x 0.5 x 0.6 cubic meters Plexiglas box containing the soil with the top exposed to rainfall and the bottom sustained by a perforated base. The calibration of the WCR sensors pointed to obtain an effective law for an accurate assessment of the water infiltration evolution in the soil during the landslide experiments. Several tests were performed with varying porosity values of the sand sample placed into the Plexiglas box, where three tensiometers and as many as WCR probes were arranged. The final results suggest a calibration relationship linearly depending on the WCR output signal and porosity. Two experiments on the artificial slope were then performed by applying two different porosities of the soil during the placement. The chosen soil consists of a fine sand with high particle size uniformity. The first porosity was obtained by dumping the sand without applying compacting action, such that the sand was in loose conditions. In a second case, the sand was compacted to yield a dense sand. The two experiments were carried out by applying the rainfall at until the sand collapse. The observation of the experiments and the analysis of the recorded data allow to examine the hydrological dynamics leading to the landslide and the triggering factors. With loose sand, the failure occurred suddenly without warning signs; at the failure, the soil appeared like a viscous fluid and the tensiometers recorded an instantaneous peak of the water pressure head. In the case with dense sand, the failure occurred really slowly, and some local detachments of top layer preceded the advance of the whole sand volume. A numerical model solving Richards equation was used to reproduce the hydrological processes leading to failure in the two experiments. A numerical inverse method was adopted to improve the reliability of the numerical solution with respect to the data recorded from the experiments. The comparison reveals a good agreement between the experimental and numerical results for the loose sand experiment. In the case regarding dense sand, the limits of Richards solution does not allow to reach an acceptable agreement with experimental recorded. The causes might be linked with the affection of the air phase in sand pores and the incipient deformation of the soil matrix at micro-scale.

Le valutazioni di pericolosità sulle frane superficiali sono in genere estese su scala di versante, le cui limitate indagini geotecniche non consentono una caratterizzazione fedele che miri ad una comprensione dettagliata dei fenomeni di innesco. Per tale motivo, i processi fisici considerati nella spiegazione del fenomeno sono spesso riduttivi e tali da consentire una modesta risoluzione sia spaziale che temporale. Tale approccio risulta utile per valutazioni legate alla previsione di innesco, e quindi, correttamente, non necessitano di un’elevata affidabilità nell’interpretazione del fenomeno idromeccanico, ma risultano compatibili con un’analisi sommaria e generalizzata. Tuttavia, un’analisi a scala locale diventa necessaria quando sia richiesta una comprensione dettagliata del fenomeno di innesco che permetta di riconoscere gli elementi, e la loro intensità, nell’innesco delle frane superficiali. Tale esigenza può essere soddisfatta solo riproducendo dati sperimentali raccolti su siti a monitoraggio elevato. Lo studio presente si occupa di un pendio artificiale per la simulazione dei fenomeni di innesco delle frane superficiali determinate da precipitazioni intense. Il modello fisico consiste di un muro di contenimento in calcestruzzo armato: l’altezza massima è di 3.5 m, la lunghezza alla base è di 6 m e la larghezza di 2 m, così da realizzare una pendenza superficiale di 2:3. Su ogni muro laterale, sono applicate 50 forature realizzate mediante tronchetti flangiati che consentono l’inserimento di 6 tensiometri e 6 sonde WCR (Water Content Reflectometer) nelle posizioni desiderate. La strumentazione è completata con 2 piezometri e due pozzetti per la misura delle portate di ruscellamento e sub-superficiale in uscita. Ogni misura viene acquisita e registrata mediante un sistema di acquisizione. Il lavoro sviluppato riguarda la progettazione e l’analisi delle prestazioni dei principali dispositivi impiegati nel modello fisico, fino alla realizzazione di due prove sperimentali su uno strato di sabbia con spessore verticale di 60 cm. Un simulatore di pioggia è stato progettato e realizzato per generare una precipitazione intensa tale da provocare l’instabilità del materiale posato nel modello fisico. Il simulatore consiste in una rete ad anello chiuso sulla quale sono distribuiti degli ugelli appositamente scelti per evitare erosione sulla superficie del terreno dovuta all’impatto delle gocce erogate. In questo modo gli effetti indotti dalla precipitazione si riconoscono nei soli fenomeni di infiltrazione, senza innesco di processi erosivi che potrebbero aggiungere fenomeni di difficile comprensione. Le configurazioni degli ugelli distribuiti sul simulatore vengono scelte per coprire i) il campo desiderato delle intensità di pioggia, variante tra 50 e 150 mm/h, e per assicurare ii) un’elevata uniformità spaziale della precipitazione prodotta. Un’attenta analisi è stata svolta per caratterizzare un singolo ugello mediante un apposito dispositivo, così da individuarne le principali variabili caratterizzanti il funzionamento e le prestazioni. Successivamente, l’indagine sperimentale è stata concentrata sulla versione finale del simulatore di pioggia, al fine di definire le modalità di gestione e di regolazione della precipitazione riprodotta. A seconda del campo di intensità desiderato, quattro differenti configurazioni di ugelli, distinte per il numero e la posizione degli ugelli attivi, sono state individuate per ricoprire l’intervallo totale di intensità da 50 a 150 mm/h. Inoltre, è stata eseguita un’analisi per valutare i diametri delle gocce erogate mediante olio ad alta viscosità versato in dischetti Petri esposti alla pioggia artificiale. La distribuzione dei diametri così ottenuta è stata successivamente impiegata in un modello numerico per stimare la distribuzione dell’energia di impatto delle gocce sul suolo. Il modello numerico proposto calcola la traiettoria delle particelle erogate dall’ugello mediante una legge costitutiva basata sull’aerodinamica di sfere nello spazio 3D. I risultati hanno posto in evidenza la limitata erosione superficiale determinata dalla precipitazione erogata. È stata poi realizzato un dispositivo per la calibrazione delle sonde WCR (Water Content Reflectometer), impiegate per la stima del contenuto volumetrico d’acqua del terreno. Il dispositivo consiste in un contenitore in Plexiglas di dimensione interne pari a 0.6 x 0.5 x 0.6 m3, contenente il suolo che risulta libero nella parte superiore e, alla base, trattenuto da una piastra forata. La procedura di calibrazione delle sonde WCR ha mirato a definire una legge per una stima accurata dei processi di infiltrazione nel suolo durante gli esperimenti di frana. Numerose prove sono state quindi condotte variando, rispettivamente, la porosità del provino di materiale posato nel contenitore; le caratteristiche del suolo erano costantemente monitorate da 3 tensiometri infissi e da altrettante sonde WCR. Il risultato finale ha restituito una legge di calibrazione dello strumento linearmente dipendente dal segnale di uscita della sonda WCR e anche dalla porosità del terreno. Due esperimenti sul modello fisico di frana sono stati quindi realizzati su uno strato di materiale con due rispettive porosità. Il materiale impiegato consiste in una sabbia fine con distribuzione granulometrica molto uniforme. In un primo caso la sabbia è stata posata senza introdurre azioni di compattazione, a meno di una leggera battitura sulla superficie per evitare eccessive deformazioni successive alla precipitazione. In un secondo esperimento, la sabbia è stata invece posata e compattata per strati successivi, così da raggiungere uno stato addensato. I due esperimenti sono stati rispettivamente eseguiti applicando un’intensità di precipitazione pari a 150 mm/h fino a collasso avvenuto. Le modalità di innesco osservate e l’analisi dei dati raccolti permettono di individuare gli elementi idrologici che determinano il collasso in entrambi i casi, mettendo anche in rilievo le diversità. Con sabbia sciolta, il collasso si verifica istantaneamente, senza segni premonitori che avvertano dell’imminente frana. All’innesco, il volume di terreno ha assunto le sembianze di un fluido ad alta viscosità, e i tensiometri installati registrano un picco istantaneo di pressione idraulica. Nel caso di sabbia addensata, il collasso avviene molto lentamente ed è preceduto da distacchi localizzati di strati sottili di terreno. Un modello per la risoluzione dell’equazione di Richards è stato impiegato per riprodurre le dinamiche idrologiche che determinano l’innesco delle frane nei due casi distinti. Si è ricorso, inoltre, ad una procedura inversa per migliorare l’affidabilità della soluzione numerica rispetto ai dati sperimentali registrati durante le prove di frana. Il confronto esprime un’elevata corrispondenza tra dati numerici e sperimentali nel caso di sabbia sciolta. Nel secondo caso con sabbia addensata, le ipotesi del modello di Richards non sono sufficienti per raggiungere una corrispondenza accettabile con i dati sperimentali. Le cause possono ritrovarsi nell’influenza che la fase gassosa contenuta nei pori può determinare, nonché le deformazioni incipienti a micro-scala che si manifestano durante l’esperimento.