Tecniche e metodi, anche innovativi, per lo studio e il monitoraggio dell'instabilità dei versanti
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- Giacinta Pisano
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1 Università degli Studi della Basilicata Facoltà di Ingegneria - Facoltà di Architettura, Matera Tecniche e metodi, anche innovativi, per lo studio e il monitoraggio dell'instabilità dei versanti Matera, 11 Dicembre 2009 Francesco Sdao Facoltà di Ingegneria, UNIBAS
2 Argomenti 1. Fasi, obiettivi e finalità del monitoraggio di un corpo di frana; 2. principali tecniche di monitoraggio dell instabilità dei versanti spostamenti; 3. casi di studio: I movimenti di blocchi nel centro storico di Maratea; i dissesti e i crolli delle miniere di Hogart e di Chuquicamata I dissesti in aree di elevato valore culturale: le chiese rupestri di Matera; La grande frana di Ancona del 13 dicembre 1982
3 FRANE E PATRIMONIO STORICO-CULTURALE Chiesa rupestre Iazzo dell Ofra (Matera) Satriano di Lucania
4 FRANE E PATRIMONIO STORICO-CULTURALE Machu Picchu Tempio di Hatshepsut (Egitto) Santuario La Verna
5 Fasi di studio e di monitoraggio di un movimento di massa RILIEVI ED INDAGINI (dirette o indirette; puntuali e/o areali) ANALISI (elaborazione modelli) INTERVENTI DI CONSOLIDAMENTO MONITORAGGIO MOVIMENTO DI MASSA CONTROLLO EFFICIENZA INTERVENTI
6 Obiettivi del monitoraggio di un corpo di frana 1. caratterizzazione geometrica (estensione, volume) e geomorfologica del corpo di frana (localizzazione e riconoscimento della forma e della tipologia della o delle superfici di rottura); 2. valutazione delle pressioni interstiziali e loro variazione spazio-temporale; 3. definizione dei caratteri di attività del corpo di frana (grado, stile e distribuzione di attività); 4. misura e controllo degli spostamenti superficiali e interni all ammasso dislocato; 5. individuazione delle correlazioni fra spostamenti misurati e principali cause di instabilità (piogge, sismi, azioni antropiche, ecc.); 6. individuazioni di eventuali soglie di allarme ai fini della salvaguardia di uomini e cose; 7. controllo dell efficacia di interventi di consolidamento, sia in corso d opera che successivamente alla loro realizzazione.
7 Tipi di strumentazione e architettura del piano di monitoraggio Il tipo di strumentazione e l architettura del piano di controllo dipendono da alcuni fattori: 1. tipologia di frana e sua evoluzione spazio-temporale; 2. materiale coinvolto (roccia, roccia tenera, roccia sciolta) e caratteri di fessurazione; 3. estensione e volume dell ammasso dislocato; 4. caratteri di velocità ed evoluzione cinematica spazio-temporale; 5. finalità dello studio
8 Tipi di strumenti per il monitoraggio meccanico di un corpo di frana
9 Sistema integrato di monitoraggio. La frana di Ruinion
10 Tipi di misure di spostamento in superficie Misure fotogrammetriche: Fotogrammetria aerea; Fotogrammetria terrestre; Misure topografiche: Livellazioni, triangolazioni, trilaterazioni, distanziometriche. Misure di Remote Sensing: Global Position System (GPS): modalità statica e cinematica Interferometria SAR satellitare o con sensori basati a terra ( LISA, JRC ISPRA); Permanent Scatterers Misure su fratture e piani di discontinuità: Estensimetri; Clinometri; Fessurimetri
11 Tipi di misure di spostamento in superficie Comparazione di DEM multitemporali: GPS cinematico; Laser scanner da terra o aereo; Fotogrammetria digitale.
12 Tecniche di monitoraggio GPS L acronimo NAVSTARGPS corrisponde alla denominazione: NAVigation System with Timing And Ranging Global Positioning System E un sistema di posizionamento costituito da una costellazione di satelliti che emettono incessantemente dei segnali elettromagnetici che possono essere captati e memorizzati da speciali ricevitori a terra e che permettono, mediante sofisticate elaborazioni, di determinare con elevata precisione la posizione occupata dai ricevitori. E un orologio Definizione del GPS: E un sistema di posizionamento globale, cioè un sistema che utilizzando misure di tempo e note le orbite dei satelliti cui queste misure si riferiscono permette di ottenere la posizione di un punto su qualunque posto della superficie terrestre A cosa serve? L utilizzo del GPS permette di assegnare un indirizzo univoco ad ogni metro quadro del Pianeta
13 Il satellite La costellazione GPS Costellazione GPS 24 Satelliti disposti su 6 piani orbitali 4 Satelliti su ogni piano Orbita a Km, 55 Gradi di inclinazione
14
15 Global Positioning Syste Per ricavare la posizione di un punto in assoluto è necessario osservare simultaneamente almeno quattro satelliti per stimare i quattro parametri fondamentali: le coordinate (X,Y,Z) ed il tempo (T)
16 GDOP PESSIMO GDOP BUONO MA PRESENZA DI OSTRUZIONI Componenti del GDOP: PDOP = Position Dilution of Precision (3-D) HDOP = Horizontal Dilution of Precision (Latitudine, Longitudine ). VDOP = Vertical Dilution of Precision (Altezza). GDOP OTTIMALE TDOP = Time Dilution of Precision (Tempo).
17 Posizionamento Differenziale o DGPS Si determina la posizione di un punto rispetto a un altro punto considerato noto. Occorrono almeno 2 ricevitori GPS posizionati sui due estremi della base, che effettuino osservazioni contemporanee ai medesimi satelliti per l intera durata della sessione di misura (decine di minuti ore). Si determina il valore della baseline. 17
18 Metodologie di esecuzione di rilievi GPS La determinazione di una posizione con il sistema GPS può essere effettuta o su punti singoli (posizionamento assoluto) mediante l utilizzo di un solo ricevitore o utilizzando contemporaneamente due (o più) ricevitori (tecnica DGPS, GPS Differenziale) La tecnica utilizzata nella maggior parte delle applicazioni geotopografiche è la tecnica DGPS o del posizionamento relativo. Le procedure operative nella tecnica DGPS sono divisibili secondo lo schema: procedure di rilievo statico: procedure di rilievo cinematico: - rilievo statico - rilievo statico rapido - rilievo stop and go - rilievo cinematico continuo/rtk
19 Rilievo Statico e Statico-Rapido Elementi salienti del metodo statico: 2 ricevitori sugli estremi delle baseline (30 min - qualche ora) almeno 4 satelliti e non perdere il contatto con essi durante la sessione intervallo di campionamento: 5 s per statico rapido a 30 s per rilievi statici di diverse ore MASSIMA PRECISIONE DEI RISULTATI 10-6 D D Il metodo è detto staticorapido se si diminuiscono i tempi di acquisizione a fronte di una minore accuratezza. Dmax = km
20 Rilievo Cinematico GPS cinematico propriamente detto: consiste nel tenere fisso uno dei due ricevitori (base) e nel trasportare il secondo (rover) lungo un percorso da determinare. PRECISIONE: ± 1-5 cm mm/km. Metodo stop and go: i punti da determinare vengono occupati successivamente dal rover tenendolo fermo per un certo tempo. Nel Real Time Kinematic la determinazione della posizione di ciascun punto rilevato viene effettuata direttamente in campagna in tempo reale.
21 Parco Archeologico Storico Naturale delle Chiese Rupestri del Materano MATERA Belvedere delle Chiese Rupestri Complesso monastico di San Nicola all Ofra
22 Parco Archeologico Storico Naturale delle Chiese Rupestri del Materano Gravina e Chiesa Rupestre di Madonna degli Angeli e altre testimonianze rupestri (VIII XIII sec. D.C)
23 Gravina e Chiesa Rupestre di Madonna degli Angeli e altre testimonianze rupestri (VIII XIII sec. D.C)
24 Parco Archeologico Storico Naturale delle Chiese Rupestri del Materano Indagini multidisciplinari compiute: 1. rilievi geologici e geomorfologici di campagna 2. analisi di foto aeree di diversa epoca e scala integrati da indagini geofisiche 3. analisi dello stato di fratturazione 4. analisi cinematica delle condizioni di instabilità mediante il Metodo di Matheson (1983,1989) rivisitato da Hudson e Harrison (1993) Carta geomorfologica e geostrutturale
25 Parco Archeologico Storico Naturale delle Chiese Rupestri del Materano Spiccata instabilità dei versanti che si manifesta mediante crolli, ribaltamenti e scivolamenti di blocchi rocciosi. Complesso monastico di San Nicola all Ofra Blocchi rocciosi calcarenitici in evidente condizione di potenziale instabilità
26 Rete di Monitoraggio Realizzazione di un piano di monitoraggio per il controllo degli spostamenti e dell evoluzione morfodinamica dei movimenti di massa individuati nei siti investigati. Tecniche topografiche tradizionali, rilievi GPS e misure di basi deformometriche. RETE di MONITORAGGIO: 10 punti di controllo (markers a centramento forzato ) 2 CAPISALDI 8 sui blocchi potenzialmente INSTABILI
27 Rete di Monitoraggio Campagna di misure: Luglio 2002 Novembre campagne di misura GPS e 5 di rilievi topografici ❿ VALORI SOGLIA DI SPOSTAMENTO 0,5 cm per le componenti planari 1,0 cm per le componenti verticali Molte stazioni di misura hanno subito spostamenti al di sopra dei valori soglia. L intera area investigata mostra una lenta ma continua attività, con spostamenti variabili da qualche mm/anno a qualche cm/anno; gli spostamenti e le deformazioni subiscono un rapido incremento che genera la rottura dei blocchi. CAPISALDI
28 0,015 0,010 0,005 0,000-0,005-0,010-0,015 Delta Nord w.r.t. Staz.01 Staz. 02 Staz. 03 Staz. 04 Staz. 05 Staz. 06 Staz. 07 Staz. 08 Staz. 09 Delta Nord w.r.t. Staz.10 0,015 0,010 0,005 0,000 Staz. 02 Staz. 03 Staz. 04 Staz. 05 Staz. 06 Staz. 07 Staz. 08 Staz. 09-0,005-0,010-0,015 29/01/ /12/ /10/ /09/ /03/ /11/ /10/ /08/ /06/ /05/ /01/ /12/ /10/ /09/ /01/ /03/ /11/ /10/ /08/ /06/ /05/ /01/2004 Date Date meters meters 0,010 0,005 0,000-0,005-0,010-0,015 Risultati delle misura GPS condotte dal 2003 al 2004 Delta East w.r.t. Staz.01 Staz. 02 Staz. Staz Staz. 05 Staz. 06 Staz. 07 Staz. 08 Staz. 09 0,010 0,005 0,000 Delta East w.r.t. Staz.10 Staz. 02 Staz. 03 Staz. 04 Staz. 05 Staz. 06 Staz. 07 Staz. 08 Staz. 09-0,005-0,010 20/03/ /01/ /12/ /10/ /09/ /01/ /11/ /10/ /08/ /06/ /05/ /01/ /01/ /12/ /12/ /10/ /10/ /09/ /09/ /03/ /03/ /01/ /01/ /11/ /11/ /10/ /10/ /08/ /08/ /06/ /06/ /05/ /05/2003 Date Date meters meters
29 PermanentScatterers Tecniche Inteferometriche Identificazione e analisi della risposta di fase di riflettori naturali stabili, detti Scatteratori Permanenti (PS), impiegati come una sorta di rete geodetica naturale Ovunque siano presenti bersagli stabili (PS), è possibile: Stimare la velocità media di spostamento [mm/anno] Ricostruire l intera serie storica degli spostamenti
30 I radar satellitari misurano Radar Segnale emesso/ricevuto distanze R = Time x Light. Vel. R Superficie terrestre
31 Individuazione dei Permanent Scatterers Bersagli radar costanti costanti nel tempo: edifici, monumenti, viadotti, antenne, pali, condotte, rocce esposte... per i quali si misurano le deformazioni in corso a partire dal 1992 (dati ESA-ERS)
32
33 Elaborazione multi-immagine per ricostruire la storia delle deformazioni del PS 1 a acquisizione 2 a acquisizione t t = 35 gg (ERS) R1 R2 Permanent Scatterer soggetto a moto tra la 1 a e la 2 a acquisizione R Misura della deformazione [mm/anno]
34 La frana di Triesenberg Individuazione di oltre 450 PS nell area in scivolamento (Liechtenstein) 7 Corpo in frana -7 [mm/yr] ESA - MUSCL project
35 Deformazioni di un singolo edificio Serie storica di deformazione Periodo:
36 Estensimetri Sono essenzialmente utilizzati in problemi di instabilità di fronti rocciosi. Essi permettono di misurare e di controllare sia l apertura di superfici di discontinuità che l eventuale scorrimento di blocchi rocciosi Quando la distanza tra i due punti di ancoraggio è dell ordine di 1-3 m si utilizzano gli estensimetri a barra. Quando la distanza è maggiore (5-50 m) si utilizzano gli estensimetri a filo. Estensimetro a barra Estensimetri a filo.
37 Estensimetri a barra monodirezionale bidirezionale tridirezionale
38 Estensimetri a filo in serie Estensimetri a filo
39 Le grandi frane di Machu Picchu, Cusco (Perù)
40 Sezione geomorfologica B1 B3 Schema geomorfologico
41 Schema del piano di monitoraggio di Machu Picchu con estensimetri a filo in serie.
42 Alcuni risultati del monitoraggio
43 Monitoraggio di fronti instabili (scavi a cielo aperto, miniere, trincee)
44 Sistema di monitoraggio integrato spostamenti pressioni interstiziali Frequenza dei controlli per coltivazioni a cielo aperto
45 Miniera di Chuquicamata (Cile) fronte instabile Sarebbe bene non venisse dimenticata le lezione che insegnano i cimiteri delle miniere, pur tenendo conto che rappresentano solo una piccola parte della smisurata quantità di persone divorate dalle frane, dalla silicosi e dal clima infernale della montagna. Ernesto Che Guevara
46 Miniera cuprifera. Miniera di Chuquicamata (Cile) Materiale roccioso: rocce ignee molto fessurate (4 diversi sistemi di fessurazione con formazione di cunei rocciosi). Fronte instabile : 200 m di altezza; volume mobilitato: 14 Mm 3 Superficie di collasso: poco inclinata, con resistenza mobilitata φ = Fronte instabile nella miniera di Chuquicamata
47 Sistema di monitoraggio Spostamenti misurati in un banco di coltivazione 0,2 0,5 m/giorno Volate di esplosivo Esecuzione di scavi Misure di emissione acustica
48 Miniera di Hogart Roccia: Diorite molto fessurata Fronte instabile: altezza 90 m, lunghezza ca. 200 m Volume di materiale instabile ca mc Processi di dissesto: ribaltamenti e crolli di blocchi con spostamenti più accentuati in cresta. Profilo attraverso la zona instabile
49 Collasso del fronte sistema di monitoraggio: osservazione diretta continua; 20 estensimetri a filo a cavallo delle principali fessure. 13 caposaldi uniformemente distribuiti nell area instabile controllati in continuo con elettrodistanziometri. Sismografi per osservazioni di emissioni acustiche soglia di allarme fissata: 13 mm/giorno Fine coltivazione: Marzo 1975 Collasso totale Maggio 1975
50 Monitoraggio degli spostamenti e delle deformazioni negli ammassi instabili Gli spostamenti e le deformazioni all interno degli ammassi instabili possono essere evidenziati ricorrendo a misure con : 1. inclinometri a sonda 2. inclinometri fissi 3. estensimetri in foro 4. sonde estensoinclinometriche 5. livellazioni in cunicoli suborizzontali 6. pendoli rovesci
51 Inclinometri a sonda Gli inclinometri a sonda misurano, mediante una sonda mobile all interno di una tubazione installata in un foro di sondaggio verticale, le variazioni dell inclinazione del tubo provocata dalle deformazioni del terreno. Il sensore della sonda è un servoaccelerometro con una sensibilità tipica di 10-5 rad (0.01 mm/m). Tali strumenti consentono di misurare l entità, la direzione e il verso di spostamento dell ammasso instabile.
52 Inclinometri a sonda Modalità di installazione degli inclinometri a sonda: 1. La base dell inclinometro va attestata nel substrato stabile; 2. Il tubo inclinometrico va reso solidale con il terreno e non deve venire a contatto con acque sotterranee; 3. Il tubo, dopo l installazione, deve essere verticale. Tubi inclinometrici
53 Risultati dei rilievi inclinometrici. I rilievi inclinometrici consentono di costruire: 1. le deformate inclinometriche puntuali 2. il diagramma polare (spostamento totale azimut) 3. la deformata cumulata (spostamento totale). Diagramma polare (spostamento totale azimut) Deformata puntuale N 300
54 La deformata inclinometrica cumulata è la rappresentazione grafica degli spostamenti totali alle diverse profondità Superficie di scorrimento Deformata inclinometrica cumulata
55 Esempi di deformate inclinometriche A B
56 Inclinometri fissi Batteria di inclinometri posti a diverse profondità. In questo caso la sonda o il sensore sono cementati al foro in o più una posizioni predeterminate. Negli inclinometri fissi è possibile eseguire misure finché non si verificano interruzioni dei cavi di collegamento.
57 La grande frana di Ancona del 13 dicembre 1982
58 La grande frana di Ancona del 13 dicembre 1982
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60 La grande frana di Ancona
61 Epilogo Vi sono in cielo e in terra, Orazio, assai più frane di quante ne sogna la tua filosofia (Amleto I. v., Shakespeare)
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