PROCESSI DI INTERAZIONE SUOLO-ATMOSFERA SU UN PENDIO SOGGETTO A FRANE SUPERFICIALI: UN CASO DI STUDIO NELL OLTREPÒ PAVESE

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1 PROCESSI DI INTERAZIONE SUOLO-ATMOSFERA SU UN PENDIO SOGGETTO A FRANE SUPERFICIALI: UN CASO DI STUDIO NELL OLTREPÒ PAVESE Roberto Valentino Università degli Studi di Parma roberto.valentino@unipr.it Claudia Meisina, Massimiliano Bordoni, Davide Zizioli Università degli Studi di Pavia claudia.meisina@unipv.it; massimiliano.bordoni01@universitadipavia.it; davide.zizioli@unipv.it Marco Bittelli Università degli Studi di Bologna marco.bittelli@unibo.it Sommario In questa nota sono presentati i risultati preliminari ottenuti dalla raccolta di dati idrologici, geotecnici e meteorologici presso una stazione di monitoraggio installata su un pendio soggetto all innesco di frane superficiali nell Oltrepò Pavese, in località Montuè. L analisi dei dati acquisiti tra il 27 Marzo 2012 e il 17 Aprile 2014 ha consentito sia di ottenere le curve di ritenzione idrica dei terreni indagati, sulla base di misure in campo di contenuto volumetrico d acqua e suzione, sia di evidenziare alcuni aspetti caratteristici dei processi di interazione suolo-atmosfera che influenzano il meccanismo d innesco di frane superficiali nell area di interesse. 1. Introduzione La risposta di un pendio in terra alle condizioni atmosferiche dipende fortemente, come è ben noto, da condizioni difficilmente generalizzabili e pertanto l analisi di dettaglio dei meccanismi che hanno luogo lungo una verticale di indagine nella coltre superficiale di terreno potrebbe apparire scarsamente significativa. D altra parte, per poter svolgere analisi di stabilità, locali o distribuite, relative a frane superficiali indotte da pioggia, vi è la necessità di utilizzare modelli che tengano conto della meccanica dei terreni non saturi e quindi di parametri di non facile determinazione. Tali modelli, siano essi semplificati (come quelli basati sul metodo dell equilibrio limite) o più complessi (come i modelli costitutivi implementati in codici di calcolo agli elementi finiti), necessitano di un processo di validazione basato su misure di campo ed analisi ex-post su eventi realmente accaduti. Per questo motivo risultano particolarmente interessanti i risultati di attività di monitoraggio in campo, condotte su pendii-campione in diversi contesti climatici e geologici, soprattutto se concomitanti con l innesco di fenomeni di instabilità. In questa nota si riportano i risultati preliminari di un attività di monitoraggio del contenuto volumetrico d acqua e della suzione a varie profondità, sulla base di misure acquisite da oltre due anni su un pendio campione nell Oltrepò Pavese. Ogni strato di terreno indagato ha evidenziato una propria specifica risposta, con significative differenze tra mesi estivi ed invernali. I risultati dell attività sperimentale, che nell ambito di questa nota sono stati utilizzati solo per ricostruire le curve di ritenzione idrica da misure in campo nei terreni indagati, saranno anche utilizzati come dati di input per analisi di stabilità condotte con diversi modelli, al fine di indagare le potenzialità di tali modelli nel cogliere il meccanismo d innesco di frane superficiali.

2 2. Il sito di studio e il monitoraggio Il pendio oggetto di studio è localizzato nella terminazione nord-orientale dell Appennino Pavese, in località Montuè, nel territorio comunale di Canneto Pavese. Il pendio, che è rappresentativo di molti altri siti appenninici soggetti a frane superficiali, presenta una pendenza media di 26 orientata ad est. Il substrato è caratterizzato dalla presenza di ghiaie, sabbie e conglomerati debolmente cementati, con una piccola percentuale di marne. Il terreno superficiale, derivante dalla degradazione del substrato, è prevalentemente limo-argilloso, con una piccola percentuale di sabbia. Lo spessore della coltre superficiale varia da pochi centimetri, in prossimità della cresta del pendio, a circa 1.9m in corrispondenza del piede, dove sono presenti anche alcune zone di accumulo di frane precedenti (Fig. 1). La stazione di monitoraggio è collocata ad una quota di 180m s.l.m. (Fig. 1). Nell area circostante e sullo stesso pendio-campione sono avvenuti recentemente numerosi fenomeni franosi superficiali, il più significativo dei quali il Aprile 2009, come conseguenza di piogge particolarmente intense (160mm in 62h, pari al 20% del totale annuale). Le indagini in campo condotte in tale occasione permisero di riscontrare che la superficie di scivolamento era posizionata prevalentemente tra 0.5 e 1m di profondità dal p.c., in corrispondenza dell interfaccia tra coltre superficiale e substrato. Figura 1. Schema del pendio oggetto di studio, dei profili stratigrafici e posizione degli strumenti di misura lungo la verticale di indagine, in corrispondenza della stazione di monitoraggio. Il profilo di terreno è stato caratterizzato dal punto di vista geotecnico, pedologico e mineralogico, a partire da prove di laboratorio su campioni sia ricostituiti che indisturbati. In particolare, sono state condotte prove di classificazione, prove edometriche, di taglio diretto e triassiali standard, i cui risultati sono riportati in Tabella 1. Per campioni di terreno prelevati a varie profondità è stata ricavata in laboratorio anche la curva di ritenzione idrica, combinando la tecnica WSM (Hyprop, UMS GmbH) con lo strumento VPM (WP4T, Decagon Devices). I dati ottenuti sono stati interpolati attraverso l algoritmo di Marquardt (1963) per ottenere il contenuto d acqua a saturazione ( s ), il contenuto d acqua residuo ( r ) e i parametri dell equazione di Van Genuchten (1980) (Bordoni et al., 2014). La stazione di monitoraggio integrata comprende un pluviometro, un termo-igrometro, un barometro, un anemometro ed un radiometro. Per la misura del contenuto volumetrico d acqua sono state installate sei sonde TDR (Mod. CS610, Campbell Sci. Inc.) rispettivamente alle profondità di 0.2, 0.4, 0.6, 1.0, 1.2, 1.4 m dal piano campagna. Tali sonde sono state collegate ad un multiplexer (SDMX50, Campbell Sci. Inc.). Per la misura della suzione si è fatto ricorso ad una combinazione di strumenti: alle profondità di 0.2, 0.6 e 1.2m dal p.c. sono state installate rispettivamente tre coppie di sensori. Ogni coppia è costituita da un tensiometro (Mod. Jet-Fill 2725, Soilmosture Equipment Corp.) e da una sonda a dissipazione di calore (Mod. HD229, Campbell Sci. Inc.). La necessità di utilizzare due

3 tipologie di sonde è stata dettata dall intervallo di valori che ogni dispositivo è in grado di acquisire. Infatti, le sonde a dissipazione di calore consentono di misurare pressioni interstiziali comprese tra -10 e kpa, mentre i tensiometri consentono di acquisire valori superiori a -10kPa. I dati di campo sono raccolti con frequenza oraria mediante un data logger (CR1000X, Campbell Sci. Inc.) alimentato da un pannello fotovoltaico. In questa nota si fa riferimento ai dati acquisiti nell arco temporale di circa due anni, dal 27 Marzo 2012 al 17 Aprile Livello Prof. Ghiaia Sabbia Limo Argilla w L IP w S γ φ' c' m % % % % % % % kn/m 3 kpa C D E F G WB Tabella 1. Caratteristiche geotecniche dei livelli di terreno lungo il profilo indagato. 3. Osservazioni sui dati di campo I dati acquisiti sono stati utilizzati per ricostruire la dinamica del contenuto d acqua e della pressione interstiziale sia nella coltre di terreno superficiale (livelli C, D, E, F, G) che nel substrato alterato (livello WB). Le misure possono essere considerate pressoché complete, eccetto quelle relative alla suzione nell intervallo da -10 a 0 kpa alla profondità di 0.2m dal p.c., a causa della rottura, dal Novembre 2012, del tensiometro installato a quella quota. Inoltre, a causa di un cattivo funzionamento del sistema di alimentazione, l acquisizione dei dati è stata interrotta dal 10 al 15 Gennaio Nell intero periodo di osservazione il contenuto volumetrico d acqua ha subito una variazione compresa tra 0.10 e 0.45 m 3 m -3 nella coltre superficiale, e tra 0.15 e 0.38 m 3 m -3 nel substrato alterato. Complessivamente, la pressione interstiziale ha subito una variazione da valori positivi (pari a circa 13kPa nel livello G) a valori negativi dell ordine di kpa (nei livelli E e G). Dall analisi dei dati di campo risulta evidente come la dinamica tanto del contenuto d acqua quanto della suzione sia strettamente connessa con l andamento delle piogge e con i cicli stagionali (Fig. 2). È possibile, inoltre, identificare una diversa risposta idraulica degli strati di terreno alle varie profondità. Lo strato di terreno più superficiale, fino ad una profondità di 0.7m, presenta una risposta più rapida alle variazioni di temperatura ed umidità dell aria (Fig. 2). Nei mesi estivi, ad esempio, tanto la diminuzione del contenuto d acqua quanto l aumento (in valore assoluto) della suzione sono molto più rapidi nei livelli più vicini al piano campagna: tale effetto è dovuto ad una maggiore evapotraspirazione e all assorbimento d acqua da parte degli apparati radicali, data la presenza di piante erbacee e cespugli. La variazione dei medesimi parametri idrologici risulta, invece, molto meno rapida per gli strati di terreno più profondi (Fig. 2). L acquisizione di misure di campo corrispondenti a diverse condizioni meteorologiche ha consentito di indagare nel dettaglio la risposta del terreno ad eventi piovosi di varia intensità e durata. In particolare, in Fig. 3 sono riportate le misure sperimentali di contenuto d acqua e suzione corrispondenti a vari eventi di pioggia alle diverse profondità. In Fig. 3a, b si riportano gli effetti dovuti ad un tipico evento piovoso autunnale (31 Ottobre 1 Novembre 2012): in tal caso è possibile osservare come gli strati più superficiali non raggiungano la completa saturazione e come la pressione interstiziale cresca fino ad un valore non superiore a -100kPa ad una profondità pari a 0.6m dal p.c. (livello E). I livelli più profondi, invece, tendono a conservare le condizioni precedenti all evento piovoso. In Fig. 3e, f si riporta la risposta del terreno ad una tipica pioggia estiva concentrata e di moderata intensità (26 Agosto 2013): in questo caso, mentre il contenuto d acqua si attesta su valori relativamente bassi anche dopo la pioggia, la pressione interstiziale nei livelli C ed E cresce nell arco di 5 ore, per poi tornare a diminuire nelle ore successive.

4 Figura 2. Andamento del contenuto d acqua (a) e della pressione dell acqua interstiziale (b) in relazione alle piogge giornaliere nel periodo di monitoraggio. Tale comportamento, osservato anche in corrispondenza di altri eventi analoghi, può essere dovuto alla presenza di fessure da essiccamento e macro-vuoti che costituiscono vie preferenziali per l acqua e inducono incrementi locali di pressione interstiziale. Il fenomeno di mancato accoppiamento tra andamento del contenuto d acqua e suzione sembra legato a processi di non-equilibrio dovuti ad una rapida infiltrazione, come già osservato da altri autori (Vogel et al., 2010). In tal caso le sonde TDR appaiono non sufficientemente pronte a seguire il rapido passaggio del fronte umido all interno dei macro-vuoti. Nei mesi invernali e primaverili le frequenti precipitazioni fanno sì che il terreno raggiunga le condizioni di totale saturazione, sebbene non in modo uniforme in tutti i livelli. In particolare, il livello di terreno più profondo tra quelli indagati (orizzonte G, a 1.2m da p.c.) raggiunge la totale saturazione solo durante i mesi invernali e primaverili di entrambi gli anni. Ciò è testimoniato dall andamento della pressione interstiziale che, durante questi mesi, si attesta quasi costantemente attorno ad un valore nullo, fino a raggiungere valori positivi (da 1 a 3kPa) in corrispondenza di eventi piovosi più intensi (come per esempio in corrispondenza di una pioggia di 29.8mm in 24h il 25 Marzo 2013, Fig. 3c, d; oppure per una pioggia pari a 68.9mm in 42h tra il 28 Febbraio e il 2 Marzo 2014; Fig. 3g, h). Ovviamente periodi piovosi caratterizzati da piogge più persistenti, talvolta particolarmente intense, possono determinare ulteriori incrementi positivi di pressione interstiziale, come è accaduto ad esempio tra il 30 Aprile e il 1 Maggio 2013, quando la pressione interstiziale ha raggiunto circa 13kPa nel livello G (Fig. 2).

5 31 ott nov mar mar ago ago feb mar Figura 3. Contenuto d acqua e pressione dell acqua interstiziale in relazione ad alcuni eventi piovosi rappresentativi avvenuti nel periodo di monitoraggio (27 marzo aprile 2014). 4. Ricostruzione delle curve di ritenzione Per i livelli di terreno a 0.6m (livello E) e 1.2m (livello G) dal p.c., in cui sono installate sia le sonde TDR sia i tensiometri sia le sonde HD, è stato possibile ricostruire anche le curve di ritenzione idrica. In particolare, tenendo conto dei diversi cicli stagionali, sono stati distinti i dati corrispondenti alle fasi di essiccamento da quelli relativi alle fasi di umidificazione. Dai risultati ottenuti è possibile notare come tali terreni siano caratterizzati da un processo di isteresi idraulica (Fig. 4). I dati di campo sono stati interpolati usando l equazione di Van Genuchten (1980), i cui parametri sono riportati in Tabella 2. Tali parametri sono stati determinati sfruttando l algoritmo di Marquardt (1963) e sono stati confrontati con le curve di ritenzione ottenute, per gli stessi terreni, da prove di laboratorio (Bordoni et. al., 2014) di cui, per brevità, non si parla in questa sede.

6 Livello E 0.6m Livello G 1.2m Figura 4. Ricostruzione delle curve di ritenzione idrica da misure di campo per due livelli di terreno. Curva di essiccamento Curva di umidificazione Liv. α d n d θ sd θ rd RMSE α w n w θ sw θ rw RMSE kpa -1 - m 3 m -3 m 3 m -3 m 3 m -3 kpa -1 - m 3 m -3 m 3 m -3-3 m 3 m E G Tabella 2. Parametri di Van Genuchten di curve di essiccamento e di umidificazione per i terreni di due livelli. 5. Conclusioni e prospettive Si prevede che i dati di campo descritti nella presente nota possano essere utilizzati per orientare l attività di ricerca verso alcuni principali obiettivi, che possono essere sintetizzati come segue: 1. valutare l effetto delle proprietà idrauliche dei terreni superficiali sul fattore di sicurezza del pendio oggetto di studio, mediante l utilizzo di modelli basati sul metodo dell equilibrio limite (Lu e Godt, 2008; SLIP - Montrasio e Valentino, 2008); 2. valutare l effetto dell isteresi idraulica sulla stima del bilancio idrico, mediante l utilizzo di un modello di bilancio classico, e sull andamento nel tempo del fattore di sicurezza del pendio, mediante l applicazione del modello di Lu e Godt (2008) e TRIGRS (Baum et al., 2008); 3. confrontare i risultati di diversi modelli di stabilità (Lu e Godt, 2008; SLIP; TRIGRS) facendo anche riferimento all innesco di un movimento franoso superficiale avvenuto il 1 Marzo 2014 sul pendio oggetto di studio, poco a valle rispetto alla stazione di monitoraggio. Bibliografia Baum R.L., Savage W.Z., Godt, J.W. (2008). Trigrs - A Fortran program for transient rainfall infiltration and grid-based regional slope-stability analysis, vers U.S. Geological Survey Open-File Report, Bordoni M., Bittelli M., Meisina C., Zizioli D., Valentino R. Chersich S (2014). Field investigation of hysteretic effects on soil hydrological properties, Journal of hydrology (submitted). Lu N., Godt J. (2008). Infinite slope stability under steady unsaturated seepage conditions, Water Resources Research, 44: W Marquardt D.W. (1963). An algorithm for least-squares estimation of non-linear parameters, Journal of the Society for Industrial and Applied Mathematics, 11, Montrasio L., Valentino R. (2008). A model for triggering mechanisms of shallow landslides, Natural Hazard Earth System Sciences, 8, Van Genuchten, M.T., A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Science Society of America Journal, 44, Vogel H.J., Weller U., Ippisch O. (2010). Non-equilibrium in soil hydraulic modeling, Journal of Hydrology, 393,