Università Degli Studi di Napoli Federico II DICEA Dipartimento di Ingegneria Civile Edile e Ambientale Corso Tecnici per il presidio idrogeologico del territorio Zona di allertamento 3 LA PERICOLOSITÀ DA FRANA IN CAMPANIA Le frane da crollo Prof. Antonio Santo
Frane da crollo Tra tutti i fenomeni generatori di rischio e pericolo, le frane da crollo sono comuni a tutto il territorio italiano. i crolli anche di piccole dimensioni causano gravi danni soprattutto alle infrastrutture La difficoltà della previsione temporale e la velocità/energia elevata con cui avvengono i crolli, rendono tali fenomeni tra i più pericolosi nell ambito del vasto panorama del dissesto idrogeologico
FASI DELLE FRANE DA CROLLO Schematizzazione di una classica frana di crollo con le due fasi principali del processo di franamento: caduta libera iniziale da una scarpata rocciosa subverticale (1) e successiva propagazione dei blocchi sul versante detritico sottostante (2).
Caratteristiche geologico geomorfologiche-strutturali delle frane da crollo -Pendenze molto elevate maggiori di 50 -Coinvolgono per lo più rocce lapidee: calcari, tufi, conglomerati, arenarie o scarpate di erosione in rocce tenere -superficie di scorrimento preesistente su discontinuità tettoniche o stratigrafiche o scistosità. -si innescano anche in assenza intense precipitazioni per dilatazione termica, azione della vegetazione e crioclstica. -possono essere di dimensioni molto variabili da pochi dm 3 a centinaia di migliaia di m 3. -i segni premonitori sono legati alla lenta apertura di fratture beanti, formazione di trench, piccoli crolli, tremori. -sono improvvise e dotate di elevata velocità (anche più di 100 km/h) -elevata forza di impatto per via dei materiali coinvolti (rocce) -notevole potere distruttivo -le evidenze morfologiche si conservano anche per molti anni
Principali cause scatenanti delle frane da crollo
Alcuni esempi di frane in roccia in Campania crollo accumulo Rimbalzi e rotolamento Da Budetta et al, 2003
Alcuni esempi di frane in roccia in Campania Analisi geomorfologica di dettaglio della frana di Vico Equense Da Budetta et al,
Diversi tipi di discontinuità Ammassi rocciosi fratturati
CARATTERIZZAZIONE DEGLI AMMASSI ROCCIOSI La caratterizzazione di un ammasso roccioso prevede le seguenti fasi: -Dettagliata indagine geologica -Prelievo di campioni e/o sondaggi per le prove di laboratorio -Valutazione dello stato tensionale naturale dell'ammasso roccioso -Classificazione geomeccanica (Indice di qualità della roccia) -Definizione di un modello geomeccanico -Eventuale analisi di stabilità I parametri da analizzare sono: orientazione, spaziatura, continuità o persistenza, scabrezza, resistenza delle superfici, apertura, riempimento, filtrazione, sistemi di discontinuità, dimensione dei blocchi. In altre parole occorre definire la geometria, le azioni e le resistenze in gioco per analizzare, prevedere ed eventualmente prevenire e contrastare fenomeni di instabilità.
CARATTERIZZAZIONE DEGLI AMMASSI ROCCIOSI Rilievo geologico-strutturale in sito Bussola da geologo per: - Giacitura degli strati, dei versanti e delle discontinuità Fettuccia metrica per: - Spessore strati - Spaziatura delle discontinuità
CLASSIFICAZIONE DELLE FRANE IN ROCCIA Le frane in roccia sono generalmente classificate a seconda del meccanismo di movimento e del tipo di materiale coinvolto (Unesco, 1990; Cruden e Varnes, 1996; PPR, 1999; CFGI, 2000). Si possono distinguere: a) Scorrimenti lungo una discontinuità piana (rotture piane); b) Scorrimenti lungo due o più discontinuità piane non parallele (rotture a cuneo); c) Scorrimenti lungo superfici circolari, non coincidenti con discontinuità preesistenti; d) Ribaltamenti.
Rottura piana o scivolamento (slide) Rottura a cuneo (wedge failure) dovuta a due sistemi di discontinuità
Rottura per ribaltamento (toppling failure) causata da discontinuità subverticali Tipici esempi di possibili frane da ribaltamento
Frane in roccia in Campania Dorsali carbonatiche SCENARI GEOLOGICI Contesti geologici Flysch lapidei depositi quaternari costieri Aree vulcaniche C. flegrei continenatali ed insulari falesie costiere
L APPROCCIO GEOLOGICO-APPLICATIVO ALLO STUDIO DELLE FRANE DA CROLLO ZONA DI INNESCO Analisi macroscopica della parete rocciosa: -visiva (con l ausilio di binocolo e macchina fotografica) = fotomosaici; -tramite fotogrammetria frontale o scan laser = carte a curve di livello. Allestimento di: 1. Carta e/o fotomosaico geologica con indicazione della tipologia di terreno; 2. Carta e/o fotomosaico geomorfologico con indicazione di tutte le forme significative per l innesco di frane da crollo (settori aggettanti, scavernamenti, terrazzi a debole pendenza, nicchie di frana recenti, massi isolati, ecc.); 3. Carta e/o fotomosaico geostrutturale con indicazione delle faglie e discontinuità principali Realizzazione di stazioni di misura in parete per la analisi strutturale di dettaglio e la classificazione dell ammasso roccioso Elaborazione di carte della suscettibilità all innesco di frane in roccia attraverso l incrocio delle carte suddette (anche in ambito GIS)
L APPROCCIO GEOLOGICO- APPLICATIVO ALLO STUDIO DELLE FRANE DA CROLLO ZONA DI ACCUMULO Analisi delle caratteristiche geologiche e geomorfologiche delle zona basale della parete suscettibile a fenomeni franosi: -Censimento dei massi franati; -Individuazione di cumuli di frana; -Individuazione della massima distanza raggiungibile (traiettorie)
TIPOLOGIA DELLE PARETI IN ROCCIA Presenza di cavità carsiche Pareti aggettanti e prive di detrito alla base Con detrito alla base Con terrazzamenti alla base
Principali indicatori geomorfologici lungo pareti soggette a crolli Presenza di fratture e lesioni Anomalie e riseghe nel ciglio della scarpata (antiche nicchie) Settori aggettanti E importante cartografare riseghe ed anomalie del ciglio della parete che spesso corrispondono a vecchie nicchie di frana. Dovranno essere evidenziati i settori più o meno fratturati, così come la presenza di antichi crolli alla base della parete. Cumuli di frana al piede
Principali indicatori geomorfologici lungo pareti soggette a crolli E molto importante negli studi geomorfologici fare un attento rilevamento della zona di ciglio della parete potenzialmente instabile. Molto spesso a monte della parete possono essere presenti trincee o fratture beanti che manifestano uno stato di instabilità del pendio. Le trincee vanno attentamente cartografate e sottoposte ad un accurato monitoraggio. Trincee e fratture beanti in calcari mesozoici soggetti a frane da crollo in Penisola sorrentina
Principali indicatori geomorfologici lungo pareti soggette a crolli Esempio del rilievo geomorfologico delle trincee e fratture beanti dello Spacco della Jala a Vico Equense. Trincee e fratture beanti Nel rilievo sono riportati anche alcuni manufatti (muretti a secco) dislocati dalle fratture e che hanno permesso di datare l inizio del movimento. Da Budetta, Nicotera, Santo 1996
Principali indicatori geomorfologici lungo pareti soggette a crolli Frattura beante di origine carsica Fault plane Open and karsified fracture Blocco roccioso instabile Filling detritical material Traction fracture Da Budetta et al, 2002
Principali indicatori geomorfologici lungo pareti soggette a crolli Sulle pareti è utile individuare diedri, pinnacoli e settori aggettanti in precarie condizioni di stabilità Da Santo et al, 2007
Principali indicatori geomorfologici lungo pareti soggette a crolli Diedro in roccia isolata da fratture di cui è indicata la lunghezza e la profondità (Rupe Medioevale di Laurenzana)
Principali indicatori geomorfologici lungo pareti soggette a crolli Anche le cavità su versante e quelle in prossimità della costa possono dare luogo a frane da crollo con nicchie che si ubicano principalmente sulla volta della cavità Da Santo et al, 2004
Indicatori geomorfologici delle aree con cavità carsiche ed aree di accumulo Cavità prima della frana (Amalfi 1899) Cumulo di frana da crollo Cavità dopo la frana (Amalfi 1899) Molti Grandi cumuli di frana sono ormai vegetati, e molto importante il loro riconoscimento come indicatori di aree instabili.
Settori intensamente fratturati Frana di Cetara Il problema delle frane di piccole dimensioni
Frana di Cetara Generalmente il numero maggiore di frane da crollo è di limitate dimensioni (da pochi dm 3 a pochi m 3 ) ed è molto difficile poterle prevedere in studi su aree molto vaste
Principali indicatori geomorfologici lungo pareti soggette a crolli Una prima osservazione importante può essere la descrizione delle principali caratteristiche morfometriche (altezza, lunghezza, acclività) della scarpata in oggetto. E utile inoltre sapere se la parete presenta settori aggettanti o impluvi, qual è il suo profilo, se presenta o meno detrito alla base, se presenta cavità carsiche (in caso di calcari). Falda detritica basale Impluvi che condizionano l accumulo dei blocchi di frana Parete in tufo giallo Un esempio di parete articolata è quella in tufo della Collina dei Camaldoli a Napoli
Principali indicatori geomorfologici lungo pareti soggette a crolli Superfici aggettanti Presenza di fratture e discontinuità Riseghe e nicchie sulla parete Anomalie vegetazione e diverse generazioni di cumuli
Principali indicatori geomorfologici lungo pareti soggette a crolli Un altro elemento morfologico che può aiutare a riconoscere le frane da crollo è dato da anomalie (mancanza) di vegetazione lungo pendii per il passaggio della frana. Cumulo antico vegetato Cumulo recente non vegetato Anomalie della vegetazione per frane da crollo Il diverso tipo di vegetazione può aiutare a differenziare cronologicamente i diversi ordini di cumulo di frana.
FRANE DA CROLLO NEL TUFO GIALLO A COROGLIO Diverse generazioni di cumuli
Principali indicatori geomorfologici lungo pareti soggette a crolli Ai fini degli interventi, lo studio geomorfologico e quello geomeccanico e strutturale dovranno indicare le aree più fratturate e potenziamente soggette a crolli. Settore meno fratturato Settore più fratturato Settore molto fratturato e prossimo al crollo
Principali indicatori geomorfologici lungo pareti soggette a crolli Esempio di stralcio di carta geomorfologica Settori in tufo fratturato e potenzialmente soggetto a crollo Le principali nicchie di frana e, con gli altri colori, le aree meno interessate da crolli. Cala Trentaremi a Posillipo Da Cugri-Comune di Napoli 2000
Principali indicatori geomorfologici lungo pareti soggette a crolli Per quanto riguarda le nicchie esse dovranno essere attentamente cartografate su una foto frontale o sulla fotogrammetria terrestre. Per esse dovrà essere indicata la volumetria approssimativa del blocco distaccato, i principali sistemi di fratturazione che hanno provocato il crollo; i settori aggettanti potenzialmente instabili. Nicchia di circa 5 m 3 Nicchie di distacco di circa 30 m 3 Principali sistemi di discontinuità
Indicatori delle aree di accumulo E importante rilevare alla base delle parete di studio la esistenza di cumuli di frane recenti e/o storiche nonché calcolare in modo approssimativo il volume del materiale franato e quello dei massi isolati eventualmente presenti. Un tipico esempio di cumulo di frana in falesia (Capri) Censimento dei blocchi franati lungo una parete
Indicatori delle aree di accumulo Per la definizione delle aree di invasione da crolli è molto utile cartografare i singoli blocchi differenziandoli anche per volumetria, soprattutto nell eventualità di voler effettuare una analisi delle traiettorie per la determinazione della linea di massimo avanzamento Il censimento blocchi ha evidenziato che essi sono localizzati soprattutto allo sbocco di alcuni impluvi e che quindi anche piccole incisioni sul versante condizionano la traiettoria e l accumulo delle frane da crollo. Collina dei Camaldoli Da Cugri-Comune di Napoli 2000
Indicatroi dell area di accumulo Impronta di impatto su versante, profonda mediamente 30-50 cm, lasciata da un grande blocco in moto per rimbalzi e rotolamento attorno all asse maggiore Impronte di impatto lasciate da un masso calcareo su una strada. Le impronte sono state riempite e asfaltate per consentire la ripresa del transito veicolare.
STUDI RECENTI DI CARATTERE GEOLOGICO -Rilievi fotogrammetrici frontali e scan laser, - fotogrammetria e voli con drone e lidar -fotomosaici -misure geostrutturali in parete con personale altamente specializzato -valutazione dei modelli di rottura e dei volumi in gioco -interventi mirati per una migliore progettazione.
L approccio geologico-geomorfologico allo studio delle frane in roccia assume dei connotati un po particolari rispetto a quello delle altre fenomenologie franose. La differenza sostanziale sta nel fatto che quasi sempre l area investigata è una parete e quindi non facilmente rappresentabile su carta. Le osservazioni geomorfologiche più che in pianta sono rivolte alla identificazione di fattori significativi presenti in parete. Per tale motivo una carta geomorfologica di una parete deve avere come base un rilievo fotogrammetrico frontale o scan laser e un fotomosaico del costone.
TIPOLOGIA DELLE PARETI IN ROCCIA su carte topografiche Curve di livello più ravvicinate ci faranno capire che la pendenza è maggiore. I tratti più suscettibili a crolli, almeno sulla base di tale carta sono quelli neri in cui le curve di livello sono molto ravvicinate Non è possibile rappresentare in pianta gli elementi più significativi Rottura di pendenza tra una zona montuosa ad elevata pendenza e la base del versante a debole pendenza
Cartografia: carte fotogrammetriche La fotogrammetria terrestre è definita frontale in quanto mostra una visione della parete con isolinee rappresentanti la distanza da un punto disposto frontalmente alla parete. Tale elaborato permette di individuare elementi geologico - strutturali e gemorfologici importanti quali: fratture, zone aggettanti, pinnacoli, cavità, nicchie di frane, ecc.).
Carte fotogrammetriche Fotomosaico Carta fotogrammetrica Una parete rocciosa di Positano restituita su fotogrammetria frontale
Cartografia: scan laser Un nuovo metodo diagnostico utilizzato recentemente anche per i rilievi geomeccanici è rappresentato dallo scan laser. Esso permette di acquisire dati anche da notevole distanza su superfici con geometrie complesse e notevolmente estese. Con tale tecnica è possibile individuare in prima approssimazione i principali piani di discontinuità presenti sulla parete di studio che poi dovranno essere misurati in parete da geologi rocciatori. Fotomosaico Immagine scansita
Cartografia: esempio di fotomosaico geologico
Cartografia: Fotomosaico geomorfologico
Cartografia: Carta degli indici di stabilità Lo studio geomorfologico ovviamente deve essere supportato da uno studio geostrutturale di dettaglio eseguito spesso direttamente in parete da personale esperto (geologi rocciatori). Da tale studio si ottiene una carta con settori differenziati sulla base di un indice di instabilità quale per esempio quello che si ottiene tramite l applicazione del RMR (Romana,1985).
Cartografia: Fotomosaico geostrutturale Rupe del Castello Medioevale di Laurenzana
Cartografia: Fotomosaico geostrutturale con piani delle fratture principali
Cartografia: carte fotogrammetriche Carta geomorfologica su base fotogrammetrica.
Cartografia: Carte fotogrammetriche L analisi macrostrutturale consente di individuare settori omogenei da un punto di vista geomeccanico. In tali settori si effettua (talora su parete) l analisi microstrutturale (ISRM, 1983) con la classificazione dell ammasso roccioso (RMR o SRM). Il risultato finale è la carta geostrutturale.
Cartografia: carte fotogrammetriche La sovrapposizione delle carte tematiche redatte su base fotogrammetrica (carta geologica, carta geostrutturale, carta geomorfologica) consente di ottenere una carta della suscettibilità all innesco di frane da crollo.
TRAIETTOGRAFIE E CARTE DELLE AREE DI INVASIONE L analisi traiettografica è uno degli strumenti di base utilizzati per la definizione dele probabilità di propagazione (Descoudres, 1997). Numerosi programmi informatici permettono la simulazione della traiettoria dei blocchi in 2D e 3D. I parametri di ingresso, quali: profilo della parete, coefficienti di restituzione all urto, forma dei blocchi, frammentazione, formulazione delle equazioni cinematiche, etc. differiscono da un software all altro. Se ne ricordano alcuni quali: -CETE (2D); -ROTOMAP (2d e 3D); -ADRGT (2D); -EPFL (3D).
Metodi di studio dell area di accumulo Analisi dei profili topografici La tipologia della parete, del profilo e della geologia alla base del versante sono elementi fondamentali per lo studio delle potenziali aree di invasione per frane da crollo.
TRAIETTOGRAFIE E CARTE DELLE AREE DI INVASIONE Traiettorie simulate (n=200) e casi di superamento (n=118) per una barriera paramassi di progetto alta 4 m e capace di dissipare 400.000 J (blocco di progetto: m = 4860) Traiettorie simulate (n=200) e casi di superamento (n=49) per una barriera paramassi di progetto alta 4 m e capace di dissipare 800.000 J
MONITORAGGIO DI AREE IN FRANA Un secondo scopo dei rilievi di superficie è quello di misurare l entità, la direzione e il verso dei movimenti superficiali nelle diverse porzioni di un versante in frana. Ciò avviene attraverso: - Metodi geodetico-topografici: si basano sulla misura degli spostamenti di punti materializzati da pilastrini (capisaldi) vincolati nel terreno entro le aree dissestate, rispetto a capisaldi posizionati fuori dalla zona franosa. Si predispone una maglia di capisaldi di misura più o meno regolare in relazione alla forma e all estensione della frana. I movimenti superficiali per ciascun punto vengono rappresentati mediante vettori con moduli proporzionali all entità degli spostamenti. - Metodi fotogrammetrici: Tecnica di posizionamento satellitare GPS (Global Position System). Consente la misura della posizione relativa di punti accessibili tramite l impiego di satelliti artificiali e di opportuni ricevitori di segnali radio emessi da questi. Tale tecnica permette di raggiungere un elevato grado di accuratezza. I vantaggi sono due: 1. Non è necessario l intervisibilità tra i capisaldi 2. La ricezione delle onde avviene in qualsiasi condizione climatica e le misure possono essere sia diurne che notturne
MONITORAGGIO DI AREE IN FRANA: metodi geodetico-topografici Rete regolare di capisaldi per frane di Rappresentazione di movimenti elevate dimensioni superficiali per mezzo di vettori spostamento
Misure di estrema precisione per il monitoraggio degli spostamenti attraverso stazioni totali topografiche
Monitoraggio delle frane da crollo -estensimetri -fessurimetri I sistemi di monitoraggio in Campania dovrebbero essere installati soprattutto in aree ad alto rischio quali alcuni centri abitati ed importanti infratrutture.