Debris flow: analisi delle colate detritiche

Le colate detritiche, traduzione dall’inglese del termine debris flow, fanno parte di processi geomorfologici continui di denudazione e successivo rimodellamento della crosta terrestre. Si evolvono in tempi molto brevi e sono fenomeni di tipo alluvionali, non stazionari e caratterizzati da un’elevata potenza distruttiva. I meccanismi di innesco dei debris flow sono molteplici:

• Mobilitazione di sedimenti grossolani nell’alveo torrentizio in seguito a piogge intense che generano una corrente liquida superficiale e in alcuni casi anche da fenomeni di disgelo;
• Collasso di un versante;
• Fluidificazione di un fenomeno franoso di tipo traslazionale o di scoscendimento in atto (soil slip), che può avvenire per il passaggio di una corrente liquida o della mancanza idrica nella zona della frana;
• Dall’ostruzione in alveo dovuta al crollo di una diga in terra o da alberi.

Caratteristiche geomorfologiche dei debris flow

In un evento di colata è possibile distinguere due principali zone: il bacino di drenaggio e il conoide.

Il primo (anche detto bacino imbrifero) è la zona dove l’evento meteorico erode e trasporta il detrito verso una zona di deposizione che è per l’appunto il conoide (o cono di deiezione). Questi due elementi sono comunicanti attraverso il canale di alimentazione (o canale di flusso), che di solito coincide con l’asta fluviale. Alla fine del canale di alimentazione, inizia il conoide e qui si ha la sezione di chiusura del bacino.

Il conoide può essere suddiviso in: inattivo, se non è interessato (prevedibilmente) da fenomeni di esondazioni e attivo, dove persistono fenomeni di deposizione, erosione ed esondazione. Quest’ultimo viene suddiviso a sua volta in 3 zone:

1. Prossimale: zona in cui si accumulano depositi di natura grossolana provenienti dai primi istanti della colata;
2. Mediale;
3. Distale.

I tratti in comune, sia morfologici che fisici, di più fenomeni di debris flow, possono essere riassunti:

• Avanzamento, formato dal fronte e lateralmente, da elementi lapidei di grosse dimensioni e una coda più liquida;
• Canale di flusso di forma ad U;
• Elevata azione di asportazione e abbattimento di vegetazione ai lati del canale;
• Aumento della velocità della colata per ondate successive, ma sempre inferiori a quelle che si avrebbero per una corrente liquida;
• Flusso della colata che segue l’alveo, ma può crearsi delle arginature dentro cui scorrere.

Grandezze tipiche

È possibile individuare delle grandezze tipiche, di una colata detritica (debris flow) (Figura 2), quali:

1. La quota del punto più alto da cui si è innescato il debris flow H_max (quota sul livello del mare) [m];
2. La quota dove inizia il deposito del materiale o apice del conoide, H_min (quota sul livello del mare) [m];
3. La quota dove termina il deposito del materiale, H_u (quota sul livello del mare) [m];
4. Dislivello tra due punti 1 e 2, H [m];
5. Dislivello totale della colata [m];
6. Lunghezza del debris flow tra il punto di innesco e il punto di inizio deposito, L [m];
7. Lunghezza del conoide, L_c [m];
8. Lunghezza totale del percorso della colata, L_TOT [m];
9. Pendenza media della nicchia di distacco [°];
10. Pendenza media del percorso di colata (pari a quella dell’asta torrentizia) = tan^-1 [(H_max – H_min)/L] [°];
11. Pendenza media del conoide = tan^-1  [(H_min – Hu)/L] [°];
12. Larghezza media della nicchia di distacco [m]:
13. Larghezza media dell’asta [m];
14. Larghezza media del conoide [m];
15. Volume stimato del volume mobilitato del debris flow, partendo dalla nicchia di distacco [m³], e Area del conoide [m²];
16. Profondità media del materiale mobilitato nella zona di alimentazione [m].

Caratteristiche morfometriche del debris flow

Nello studio dei debris flow, va studiata anche nell’insieme morfologico in cui essi si sviluppano, e quindi le caratteristiche del bacino idrologico di pertinenza. I parametri quindi sono:

• Area del bacino (S);
• Perimetro del bacino (P);
• Lunghezza media del bacino (L): P/4 + (P/4)² – S;
• Altezza massima (H_M): quota massima del bacino;
• Altezza minima (H₀); quota minima del bacino corrispondente alla sezione di chiusura;
• Energia del rilievo: H_M – H₀;
• Quota media del bacino (q_media):
  

  qmedia =

  ∑qi Ai S

  Dove
  A_i = aree comprese tra due curve di livello successive interne al perimetro del bacino;
  q_i+1 e q_i-1 = quote delle due curve di livello
  q_i = (q_i+1 – q_i-1)/2 la media di due valori

• Altezza media del bacino (H_media): è data dalla differenza tra la quota media del bacino e l’altezza massima, q_media – H_M;
• Pendenza media del bacino (Q_media):
  

  Qmedia =

  eq S

  ∑li

  Dove
  eq = equidistanza della carta topografica adottata;
  l_i = lunghezza totale delle curve di livello contenute all’interno del perimetro del bacino.

• Fattore di forma (F):
  

  F =

  0.89 L √S

• Rapporto di circolarità (R_c):
  

  Rc =

  S L2

• Numero di Melton (I_M):
  

  IM =	HM – H0 S-0.5

Condizioni di innesco dei debris flow

Il fenomeno di debris flow è innescato da un’improvviso evento piovoso di notevole intensità e breve durata, o al disgelo rapido, di una materiale (terreno) già saturo e reduce da precipitazioni precedenti. I due parametri che vengono considerati nell’analisi idrologica sono la durata dell’evento e l’intensità di pioggia.

Una volta che l’evento si esaurisce è utile stimare la portata critica tenendo conto del trasporto solido. Schoklitsch (1963) propose una formula empirica per il calcolo del trasporto solido, individuando il valore di portata liquida iniziale di soglia al di sopra della quale si attivano i movimenti di trascinamento di particelle solide nell’alveo:

Q_cr = (0.6 * B *d₅₀2)/S^7/6

Dove:

Q_cr = portata liquida critica [m³/s]

B = larghezza media attiva dell’asta nella zona di innesco, area che maggiormente contribuisce al trasporto solido [m]

d₅₀ = diametro medio dei grani del materiale nella zona di alimentazione della colata [m];

S = superficie bacino [km²]

Un confronto di questa portata critica con quella generata dalla precipitazioni, permette di stimare la possibilità o meno che si inneschi la colata (debris flow). La stima della portata dovuta alla precipitazione è funzione del tempo di corrivazione del bacino, intensità di pioggia e tirante idrico.

Condizioni fisiche delle colate detritiche

Le situazioni di equilibrio in un ammasso granulare sono garantite dal rapporto tra componente normale e componente tangenziale delle forze instabilizzanti, questo rapporto deve essere minore alla tangente dell’angolo d’attrito del materiale stesso.

Una colata detritica (debris flow) può innescarsi per pendenze comprese mediamente tra i 14° e 23°. Per valori superiori lo scivolamento del materiale può avvenire anche senza il moto idrico superficiale o con terreno stabile o per una condizione di instabilità generale. Per valori inferiori ai 14°, invece, si può avere un flusso immaturo di detriti, o in determinate condizioni trasporto di fondo.

Per avere trasporto di fondo, naturalmente deve essere soddisfatta la condizione per cui si ha il superamento della forza di trazione critica, ovvero lo sforzo per il quale il tirante idrico è in grado di mobilitare un granulo di diametro d assegnato.

Condizioni geotecniche

Il metodo più utilizzato nel verificare le condizioni di stabilità, è rappresentato da un fattore di sicurezza che esprime il rapporto tra la resistenza a taglio disponibile e la forza di taglio mobilitata, il cosiddetto metodo del pendio indefinito (Figura 3).

Geoapp Analisi di stabilità di un pendio indefinito

Analisi di stabilità di pendi indefinito effettua un’analisi di stabilità di un pendio indefinito fino a 3 strati. È possibile, inoltre considerare la presenza di falda.

Opzioni di salvataggio, apertura lavoro e stampa relazione di calcolo in formato *.docx

Dove:

Θ = inclinazione del pendio, pari all’inclinazione della superficie di scivolamento

z = spessore del corpo di frana (soggetto alle colate)

h₀ = altezza del flusso idrico al di sopra del terreno

λ_f = angolo di direzione dei vettori di flusso rispetto alla normale del pendio

si hanno due ipotesi

1. LIVELLO DELL’ACQUA COINCIDENTE CON IL PENDIO O POSTO A QUOTA INFERIORE DI QUESTI (H₀ = 0)
   Ipotizzando terreno completamente saturo, il FS è pari a:

   FS =	C’ +(z γs cos2(θ) – up) tan(Φ’) z γs sen(θ) cos(θ)

   con
   c’ = coesione del terreno in termini di sforzi efficaci
   Φ’ = angolo d’attrito del terreno in termini di sforzi efficaci
   γ_s = peso di volume saturo del terreno
   u_p = pressione nei pori, dato a sua volta dalla relazione:

   up =

   γw z (1-

   tan(λf + θ -90) tan(90-θ) + tan (λf + θ-90)

   )

   dove γ_w è il peso di volume dell’acqua.

2. PRESENZA DI UNA LAMA D’ACQUA IN CONDIZIONI DI FLUSSO AL DI SOPRA DEL TERRENO (H₀>0)
   Il FS viene calcolato attraverso la relazione:

   FS =	c’ +(z γs cos2(θ) – up) tan(Φ’) (z γs + h γw) sen(θ) cos(θ)

   Genevois et. al introducono qui la direzione del vettore del flusso come elemento addizionale.

Condizioni di equilibrio dell’alveo

Sulla base degli studi presso l’Università di Napoli (Pica, 1972) per la ricerca per la determinazione della portata solida, nei debris flow, e delle condizioni affinché si generi il moto per trasporto solido, si è arrivati alla conclusione della formulazione di un parametro adimensionale τ*, che rappresenta lo sforzo tangenziale sulla parete dell’alveo, partendo dalla funzione di Shields e i parametri delle geometria delle sezioni d’alveo sono espressi in funzione della portata in regime di moto permanente.

indicando con d₅₀ il diametro medio dei grani del materiale.

La ricerca ha messo in evidenza che:

• per valori di τ*< di 0.2, il trasporto solido è pressoché nullo con condizione di moto incipiente;
• per valori di 0.2<τ*<0.5 il trasporto solido è selettivo con tendenza al trasporto del materiale più fino;
• per valori di τ*>0.5 tutto il materiale dell’alveo è in movimento.

Bibliografia: Testo tratto e rielaborato dal libro “Colate detritiche, stima del percorso e della pericolosità – Alberto Bruschi – Flaccovio Editore, 2008”

Geoapp Debris Flow

Applicativo online per il calcolo di: Portata liquida attesa a seguito dell’evento di piovosità (Q₀), Altezza del tirante idrico che si forma a seguito dell’evento di piovosità (h₀), Intensità di pioggia critica che soddisfa i requisiti per lo sviluppo del Debris Flow (I_pc), Spessore dello strato potenzialmente erodibile dalla corrente (a_L), Tirante idrico critico (Profondità minima del flusso capace di innescare il trasporto solido) (h_cr), Condizioni di stabilità calcolate attraverso il Fattore di sicurezza (Fs).

Nuova versione in arrivo: più potente, veste grafica migliorata, nuove funzionalità e calcoli aggiuntivi!

Potrebbe interessarti