Debris flow: analiza curgerilor detritice

Curgerea detritică, traducerea în limba română a termenului englezesc debris flow, face parte din procesele geomorfologice continue de denudare și remodelare ulterioară a scoarței terestre.
Acestea evoluează într-un timp foarte scurt și sunt fenomene de tip aluvionar, nestabil, caracterizate printr-o putere distructivă ridicată.

Mecanismele de declanșare a curgerilor detritice (debris flow) sunt multiple:

• Mobilizarea sedimentelor grosiere în albia torențială în urma unor ploi intense, care generează un curent lichid la suprafață și, în unele cazuri, sunt favorizate și de fenomenele de dezgheț;
• Prăbușirea unui versant;
• Fluidizarea unei alunecări de teren de tip translațional sau a unei prăbușiri aflate în desfășurare (soil slip), care poate avea loc fie din cauza trecerii unui curent de apă, fie din lipsa de umiditate în zona afectată de alunecare;
• Blocarea albiei cauzată de prăbușirea unui baraj de pământ sau de căderea arborilor.

Într-un eveniment de curgere detritică pot fi distinse două zone principale: bazinul de drenaj și conoida.
Primul (numit și bazin hidrografic) este zona în care evenimentul meteorologic erodează și transportă materialul detritic către o zonă de depunere, adică conoida (sau conul de dejecție). Aceste două elemente sunt conectate prin canalul de alimentare (sau canalul de curgere), care corespunde de obicei cu albia râului. La capătul canalului de alimentare începe conoida, aici aflându-se și secțiunea de închidere a bazinului.

Conoida poate fi împărțită în:

• inactivă, dacă nu este (previzibil) afectată de fenomene de revărsare;
• activă, unde persistă fenomene de depunere, eroziune și revărsare.

Aceasta din urmă este, la rândul ei, împărțită în trei zone:

1. Proximală: zona în care se acumulează depozite grosiere provenite din primele momente ale curgerii;
2. Medială;
3. Distală.

Trăsăturile comune, atât morfologice cât și fizice, ale mai multor fenomene de debris flow pot fi rezumate astfel:

• Avansul, format dintr-un front și, lateral, din elemente litice de mari dimensiuni și o coadă mai lichidă;
• Canal de curgere cu formă de U;
• Acțiune puternică de dislocare și doborâre a vegetației de pe marginile canalului;
• Creșterea vitezei curgerii în valuri succesive, dar mereu sub viteza unui curent lichid;
• Curgerea urmează albia, dar poate forma diguri proprii în interiorul cărora se scurge.

Fig. 1 – Morfologia unei curgeri detritice (debris flow). Preluat din

Este posibil să fie identificate anumite mărimi tipice ale unei curgeri detritice (debris flow) (Figura 2), precum:

1. Altitudinea punctului cel mai înalt din care s-a declanșat curgerea (H_max, altitudine față de nivelul mării) [m];
2. Altitudinea de început a depozitului de material, sau vârful conoidei (H_min, altitudine față de nivelul mării) [m];
3. Altitudinea unde se termină depozitul de material (H_u, altitudine față de nivelul mării) [m];
4. Diferența de nivel între punctele 1 și 2, H [m];
5. Diferența totală de nivel a curgerii [m];
6. Lungimea curgerii detritice între punctul de declanșare și punctul de început al depozitului, L [m];
7. Lungimea conoidei, L_c [m];
8. Lungimea totală a traseului curgerii, L_TOT [m];
9. Panta medie a nișei de desprindere [°];
10. Panta medie a traseului de curgere (echivalentă cu cea a albiei torențiale) = arctan [(H_max – H_min)/L] [°];
11. Panta medie a conoidei = arctan [(H_min – H_u)/L] [°];
12. Lățimea medie a nișei de desprindere [m];
13. Lățimea medie a albiei [m];
14. Lățimea medie a conoidei [m];
15. Volumul estimat al masei mobilizate de debris flow, pornind de la nișa de desprindere [m³] și aria conoidei [m²];
16. Adâncimea medie a materialului mobilizat în zona de alimentare [m].

Fig. 2 – Mărimi fizice de măsurat într-o curgere detritică (debris flow), după Lorente (2003)

Caracteristici morfometrice ale curgerilor detritice (debris flow)

În studiul curgerilor detritice este important să fie analizat și contextul morfologic în care acestea se dezvoltă, adică trăsăturile bazinului hidrografic aferent. Parametrii relevanți sunt:

• Suprafața bazinului (S);
• Perimetrul bazinului (P);
• Lungimea medie a bazinului (L): P/4 + √[(P/4)² – S];
• Altitudinea maximă (HM): altitudinea cea mai mare din bazin;
• Altitudinea minimă (H0): altitudinea minimă a bazinului, corespunzătoare secțiunii de închidere;
• Energia reliefului: HM – H0;
• Altitudinea medie a bazinului (qmedia):

Unde:

Ai = suprafețe cuprinse între două curbe de nivel succesive aflate în interiorul perimetrului bazinului;

qi+1 și qi–1 = altitudinile celor două curbe de nivel;

qi = media dintre două altitudini: (qi+1 – qi–1)/2

• Înălțimea medie a bazinului (Hmedia): diferența dintre altitudinea medie a bazinului și altitudinea maximă, adică qmedia – HM;
• Panta medie a bazinului (Qmedia):

Unde:
eq = echidistanța curbelor de nivel de pe harta topografică;
li = lungimea totală a curbelor de nivel aflate în interiorul perimetrului bazinului.

• Factorul de formă (F):
  

  F =

  0.89 L √S

• Raportul de circularitate (Rc):
  

  Rc =

  S L2

• Numărul Melton (IM):
  

  IM =	HM – H0 S-0.5

Condiții de declanșare a curgerilor detritice (debris flow)

Fenomenul de debris flow este declanșat de un eveniment pluvial brusc, de intensitate ridicată și durată scurtă, sau de o topire rapidă a zăpezii, într-un material (sol) deja saturat și afectat anterior de precipitații. Cei doi parametri considerați în analiza hidrologică sunt durata evenimentului și intensitatea precipitațiilor.

După încheierea evenimentului, este util să se estimeze debitul critic, ținând cont de transportul solid. Schoklitsch (1963) a propus o formulă empirică pentru calculul transportului solid, identificând valoarea pragului de debit lichid inițial peste care se declanșează mișcarea de antrenare a particulelor solide în albie:

Q_cr = (0.6 * B *d₅₀2)/S^7/6

Unde:

Qcr = debitul lichid critic [m³/s];

B = lățimea medie activă a albiei în zona de declanșare, adică acea zonă care contribuie cel mai mult la transportul solid [m];

d₅₀ = diametrul mediu al particulelor din materialul situat în zona de alimentare a curgerii [m];

S = suprafața bazinului [km²].

Compararea acestui debit critic cu cel generat de precipitații permite estimarea probabilității ca o curgere detritică (debris flow) să se declanșeze sau nu. Estimarea debitului rezultat din precipitații este funcție de timpul de concentrare al bazinului, intensitatea ploii și tirantul hidric.

Condiții fizice ale curgerilor detritice

Situațiile de echilibru într-un material granular sunt asigurate de raportul dintre componenta normală și componenta tangențială a forțelor destabilizatoare, iar acest raport trebuie să fie mai mic decât tangenta unghiului de frecare internă al materialului în cauză.

O curgere detritică (debris flow) se poate declanșa, în medie, pe pante cuprinse între 14° și 23°. Pentru valori mai mari, alunecarea materialului poate avea loc chiar și în absența unei curgeri de apă la suprafață sau în condiții de teren aparent stabil, ori ca urmare a unei instabilități generale.
Pentru pante mai mici de 14°, poate apărea un flux imatur de detritus sau, în anumite condiții, un transport de fund.

Pentru a avea loc transportul de fund, trebuie îndeplinită condiția de depășire a forței de tracțiune critică – adică efortul pentru care coloanal de apă este capabilă să mobilizeze un granulat de un anumit diametru d atribuit.

Condiții geotehnice

Metoda cel mai frecvent utilizată pentru verificarea condițiilor de stabilitate este reprezentată de factorul de siguranță, care exprimă raportul dintre rezistența la forfecare disponibilă și forța de forfecare mobilizată — așa-numita metodă a versantului indefinit (Figura 3).

Geoapp Analiza stabilității unui versant nedefinit

Aplicația pentru analiza stabilității unui versant nedefinit permite evaluarea stabilității până la 3 straturi de sol. De asemenea, este posibil să se ia în considerare prezența pânzei freatice.

Oferă opțiuni de salvare, deschidere a lucrării și imprimare a raportului de calcul în format *.docx.

Figura 3 – Model al versantului nedefinit

Unde:

Θ = înclinarea versantului, adică înclinarea suprafeței de alunecare

z = grosimea masei de alunecare (supusă curgerii)

h₀ = înălțimea fluxului de apă deasupra solului

λf = unghiul dintre direcția vectorilor de curgere și normala versantului

Se iau în calcul două ipoteze:

1 – NIVELUL APEI COINCIDE CU VERSANTUL SAU SE AFLĂ LA O ALTITUDINE MAI JOS DE ACESTA (H₀ = 0)
Presupunând că terenul este complet saturat, factorul de siguranță (FS) este dat de:

Unde:

c’ = coeziunea solului în termeni de eforturi eficiente

Φ’ = unghiul de frecare internă a solului în termeni de eforturi eficiente

γs = greutatea volumică a solului saturat

up = presiunea interstițială (în pori), calculată după relația:

dove γ_w è il peso di volume dell’acqua.

2. EXISTENȚA UNUI STRAT DE APĂ ÎN CONDIȚII DE CURENT DEASUPRA TERENULUI (H₀>0)

În acest caz, factorul de siguranță FS se calculează cu relația:

Genevois și colaboratorii introduc în această formulare direcția vectorului de curgere ca element suplimentar în evaluarea stabilității.

Condiții de echilibru ale albiei

Pe baza studiilor realizate la Universitatea din Napoli (Pica, 1972), privind determinarea debitului solid în debris flow și a condițiilor necesare pentru ca mișcarea prin transport solid să aibă loc, s-a ajuns la formularea unui parametru adimensional τ*, care reprezintă efortul tangențial exercitat asupra pereților albiei.

Acest parametru este derivat din funcția lui Shields, iar parametrii geometrici ai secțiunii albiei sunt exprimați în funcție de debitul aflat în regim de curgere permanent.

unde d₅₀ este diametrul mediu al particulelor materialului, iar Δ este diferența de densitate relativă între material și apă.

Cercetarea a evidențiat următoarele:

• Pentru valori τ* < 0,2, transportul solid este practic inexistent, existând o condiție de mișcare incipientă;
• Pentru valori între 0,2 < τ* < 0,5, transportul solid este selectiv, cu tendință de a mobiliza materialul mai fin;
• Pentru valori τ* > 0,5, întregul material al albiei este pus în mișcare.

Bibliografie: Text extras și adaptat din cartea „Colate detritiche, stima del percorso e della pericolosità” – Alberto Bruschi – Flaccovio Editore, 2008.

Geoapp Debris Flow

Aplicație online pentru calculul următorilor parametri: debitul lichid estimat în urma unui eveniment pluvial (Q₀), înălțimea coloanei de apă formată după ploaie (h₀), intensitatea critică a precipitației necesară pentru declanșarea unei curgeri detritice (Ipc), grosimea stratului potențial erodabil de către curgere (aL), coloana de apă critică (adâncimea minimă a fluxului capabilă să inițieze transportul solid) (hcr), și condițiile de stabilitate evaluate prin Factorul de siguranță (Fs).

Noua versiune vine în curând: mai puternică, cu o interfață grafică îmbunătățită, funcționalități noi și calcule suplimentare

Ați putea fi interesat de