Analisi di serie temporali di dati di monitoraggio di versante per scopi di allertamento rapido

La “rottura geo-meccanica”, o collasso improvviso, di un versante (i.e. slope failure) è uno dei maggiori rischi idrogeologici. La rapidità di movimento del materiale mobilizzato è tale da essere associata ad enorme potere distruttivo, lasciando virtualmente nessun margine di tempo per intraprendere procedure di evacuazione o di messa in sicurezza dopo l’iniziazione dell’evento. Molti fattori possono determinare una slope failure; questi possono essere di natura variabile sia nello spazio che nel tempo. Sebbene sia comunemente accettato che lo spostamento superficiale e le sue derivate (i.e. velocità e accelerazione) siano i più affidabili indicatori diretti delle condizioni di stabilità di un pendio, e che il creep terziario sia l’effetto più evidente di un processo di rottura geo-meccanica progressiva in atto, vari aspetti devono ancora essere studiati e compresi riguardo l’acquisizione ed interpretazione dei dati di monitoraggio in fase di allertamento. In tal senso, informazioni cruciali possono essere ottenute attraverso un approccio di tipo semi-empirico, cioè attraverso l’analisi a posteriori di un consistente numero di casi di studio. Di conseguenza, la ricerca si è imperniata attorno alla raccolta di vari set di dati di monitoraggio caratterizzati da fasi di accelerazione degli spostamenti. Sono stati considerati sia esempi di versanti in accelerazione che hanno raggiunto il collasso, sia esempi in cui il collasso, sebbene atteso, non è infine avvenuto e si è verificato il raggiungimento di una nuova condizione di equilibrio (i.e. non-failures). Inoltre, i casi di studio hanno riguardato le deformazioni di versanti naturali e artificiali sia in roccia che in terra, e anche le deformazioni di infrastrutture costruite su pendii in frana. Si può fare riferimento a diverse metodologie per l’analisi di serie temporali di spostamento superficiale. Nello specifico: • Teoria del creep terziario • Metodi “database review” • Metodi numerici L’applicabilità e lo sviluppo sia teorico che pratico di tutti questi metodi sono al centro dei contenuti di questa tesi. In particolare, a causa della sua diffusione e della sua rilevanza in ambito della gestione del rischio frana, ampio spazio è stato dedicato alla teoria del creep terziario e al relativo metodo del reciproco della velocità (o metodo INV). Relativamente a tale argomento, sono state definite linee guida per la corretta elaborazione ed interpretazione di serie temporali di spostamento superficiale. Dato che è stato rilevato come non necessariamente una fase di creep terziario generi sempre una failure, particolare sforzo è stato rivolto all’introduzione di metodologie in grado di indicare quanto una fase di accelerazione sia associabile alla probabilità di un collasso del materiale. Fra i risultati del lavoro di ricerca, uno dei più importanti è consistito nel rilevamento che, contrariamente a quanto descritto nella letteratura scientifica, fasi di creep terziario (seppur estremamente rapide) sono state osservate anche in antecedenza a failure di natura marcatamente fragile in ammassi rocciosi di alta qualità geomeccanica. È stato quindi possibile concludere che l’osservazione di movimenti apparentemente istantanei in tali tipi di rocce è dovuta in realtà a un’inadeguata risoluzione temporale del monitoraggio, e non a un diverso comportamento cinematico. Un’altra tematica di interesse discussa all’interno della tesi riguarda l’opportunità di utilizzare l’interferometria satellitare per migliorare la caratterizzazione e la previsione di incipienti slope failures. In seguito allo studio del collasso inaspettato di un versante roccioso in una miniera di rame, chiaro creep terziario è stato osservato per la prima volta in misure di spostamento superficiale acquisite tramite questa tecnica. Ciò ha evidenziato come attualmente vi siano le potenziali condizioni per l’applicazione del monitoraggio interferometrico da satellite anche in fasi di allertamento. Infine, l’ultima parte della tesi propone l’introduzione di due nuove tecniche per l’analisi di dati di monitoraggio di versante: una di esse è riferibile al campo dei metodi database review, mentre l’altra a quello dei metodi numerici. La prima, basata su dati di spostamento e velocità relativi a 40 eventi di collasso di pareti rocciose in alcune miniere di carbone, suggerisce l’esistenza di una relazione ricorrente nella curva accelerazione–tempo dei casi di studio analizzati e che l’accelerazione stessa sia un parametro più significativo della velocità in prossimità dell’istante di failure. La seconda, tramite lo sfruttamento di un avanzato modello numerico, è invece finalizzata alla definizione della quantità di spostamento superficiale anomalo mostrato durante un certo lasso temporale dal sito oggetto del monitoraggio; quest’ultimo metodo si adatta allo studio di fasi di deformazione periodicamente ricorrenti. In ultima analisi è stato osservato come la previsione delle slope failures sia materia estremamente complessa, che abbraccia numerose limitazioni sia teoriche che pratiche. I contenuti proposti nella tesi mirano a superare tali limitazioni e in generale a migliorare lo stato delle conoscenze sui fenomeni di rottura geo-meccanica. In ogni caso è risultato evidente come un approccio a scatola nera, in cui i dati sono analizzati senza giudizio critico e senza considerazione delle specifiche proprietà del sito, sia da evitare. Al contrario, ogni programma di monitoraggio e sistema di allertamento è efficace soltanto se attentamente calibrato e contestualizzato relativamente allo stile deformativo del versante e al rispettivo scenario di rischio