Studio sperimentale e numerico della fase di propagazione di colate di fango (mudflow)

Mud-flows are meaningful examples of Italian and worldwide hydrogeological instability; in their catastrophic form they have caused many victims and serious economic damage around the world. To improve safety of human settlements endangered by them it is necessary to predict their occurrence, triggering conditions, and the effects they produce. The prediction of both run-out distances and velocity can notably reduce losses inferred by these phenomena, providing a means for defining and estimating the hazardous areas, and the working out of appropriate design measures. The mean goals of this thesis have been the study of mudflow propagation phase according to an experimental and numerical analyses. Experiments on small-scale physical models represent a powerful tool for identifying and evaluating the influential factors of mud-flow behaviour and verify the reliability of predictive models. The distinctive features and evolution of these phenomena are strictly related to the mechanical and rheological properties of the materials involved which are responsible for the long distances travelled and high velocities in some cases reached. The rheology is very important because it isn’t possible to describe the propagation of this kind of flow with the classical continuum mechanics. The mathematical model is based on the balance of mass and of linear momentum for non-linear materials and large deformation problems, from where the depth integrated model can be derived. The model is completed by suitable rheological and kinematical relations. The code was developed by professor Pastor from CEDEX in Madrid. The model is non linear and solid-pore fluid coupled; it allows to determine the run-out distance, the flow velocity and the thickness of the mobilized soil. The numerical discretization refers to the method of “Smoothed particle hydro-dinamics” (SPH), which relies on nodes (points) to approximate functions or derivates, discluding any element based information. In order to calibrate and validate the code, a few simulations of real and laboratory benchmarks are carried out. For the experimental cases are chosen some test performed during this research; whereas as real cases are selected the Tessina (Belluno, 1992) and Favazzina (RC, 2001), landslides, which are completely different phenomena. The first one is a slow mudflow involving a large amount of material, the second one is very fast but with small mobilized mass. These back analyses grant to bear out and reliability and validity of the numerical code.Le colate di fango rappresentano significativi esempi del dissesto idrogeologico ampie italiano e mondiale e sono fonte di rischio per l'incolumità dell'uomo, delle opere e infrastrutture. Per poter realizzare una protezione efficace contro questi disastri è necessario avere una completa conoscenza delle cause che li producono ed essere in grado di effettuare una previsione delle conseguenze che essi scatenano. La previsione delle caratteristiche come la velocità di propagazione e le distanze percorse, sono di grande importanza per la progettazione di strutture di protezione e canalizzazione. Gli obiettivi principali di questo lavoro sono stati la valutazione delle modalità di propagazione dei mudflow sulla base di un’analisi sperimentale e numerica. Attraverso prove di laboratorio è possibile analizzare l’evoluzione del fenomeno oggetto di studio, individuarne le grandezze fondamentali che lo governano. Inoltre si può identificare il comportamento reologico del materiale coinvolto visto che non è possibile descrivere la propagazione di un flusso di terreno con la classica meccanica del continuo . Per lo studio della propagazione è stato implementato un modello tridimensionale basato sulle equazioni di conservazione della massa e della quantità di moto, che sono integrate in profondità attraverso una serie di ipotesi semplificative realizzate considerando la struttura verticale del flusso. Il codice è stato sviluppato dal professor Pastor del CEDEX di Madrid. Il modello implementato è non lineare e accoppiato, ed insieme alle adeguate relazioni costitutive permette di determinare la distanza percorsa, le velocità secondo il piano perpendicolare alla direzione di integrazione, la profondità del materiale mobilitato. La tecnica di discretizzazione utilizzata è il metodo SPH (Smoothed particle Hydrodinamics), che si basa sulla discretizzazione di un insieme di nodi su cui si effettuano approssimazioni integrali di una funzione e delle sue derivate. La validità del codice è stata verificata attraverso simulazioni di eventi a scala reale e di laboratorio. Per questi ultimi si è fatto riferimento alle prove effettuate durante il programma sperimentale effettuato per questa tesi di ricerca; mentre come casi reali sono stati scelti la frana del Tessina (Belluno, 1992) e quella di Favazzina (RC, 2001), proprio perché due fenomeni completamente diversi. La prima è una colata lenta ma che mobilizza grandi masse instabili, la seconda invece è molto rapida ma anche molto modesta nei volumi coinvolti. Attraverso la back analysis di questi due eventi si è voluto ancora di più confermare e avvalorare l’affidabilità e la validità del codice in esame