Surface velocity distribution and rheological proprties estimation of debris flows

Debris flows are among the most dangerous natural hazards in mountainous areas. In European Alps, they are associated to summer heavy rainfalls and can be extremely destructive. Nevertheless, their rheology, at field scale, is still not well known. These mixtures of debris, water and air behave as non- Newtonian fluids, with a plastic yield strength, a high bulk density and a high dynamic viscosity. Indeed, these parameters are difficult to measure in the field. In this paper, data from a monitoring system are used to measure the surface velocity of debris flows, through image analysis, following the trajectories of single particles on the flow surface, and to infer shear strength and viscosity of flows. The surface velocity distribution shows at times either rigid plugs of different width or plug does not exist at all. Our observations indicate the existence of both Bingham and Newtonian behaviour even in a single surge, as the consequence of significant changes in stage, solid concentration and in particle- size. Shear strength and viscosity, can be evaluated through appropriate relationships. The analysis and processing of surface velocity distribution allow realistic estimations of crucial aspects of flow behaviour like impact forces and run-out, parameters essential for the designing of effective countermeasures.

I debris flow sono tra i più pericolosi e distruttivi rischi naturali che interessano le aree montane di tutto il mondo. Nelle Alpi Europee questi processi geologici, generalmente associati a piogge estive ad alta intensità, sono spesso causa di ingenti danni economici e di perdite di vite umane in relazione all'elevato grado di antropizzazione del territorio alpino e alla rapidità con cui si sviluppano. La conoscenza del comportamento dei debris flow è di fondamentale importanza per la gestione del territorio e per la definizione e mitigazione di questo rischio naturale, eppure la dinamica di questo fenomeno, in particolare l'intrinseca reologia, a scala di campagna, pur oggetto negli ultimi decenni di estese ricerche, è ancora poco conosciuta nella sua complessità. I debris flow sono costituiti da una miscela di solidi granulari con acqua e aria, con una concentrazione di solidi assai variabile e generalmente mostrano un comportamento da fluido altamente non-Newtoniano, talvolta dotato di una resistenza plastica di soglia (shear strength) ed elevati valori di densità e viscosità dinamica. Tali parametri controllano il comportamento del fenomeno nelle fasi di flusso e deposizione, nonché la sua capacità erosiva. La distribuzione superficiale delle velocità denota le caratteristiche reologiche di quella miscela fluida nella sua fase di scorrimento. L'adozione di un appropriato modello reologico è fondamentale dunque per la progettazione di opere di mitigazione del rischio come bacini di deposizione del detrito o muri ed argini deflettori e per lo sviluppo di tecniche di prevenzione, come sistemi di allarme e definizione di aree a rischio. Essendo le misure dirette della concentrazione solida, densità, viscosità e resistenza allo scorrimento nei debris flow naturali sono piuttosto difficili o impossibili tout-court da attuare, vengono in parte e sporadicamente realizzate nelle rare stazioni di monitoraggio presenti in varie aree montuose nel mondo. Misure della velocità superficiale di debris flow naturali sono invece più facilmente attuabili mediante sensori a ultrasuoni, rilievi fotografici, geofoni e video registrazione, e sono utili per la stima dei parametri reologici fondamentali. Profili orizzontali di velocità superficiale di debris flow naturali non sono comuni in letteratura; tali elaborazioni sono finora state prodotte solo da videoregistrazioni eseguite in California (USA), Giappone e Cina. Lo scopo del presente studio è quello di fornire un metodo utile, sebbene indiretto, per stimare alcune proprietà reologiche di debris flow naturali, quali resistenza allo scorrimento e viscosità, la cui conoscenza è cruciale per la mitigazione del rischio. La scelta infatti di parametri reologici non idonei porta sovente ad errori nella progettazione delle opere di controllo, in particolare nel dimensionamento di strutture di ritenuta del materiale solido. Tecniche di analisi di immagine sono state utilizzate per misurare la distribuzione di velocità superficiale su una sezione di flusso di un debris flow naturale, in momenti differenti di un evento registrato dal sistema di monitoraggio del canale di Acquabona, nei pressi di Cortina d'Ampezzo (BL). I filmati sono stati registrati da una videocamera in posizione zenitale rispetto al flusso, sospesa sul canale nella parte bassa del suo percorso. La posizione di singole particelle sulla superficie del flusso è stata tracciata, calibrata su distanza reale, da un fotogramma al successivo, utilizzando il codice open-source VLC. Nel caso in esame la distribuzione della velocità superficiale, determinata in momenti differenti dell'evento, mostra un comportamento del flusso di tipo Bingham e di tipo Newtoniano perfino nell'ambito di una stessa pulsazione del fenomeno, evidenziando la presenza di una zona centrale a velocità costante (rigid plug) di ampiezza variabile nel tempo o la sua assenza in alcune fasi dell'evento. Dalle elaborazione dei dati di immagine, è possibile determinare che tali differenze del comportamento reologico sono una conseguenza di significative variazioni della concentrazione solida, dello spessore del flusso e della granulometria. La resistenza allo scorrimento della miscela granulare e la viscosità sono state dunque valutate attraverso appropriate relazioni. L'analisi di immagine e l'elaborazione della distribuzione superficiale della velocità di un debris flow consentono stime realistiche di alcuni parametri reologici di un flusso granulare in condizioni naturali, necessari per il calcolo di cruciali aspetti quali le forze di impatto e la distanza di arresto (run-out) di un debris flow, essenziali per la progettazione e dimensionamento di opere di controllo efficaci.