Analisi predittive del comportamento idro-meccanico di un modello di argine fluviale in condizioni di flusso transitorio

Il frequente manifestarsi di eventi alluvionali per collasso di opere in terra costituisce un problema di particolare rilevanza nella valutazione del rischio idrogeologico e della pianificazione territoriale. In questo contesto risulta cruciale un’accurata stima delle condizioni di stabilità che tenga conto dello stato di parziale saturazione dei terreni costituenti il rilevato. Altrettanto importante è tenere conto delle condizioni di flusso transitorio che si instaurano negli argini e nei terreni di fondazione a seguito delle continue variazioni del livello idrometrico dei corsi d’acqua. Tutto ciò influenza notevolmente la risposta idro-meccanica delle opere in parola. In tale prospettiva la nota illustra uno studio numerico, basato sull’approccio agli elementi finiti e sul metodo dell’Equilibrio Limite, per l’analisi del comportamento di un argine fluviale rappresentativo delle opere di difesa idraulica degli affluenti alpini e appenninici del fiume Po. Lo studio proposto tiene debito conto delle condizioni di parziale saturazione del corpo arginale interessato da un moto di filtrazione in regime transitorio. Le analisi numeriche proposte costituiscono parte integrante della progettazione di una prova in centrifuga geotecnica su un modello fisico in scala ridotta, finalizzata a investigare la vulnerabilità delle infrastrutture arginali nei confronti di eventi di piena

Modellazione fisica in centrifuga di un argine fluviale soggetto a forzanti idrauliche

In questo lavoro sono riportati i risultati sperimentali di una prova in centrifuga su un modello di argine fluviale soggetto ad una progressiva sollecitazione idraulica. Le misure di pressioni neutre e di suzione nell’argine mostrano che il fronte di saturazione raggiunge il lato campagna attingendo la condizione stazionaria solo dopo una persistenza irrealistica dell'evento di piena simulato. Pertanto svolgere la progettazione o la valutazione delle condizioni di sicurezza di un argine fluviale con proprietà simili a quello testato nel presente lavoro, assumendo l'ipotesi semplificata di un regime stazionario di filtrazione potrebbe risultare in molti casi un approccio eccessivamente conservativo e, comunque, poco significativo

On the role of partially saturated soil strength in the stability analysis of a river embankment under steady-state and transient seepage conditions

River flood risk is considered being one of the most costly hazards in Europe and under a further major potential impact of climate change, in combination with land-use changes and water management practices, flood risk is expected to increase for many river basins. In engineering practice, the design of river embankments is usually performed using simplified approaches, considering steady-state flow conditions induced by the retained water and almost neglecting issues related to partially saturated soils, thus leading to potentially heavily over conservative results of stability analyses. To provide a realistic assessment of river bank stability conditions and to get a more accurate prediction of flood risk it is necessary to consider river bank soil behaviour at different saturation degrees in connection with transient seepage flow. A numerical study on stability conditions of a specific river embankment focusing on the partially saturated soil strength contribution is presented herein. Seepage and stability analyses have been carried out using the information collected on river Secchia flooding case study, occurred north of the city of Modena (Italy) in January 2014. Limit equilibrium method has been adopted for assessing the overall stability in steady-state and transient flow conditions. Useful indications for accounting unsaturated soil strength in similar circumstances are finally provided in the paper

Monitoring soil retention properties in a riverbank susceptible to fluvial erosion

One of the principal source of vulnerability for riverbanks is given by slopes instabilities, which is triggered on the riverside by fluvial erosion. In order to mitigate such erosion, the establishment of a dense herbaceous cover aims at promoting the slope protection and reducing the likelihood of embankment failure. In fact, the aerial parts of vegetation reduce the mechanical impact of river level fluctuations and rainfall on the embankment and retain sediment transported, while the belowground parts reinforce mechanically the materials forming the top of the embankment, facilitating drainage in the topmost layers and promoting plant water uptake, thus contributing to the regulation of the drying/wetting cycle. Plating deep-rooting perennial, herbaceous species on earth embankments therefore represent a sustainable, green intervention for the protection of a riverbank susceptible to fluvial erosion, contributing to the preservation of the fluvial ecosystem environment and avoiding a wide use of grey solutions. The European research project OPERANDUM is testing also this typology of NBS, with an experimental site selected on the river Panaro, one of the main tributary of the main Po River, Italy. To investigate the effect of vegetation on the riverbank soil, a monitoring system has been installed at shallow depths. The system estimates soil water content, matric suction and pore water pressure, in order to quantify the effects of the growth of different vegetation species, which have been recently seeded on site, for analyzing the plant-soil-atmosphere interaction. The work will present the site preparation and the system implementation. The analysis of the first collected data and the outcomes of the preliminary investigations, including site and laboratory experiments, will then be discussed. Monitoring data collected along the entire vegetation growth cycle, that is expected to take around two years, will allow to quantify the influence of vegetation in the soil-atmosphere interaction processes and, on the long-term, verify its effective contribution in riverbank protection

Schemi per il monitoraggio dei terreni golenali parzialmente saturi del fiume panaro nella valutazione dei processi di interazione del suolo con vegetazione ed atmosfera

Il monitoraggio della zona non satura riveste un ruolo cruciale nella comprensione e nell’analisi dei fenomeni di interazione terreno-vegetazione-atmosfera ed è, ad oggi, pratica piuttosto frequente quella di far uso di sensori per la valutazione, diretta o indiretta, di alcune variabili di stato del suolo quali suzione e contenuto d’acqua. Tali misurazioni in campo, insieme ai dati ottenuti in laboratorio, permettono infatti di sviluppare modelli numerici previsionali dettagliati e rappresentativi delle reali condizioni di sito. Una delle applicazioni di maggior interesse in tal senso è certamente rappresentata dai rilevati arginali, nei quali la variabilità spazio-temporale del livello di saturazione soprattutto a seguito ed in concomitanza di eventi di precipitazione e piena, ha forti implicazioni sulle condizioni di stabilità e filtrazione. In tale ambito, l’uso di dati di monitoraggio può essere dunque cruciale nella valutazione del rischio associato a fenomeni di rottura sia locali che globali. Nella presente nota verrà presentato lo schema di monitoraggio della zona non satura di un settore arginale del fiume Panaro ed il contesto di studio; l’area ricade sulla sponda lato fiume dell’argine, nella quale sono monitorate in continuo suzione, contenuto d’acqua e temperatura del suolo fino ad una profondità massima di circa 3 m dal piano campagna. Questi dati, associati alle condizioni climatiche, oltre che idrometriche, forniranno un utile riscontro al complesso sistema di interazioni terreno-vegetazione-atmosfera specifiche del sito, garantendo un riferimento per le analisi del bilancio idrologico ed indicazioni sulle caratteristiche di ritenzione idrica del suolo

Metodologie di analisi per la valutazione della stabilità di argini fluviali in condizioni di flusso transitorio

Un’accurata stima delle condizioni di stabilità di argini fluviali rappresenta un problema di notevole interesse nell’ambito della gestione e pianificazione territoriale, con un diretto e significativo impatto nei processi di valutazione del rischio idrogeologico. Pur limitandosi ai meccanismi di collasso connessi all’insorgenza di fenomeni di instabilità globale, numerose sono le tematiche di interesse geotecnico coinvolte nella risoluzione di tale problema; fra queste, le condizioni di parziale saturazione dei terreni costituenti il rilevato arginale, aventi significativo impatto nella risposta idro-meccanica dell’opera in terra e presenti durante l’intera vita utile. Inoltre, le condizioni di flusso transitorio associate ai moti di filtrazione che si sviluppano nel terreno arginale e di fondazione risultano di non semplice descrizione, anche in relazione alla variabilità temporale delle condizioni al contorno (di tipo atmosferico ed idraulico) ed alle incertezze associate alla conoscenza sia dello stato di saturazione che delle proprietà idrauliche e di ritenzione del terreno. Queste, unite all’eterogeneità intrinseca dei suoli, implica necessariamente l’adozione di approcci probabilistici, complicando certamente la definizione di criteri sicurezza nei confronti dell’insorgenza di possibili meccanismi di collasso. Uno studio comprensivo delle varie problematiche associate alla valutazione della stabilità di argini fluviali in condizioni di flusso transitorio è stato condotto al fine di esplorare ed approfondire varie metodologie di analisi. I differenti approcci, nel seguito brevemente descritti, si distinguono in base al grado di approfondimento e di dettaglio dei modelli, all’onere computazionale e di calcolo richiesto ed alla tipologia di informazioni e dati di input a disposizione per la risoluzione del problema in esame. Nella presente nota, infine, varie indicazioni son fornite sulla base delle evidenze e dei risultati raccolti, con lo scopo di fornire un utile riferimento all’attuale pratica ingegneristica e di investigare nel dettaglio le varie problematiche geotecniche coinvolte

Experimental and Numerical Investigations of a River Embankment Model under Transient Seepage Conditions

The evaluation of riverbank stability often represents an underrated problem in engineering practice, but is also a topical geotechnical research issue. In fact, it is certainly true that soil water content and pore water pressure distributions in the riverbank materials vary with time, due to the changeable effects of hydrometric and climatic boundary conditions, strongly influencing the bank stability conditions. Nonetheless, the assessment of hydraulic and mechanical behavior of embankments are currently performed under the simplified hypothesis of steady-state seepage, generally neglecting the unsaturated soil related issues. In this paper, a comprehensive procedure for properly defining the key aspects of the problem is presented and, in particular, the soil characterization in partially saturated conditions of a suitably compacted mixture of sand and finer material, typical of flood embankments of the main river Po tributaries (Italy), is reported. The laboratory results have then been considered for modelling the embankment performance under transient seepage and following a set of possible hydrometric peaks. The outcome of the present contribution may provide meaningful geotechnical insights, for practitioners and researchers, in the flood risk assessment of river embankments

An integrated approach of laboratory testing and field monitoring for the stability analysis of a partially saturated river embankment

Partial saturation is a key-feature of the materials typically forming the river embankments, providing a significant contribution in terms of hydraulic retention and slope stability to such linear infrastructure. Although unsaturated soil related issues has become more and more investigated in geotechnical research, nowadays their adequate integration in the framework of flood protection and risk mitigation is still rather limited. Such circumstance can be mainly ascribed to the strong uncertainties that still affect their practical application, like the limited information on the actual soil suction distribution in the river embankments and the substantial lack of a suitable characterization of the materials under partially saturated conditions. This study aims at investigating the importance of a proper mechanical characterization of the unsaturated soil for the riverbank stability assessment. In order to introduce a more general and realistic approach, the paper presents the experimental and the numerical results obtained for a well-documented case study, concerning an embankment section of the river Secchia, a right tributary of the river Po. In particular, a detailed analysis of the safety variations induced by time-dependent hydraulic and atmospheric actions has been carried out by integrating the numerical model with the information collected on site from the extensive monitoring system purposely implemented. The stability analysis has been thus performed considering different soil failure criteria and then comparing the results of standard and more detailed predictive analyses. A suitable laboratory testing campaign has been also carried out, focusing on suction-controlled tests and including direct shear and oedometer tests, which enable to accurately describe the soil mechanical and retention behaviour at site-representative states. The final scope of the work is therefore to provide a contribution to the development of more realistic riverbank stability analyses and to bridge the gap between researchers and practitioners in the use of unsaturated soil mechanics