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ijege-11_02-colombo-et-alii.pdf

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23
Italian Journal of Engineering Geology and Environment, 2 (2011)
© Casa Editrice Università La Sapienza
www.ijege.uniroma1.it
DOI: 10.4408/IJEGE.2011-02.O-02
L
oris
COLOMBO, D
anieLe
CREMONESI & V
incenzo
FRANCANI
Politecnico di Milano - D.I.I.A.R - Piazza Leonardo da Vinci, 32 - 20133 Milano, Italy. Tel ++39(2)23996664/2
E-mail: loris.colombo@polimi.it, daniele.cremonesi@polimi.it, vincenzo.francani@polimi.it
STRUTTURE IDROGEOLOGICHE CRITICHE PER LA STABILITA’ DELLE RIPE DEI CORSI
D’ACQUA: IL CASO DEL TORRENTE PIOVERNA (VALSASSINA, LECCO, ITALIA)
HYDROGEOLOGICAL CRITICAL SETTINGS FOR STABILITY OF RIVER-BANKS:
THE CASE OF THE PIOVERNA RIVER (VALSASSINA, LECCO, ITALY)
RIASSUNTO
L’esame dei fenomeni alluvionali in Lombardia permette di eviden-
ziare come il comportamento di parecchi corsi d’acqua in piena sia ca-
ratterizzato da un’elevata capacità erosiva, soprattutto nelle aree vallive
alpine e prealpine. Le variazioni dell’alveo e delle ripe dei corsi d’acqua
sono particolarmente evidenti in corrispondenza di condizioni idrogeo-
logiche caratterizzate da consistenti cambiamenti della permeabilità nei
tratti prossimi ai corsi d’acqua; per questo motivo si sono voluti esami-
nare alcuni episodi alluvionali ben documentati per verificare se, in tali
occasioni, altri fattori idrogeologici si aggiungono all’erosione derivante
dall’elevata velocità della corrente nel corso delle piene che rappresenta
sempre il fattore determinante delle variazioni della forma dell’alveo e
delle sponde. Tali fattori aggiuntivi del dissesto si manifestano effettiva-
mente in occasione di piene rapide flash floods caratterizzate da un ele-
vato innalzamento del livello idrometrico in tempi brevi, seguite da un
veloce ritorno ai livelli precedenti al fenomeno. Dall’esame compiuto i
franamenti risultano dipendere in queste circostanze, oltre che dalla ve-
locità della corrente, dall’accentuazione particolare dei gradienti idrau-
lici delle falde collegate con il corso d’acqua. Infatti in tali condizioni
le cadenti piezometriche possono raggiungere valori per i quali avviene
la soffusione, con l’asportazione di sedimenti fini, e talora addirittura la
liquefazione dei terreni. Lo studio vuole pertanto evidenziare i criteri
con i quali possono essere a priori identificate le strutture geologiche più
esposte a questi fenomeni, in modo da favorirne la prevenzione.
T
ermini
chiave
: stabilità delle ripe, gradiente idraulico critico, soffusione, liquefazione
PREMESSA
Gli effetti sulla stabilità delle ripe dei corsi d’acqua derivanti da
variazioni del gradiente idraulico conseguenti alla fluttuazione piezo-
metrica indotta da piene veloci e improvvise (“flash floods”) sono ben
noti nella letteratura idraulica e idrogeologica. Operando rilevamenti
geologici di dettaglio lungo i fiumi soggetti a frequenti episodi alluvio-
nali, si è osservato che le maggiori conseguenze per la stabilità delle
ripe coincidono con i settori in cui esse presentano forti variazioni
orizzontali di permeabilità. E’ stato quindi posto sotto osservazione
il caso di un corso d’acqua nel quale i dissesti idrogeologici sono
particolarmente studiati (il torrente Pioverna in Provincia di Lecco).
ABSTRACT
Background knowledges about inundation phenomena in Lom-
bardy (Italy) demonstrates that the behavior of rivers during the
floods is characterized by high erosion capacity, especially in Al-
pine and Prealpine Valleys.
The purpose of this study is to verify if riverbank instability can
be enhanced by hydrogeological causes in addition to erosion due to
the high stream speed.
These events happen during flash floods, which are characterized
by quick high increases in water surface variations, followed by rapid
decreases to the previous conditions.
In this paper also are presented studies about landslides, which
are caused, during floods, not only by flow velocity, but also by in-
creasing of hydraulic gradients of the aquifer connected to the river.
In these conditions it is possible to have both piping, characterized
by removal of fine sediments, and, sometimes, terrain liquefaction.
Another purpose of this study is to find criteria to identify the
geological settings most subjected to instability, in order to facilitate
prevention of riverbank landslides.
K
ey
words
: riverbanks stability, critical hydraulic gradient, piping, liquefaction
INTRODUCTION
The effects on stability of riverbanks due to variations of hydrau-
lic gradient caused by flash floods, are known by hydrogeological and
hydraulic literature.
Detailed geological surveys along rivers subject to frequent
floods, showed that banks’ instability are in the areas especially
found where there are sharp horizontal permeability changes. As
an example, in this note a river, the Pioverna near Lecco, where
hydrogeological instability is well studied, is monitored and the re-
sults are presented in this note . In this way, some considerations are
inferred about the interaction between hydrogeological settings and
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STRUTTURE IDROGEOLOGICHE CRITICHE PER LA STABILITA’ DELLE RIPE DEI CORSI D’ACQUA:
IL CASO DEL TORRENTE PIOVERNA (VALSASSINA, LECCO, ITALIA)
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L. COLOMBO, D. CREMONESI & V. FRANCANI
landslides areas. The study required the reconstruction of ground-
water table aquifer during floods, using data collected both from
pumping tests from well located near the river and some known lit-
erary relations. The different cases of study showed above pointed
out that horizontal variations of permeability cause extended piping
phenomena in the banks. These phenomena can facilitate the col-
lapse of the banks in conjunction with flow river erosion.
THE PREVIOUS SURVEYS
At first, it is useful to propose the known P
inDer
& c
ooPer
(1969).’s solution, for analysis of piezometric deformation dur-
ing floods. These Authors, with a simplified discrete time-steps
model,established some simple relations for evaluating the vari-
ation of the piezometric aquifer head during floods and recession.
This techniquewas applied initially in studies of bed fluvial dynamic
as c
arsLaw
& J
aeger
(1959)’s formulation. At the end of Eighties
D
e
M
arsiLy
(1986) drew some interesting solutions about P
inDer
&
c
ooPer
s
(1969) problem for some specific cases. Moreover, a mean-
ingful contribution has been made by i
Verson
& r
icharD
(2000) in
evaluation consequences of rainfall, particularly relationing banks in-
stability with hydraulic head fluctuation and hydrological parameters
of slopes. In the next years, the quantitative approach to river banks
protection was based on analysis of river dynamics for interesting
situations. As example, works of s
taiano
et alii (1995) about the in-
stability of bed river and the hydraulic hazard of the Sieve river, and
also some studies of M
asetti
et alii (2007) about semi-disconnected
bed river. Several detailed works made after collapse of embanke-
ments or artificial damns, are important to improve knowledge about
piping phenomena (D
eLLa
r
ossa
et alii, 2003; B
onoMi
et alii, 2005).
For example, c
rosta
& D
i
P
risco
(2008) rebuilt evolution of river
bank stability in a real case, describing piping and liquefaction phe-
nomena that could occur during floods with heavy rain.
APPLICATION PINDER AND COOPER’S MODEL OF
IN PRACTICE
P
inDer
& c
ooPer
(1969)’
s
model is still valid even if quite signifi-
cant changes, and it ensures a sound basis for other researches. This
model allows to express piezometric fluctuations due to floods with
two computed or measurable parameters [transmissivity T (m
2
/s)]
and storage aquifer coefficient S. The simple mathematic layout used
by Authors (as r
icharDs
& r
eynoLDs
, 1987) for the final solution is
summarized below.
Tale osservazione ha fornito la base per alcune considerazioni utili per
meglio comprendere il legame fra le strutture idrogeologiche e l’espo-
sizione al dissesto. Lo studio ha richiesto la ricostruzione dell’evolu-
zione piezometrica della falda nel corso delle piene, con l’aiuto delle
osservazioni sui pozzi e piezometri presenti e con l’elaborazione di
alcune relazioni note in letteratura. I casi studiati evidenziano come le
variazioni orizzontali di permeabilità predispongono i terreni a feno-
meni di erosione sotterranea molto ampi, tali da facilitare il collasso
delle ripe in concomitanza con lo scalzamento operato dalla corrente.
GLI STUDI PRECEDENTI
Ai fini dell’analisi delle deformazioni piezometriche durante le
piene, appare utile riproporre anzitutto la nota soluzione di P
inDer
&
c
ooPer
(1969). Questi Autori, mediante un modello semplificato a passi
discreti hanno infatti stabilito alcune semplici relazioni ai fini di valutare
la variazione del carico piezometrico della falda nel corso di una piena
e della sua fase di esaurimento. Questa tecnica è stata fra le prime ad
essere diffusamente applicata negli studi sulla dinamica degli alvei, in-
sieme con quella di c
arsLaw
& J
aeger
(1959). Alla fine degli anni ’80
D
e
M
arsiLy
(1986), richiama alcune interessanti soluzioni del problema
che migliorano quella di P
inDer
& c
ooPer
(1969) per alcuni casi speci-
fici. Inoltre un significativo contributo teorico è stato portato da i
Verson
& r
icharD
(2000) per valutare le conseguenze delle precipitazioni, in
particolare per legare l’ instabilità delle ripe e la variazione del carico
idraulico dovuto alle precipitazioni con i parametri idrogeologici dei
versanti. Negli anni successivi l’approccio quantitativo alla difesa delle
ripe si avvale di studi improntati all’analisi della dinamica degli alvei
per casi di particolare interesse. Si ricordano ad esempio le indagini di
s
taiano
et alii (1995) sull’instabilità degli alvei e il rischio idraulico sui
problemi del Fiume Sieve, e quelle di M
asetti
et alii (2007) che tratta-
no anche il problema degli alvei disconnessi dalla falda. Risultano di
interesse ai fini della descrizione del fenomeno di erosione sotterranea i
numerosi lavori eseguiti in seguito al collasso di arginature o di sbarra-
menti artificiali (D
eLLa
r
ossa
et alii, 2003; B
onoMi
et alii, 2005), alcuni
dei quali di grande dettaglio. Ad esempio, alcuni autori (c
rosta
& D
i
P
risco
, 2008) hanno ricostruito in modo esauriente l’evoluzione della
stabilità di una ripa fluviale sulla base di un caso reale, descrivendo i
fenomeni di erosione sotterranea e liquefazione che possono verificarsi
in occasione delle piene accompagnate da forti precipitazioni.
APPLICAZIONI AI CASI REALI DEL MODELLO DI
PINDER E COOPER (1969)
Il modello di P
inDer
& c
ooPer
(1969), sia pure con importanti
variazioni, risulta ancor oggi valido, e costituisce un punto di par-
tenza fondamentale, in quanto consente di esprimere le oscillazioni
piezometriche imposte dalle piene tramite due parametri calcolabili o
misurabili (la trasmissività T e il coefficiente di immagazzinamento S
dell’acquifero). Di seguito si ricorda brevemente lo schema dei pas-
saggi matematici attraverso i quali gli Autori (r
icharDs
& r
eynoLDs
,
1987) sono pervenuti alla soluzione proposta.
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HYDROGEOLOGICAL CRITICAL SETTINGS FOR STABILITY OF RIVER-BANKS:
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Italian Journal of Engineering Geology and Environment, 2 (2011)
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Il modello utilizzato da P
inDer
& c
ooPer
(1969) (Fig. 1) prevede
un acquifero confinato orizzontalmente di spessore uniforme limitato
da un lato da un fiume (contorno aperto) con un dominio semi-infinito.
In effetti le oscillazioni di un certo interesse si verificano quando gli
acquiferi sono confinati. Il fiume è assunto come completamente pe-
netrante l’acquifero. Il livello di acqua del bacino idrico fluttua e causa
una corrispondente oscillazione del carico piezometrico nel vicino ac-
quifero. Il sistema di flusso monodimensionale è descritto dall’equa-
zione del flusso saturo lineare non stazionario di un acquifero confinato
dove h[m] è la fluttuazione del carico piezometrico nell’acquifero, x [m]
è la distanza dall’intersezione acquifero-corpo idrico, t [s] è il tempo, S è
il coefficiente di immagazzinamento, T [m
2
/s] è la trasmissività dell’ac-
quifero e il rapporto tra T ed S è definita diffusività dell’acquifero.
La soluzione data da P
inDer
& c
ooPer
(1969) all’equazione
del flusso usa una discretizzazione approssimata dell’idrogramma
dell’andamento superficiale del corpo. Questo approccio di tipo di-
screto permette l’utilizzo di idrogrammi di qualsiasi forma (ad esem-
pio curve sinusoidali o asimmetriche). Per ciascun incremento di li-
vello idrometrico nel corso d’acqua, il carico nell’adiacente acquifero
semi-infinito è dato dalle soluzioni dell’equazione del flusso con le
rispettive condizioni iniziali ed al contorno
ΔH
m
[m] rappresenta l’innalzamento istantaneo della superficie al tempo t
= mΔt con m numero intero. La variazione nell’acquifero è data quindi da
The of P
inDer
& c
ooPer
’ model (Fig. 1) consists of a confined
horizontally aquifer of uniform thickness bounded by a reservoir
(open boundary) with a semi-infinite domain. The most interesting
fluctuations occur when the aquifers are confined. The stream chang-
es water is assumed to be completely penetrating the aquifer. Water
level in the stream fluctuates and causes an equivalent fluctuation in
the piezometric head within the aquifer. The one-dimensional flow
system is described by the governing equation for linear, saturated,
non-steady flow in confined aquifer
where h [m] is the rise or fall of piezometric head in the aquifer, x [m]
is the distance from the intersection between aquifer-and reservoir, t [s]
is the time-step, S is the storage coefficient, T [m
2
/s] is the aquifer trans-
missivity and the ratio of T to S is defined aquifer diffusivity.
P
inDer
& c
ooPer
(1969)’s solution uses a discrete approxima-
tion of the surface behavior hydrograph. This discrete approach
allows to use a stage hydrograph of any shape (for example sinu-
soidal or uniform asymmetric functions). For each stage increase
in the river, the head in adjacent semi-infinite aquifer is given by
the solutions of flow equation subject to the boundary and initial
conditions where
ΔH
m
[m] is instantaneous rise in surface-water stage at time t = mΔt
where m is an integer. The solution to the problem is given by
Fig. 1 - Fiume a contatto con un acquifero. Modello semi-
infinito di P
inDer
& c
ooPer
(1969)
- River in contact with an aquifer. Semi-infinite
model of P
inder
& C
ooPer
(1969)
1.1
1.2a
1.2b
1.3
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STRUTTURE IDROGEOLOGICHE CRITICHE PER LA STABILITA’ DELLE RIPE DEI CORSI D’ACQUA:
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L. COLOMBO, D. CREMONESI & V. FRANCANI
La funzione complementare di errore (erfc) è unica per ciascun
valore di x:
Per calcolare il cambiamento nel carico dell’acquifero h
p
[m] alla
fine di ciascun passo di incremento temporale, si deve ricavare il cam-
biamento del carico idraulico della superficie ΔH
m
. Il cambiamento
del carico di falda è dato dalla somma dei valori di ΔH
m
calcolati per
ciascun ΔH
m
nel periodo (p-m) t essendo p il numero degli intervalli
di tempo ed m un numero intero, dando:
dove h
p
[m] è il carico ad una distanza x dal corpo idrico al tempo
pΔt; pΔt è il tempo totale dall’inizio dell’analisi e u risulta essere
pari a
Quest’ultima equazione può essere usata per generare curve con
differenti valori di diffusività idraulica.
Ciascuna serie di curve quindi rappresenta il cambiamento calco-
lato nel carico idraulico dovuto al cambiamento della superficie del
bacino idrico quando viene assunta una certa diffusività. La diffusivi-
tà idraulica dell’acquifero è poi ottenuta scegliendo da un insieme di
curve tipiche quella che soddisfa meglio la risposta osservata.
Il calcolo, qui descritto con fini semplificativi per l’acquifero in
pressione, può essere applicato anche agli acquiferi liberi sostituendo
al prodotto
J T
(m
2
/s) , l’equivalente espressione (H-y)
2
/L dove L è
il tratto considerato, H-y è l’abbassamento. Tuttavia, i fenomeni de-
scritti sono apprezzabili solamente quando l’acquifero è in pressione.
Un elemento del quale il metodo dell’acquifero semi-infinito de-
scritto da P
inDer
et alii (1969) non tiene conto, in quanto non rientra nel-
le finalità che gli Autori si proponevano, è rappresentato dal fatto che la
struttura geologica e la morfologia delle ripe possono influire anch’esse
notevolmente su tali variazioni. Tale fattore può invece acquisire note-
vole interesse, quando lo studio è diretto alla soluzione dei problemi di
stabilità dei pendii naturali; si è osservato che, in tal caso, il metodo non
sempre può essere applicato, e deve essere sostituito da altre tecniche.
Ad esempio, per lo studio eseguito si è reso necessario utilizzare
una relazione di più immediata applicazione ai fini di determinare il
gradiente idraulico assunto dalla piezometria nel corso della fase di
crescita della piena e di quella di recessione.
CALCOLO DEL GRADIENTE IDRAULICO
Al fine di stimare il gradiente idraulico J in corrispondenza della
ripa interessata dalla fluttuazione del fiume, dalla equazione (1.5) di
P
inDer
& c
ooPer
(1969) è possibile avere una espressione sempli-
ce di tale grandezza; la cadente piezometrica J
i
(K,S) è definita come
The complementary error function (erfc) is unique for each
value of x:
To compute the change in aquifer head h
p
[m] at the end of each
steps, the change in stream stage must be calculated ΔH
m
. The change
in groundwater head is given by adding up values of ΔH
m
computed
for each over ΔH
m
the period (p-m) t where p is the number of time
steps and m an integer, giving:
where h
p
[m] is the head at a distance x from the reservoir intersection
at time pΔt; pΔt is total time since the beginning of simulation and u
is defined as
The last equation can be used to generate type curves for different
values of diffusivity.
Each set of curves represents the computed change in hydraulic
head due to a change in the surface-water of basin when a specific
value of diffusivity is assumed. Diffusivity of the aquifer is also ob-
tained by choosing, from a set of typical curves, the one which best
fits the observed response.
The calculation, here described only for confined aquifer in order
to give a simpler representation of the problem, can be applied also
for unconfined aquifer by replacing the equivalent expression (H-y)
2
/L
with product J T (m
2
/s) where H-y is the drawdown and L length of aq-
uifer. The huge fluctuations are observed only with confined aquifers.
The semi-infinite aquifer model described by P
inDer
et alii (1969)
does not consider an important aspect, as it is represented from the
fact that the geological structure and morphology of river banks can
affect too much on these variations. This aspect has not considered
before because the Authors’ interest were outside of it.
Instead these factors can be very interesting when the study is
based on solution of natural slope instability problems; in these par-
ticular cases; in fact the model cannot be applied and it must be re-
placed with others technique.
For example, in this study, this model could not be applied for
defining hydraulic gradient during decreasing and growing phases. A
more applied relation has used.
COMPUTATION OF HYDRAULIC GRADIENT
In order to determine how much hydraulic gradient J can be influ-
enced by that structure, a simple expression to calculate this gradient
can be obtained from P
inDer
& c
ooPer
(1969)’
s
formula (1.5); the
piezometric gradient J
i
(K,S) is defined as the ratio of the difference
1.4
1.5
1.6
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Italian Journal of Engineering Geology and Environment, 2 (2011)
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rapporto tra la differenza dei carichi idraulici dell’acquifero in corri-
spondenza del contorno impermeabile e la distanza x dal corpo idrico.
Si osserva che la rapida determinazione della J a partire dai valori
di H, T, S consentirebbe di abbreviare il calcolo del gradiente idrauli-
co. Per ottenere tale risultato è opportuno procedere considerando le
proprietà della funzione erf (a
BraMowitz
, 1972).
La determinazione della cadente idraulica a partire dalla (1.7) si
può effettuare mediante la relazione seguente:
Infatti, mediante la (1.7) è possibile calcolare direttamente la ca-
dente piezometrica senza passare dal valore di h calcolato con la for-
mula di P
inDer
& c
ooPer
(1969) originale. Applicando la relazione
(1.8) si è calcolato il gradiente J nelle tre diverse strutture osservate.
Di seguito si descrivono le indagini compiute e vengono discussi sia
i limiti di applicabilità della relazione di P
inDer
& c
ooPer
, (1969),
sia le variazioni proposte. Si è scelto come campo di studio il torrente
Pioverna nel suo tratto terminale, e le conseguenze di uno dei nume-
rosi episodi alluvionali che lo hanno contraddistinto nel passato. Tale
corso d’acqua nasce dal gruppo delle Grigne all’altezza di 1813 s.l.m.,
ha un bacino di circa 120 km
2
, attraversa la Valsassina e confluisce da
oriente nel Lago di Como a Bellano. All’altezza di Taceno riceve da
destra le acque del torrente Maladiga, formando nel basso corso una
stretta gola in roccia (l’Orrido di Bellano) scavata negli “Gneiss chia-
ri” del basamento metamorfico prealpino lombardo. Si sono osservate
tre distinte strutture geologiche di interesse per lo studio :
• Depositi alluvionali sabbiosi addossati a rocce impermeabili.
• Isola alluvionale.
• Paleoalveo riempito di ghiaia scavato in alluvioni meno per-
meabili.
DEPOSITO ALLUVIONALE ADDOSSATO A ROCCE
IMPERMEABILI
Nel primo caso osservato, si ha a che fare con un acquifero sabbioso
di trasmissività nota dalle prove sui pozzi esistenti nella zona, in presen-
za di un contorno di permeabilità pari a 10
-8
m/s, ma diffusività idrauli-
ca ignota. Ai fini di valutare tale parametro, si è fatto ricorso all’esame
dei valori della piezometria nel corso delle fluttuazioni idrometriche nei
pozzi circostanti il fiume, dove disponibili (g
iLMore
& s
Pane
, 1993).
Applicando la relazione di F
erris
(1963),
dove T/S è la diffusività (m
2
/s), x è la distanza dal contorno impermeabile,
t
0
è il tempo di corrivazione dell’acquifero, t
L
è la differenza di tempo tra il
picco nel fiume e il picco nell’acquifero, si sono ottenuti i valori di diffusi-
vità, e di conseguenza quelli di S. Si è quindi calcolato, al fine di verificare
la presenza di aree critiche, il carico idraulico in corrispondenza di diverse
of aquifer hydraulic head adjacent to impermeable boundary to the
distance x from water body.
The easy assessment of J by H, T, S values could shorten the
hydraulic gradient calculation. To reach the result a short discussion
about the properties of erf function (a
BraMowitz
, 1972) is necessary.
At the end, the assessment of hydraulic gradient from the (1.7) for-
mula can be obtained with following relationship:
In fact, with previous formula (1.7), it is possible to calculate
directly piezometric gradient without using h values computed with
original P
inDer
& c
ooPer
, (1969)’
s
relation. The gradient J for differ-
ent previous critical identified cases is computed with (1.8) formula.
Below the investigations will be described, also applicability limits
of P
inDer
& c
ooPer
s
relation and proposed changes will be discussed.
The chosen domain for the study is the floodplain of the Pioverna
river. The consequences of one of the many inundation episodes oc-
curred in the past are the main topics of this article.
The springs of the Pioverna river are located in the Grigna Moun-
tains at an height of 1813 meters (a.s.l), the basin is about 120 km
2
, and
it flows through Valsassina valley from east to Bellano into the Como
Lake. Near Taceno, the Pioverna river receives waters from the right
side of the Maladiga river, forming a narrow gorge in the rock (The
Bellano Orrido) carved in Lombard Prealpine metamorphic bedrock of
“Gneiss chiari”. Three different geological settings can be distinguished:
• Alluvial deposits overlapping impermeable rocks.
• Alluvial island.
• Buried channels filled with gravel carved in less permeable allu-
vial materials.
ALLUVIAL DEPOSITS CLOSE TO IMPERMEABLE
ROCKS
In this first observed case, there is a sandy aquifer with known
transmissivity value from pumping test, where there is a bounder
with permeability equal to 10
-8
m/s, but with unknown hydrau-
lic diffusivity values. In order to evaluate this parameter, the pi-
ezometric values during hydrometric fluctuations in wells around
the river are examined (g
iLMore
& s
Pane
, 1993). Using F
erris
’,
(1963) relationship,
where T/S is diffusivity (m
2
/s), x is the distance from the impermeable
boundary, t
0
is the run-off time, t
L
is the time difference between the
river flood peak and the groundwater peak, the diffusity and storage co-
efficient (S) values are been computed. Also, hydraulic head in differ-
ent sections of the river is been calculated for verifying critical zones.
1.7
1.8
1.9
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STRUTTURE IDROGEOLOGICHE CRITICHE PER LA STABILITA’ DELLE RIPE DEI CORSI D’ACQUA:
IL CASO DEL TORRENTE PIOVERNA (VALSASSINA, LECCO, ITALIA)
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L. COLOMBO, D. CREMONESI & V. FRANCANI
sezioni del fiume stesso. Si sono applicate al caso esaminato, ai fini di
spiegare le cause dei fenomeni estesi di variazione di forma dell’alveo e
delle ripe avvenute nel corso di eventi piovosi di non particolare entità,
le osservazioni effettuate nel corso di una campagna di rilevamento dei
dati piezometrici e idrometrici lungo il tratto medio inferiore del corso
d’acqua, in prossimità del ponte di Taceno. In questa area una serie di isole
fluviali restringe la sezione di flusso e la fascia alluvionale si restringe a
pochi metri di larghezza, fiancheggiata dal substrato metamorfico.
Sono state rilevate nel sito, oltre alla velocità della corrente, alla
forma e sezione dell’alveo, anche le altezze idrometriche e la piezo-
metria, la granulometria dei terreni e la forma delle ripe prima e dopo
l’evento alluvionale in oggetto.
E’ opportuno sottolineare che, ai fini del calcolo non si è consi-
derata alcuna ricarica dovuta ad eventuali precipitazioni occorse sul
bacino durante l’evento di piena, che si ricorda essere veloce e di bre-
ve durata né si sono considerati gli effetti (importanti ai fini della sta-
bilità) degli sforzi di taglio. Difatti come si può notare dai valori per
la ghiaia dalla Tab. 1 , è da ritenere in questo caso che la ripa è estre-
mamente suscettibile al franamento in occasione delle piene, come
risulta osservando la coincidenza del settore di maggiore velocità del
flusso idrico con i tratti di sponda dissestati (ad esempio Fig. 2).
The observations made during the in situ surveys of piezometric
and hydrometric data along middle floodplain of the river, nearby the
Taceno bridge, has been applied for this study. So, analyzing these
data, an explanation of the phenomena of shape river-bed and banks
variation occurred during rainfall. In this section, many river island
narrow flow section and alluvial section narrows to a few meters
wide, bounded by metamorphic bedrock.
Not only the flow speed, section and shape of river-bed, but also
the water surface elevations, groundwater table, size soil and banks
shape before and after the examined flood have been measured in situ.
It is important to observe, with the objective of computing these
variables, that neither the recharge due to a rainfall during a “flash
flood” event nor shear stress ( which effects are very important for the
stability) have been considered.
In fact, the geotechnical values for the gravel in Tab. 1, are typical
for a landslide of bank during floods. This can be seen in Fig. 2 where
in situ surveys show slope mass movements along the bank where the
river flow is very high.

Tab. 1 - Caratteristiche dei due diversi materiali (
n
la porosità,
K
la permeabilità,
S
il coefficiente di immagazzinamento,
γ
il peso specifico del materiale,
G
la
gravità specifica dei granuli,
b
lo spessore dell’acquifero,
α
l’inclinazione della ripa)
- Properties of two different materials in situ (n = porosity, K = permeability, S = storage coefficient, γ specific weight of material, G is the grains specific
gravity, b = thickness of aquifer, α=inclination of slope)
Fig. 2 - Sezione fiume Pioverna in cui si sono osservati feno-
meni di erosione di sponda e scalzamento della ripa
stessa. Ubicazione dell’area di studio
- A section of the Pioverna river, where there are bank
erosion and bank edge. Location of studied area
background image
HYDROGEOLOGICAL CRITICAL SETTINGS FOR STABILITY OF RIVER-BANKS:
THE CASE OF THE PIOVERNA RIVER (VALSASSINA, LECCO, ITALY)
29
Italian Journal of Engineering Geology and Environment, 2 (2011)
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Si sono studiate diverse sezioni del torrente Pioverna, che risul-
tano predisposte alla nascita di situazioni critiche: la prima sezione
studiata è quella in cui il torrente si restringe notevolmente (qui la
roccia impermeabile risulta molto vicina al fiume circa a 5 m) mentre
la seconda sezione è quella in cui il torrente si allarga (il substrato im-
permeabile in questo caso è situato a circa 10 m dal letto del fiume).
s
ezione
1:
restringiMento
DeLL
aLVeo
FLuViaLe
aDDossato
aD
uno
strato
iMPerMeaBiLe
In Figura 3 è presentato il caso esaminato, al quale la relazione di
P
inDer
& c
ooPer
(1969), predisposta per acquiferi semi infiniti, non
può essere applicata (Tab. 2)
Dal confronto con i dati piezometrici ricavati dalla rete di monito-
raggio presente in loco, si è invece osservato un buon accordo con la
soluzione proposta da c
arsLaw
& J
aeger
(1959) (B
eck
et alii, 2008):
con n = numero di intervalli temporali, l [m] = distanza della barriera
impermeabile dal fiume.
La taratura della formula (1.10) con i dati piezometrici reali, ha
consigliato di introdurre nella relazione una lieve modifica rispetto
a quella presentata da D
e
M
arsiLy
(1986); con questa correzione,
l’espressione più aderente ai risultati della relazione di c
arsLaw
&
J
aeger
(1959) è la seguente, che comporta la sola sostituzione di un
segno negativo a quello positivo in una delle due funzioni comple-
mentari di errore che appaiono nel secondo membro dell’equazione:
Lo studio svolto, dimostra che anche la relazione di c
arsLaw
& J
ae
-
ger
(1959) presenta limitazioni applicative, delle quali è consigliabile te-
nere conto. Infatti si può facilmente constatare sviluppando i calcoli che,
posizionando la barriera impermeabile a diverse distanze dal fiume, già a
soli 20 m dal fiume, i valori ottenuti non hanno più significato fisico reale.
Two different sections of the Pioverna river, subject to criti-
cal situations, are been studied, ; the first one is where the river
becomes narrow quickly (the impermeable rocks here are very
closed to the river, about 5 meters), the second section, instead,
is where the river opens out (the bedrock is about 10 meters from
the bed river).
s
ection
1: n
arrowing
oF
a
BeD
riVer
near
an
iMPerMeaBLe
Layer
In Figure 3 the examined situation is shown. The P
inDer
& c
ooP
-
er
s
(1969) relation cannot be applied because it is a model for semi
infinite aquifers (Tab. 2).
From the piezometric data derived from the monitoring in situ
network, it can be concluded that the c
arsLaw
& J
aeger
(1959) rela-
tion (B
eck
et alii, 2008) can be used:
where n = number of time steps, l [m] = distance impermeable bed-
rock from the river.
The calibration of the formula with real piezometric data al-
lows to modify the (1.10) respect to that presented by D
e
M
arsiLy
(1986); with this change, the c
arsLaw
& J
aeger
s
(1959) relation
becomes the following one. The change consisted in substitution
of a minus sign in one of the two complementary error function to
the second part of equation:
Another conclusion can be discussed: c
arsLaw
& J
aeger
s
(1959) relationship applications are bounded by severe constraints.
Indeed the calculation shows that the obtained values, with distance
more than 20 meters from river where is located the bedrock, don’t
have a real significance. The obtained results not only with c
arsLaw
Fig. 3 - Sezione fiume Pioverna con barriera imperme-
baile a 5 m dal letto del fiume stesso
- Section of the Pioverna river with impermeable
boundray within a distance of 5 meters from river
1.10
1.11
background image
STRUTTURE IDROGEOLOGICHE CRITICHE PER LA STABILITA’ DELLE RIPE DEI CORSI D’ACQUA:
IL CASO DEL TORRENTE PIOVERNA (VALSASSINA, LECCO, ITALIA)
30
L. COLOMBO, D. CREMONESI & V. FRANCANI
I risultati sono mostrati nella seguente tabella, che riporta anche quel-
li ottenuti dall’applicazione della relazione di P
inDer
& c
ooPer
(1969):
La tabella 2 mostra il carico in corrispondenza del limite im-
permeabile messo a confronto con il carico calcolato dalla relazio-
ne (1.5). Si nota che il livello piezometrico risultante è superiore al
quello calcolato con un dominio semi-infinito. La barriera imperme-
abile influisce quindi negativamente sulla stabilità delle sponde del
fiume innalzando sensibilmente nel corso della recessione il gradiente
idraulico, che passa da 0.14 a 0.39 a distanza di 5 m dal fiume.
Al fine di verificare l’eventuale superamento dei gradienti critici
per l’erosione sotterranea e la liquefazione, si è eseguita una valutazio-
ne dei valori di questi parametri per le granulometrie riscontrate in sito.
Per calcolare il gradiente critico per il piping ci si è avvalsi della
relazione di z
asLaVsky
& k
assiFF
(1965):
in cui G è la gravità specifica dei granuli, n è la porosità, α è l’angolo
di inclinazione della ripa e a
1
è un fattore correttivo pari a 2.
Per calcolare invece il gradiente critico alla liquefazione si è usata
la relazione di t
erzaghi
(1943):
Utilizzando i valori caratteristici per le due tipologie di materiali
individuati durante le prospezioni geologiche si è pervenuto al calco-
lo di entrambi i gradienti critici, così riassunti:
Si può vedere come, confrontando i valori nella Tab. 3 con quelli in
Tab. 2, ci potrebbero essere situazioni di soffusione sotterranea in questa
particolare conformazione idrogelogica (non vi è però liquefazione).
& J
aeger
(1959) but also with P
inDer
& c
ooPer
s
(1969) model are
shown in the next Tab. 2.
In Table 2 is shown the comparison between the hydraulic
head at the impermeable limit and the head computed with (1.5).
The computed water level is higher than the one computed with a
semi-infinite domain. The impermeable bedrock affects stability
of river banks. In fact, the hydraulic gradient, that grows from
0.14 to 0.39 in 5 meters.
To verify the overcoming of critical piping and liquefaction gra-
dients. These values for the in situ size terrain monitored:
The z
asLaVsky
& k
assiFF
(1965)’s relation has been used for
computing the critical piping gradient:
where G is the grain specific gravity, n is the porosity, α is the slope
of bank and a
1
is a correction factor that measure 2.
Instead, for computing the critical liquefaction gradient, t
erzaghi
(1943) shows:
Using proper values for the two kind of materials identified dur-
ing geological prospecting, both critical gradients have been com-
puted, as shown to the Tab.3:
It can be seen that, comparing values computed in Tab. 3 to the
ones in Tab. 2 , there may be only piping phenomena in this particolar
geological setting (there is not a liquefaction of bank).
Tab. 2 - Valori del carico e del gradiente idraulico in corrispondenza della
sezione ristretta del Pioverna in cui la barriera impermeabile è
distante 5 m
- Values of hydraulic head and gradients nearby narrowed alluvial
plain of Pioverna river where the impermeable bedrock is far
about 5 meters
1.12
1.13
Tab. 3 - Valori di gradiente critico al piping ed alla liquefazione
- Values of critical piping and liquefaction critical gradients
background image
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s
ezione
2: a
LLargaMento
DeLL
aLVeo
FLuViaLe
aDDossato
aD
uno
strato
iMPerMeaBiLe
Per avallare quanto detto in precedenza si è voluta analizzare una
sezione in cui il torrente Pioverna si allarga e la barriera impermeabile
risulta essere a circa 10 m dal letto del fiume, come si vede dalla Fig. 4.
Si è applicata la stessa relazione (1.11) del caso precedente ponendo
attenzione sempre a confrontare il carico idraulico calcolato rispetto il
caso di dominio semi-infinito. I risultati mostrati in Tab. 4 sono coerenti
con quanto rilevato per il caso precedente, ovviamente attenuati dalla
maggiore distanza dal fiume. La presenza del substrato metamorfico im-
permeabile, fa innalzare notevolemente il valore del gradiente idraulico
nella fase di recessione della piena, causando quindi fenomeni estesi di
erosione sotterranea anche a una distanza di 10 m circa dall’alveo, con
minori escursioni piezometriche rispetto alle aree più vicine al fiume.
Risulta quindi che in presenza di barriera impermeabile posta a
distanze non grandi dal corso d’acqua, si possono facilmente generare
fenomeni di piping od erosione sotterranea. Questo poiché la barriera
impermebile permette alla falda di caricarsi notevolmente durante la fase
di crescita dell’onda di piena, innalzando il carico idraulico proprio in
corrispondenza di essa; nella fase di discesa della piena, quindi, si produ-
ce un flusso verso il letto del fiume, che crea un gradiente idraulico J ne-
gativo, in quanto rivolto verso il corso d’acqua. Si ha quindi l’insorgenza
di instabilità lungo la ripa interessata da tale particolare conformazione.
s
ection
2: o
Pening
out
oF
riVer
BeD
cLoseD
to
an
iMPerMeaBLe
Layer
The study allowed to analyze a section of the Pioverna river
where the river bed opens out and the impermeable boundary out-
crops about 10 meters from the river bed, as shown in Fig. 4.
The same (1.11) formula is applyed in this specific case, as in the
previous one. A comparison between hydraulic head obtained with
(1.11) and with semi-infinite domain calculated with (1.5) is very im-
portant. The results shown in Tab. 4, seems to well fit coherent the
previous case, but they are less high as the bedrock is farther from
the river. The nearness impermeable metamorphic bedrock increases
hydraulic gradient during recession flood, causing piping phenomena
also at a 10 meters from the river-bed. However, in this configuration
the water level is less high than one computed at a 5 meters from river.
Results show that in this floodplain, the nearness impermeable
bedrock can increase piping phenomena. During growth of the riv-
er stage flood , the impermeable bedrock allows the water level of
aquifer to rise considerably; during the recession flood, then, a flow
towards the river creates a negative hydraulic gradient that trigger
instability phenomena on the banks of these tipical section.
Fig. 4 - Sezione fiume Pioverna con barriera impermeabile a
10 m dal letto del fiume stesso
- Section of the Pioverna river with an impermeable
boundary about 10 meters from the river bed
Tab. 4 - Valori del carico e del gradiente idraulico in corrispondenza della sezione
in cui il limite impermeabile è a 10 m dal letto del fiume
- Values of hydraulic head and gradients nearby narrowed stretch of Piov-
erna river where the impermeable bedrock is far about 10 meters
background image
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32
L. COLOMBO, D. CREMONESI & V. FRANCANI
s
ezione
3:
isoLe
FLuViaLi
neLL
aLVeo
DeL
torrente
P
ioVerna
Durante la fase di monitoraggio delle grandezze del fiume, si è
osservato come il torrente Pioverna abbia diverse sezioni in cui sono
presenti isole fluviali (Fig. 5) in corrispondenza delle quali l’alveo si
suddivide in due o più tronchi minori.
Dove il flusso dei due tronchi torna a convergere, l’acquifero rappre-
sentato dalle sabbie e ghiaie che formano l’isola fluviale ha una tipica
conformazione a cuneo wedge aquifer, come si può vedere dalla Fig. 6.
E’ stato possibile analizzare la sezione con opportune semplifi-
cazioni geometriche, consistenti soprattutto nel considerare perfetta-
mente simmetrico il cuneo rispetto a un asse centrale longitudinale; è
stato inoltre considerato un angolo tra l’asse di simmetria e ciascuno
dei due rami pari a circa 42°. Il tratto di acquifero per il quale sono
stati effettuati i calcoli è lungo circa 50 m ed è stato diviso in passi
uniformi di 5 m per l’analisi del carico.
E’ stato possibile calcolare il carico in corrispondenza della sezio-
ne simmetrica mediante la relazione (1.5).
La figura 7 mostra come il carico calcolato a 5 m dal nodo della
isola fluviale sia molto elevato e prossimo alla stessa onda di piena.
E’ proprio in corrispondenza di questa distanza che si verificano i
gradienti più elevati dal momento che in questa posizione l’onda di
piena grava pesantemente sull’andamento della falda soprattutto nella
fase di discesa della piena stessa (Fig. 8).
Confrontando quindi tali valori con il gradiente critico (Tab. 3), si
può vedere che il valore massimo calcolato supera di gran lunga il va-
lore critico per l’erosione sotterranea senza però superare il valore alla
liquefazione. Risulta quindi che in corrispondenza del nodo dell’isola
fluviale, ci sono le condizioni ideali affinché si possa instaurare il piping.
s
ection
3:
isLanDs
in
the
P
ioVerna
riVer
during monitoring the in situ surveys about the Pioverna river, the
presence of any river islands has been observed (Fig. 5). Near them
the river bed separates itself in two or more channels.
Where the flow channels rejoin, the sandy and gravely aquifer
which constitutes the island, assumes a typical configuration, called
“wedge shaped aquifer”, as shown in Fig. 6.
A geometric simplified section (symmetric wedge referred to a
longitudinal axis, angle between axis and flows equal to 42°) has been
analyzed. The stretch of the considered aquifer reaches out about 50
meters and it is divided in uniform steps of 5 meters in order to ana-
lyze the hydraulic head.
The head has been calculated close to the symmetric section us-
ing the equation (1.5).
The previous figure 7 shows the hydraulic head computed 5 me-
ters from the point of the river island. The head is very high with a
value next to the flood peak. This distance is where the most elevated
gradients are measured because here the flood peak influences heav-
ily the oscillations of the water - bearing stratum, especially during
the recession of the flood (Fig. 8).
Comparing these values with the critical gradient (computed
in previous Tab. 3), it is possible to observe that the maximum
value is over the critical one for piping. This, however, does not
allow liquefaction.
In conclusion, it can be seen that near the point of a river island,
there are ideal conditions to piping. In fact, analysing Fig. 5, land-
slides due to suffusion during floods can be seen around the point of
the island.
Fig. 5 - Particolare sezione fiume Pioverna: isole fluviali e confor-
mazione a “ cuneo” dell’acquifero; in tale sezione il carico
raggiunge 4.8 m. L’asse di simmetria dell’isola rappresen-
ta l’origine delle coordinate x (distanza dal fiume in m)
- Section of the Pioverna river: river islands and wedge
shaped aquifer; in this section the head reaches 4.8 me-
ters.The symmetric axiis of island represents the origin
of x axis (distance from the river in meters)
Fig. 6 - Sezione di un acquifero a cuneo wedge shaped aquifer; l’asse x è il limite simme-
trico del cuneo
- A wedge shape aquifer section; the x axis is the symmetric limit of the wedge
background image
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s
ection
4:
VerticaL
LayereD
riVer
Bank
with
horizontaL
PerMeaBi
-
Lity
change
during measurement of granulometric values (Tab. 1), a typical
stretch of the Pioverna river, where there are heterogeneous banks, is
been studied. Here there two different vertical layer with increasing
permeability moving away from the river (see Fig. 9), probably due to
the presence of a bed river covered by alluvial deposits with high per-
meability within a distance from the actual bed river. The sediments
with less permeability have been deposited around the actual bed river.
Ciò è riscontrabile dalla Fig. 5 in cui, in corrispondenza del nodo
dell’isola fluviale, si riscontrano movimenti franosi, causati molto
probabilmente dalla soffusione durante i numerosi eventi di piena.
s
ezione
4:
riPa
a
stratiFicazione
VerticaLe
con
Variazione
orizzonta
-
Le
DeLLa
PerMeaBiLita
Durante la fase di monitoraggio delle ripe, si è individuata una
particolare zona del torrente in cui si hanno ripe fortemente etero-
genee. Si ha infatti la presenza di due differenti strati a permeabilità
crescente allontanandosi dal fiume (si veda Fig. 8), probabilmente per
la presenza di un paleoalveo riempito di depositi molto permeabili a
una certa distanza dall’alveo recente, intorno al quale si sono deposti
sedimenti meno permeabili.
Fig. 7 - Valori del carico idraulico ad una distanza x (m) dall’alveo del fiume con angolo di simmetria pari a 42° in corrispondenza dell’isola fluviale più grande
(T/S = 0.0002 m
2
/s). In ascissa il tempo (s) dall’inizio della piena e in ordinate (h) i dislivelli rispetto al livello piezometrico iniziale. In rosso i valori del
carico idraulico che generano gradienti idraulici che superano i valori critici alla erosione sotterranea
- Values of the hydraulic head with an angle of 42° with T/S = 0.0002 m
2
/s for a x (m) distance from the river. Axis x represent time starting flood and y axis
difference head to initial piezometric head. In red color values of the hydraulic head that can cause higher gradients than critical ones
Fig. 8 - Valori del gradiente idraulico calcolato lungo la sezione di simmetria dell’isola fluviale più grande ad una distanza x dall’alveo fluviale. In ascisse il tempo
(s) dall’inizio della piena e in ordinate (J) il valore del gradiente idraulico. In rosso i valori del gradiente che superano quello critico
- Values of the hydraulic gradient computed along the symmetric section of the biggest island for a x distance from the river. The x axis represents the starting
time of the flood and y axis is the hydraulic gradient. The red values are gradients higher than critical ones
background image
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34
L. COLOMBO, D. CREMONESI & V. FRANCANI
An heterogeneous non-steady case with a simplified geological
layer, as schematically shown in Fig. 9 has been analyzed. For this
study, the refraction method of flow net suggested by c
eDergren
(1997) has been used, considering the limit between two portions of
aquifer, with different permeability values. In the first layer, charac-
terized by less permeability, the hydraulic head (h1) has been com-
puted with x = 5 m using the (1.5). In this vertical discontinuity the
refraction angle has been calculated. From this result, through refrac-
tion rules, the angle of flow net in layer 2 has been obtained. This
second angle must be bigger than the first one, in order to compute the
velocity in the first medium, different by the second.
Now, the hydraulic head within a distance of 10 meters has been
evaluated using the equation:
where J
2
[m/s] is the permeability of second medium, and h
0
(5,t) is
the hydraulic head near the discontinuity
Schematizzando la struttura geologica e semplificandola notevol-
mente come risulta dalla Fig. 9, è stato possibile analizzare il caso etero-
geneo in transitorio, mediante il metodo della rifrazione dei filetti fluidi
suggerito da c
eDergren
(1997) attraverso il limite fra i due settori di
acquifero dotati di diversa permeabilità; nel primo settore a permeabilità
minore si è calcolato il carico h1 in corrispondenza dello strato divisorio
(x = 5 m) mediante la (1.5); in corrispondenza di tale strato è possibile
calcolare l’angolo di rifrazione del filetto fluido rispetto alla verticale;
a questo punto mediante le relazioni di rifrazione, è possibile calcolare
l’angolo nello strato 2 che deve essere maggiore di quello dello strato 1.
E’ cosi possibile calcolare la velocità nel mezzo 1 diversa dalla velocità
nel mezzo 2. A questo punto è stato valutato il carico nel punto più di-
stante dall’alveo, posto nel secondo settore, mediante la relazione:
in cui J
2
[m/s] è il gradiente del secondo settore, h
0
(5,t) è il carico
calcolato in corrispondenza del limite.
Fig. 9 - Sezione della sponda del torrente Pioverna ad etero-
geneità verticali ( k
1
(x = 5 m) =0.0001 m/s, k
2
(x=
10 m) = 0.01 m/s)
- Section of a vertical heterogenous bank of the Pio-
verna river (k
1
(x = 5 m) =0.0001 m/s, k
2
(x= 10 m)
= 0.01 m/s)
1.14
Tab. 5 - Valori del carico nel fiume (H), in corrispondenza dell’in-
terfaccia tra i due strati verticali (h
0
) e alla fine dello strato
a maggior permeabilità (h)
- Values of hydraulic head in river, at x = 0, x = 5 and x = 10
background image
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When the flood drops out the river, the medium with high perme-
ability can be considered as a recharge reservoir. In this situation, the
hydraulic gradients are higher than the critical ones for piping.
In the Fig. 10 it is possible to see the hydraulic head when the
floods drops out, in the most critical temporal configuration. For
example, when the water surface elevation is 2.75 meters over the
reference line, within a distance of only 5 meters, the piezometric
level is 3.95 meters.
The values of the hydraulic gradient are about 0.23, higher than
critical gradients for piping. Also, in a steady flow, the hydraulic gra-
dient is very high and negative
DISCUSSION: RESULTS AND CONCLUSIONS
Comparing the effects of any rainfalls on the rivers in Lombardy,
it is observed that in some Alpine and Prealpine areas, there are river
with an high bank erosion capacity. Changes in dynamic equilibrium
of the river bed and banks have been clearly evident where there are
hydrogeological conditions characterized by consistent changes in
permeability nearby river beds. From this fact, any well documented
floodings have been examined, in order to verify if other hydrogeo-
logical factors can create instability, in addition to erosion due to high
velocity of flow during floods. It represents the principal factor in
changing the form of the river bed and banks.
Particularly, the banks instability effects have been considered
during flash floods, characterized by rapid increasing of water surface
elevation, followed quickly by return to previous situation.
Landslides depend not only on river flow velocity, but also on
the increasing of hydraulic gradient of water - bearing stratum near-
by the river. In fact, only when aquifer is confined, gradients can
reach values to piping, with sediments removal. So, this study ap-
plied on the Pioverna river, permitted to underline the criteria with
La presenza di uno settore a maggiore permeabilità lontano dal
fiume funge da serbatoio fittizio quando il fiume si ritira. Difatti si
è calcolato come in fase di recessione della piena, i gradienti sono
molto elevati e superiori a quelli critici per il piping.
Nella figura 10 è possibile vedere l’andamento del carico al mo-
mento della recessione del fiume nella configurazione temporale più
critica. Si osserva ad esempio che, quando il livello idrometrico è di
soli 2,75 m superiore alla quota di riferimento, a 5 m di distanza il
livello piezometrico della ripa è di ben 3,95 m.
I valori del gradiente calcolati risultano pari a circa 0,23, ben su-
periori ai valori di cadente critica per il piping. Si è osservato anche
che nel caso di regime stazionario, il gradiente idraulico calcolato sia
molto elevato e diretto verso il fiume.
DISCUSSIONE DEI RISULTATI E CONCLUSIONI
Da un esame comparativo degli effetti degli episodi piovosi sui
fiumi della Lombardia, emerge che in alcuni settori delle Alpi e del-
le Prealpi alcuni corsi d’acqua rivelano un’elevata capacità erosiva.
Considerando il fatto che le variazioni dell’alveo e delle ripe dei corsi
d’acqua sono stati particolarmente evidenti in corrispondenza di con-
dizioni idrogeologiche caratterizzate da consistenti cambiamenti della
permeabilità nei tratti prossimi agli alvei, si sono esaminati alcuni epi-
sodi alluvionali in falde confinate dei quali esiste una buona documen-
tazione, per verificare se in tali occasioni altri fattori idrogeologici si
aggiungono all’erosione derivante dall’elevata velocità della corrente
nel corso delle piene ,che rappresenta sempre il fattore determinante
delle variazioni della forma dell’alveo e delle sponde. Sono stati consi-
derati in particolare gli effetti di instabilità delle ripe dei corsi d’acqua
che possono derivare da piene rapide flash floods caratterizzate da un
elevato innalzamento del livello idrometrico in tempi brevi, seguite da
un veloce ritorno ai livelli precedenti al fenomeno. Dall’esame com-
piuto, i franamenti risultano dipendere, oltre che dalla velocità della
corrente, dall’accentuazione particolare dei gradienti idraulici delle
Fig. 10 - Andamento del carico idraulico nella fase temporale di recessione del fiume Pioverna. La seconda curva interpolatrice (in rosso)del carico idraulico mostra
il caso più critico in corrispondenza del quale il gradiente idraulico raggiunge 0,23
- Evolution of the hydraulic head during recession a flood in the Pioverna River. The second interpolation curve (the red one) of hydraulic head shows the
critical case where the hydraulic gradient is about 0.23
background image
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36
L. COLOMBO, D. CREMONESI & V. FRANCANI
a priori identify some geological layers subjected to instability. This
approach showed that some typical geological settings monitored
along the Pioverna river can emphasize hydraulic gradient during
recession flood; the confined aquifer takes a hydraulic gradient di-
rected towards the river. The computed values always are more than
critical piping gradients of the banks
Following different critical sections along the Pioverna river dur-
ing a flash flood were located:
• Alluvial layer closed to an impermeable bedrock. In this con-
dition, it were used the c
arsLaw
& J
aeger
(1959) modified
model (1.11).
• River islands and formation of a wedge shaped aquifer. ( Section
3 with a semplified geometric model for the most big Island in the
river). In this condition , P
inDer
s
model (1969) were used with
the method of images ( k
uo
et alii, 1994).
• Vertical layered river bank with horizontal increasing variation
from the river bed. In this situation the presence of a more per-
meable layer during recession flood, is a sort of recharged re-
servoir. There are, as the consequence, very high hydraulic gra-
dients values (Fig. 10).
• Particular sections of the Pioverna river with a coarse grain (Fig. 2).
These settings are subjected to erosion bank for the river activity
that could an undermining of the bank. The material of the bank is
already characteristic for landslides.
In all these cases, it has been possible to make evidence that the
computed hydraulic gradient is always higher than critical one. This
situation could have helped the erosion made by the flow of river. As
the consequences, in situ highlighting these hydrogeological factors,
one can prevent the severe erosion or collapse of riverbank. One of
the limits of this research is due to consider neither rainfall nor ero-
sion of the stream flow. As the absence of rainfall data and flow veloc-
ity during the studied flood, this result could be obtained monitoring
erosion. A monitoring network could in the future verify and integrate
the obtained results in these note.
falde collegate con il corso d’acqua. Infatti in tali condizioni le cadenti
piezometriche possono raggiungere valori per i quali avviene la soffu-
sione, con l’asportazione di sedimenti fini (superamento dei gradienti
critici). Lo studio ha pertanto permesso di evidenziare, esaminando il
caso del torrente Pioverna, i criteri con i quali possono essere a priori
identificate alcune strutture geologiche più esposte a questi fenomeni.
Si è visto che alcune particolari strutture geologiche osservabili
lungo il corso del torrente Pioverna possono dare origine ad accentua-
zione delle cadenti idrauliche durante la fase di recessione della piena;
la falda in pressione assume un gradiente idraulico diretto verso il corso
d’acqua che può superare il valore del gradiente critico del materiale
(Tab. 3). Si sono pertanto individuate diverse sezioni critiche nelle falde
confinate del torrente Pioverna sottoposte ad un’onda di piena rapida:
• Fascia alluvionale addossata ad uno strato impermeabile di rocce
. In questo caso, è stato utilizzato il modello di c
arsLaw
& J
aeger
(1959) modificato (1.11).
• Isole fluviali e conseguente formazione di un acquifero a cuneo
(sezione 3 con semplificazione geometrica dell’isola fluviale più
grande). In questo caso, è stato utilizzato il modello di P
inDer
(1969) con il metodo delle immagini (k
uo
et alii, 1994).
• Ripa a stratificazione verticale con permeabilità crescenti al pro-
gressivo allontanamento dal letto del fiume . In questo caso, la
presenza di uno strato a permeabilità maggiore al momento della
recessione del fiume, funge da serbatoio di monte. Si vengono
quindi a creare valori di gradienti elevati (Fig. 10).
• Particolari sezioni del torrente a granulometria grossolana (Fig. 2).
Queste sezioni sono soggette ad erosioni delle sponde dal momen-
to che i filetti fluidi della corrente scalzano il materiale della ripa,
e il materiale è già di per sé predisposto al franamento.
In tutti questi casi, è stato possibile evidenziare che viene supe-
rato il gradiente critico perché si manifesti erosione sotterranea, che
quindi può avere coadiuvato l’erosione operata dalla corrente nel
produrre i dissesti lungo le ripe del torrente in occasione delle piene.
Lo studio compiuto presenta alcuni limiti, soprattutto quello di
non aver considerato congiuntamente gli effetti delle precipitazioni e
dell’erosione operata direttamente dalla corrente. Tale risultato, che non
era possibile ottenere per l’assenza di dati pluviometrici e di velocità del-
la corrente in occasione dell’episodio alluvionale trattato, potrà essere
ottenuto con il monitoraggio dei fenomeni erosivi, che è stato posto ora
in atto con la finalità di verificare e completare i risultati finora ottenuti.
OPERE CITATE / REFERENCES
a
BraMowitz
M. & s
tegun
i. a. (Eds.) (1972) - Error Function and Fresnel Integrals. Ch. 7 in Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and
Mathematical Tables, 9
th
printing. New York: Dover: 297-309.
B
eck
J.V. (2008) - Carslaw and Jaeger solutions cataloged using the Beck and Litkouhiheat conduction notation.
B
onoMi
c., F
rancani
V., g
attinoni
P. & V
iLLa
M. (2005) - Il piping come fattore di innesco del franamento il caso di Stava. Quaderni di Geologia Applicata, 2: 41-56.
c
arsLaw
h.s. & J
aeger
J.c. (1959) - Conduction of Heat in Solids, 2 Ed. Oxford.
c
asagLi
n. & r
inaLDi
M. (1995) - Meccanismi di instabilità delle sponde nell’alveo del Fiume Sieve (Toscana). Quaderni di Geologia Applicata, 1: 227-236.
c
eDergren
h.r. (1997) - Seepage, Drainage, and Flow-Nets. Wiley Professional Paperback Series, Terza Edizione, USA.
c
rosta
g. & D
i
P
risco
g. (1999) - On slope instability induced by seepage erosion. Can J. Geotech., 36: 1056-1073.
background image
HYDROGEOLOGICAL CRITICAL SETTINGS FOR STABILITY OF RIVER-BANKS:
THE CASE OF THE PIOVERNA RIVER (VALSASSINA, LECCO, ITALY)
37
Italian Journal of Engineering Geology and Environment, 2 (2011)
© Casa Editrice Università La Sapienza
www.ijege.uniroma1.it
D
eLLa
r
ossa
M.c., F
rancani
V. & g
attinoni
P. (2003) - Studio idrogeologico del territorio monzese: individuazione e caratterizzazione delle zone a bassa resistenza,
Quaderni di Geologia Applicata, Pitagora ed., Bologna, 2003 (2): 103-120.
D
e
M
arsiLy
g.(1986) - Quantitative Hydrogeology, groundwater hydrology for Engineers Paris School of Mines. Fontainebleau, France academic press, Inc.
F
erris
J.g. (1963) - Cyclic Fluctuations of Water Level As a Basis for Determining Aquifer Transmissibility. U.S. Geological Survey, Water Supply Paper 1536-I:
pp. 305-318.
g
iLMore
t. J & s
Pane
F.a.J
r
. (1993) - Application of the Ferris methods for estimating hydraulic properties near a river boundary, U.S Department of Energy.
i
Verson
r. & r
icharD
M. (2000) - Landslide triggering by rain infiltration. Water Resources Resarch, (36) 7: 1897-1910.
M
asetti
M., M
arangoni
t., a
LBerti
L., B
rogioLi
g. & F
orMentin
g.(2007) - Experimental studies and numerical modeling of surface water-groundwater interaction
in a semi-disconnected system. Proceedings of the 35 IAH Congress, Groundwater and Ecosystems, Lisbon, Portugal.
k
uo
M.c.t., w
ang
w.L., L
in
D.s & c
hiang
c.J.(1994) - An image-well method for predicting drawdown distribution in aquifers with irregularly shaped boundaries.
Groundwater, (32) 5.
P
inDer
F.g., B
reDehoeFt
J.D & c
ooPer
h.h. (1969) - Determination of aquifer diffusivity from aquifer response to fluctuations in river stage. Water Resources
Program, Department of Civil Engineering, Princeton University, Princeton, New Jersey, Water Resources Research, 5 (4).
r
eynoLDs
r. J. (1987) - Diffusivity of a Glacial-Outwash Aquifer by the Floodwave-Response Technique. Groundwater, 25 (3).
s
taiano
t., r
inaLDi
M. & P
aris
e.(1995) - Seepage and stability analysis of embankments during flood events, Department of Civil Engeenering, University of
Florence, Italy.
t
erzaghi
k., P
eck
r
. & g
hoLaMreza
M. (1996) - Soil mechanics in engineering practice. Terza Ristampa, 1996 USA.
z
asLaVsky
i. & k
assiFF
g. (1965) - Theoretical formulation of piping mechanism in cohesive soils. Gèotechnique, 15: 305-314.
Received July 2011 - Accepted October 2011
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