Analisi e modellazione della struttura geologica della DGPV di Colzate-Vertova (BG)

Deep seated gravitational slope deformations (DSGSD) are processes induced by gravity that affect entire hillslopes, displacing volumes of rock about hundreds of thousands of cubic meters; consequently, even if the displacement rates are low (mm/year or cm/year), they may damage local infrastructures or trigger smaller failures. This Thesis presents the case study of the DSGSD of Colzate-Vertova (BG), located in Seriana Valley, in order to describe its development as well as evaluate the factors influencing its evolution. The case study leads to the definition of the geological, geomorphological and structural characters that could identify potential areas of DGPV. The study area is composed by sedimentary rocks, mainly limestone and claystone. These rocks are highly fractured, because of the presence of different fault systems, which also rule the hydrogeological setting. The available geological, structural, geomorphological and geomechanical data enable the formulation of the conceptual model of the landslide: the limestone formation is interested by weakness plans, along which the movements take place, due to the deformation of the clay layer. These surfaces, characterized by high degree of fracturing, represent preferential points for water infiltration, with consequent impact on stability conditions. According to the conceptual model, numerical simulations were developed using a finite element model, first of all with a two-dimensional domain and later with a three-dimensional one, with the aim of assessing the development and evolution of DSGSD, also considering the side effects. The results of 2-D model of Colzate-Vertova case show the development of a displacement field typical of a Sackung, as a consequence of the detensioning arising from the erosion process of the Valley. The analysis also shows that water circulation can locally affect the slope stability, bringing about a reduction in the safety factor, but without reaching failure conditions. Such a result does not fit the real conditions observed on site, where a number of small failures often develop all along the hillslope. The sensitivity analysis carried out on the strength parameters pointed out that slope failures could be reached only for relevant reduction of the geotechnical characteristics, due to the actions of climatic or tectonic agents. Three-dimensional model makes possible to have a more comprehensive analysis of the evolution of DSGSD, also considering the side effects and effective geomorphology of slope. The results show that the convex profile of slope favors the development of lateral movements along Vertova Valley, located on the right bank of Seriana Valley, with a relevant reduction in the safety factor. This discovery leads to the conclusion that the area involved in instability should be widened, considering the DSGSD also extending along the slope facing on Val Vartova. The study revealed that the presence of fractured rock layers, connected to regional extension faults, and vulnerable geological structures, such as weakness surfaces, could be an important predisposing cause for great mass movements. In particular, a significant common geological factor is the morphological evolution of slopes, modeled over years by the erosion of valleys and melting glaciers along the entire Alps and partly in the Alpine foothills. Even the hydrogeological features play a considerable role, since they can influence the evolution of deep gravitational movements. Finally, the comparison of the results obtained by 2-D and 3-D numerical models allows assessing the 3D effects on numerical modeling of DSGSD, and then leads to the conclusion that DSGSD should be studied by 3D model, in order to have a more comprehensive view of the phenomenon.

Le Deformazioni Gravitative Profonde di Versante (DGPV) sono processi indotti dalla gravità che coinvolgono interi versanti, dislocando volumi di roccia di centinaia di migliaia di metri cubi; di conseguenza, anche se le velocità di movimento sono molto basse (mm/anno o cm/anno), possono danneggiare le infrastrutture locali o innescare dissesti secondari. La presente Tesi mostra il caso studio della DGPV di Colzate-Vertova (BG), posizionata in Val Seriana, con lo scopo di descriverne lo sviluppo, nonché di valutare i fattori che influenzano la sua evoluzione. Attraverso l’analisi del caso in esame, si vuole giungere alla definizione dei caratteri geologici, geomorfologici e strutturali che possono contribuire all’identificazione delle aree potenzialmente soggette a DGPV. L'area di studio è composta da rocce sedimentarie, di natura prevalentemente calcarea e argillitica. Queste rocce sono altamente fratturate, a causa della presenza di differenti sistemi di faglia, che governano anche l’assetto idrogeologico. Sulla base dei dati geologici, strutturali, geomorfologici e geomeccanici disponibili, è stato ricostruito il modello concettuale della frana: grazie alla deformazione dello strato di argillite, all’interno delle sovrastanti formazioni calcaree si sviluppano piani di debolezza lungo i quali avviene il movimento. Tali superfici, caratterizzate da elevato grado di fratturazione, costituiscono punti preferenziali per l’infiltrazione di acqua nel pendio, con conseguenti ripercussioni sulla stabilità. Sulla base di tale modello concettuale, sono state implementate varie simulazioni numeriche, utilizzando un modello agli elementi finiti in campo dapprima bidimensionale e poi tridimensionale, con lo scopo di valutare lo sviluppo e l’evoluzione della DGPV, considerando anche gli effetti laterali. I risultati del modello 2-D per il caso di Colzate-Vertova mostrano lo sviluppo di un campo di spostamenti tipico di un Sackung, come conseguenza del detensionamento derivante dal processo di erosione della Valle. L’analisi mostra inoltre che la circolazione idrica può influenzare localmente la stabilità del pendio, determinando una riduzione del fattore di sicurezza, ma senza raggiungere le condizioni limite. Tale risultato non si adatta alle condizioni reali osservate in sito, dove un certo numero di piccole frane spesso si sviluppa lungo tutto il versante. L'analisi di sensitività effettuata sui parametri di resistenza ha evidenziato che la rottura potrebbe essere raggiunta solo a seguito di una rilevante riduzione delle caratteristiche geomeccaniche dei materiali, dovuta all’azione di agenti climatici o ad attività tettonica. Il modello tridimensionale rende possibile un'analisi più completa dell'evoluzione delle DGPV, considerando anche gli effetti laterali e l’effettiva geomorfologia del versante. I risultati del caso studio mostrano che il profilo convesso del pendio favorisce lo sviluppo di movimenti laterali lungo la Val Vertova, posizionata in destra orografica rispetto alla Val Seriana, con conseguente riduzione del fattore di sicurezza. Questo porta alla conclusione che l'area interessata dall’instabilità dovrebbe essere ampliata, considerando la possibilità che la DGPV si estenda lungo il versante affacciato sulla Val Vartova. Lo studio ha quindi messo in luce come la presenza di livelli di roccia fratturati, connessi a faglie di estensione regionale, e di strutture geologiche particolarmente vulnerabili, quali superfici di debolezza all’interno degli ammassi rocciosi, possano costituire un’importante causa predisponente per grandi movimenti di massa. In particolare, un importante fattore geologico comune alle aree colpite da DGPV è costituito dall’evoluzione morfologica dei versanti, modellati nel corso degli anni dal processo di erosione delle Valli e, lungo tutto l’arco alpino e in parte in quello prealpino, dallo scioglimento dei ghiacciai. Anche gli aspetti idrogeologici acquistano nel contesto un ruolo significativo per lo sviluppo di questi dissesti, poiché possono influenzare l’evoluzione dei movimenti gravitativi profondi. Infine, il confronto dei risultati ottenuti con i modelli 2-D e 3-D permette di valutare gli effetti tridimensionali sulla modellazione numerica delle DGPV e suggerisce che le Deformazioni Gravitative Profonde di Versante dovrebbero essere studiate tramite modellazione 3D, in modo da avere una visione più completa del fenomeno.