Studio idrogeologico delle zone di faglia e della loro influenza sulla franosità dei versanti

Abstract The aim of this thesis is to analyze the effects that fault zones have on slope instability. Particularly, the role of hydraulic circulation within a fractured rock mass is examined through an analysis of the infiltration mechanisms in order to better understand that particularly intense rainfalls are a key factor for the genesis of cinematisms. The first step has consisted in building a conceptual model by considering different types of fault zone systems on the basis of geological, structural, geomorphological and geo-mechanical data taken from literature. From the latter three major architectonic fault zones components have emerged: fault core, damage zone, protolith; all of them later also found in situ. In the damage zone different joints’ structures have been noted. Their variation in persistence, orientation and aperture have an influence both on mechanical behavior and hydrological circulation of the rock mass. The above mentioned conceptual model is then implemented in UDEC (Universal Distinct Element Code), a numerical code on distinct elements. This software, besides being able to simulate the pure mechanical effects, can also simulate hydraulic circulation within rock masses through a coupled analysis which can simultaneously evaluate how water impacts on strains and displacements. On the one hand the outcome of this thesis shows how fault zones impact on slope instability, on the other hand it shows how groundwater flow decreases slope stability – to a smaller or greater extent, depending on the structures involved. What emerges is a cross-fault zones tendency to negatively affect slope stability. From a mechanical point of view, a major destabilizing role is played by the presence of dispositions which are more prone to instability and/or isolated rock blocks which are more likely to cause a cinematism. For what concerns stability, a substantial variation is given by the slope’s hydrological peculiarities. The outcome highlights how structures which in dry conditions present a relatively good safety factor suddenly deteriorate as a consequence of hydraulic circulation. This happens where underground nets facilitate water circulation thanks to great apertures and wide persistence. Besides, it emerges that discontinuous percolation nets form barrier feature to water circulation thus reducing its destabilizing effect. Particularly, the presence of highly draining structures, which facilitate water discharge from the rock mass can decrease the destabilizing effect to the point that even a joint structure, which from a mechanical point of view and given the same conditions is the less stable, becomes more stable than all the other structures analyzed in presence of significant rain falls.

Sintesi Questo elaborato ha lo scopo di analizzare gli effetti che la presenza di zone di faglia gioca nell’incremento della franosità nei pendii. In particolar modo si è cercato di approfondire il ruolo della circolazione idrica nell’ammasso roccioso fratturato, analizzando le dinamiche associate ai meccanismi di infiltrazione al fine di comprendere come, l’avvento di precipitazioni particolarmente intense possa giocare un ruolo chiave nella genesi di cinematismi. Inizialmente sono stati ricostruiti i modelli concettuali, prendendo in considerazione differenti sistemi di faglia sulla base di dati geologici, strutturali, geomorfologici e geomeccanici ricavati dalla letteratura. L’analisi delle risorse bibliografiche ha messo in luce tre componenti architettoniche delle zone di faglia quali: il nucleo di faglia, la zona di danneggiamento ed il protolite; in seguito identificate anche in sito. Nella zona di danneggiamento si riscontrano differenti configurazioni dei giunti, che variando persistenze, orientazioni ed aperture influenzano sia le meccaniche in gioco che la circolazione idrica dell’ammasso roccioso. Il modello concettuale preventivamente delineato viene poi implementato in UDEC (Universal Distinct Element Code), un codice di calcolo numerico agli elementi distinti. Il software permette di simulare oltre agli effetti puramente meccanici, anche la circolazione idrica negli ammassi rocciosi, mediante un’analisi accoppiata in grado di valutare gli effetti dell’acqua sugli spostamenti e sulle deformazioni. Lo studio mette in luce, da una parte, l’influenza meccanica che la presenza di zone di faglia può giocare sulla stabilità del pendio, dall’altra come la circolazione idrica sotterranea, a seconda delle strutture in gioco, decrementa in modo più cospicuo o più limitato la stabilità dei pendii. Si evidenzia come le zone di faglia tendano, in tutte le casistiche, ad influenzare negativamente la stabilità del pendio. Giocano un particolare contributo destabilizzante dal punto di vista meccanico la presenza di giaciture più favorevoli alla destabilizzazione nonché di blocchi localizzati più predisposti a dar luogo a cinematismo. L’aggiunta del contributo idrico provoca una variazione molto sostanziale a livello di stabilità. Le analisi mettono infatti in evidenza come strutture che in condizioni asciutte si presentano con un buon coefficiente di sicurezza, in presenza di circolazione idrica subiscano un degrado molto veloce della stabilità. Ciò avviene in particolar modo dove la rete sotterranea favorisce il passaggio dell’acqua con larghe aperture ed ampie persistenze. Si è inoltre evidenziato come la presenza di una rete di percolazione discontinua, agisca come barriera al passaggio dell’acqua, e tenda ad attenuarne il contributo destabilizzante. In particolar modo, la presenza di strutture drenanti, che favoriscono la fuoriuscita dell’acqua dall’ammasso roccioso, è in grado di smorzare tale fattore fino a far si che una struttura di giunti che in condizioni meccaniche risulta la meno stabile, diventi più stabile delle altre nelle stesse condizioni in presenza di precipitazioni significative.