Experimental study on the monitoring of shallow landslides in non-cohesive soils with a novel optical fibre sensor

In the past two decades optical fibre sensing has gained considerable popularity in the field of geohazard monitoring with a variety of applications, sensing technologies and experimental work described throughout the scientific literature. On the other hand, the peculiarities of rainfall-induced landslides discouraged the experimentation with monitoring of this particular phenomenon. At the same time, optical fibre sensing technologies often rely on commercially available interrogating devices, which tend to have been designed for a different purpose and this impacts both their sensing capabilities and their cost, when it comes to geohazard monitoring. This thesis presents the application of a novel optical fibre sensing tool for the monitoring of rainfall-induced landslides in non-cohesive soils. The study is entirely based on experimental activities carried out at the laboratory scale simulation of shallow slope failures. The sensor was tested as a monitoring tool under direct strain as well as a vibration sensing instrument. Interpreting the results in the context of a full-scale landslide phenomenon is attempted through a conceptual link between the two realms, based on dimensional analysis. The monitoring results are finally discussed in the context of a potential base for the creation of early warning systems by a tentative integration of optical fibre sensing and the definition of rainfall intensity duration thresholds. The outcomes of this work illustrated the capacity of a novel optical fibre sensor to detect strain and vibrations prior to, and during rainfall induced failure of a granular slope. Moreover, the proposed dimensional analysis allowed for the inference of those results to larger scale scenarios, where precursors identified by the optical fibre sensing could be determined with some significant lead time. The proposed incorporation of those results with rainfall intensity-duration thresholds outlined the potential of optical fibre sensors to be implemented both as a stand-alone monitoring tool, and as an integral part of a more complex early warning system.

Negli ultimi vent’anni il monitoraggio tramite fibre ottiche ha acquisito una notevole popolarità nel campo della prevenzione del rischio idrogeologico con un’ampia varietà di applicazioni, tecnologie e lavori sperimentali, descritti attraverso la letteratura scientifica. D’altra parte, le peculiarità delle frane indotte dalle precipitazioni hanno scoraggiato le sperimentazioni per il monitoraggio di questo particolare fenomeno. Allo stesso tempo, la tecnologia delle fibre ottiche spesso dipende da interrogatori disponibili a livello commerciale che sono stati progettati per diversi scopi, cosa che nel campo del monitoraggio del rischio idrogeologico ha un impatto sia sulla capacità di monitoraggio stesso delle fibre, sia sul loro costo. Questa tesi di dottorato presenta l’applicazione di un nuovo strumento in fibra ottica per il monitoraggio delle frane indotte da precipitazioni in terreni non coesivi. Questo studio è interamente basato su attività sperimentali condotte su simulazioni a scala di laboratorio di frane superficiali. Il sensore è stato testato sia direttamente come strumento di monitoraggio delle deformazioni, sia come rilevatore delle vibrazioni. L’interpretazione dei risultati è stata anche valutata per frane reali tramite un collegamento concettuale tra le due diverse scale di laboratorio e di versante, basato sull’analisi dimensionale. I risultati del monitoraggio sono stati infine discussi nel contesto di una potenziale base per la creazione di un sistema di allerta con un tentativo di integrazione delle fibre ottiche e la definizione di soglie di intensità e di durata delle precipitazioni. I risultati di questo lavoro hanno illustrato le capacità del nuovo sensore in fibra ottica di rilevare deformazioni e vibrazioni prima e durante la rottura indotta dalle piogge in un versante granulare. Inoltre, l’analisi dimensionale proposta ha legittimato l’applicazione di questi risultati su scenari a scala maggiore, dove i segnali precursori identificati dal monitoraggio in fibra ottica possono essere determinati con un margine temporale significativo. L’incorporazione proposta di questi risultati con soglie di intensità e durata delle precipitazioni ha delineato il potenziale dei sensori in fibra ottica di essere implementati sia come strumenti autonomi per il monitoraggio, sia come parte integrante di un sistema di preallerta più complesso.