Analysis of mudflow mechanisms: from laboratory tests to numerical modelling

Mudflows represent fast, high-mobility surges of water-saturated plastic soils capable of generating significant destructive power. Understanding their failure mechanisms and runout behavior is essential for improving process-based numerical models used in hazard assessment. To support the validation of the Watlab model (UCLouvain), this study conducted 21 downscaled flume experiments at the GAP2 laboratory of Politecnico di Milano, Lecco campus. A multi-modal monitoring system (integrating optical fiber sensors, photogrammetry, and LiDAR scanning) was employed to capture flow kinematics and deposition morphology with high precision. Experimental reliability was confirmed through paired tests. Regression analyses (R² =0.60~0.79) identifying slope angle as the primary driver of velocity and runout distance in our tests. The calculated Reynolds number (Re) values reveal that higher-density mixtures undergo “mechanical braking” due to increased viscosity, whereas relatively higher Re trials maintain sufficient momentum to achieve more extensive spreading. To further evaluate mudflow destructiveness, Principal Component Analysis (PCA) was applied to the multi-parameter dataset. The first two principal components accounted for 87% of the total variance, leading to the development of a synthetic Hazard Index (Hᵢ) for objective intensity classification. Finally, the experimental data were used to benchmark the Watlab numerical framework, evaluating the performance of Bingham rheological laws in predicting mudflow spreading and deposition. This integrated approach establishes a robust experimental foundation that effectively bridges physical observations with numerical modeling, facilitating future refinements in physics-based hazard prediction.

Le colate di fango rappresentano rapide ondate ad alta mobilità di terreni plastici saturi d’acqua, capaci di generare un significativo potere distruttivo. La comprensione dei loro meccanismi di innesco e del comportamento di propagazione (runout) è essenziale per migliorare i modelli numerici basati sui processi utilizzati nella valutazione del rischio. A supporto della validazione del modello Watlab (UCLouvain), il presente studio ha condotto 21 esperimenti in canaletta in scala ridotta presso il laboratorio GAP2 del Politecnico di Milano, campus di Lecco. È stato impiegato un sistema di monitoraggio multimodale (che integra sensori in fibra ottica, fotogrammetria e scansione LiDAR) per acquisire con elevata precisione la cinematica del flusso e la morfologia dei depositi. L’affidabilità sperimentale è stata confermata mediante prove accoppiate. Le analisi di regressione (R² = 0,60~0,79) hanno identificato l’angolo di pendenza come il principale fattore determinante della velocità e della distanza di propagazione nei nostri test. I valori calcolati del numero di Reynolds (Re) indicano che le miscele a maggiore densità subiscono un “frenamento meccanico” dovuto all’aumento della viscosità, mentre le prove con Re relativamente più elevato mantengono una quantità di moto sufficiente a garantire una propagazione più estesa. Per valutare ulteriormente la distruttività delle colate di fango, è stata applicata un’Analisi delle Componenti Principali (PCA) al dataset multiparametrico. Le prime due componenti principali hanno spiegato l’87% della varianza totale, consentendo lo sviluppo di un Indice Sintetico di Pericolosità (Hᵢ) per una classificazione oggettiva dell’intensità. Infine, i dati sperimentali sono stati utilizzati per validare il framework numerico Watlab, valutando le prestazioni delle leggi reologiche di Bingham nella previsione della propagazione e della deposizione delle colate di fango. Questo approccio integrato fornisce una solida base sperimentale che collega efficacemente le osservazioni fisiche alla modellazione numerica, facilitando futuri perfezionamenti nella previsione del rischio basata sulla fisica.