INFRASAFE: Smart monitoring for safe infrastructures

G. Gottardi, L. Govoni, C.G. Gragnano, A. Mentani

Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali,

Università di Bologna

M. Bittelli

Dipartimento di Scienze e Tecnologie Agro-Alimentari,

Università di Bologna

2

PREMESSA: I regimi di filtrazione che si innescano nell’argine durante un fenomeno di piena

si mantengono lontani dal raggiungimento delle condizioni permanenti;

INFRASAFEObiettivi ed attività di ricerca geotecnica

PROBLEMATICA: Il risultato delle analisi di stabilità condotte in regime transitorio è affetto da

elevata incertezza anche per la conoscenza limitata delle condizioni iniziali.

ATTIVITÀ Accurata caratterizzazione delle proprietà di ritenzione, idrauliche e geotecniche

DI RICERCA: dei terreni arginali e monitoraggio in continuo delle principali grandezze

fisiche incidenti nella valutazione della stabilità (contenuto d’acqua, suzione).

FINALITÀ: Sviluppo di un sistema integrato per la caratterizzazione ed il monitoraggio

della stabilità dei rilevati arginali in dipendenza del livello e della durata degli

eventi di piena.

3

Il giorno 19/01/2014 si è verificato un collasso glabale di una sezione arginale del fiume

Secchia (località San Matteo, Modena). Il conseguente evento di piena ha causato la

fuoriuscita di circa 38M m³ d’acqua, causando una vittima. Complessivamente, sono stati

stimati danni alle infrastrutture e prorietà, pubbliche e private, per un totale di 220M €.

Fotografie dell’area dell’avvenuto collasso

19/01/2014

BACKGROUNDCollasso dell’argine del fiume Secchia

4

I ipotesi sulle condizioni iniziali:

Profilo idrostatico

II ipotesi sulle condizioni inziali:

Distribuzione spaziale

Gottardi G., Gragnano C.G. 2016. On the role of partially saturated soil strength in the stability analysis of a river embankment under steady-state

and transient seepage conditions. 3rd European Conference on Unsaturated Soils – E-UNSAT 2016, Paris. doi: 10.1051/e3sconf/20160919002.

Min. suzione allo step iniziale: -74.3kPa Min. suzione allo step iniziale: -39.2kPa

Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 2017

IARG 2017

Matera, 5-7 Luglio 2017BACKGROUNDConsiderazioni su filtrazione e stabilità

Probabilità di collasso iniziale: 2.2∙10-8 % Probabilità di collasso iniziale: 1.6∙10-5 %

5

I ipotesi sulle condizioni iniziali:

Profilo idrostatico

II ipotesi sulle condizioni inziali:

Distribuzione spaziale

Gottardi G., Gragnano C.G. 2016. On the role of partially saturated soil strength in the stability analysis of a river embankment under steady-state

and transient seepage conditions. 3rd European Conference on Unsaturated Soils – E-UNSAT 2016, Paris. doi: 10.1051/e3sconf/20160919002.

Min. suzione allo step finale: -63.0kPa Min. suzione allo step finale: -36.2kPa

Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 2017

IARG 2017

Matera, 5-7 Luglio 2017

Max. probabilità di collasso: 35.6 %

Condizioni di moto stazionario

Min. suzione: -34.4kPa

BACKGROUNDConsiderazioni su filtrazione e stabilità

Probabilità di collasso finale: 1.8∙10-1 %Probabilità di collasso finale: 1.0∙10-2 %

6

Indagini di laboratorio

Monitoraggio

Analisinumeriche

Indaginidi sito

BACKGROUND – SVILUPPIMetodologie e strumenti di analisi

7

Breccia Gennaio ‘14

Area monitorata

Soil layer φ' (°) k (m/s)

Embankment 31.06 1.55E-07

Foundation 28.26 4.81E-09

Subsoil 22.50 3.98E-10

AREA DI INTERESSEScelta del sito e caratterizzazione

Secchia river

0 100 m

Motta bridge, 250 m

bank deposit made of sand, silt and clay

external bank deposit made of sand, silt and clay

N

canal

Area with previously

installed instruments

Instrumented area

Carpi

Cavezzo

CPTU3

CPTU4CPTU1

CPTU2

SEZIONE INFRASAFE

8

0

2

4

6

0 25 50 75 100

z (m

)

PSD (%)

sand/silt (%) silt/clay (%)

0

2

4

6

0 10 20 30 40

z (m

)

w (%)

wL wP wn

a) b)

Depth

(m)

D50

(mm)

wn

(%)

LL

(%)

PL

(%)

Gs

(-)

Cu

(-)

Cc

(-)

1.3 - 15.7 - - - - -

1.8 0.032 17.0 29.4 16.7 2.71 133 2.4

2.8 0.021 19.9 29.9 29.3 2.57 23 0.2

3.6 0.045 24 - - 2.71 9 0.2

3.8 0.073 - 30.0 18.1 2.67 20 5.6

4.7 0.079 15.5 34.7 18.7 2.60 57 5.6

5.1 0.125 - - - - 18 3.4

6.9 0.087 - - - 2.65 24 5.2

D50= median diameter; LL= limit liquid; PL= plastic limit; Gs=

specific gravity; Cu= uniformity coefficient; Cc= curvature

coefficient

CL

AY

SIL

T

SA

ND

0

15

30

45

1 10 100 1000

θ(%

m³/

m³)

suction (kPa)

e0=0.605 (4.8m)

e0 = 0.668 (4.8m)

e0=0.711 (4.8m)

e0 = 0.594 (2.8m)

e0 = 0.665 (2.8m)

e0 = 0.705 (2.8m)

e0 = 0.615 (3.8m)

e0 = 0.660 (3.8m)

e0 = 0.858 (3.8m)

e0 = 0.674 (6.8m)0

15

30

45

0.1 1 10 100 1000 10000 100000

θ(%

m³/

m³)

suction (kPa)

SWRC (I drying)

SWRC (II drying)

SWRC (III drying)

SWRC (IV drying)

I wetting

II wetting

III wetting

EET (AVG)

EET (top)

EET (bottom)

DPM

AREA DI INTERESSEScelta del sito e caratterizzazione

9

SISTEMA DI MONITORAGGIOProgetto e realizzazione

Verticale SondaProfondità di

installazione (m)

MPC1

GS3 2.4

MPS-6 3.1

GS3 4.5

MPS-6 4.6

MPC2SM150 1.5

MPS-6 1.2

MPC3

GS3 1.4

GS3 6.4

MPS-6 6.2

SPC1 MPS-6 7.0

SPC2 GS3 7.1

SPC3 SM150 7.1

TC1 T8 4.7

TC2 T8 8.0

Strumenti in

Golena:

Strumenti in

Argine:Verticale Sonda

Profondità di

installazione (m)

MPB1GS3 0.7

MPS-6 0.9

MPB2GS3 2.2

MPS-6 2.7

SPB1 MPS-6 1.2

TB1 T8 4.8

Misura diretta (-85, + 100 kPa)

Misura indiretta

(- 10,000, - 9 kPa)

foro profondità [m] ubicazione

TC1 4.6 Testa

TC2 8.0 Testa

TB1 4.8 Golena

Tensiometro UMS

T8 (3)

FORO (numero) Profondità [m] ubicazione

MPC1 (2) 3.1 – 4.6 testa

MPC2 (1) 1.2 testa

MPC3 (1) 6.2 testa

SPB1 (1) 1.2 golena

MPB1 (1) 0.9 golena

MPB2 (1) 2.7 golena

SPC1 (1) 7.0 testa

SISTEMA DI MONITORAGGIOMisura di suzione del terreno

MPS-6

(8)

250 €1800 €

10

SISTEMA DI MONITORAGGIOMisura di contenuto idrico del terreno

FORO (numero) Profondità [m] Ubicazione

MPC1 (2) 2.4 – 4.5 testa

MPC3 (1) 1.4 testa

MPC4 (1) 6.1 testa

MPB1 (1) 0.7 golena

MPB2 (1) 2.2 golena

SPC2 (1) 7.1 testa

profondità [m] ubicazione

MPC2 1.5 Testa

SPC3 7.1 Testa

400 €

STRUMENTI IMPIEGATI IN AMBITO AGRONOMICO – COLTRI PIÙ SUPERFICIALI

SM150-T

(2)

GS3

(7)

340 €

11

12

ANALISI SPERIMENTALIConfronti: misure di sito–laboratorio

15

25

35

45

22/1/17 21/2/17 23/3/17 22/4/17 22/5/17 21/6/17 21/7/17 20/8/17

θ(%

m³/

m³)

GS3

GS3 572 (MPB2_2.2m) GS3 551 (MPB1_0.7m) GS3_571 (SPC2_7.1m)

GS3_568 (MPC1_4.5m) GS3_554 (MPC1_2.4m)

01

10

100

1.000

22/1/17 21/2/17 23/3/17 22/4/17 22/5/17 21/6/17 21/7/17 20/8/17

su

cti

on

(kP

a)

MPS-6

MPS-6 365 (MPB2_2.7m) MPS-6 264 (MPB1_0.9m) MPS-6 293 (SP2_7.0m)

MPS-6 381 (MPC1_3.05m) MPS-6 273 (MPC1_4.60m)

0

15

30

45

1 10 100 1000

θ(%

m³/

m³)

suction (kPa)

MPB2_2.2m

MPB1_0.7m

SPC_7.0m

MPC1_4.5m

MPC1_2.7m

0

15

30

45

1 10 100 1000

θ(%

m³/

m³)

suction (kPa)

e0=0.605 (4.8m)

e0 = 0.668 (4.8m)

e0=0.711 (4.8m)

e0 = 0.594 (2.8m)

e0 = 0.665 (2.8m)

e0 = 0.705 (2.8m)

e0 = 0.615 (3.8m)

e0 = 0.660 (3.8m)

e0 = 0.858 (3.8m)

e0 = 0.674 (6.8m)

-3,0

0,0

3,0

6,0

9,0

-30

0

30

60

90

22/1/17 26/2/17 2/4/17 7/5/17 11/6/17 16/7/17 20/8/17

Liv

ello

id

rom

etric

o (m

)

Su

zio

ne /

Pre

ssio

ne n

eu

tra (kP

a)

T8C1 (4.6m p.a.) T8B1 (4.7m p.g.) Livello idrometrico

13

Transient Seepage analysis: 07/02/2017

Outer slope stability: 07/02/2017Inner slope stability: 10/02/2017

FILTRAZIONE E STABILITÀAnalisi numeriche preliminari

2,0

3,0

4,0

0 2 4 6 8 10

Fact

or

of

Safe

ty

Persistency (day)

1,0

1,5

2,0

0 2 4 6 8 10

Fact

or

of

Safe

ty

Persistency (day)

14

Outer slope stability: 10d eventInner slope stability: 10d event

FILTRAZIONE E STABILITÀAnalisi numeriche preliminari

Transient Seepage analysis: 07/02/2017

15

CONCLUSIONITraguardi e sviluppi della ricerca

Un sistema integrato per il monitoraggio in continuo delle principali grandezze

fisiche incidenti sulla filtrazione e stabilità arginale è stato realizzato e verificato in

termini di:

- Fattibilità e validazione dei risultati;

- Bassi costi di installazione, gestione, e funzionamento;

- Raccolta di dati accurati ed in tempo reale;

- Implementazione in modelli numerici.

16

CONCLUSIONITraguardi e sviluppi della ricerca

Grazie ad una catena di dati composta da:

- caratterizzazione geotecnica del sito;

- misure di monitoraggio delle proprietà dei terreni arginali a profondità

significative per le applicazioni in oggetto;

- livelli idrici e portate degli eventi meteorici registrati e previsti;

si giunge alla creazione di un modello previsionale, opportunamente calibrato e

perciò affidabile, capace di fornire stime aggiornate della stabilità arginale.

A completamento di tale sistema ed al fine di realizzare un utile strumento di early-

warning per la gestione del rischio da alluvione è opportuno:

- prevedere l’estensione del monitoraggio a più sezioni, che risultino

rappresentative per criticità di più ampi settori arginali;

- realizzare un coordinamento con gli enti preposti alla comunicazione delle

situazioni di allerta.

INFRASAFESmart monitoring for safe infrastructures

Gruppo di ricerca:

G. Gottardi, L. Govoni, C.G. Gragnano, A. MentaniDipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali, Università di Bologna

M. BittelliDipartimento di Scienze e Tecnologie Agro-Alimentari, Università di Bologna

Collaborazioni scientifiche:

I. RocchiDepartment of Civil Engineering, Technical University of Denmark, Copenhagen, Denmark

S. Cuomo, M. MoscarielloDipartimento di Ingegneria Civile, Università di Salerno

O. BuzziFaculty of Engineering and Built Environment, University of Newcastle, Australia

P. CastiglioneDecagon Devices, Pullman, WA, USA