Analysis of the slope-vegetation-atmosphere interaction for the design of the mitigation measures of landslide risk in clayey slopes

The present research activity deals with the evolution of the equilibrium conditions in time with reference to climate-induced landslides. The approach followed herein is mainly linked to the comparison between numerical analyses and field monitoring data which are of major importance to state the success of the numerical predictions. The research is first aimed at identifying the main internal and external factors to be accounted for numerically replicating the field evidence. As such in this step of the work, the purpose is to diagnose the current seasonal activity observed in a case study (the Pisciolo slope) in terms of hydraulic and mechanical behavior. In particular, a boundary value problem has been numerically solved with different and gradually more complex numerical strategies. Specifically, hydraulic and hydro-mechanical numerical analyses have been carried out, aimed at highlighting the strengths and weaknesses of each numerical strategy in modeling the current activity of the Pisciolo slope. The representativeness of the Pisciolo slope with respect to several landslide mechanisms in the South-Eastern Apennine, makes this case study of particular interest, since the site-specific conclusions drawn may be also valid for other mechanisms. This circumstance appears to be very relevant, since it allows for transposition of concepts and design strategies from a representative slope to others, even without very detailed site-specific studies. The final aim of this research work is to give advice on two different mitigation measures, addressing the design of early warning systems and bio-engineering interventions for the landslide mechanism of reference. The early warning system is designed with reference to different landslide bodies, from shallow to deep, highlighting the differences on both the reference threshold variables and threshold values. This analysis is carried out by means of hydraulic numerical modeling followed by the computation of the safety factor with the limit equilibrium method. The climatic forcing input for these analyses is obtained from real climatic data, from 2001 to 2016, for which rainfall and minimum and maximum temperatures were available from climatic annals provided by a climatic monitoring station close the Pisciolo slope. The results of the diagnosis of the landslide mechanism allow realizing that also the pre-existent climatic condition may affect the subsequent impact of a certain climatic input. As such, among all the monitored years available, two different years have been chosen as representative of a very rainy and a very dry one; those have been applied prior the application of the climatic year under investigation. The analysis of the efficiency of a bio-engineering intervention has been of interest in this research activity; in particular, the use of deep-rooted crops on the soil cover for stabilizing shallow and deep bodies is studied herein. As such, a test site (approx. 2000 m2) has been installed at the toe of the Pisciolo landslide, aimed at determining the hydraulic efficiency of some selected crop types. The various crop types have been seeded into the test site, and the monitoring of climatic variables, the shallow cover state (unsaturated zone), and the deeper soil state (saturated zone) has been activated in January 2018 and is still on-going. A numerical platform of differential equations for solving the thermo-hydraulic boundary value problem is described, with the future aim to back-calculate the upward fluxes of evaporation and plant-induced transpiration. Although not being conclusive, this study may be scientifically relevant and is then intended to have repercussions on the practical side, being useful for future guidelines for the design of bio-engineering interventions.

L’attività di ricerca affrontata dal dottorando riguarda l'evoluzione delle condizioni di equilibrio nel tempo in riferimento alla stabilità di frane clima-indotte. L'approccio seguito è principalmente legato al confronto tra analisi numeriche e dati di monitoraggio di campo, che sono di fondamentale importanza per poter determinare la veridicità delle previsioni numeriche. La ricerca mira innanzitutto ad identificare i principali fattori interni ed esterni da considerare per il replicare correttamente numericamente, le evidenze sul campo. Come tale in questa fase del lavoro, lo scopo è quello di diagnosticare l'attuale attività stagionale osservata ricorrentemente e documentata in un caso di studio (la frana di Pisciolo) tramite monitoraggi di sito. Attraverso strategie numeriche diverse e gradualmente più complesse si è effettuato un calcolo del processo franoso. In particolare, sono state condotte analisi numeriche idrauliche e idromeccaniche, volte a mettere in luce i punti di forza e di debolezza di ciascuna strategia numerica nella modellazione dell’attività attuale della frana in studio. La rappresentatività del pendio di Pisciolo con riferimento a diversi meccanismi di frana nell'Appennino sud-orientale, rende questo caso di particolare interesse, poiché le conclusioni sito-specifiche sono valide anche per casi di studio meno studiati, o meno monitorati. Questa circostanza è molto rilevante, dal momento che consente una trasposizione di concetti e strategie di progettazione dal caso specifico (la frana di Pisciolo) ad altri casi di studio, anche senza studi dettagliati sito-specifici. L'obiettivo finale di questo lavoro di ricerca è di fornire consigli per quanto concerne due diverse strategie di mitigazione; in particolar modo il dottorando si è occupato della progettazione di sistemi di allerta e di interventi di bioingegneria in relazione al meccanismo di frana di riferimento. Il sistema di allerta è progettato con riferimento a diversi corpi di frana, da superficiale a profondo, evidenziando le differenze sia per quanto riguarda le variabili di soglia di riferimento sia che i valori di soglia. Questa analisi viene effettuata me-diante modellazione numerica idraulica seguita dal calcolo del fattore di sicurezza con il metodo del limite di equilibrio. L'input forzante climatico per queste analisi è ottenuto da dati climatici reali, dal 2001 al 2016, per i quali sono disponibili precipitazioni e temperature minime e massime da annali climatici forniti da una stazione di monitoraggio climatico vicina al versante di Pisciolo. I risultati della diagnosi del meccanismo di frana consentono di comprendere che anche la condizione climatica preesistente può influire sul successivo risultato di un certo input climatico. Di conseguenza tra tutti gli anni monitorati disponibili, sono stati scelti due anni diversi come rappresentativi di uno molto piovoso e di uno molto secco; questi sono stati applicati prima dell'applicazione dell'anno climatico in esame. L'analisi dell'efficienza di un intervento di ingegneria naturalistica o di bioingegneria è stata anch’essa analizzata in questa attività di ricerca; in particolare, è stato effettuato uno studio preliminare sull'uso di colture radicate sul suolo per la stabilizzazione di corpi superficiali e profondi. A questo scopo, un campo prova (circa 2000 m2) è stato allestito al piede del meccanismo franoso di Pisciolo, allo scopo di determinare l'efficienza idraulica di alcuni piante selezionate. I vari tipi di colture sono stati seminati nell’area del test e il monitoraggio delle variabili climatiche, dello stato di copertura superficiale (zona insatura) e dello stato del suolo più profondo (zona saturata) è iniziato a gennaio 2018 ed è tuttora in corso. Una piattaforma numerica di equazioni differenziali per risolvere il numerica-mente il calcolo termo-idraulico è stato descritto, con lo scopo futuro di calcolare in maniera inversa i flussi verso l’atmosfera evaporativi e traspirativi indotti dalle piante. Pur non essendo conclusivo, questo studio può essere scientificamente rilevante, ed è quindi auspicabile che esso abbia ripercussioni sul lato pratico, risultando utile per future linee guida per la progettazione di interventi di bioingegneria simili a quello in studio.