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LA FRANA MISTA DI PENNA S. ANDREA (TERAMO, ABRUZZO): CRITERI PRELIMINARI E METODOLOGIA DI CONTROLLO

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  AIGA – I° Convegno Nazionale 2003 Tallini M. et alii  645 LA FRANA MISTA DI PENNA S. ANDREA (TERAMO, ABRUZZO): CRITERI PRELIMINARI E METODOLOGIA DI CONTROLLO T ALLINI M.   &   G IAMBERARDINO A.  Dipartimento di Ingegneria delle Strutture, delle Acque e del Terreno - Università dell’Aquila   P ASCULLI A.,   S CIARRA N.,   C ALISTA M.&   M ANGIFESTA M.  Dipartimento di Scienze della Terra - Università di Chieti   R IASSUNTO :   Nell’ambito di un progetto finalizzato alla valutazione e mitigazione del rischio da frane complesse e rapide, è stata presa in esame, nell’Abruzzo teramano un’area caratterizzata da una frana mista situata presso Penna S. Andrea (Teramo). La frana è attiva e persistente nella stessa area da oltre un cinquantennio, ed, inoltre, la sua attività ha obbligato l’evacuazione di alcuni edifici abitativi e lo spostamento del tracciato della S.S. n. 81 Piceno-Aprutina, via di comunicazione a percorrenza medio-elevata. La frana interessa le alternanze torbiditiche argilloso-arenacee del Pliocene dell’Abruzzo periadriatico. È caratterizzata da fenomeni di crollo da una testata alta circa 40 metri che sta arretrando rapidamente, e da una colata nel fosso Pietro e Paolo sottostante. I suoli e il regolite, alla sommità della testata, sono decorticati e allontanati da frane superficiali roto-traslazionali, che facilitano l’esposizione e l’attacco da parte degli agenti esogeni della roccia fresca. La colata, in basso, è, invece, ulteriormente alimentata da apporti laterali di frane minori di tipo roto-traslazionale Gli obiettivi della ricerca, articolata con approccio multidisciplinare, sono stati quelli di definire la geometria e la cinematica dell’area in frana, di caratterizzare i terreni dal punto di vista geo-meccanico e geotecnico ed, infine, di controllare, con una rete opportunamente dimensionata, la cinematica e la geometria dei movimenti in atto. È stato possibile, inoltre, correlare con i dati dei parametri dell’input idrologico (piogge e andamento del livello freatico nel corpo di frana) con i dati di spostamento. Infine una modellazione numerica alle differenze finite ha permesso di caratterizzare lo stato tensionale e il cinematismo della colata del Fosso Pietro e Paolo. Termini chiave:  frane complesse, crolli, colate, torbiditi argilloso-arenacee, monitoraggio ambientale, Abruzzo. A BSTRACT : The Penna S. Andrea complex landslide (Teramo,  Abruzzi): Preliminary report Within a project oriented to the evaluation and mitigation of risk from fast and complex landslides, an area was investigated near Penna S. Andrea (Teramo, Italy). In this area a complex landslide that involved about 1 million m3 is located. It is active in the same area since fifty years ago and it is located in an area with sandstone and clay unit (Pliocene turbidite formation) in the Abruzzo region, near the Adriatic sea. Besides its evolution imposed the evacuation of some home buildings and the shifting of the road “S.S. 81 Piceno-Aprutina” with medium traffic. The landslide is characterise by two main models of evolution: i) the crown area moves back rapidly because of rock-, debris-fall and rock-toppling; ii) the debris, fallen at the toe of the scarp, triggers continually a huge mud-flow that flows in the “Pietro e Paolo” gully. Soils and regolite, at the top of the crown, are eroded and moved away by surficial roto-translational landslides and soil creeping that help the exposition of the bedrock and the attach by the atmospheric agents. The flow below, in the gully, is instead further fed by lateral contributions from smaller roto-translational landslides. The aims of the research, that has a multidisciplinary approach, were i) to define the geometries and the kinematics of the landslide, ii) to perform geotechnical and geomechanical soil and rock characterisation and, finally, iii) to control the landslide kinematics, with a monitoring network. It was also possible to correlate the input hydrological data (precipitations and water table level variations within the landslide) with the landslide kinematics data (inclinometric data). Moreover a numerical modelling was performed to characterize the mud-flow. Keywords : complex landslide, rockfall, mudflow, terrigenous turbidites, environmental monitoring, Abruzzi.   I NTRODUZIONE   Le frane complesse a rapida evoluzione ed estese arealmente pongono tutta una serie di problematiche connesse alla mitigazione o riduzione del fenomeno, soprattutto se questo insiste sull’ambiente o su infrastrutture antropiche. Una prima problematica riguarda la caratterizzazione dei meccanismi genetici e la ricostruzione dei cinematismi, tale da essere di aiuto per una successiva modellazione numerica. Inoltre, nella mitigazione di fenomeni franosi estesi, ma di rapido cinematismo, è auspicabile progettare una rete di monitoraggio che sia idonea a controllarne l’evoluzione spazio-temporale. In Abruzzo dissesti di questo tipo sono assai ben rappresentati e sono stati oggetto di numerosi studi che hanno approfondito la loro ubicazione nel contesto morfodinamico e di evoluzione quaternaria (C ENTAMORE ET ALII , 1996), la ricostruzione geometrica e cinematica locale (B OZZANO ET ALII , 1998; P AOLUCCI ET ALII , 2001), gli aspetti legati alla modellazione numerica (S CIARRA , 2000; S CIARRA &   C ALISTA , 2001).  AIGA – I° Convegno Nazionale 2003 Tallini M. et alii  646Per quanto detto, nell’ambito di un progetto finalizzato alla valutazione e mitigazione del rischio da frane complesse e rapide, è stata presa in esame, nell’Abruzzo teramano un’area caratterizzata da una frana mista situata presso Penna S. Andrea. La frana è attiva e persistente nella stessa area da almeno un cinquantennio, ed, inoltre, la sua attività ha obbligato l’evacuazione di alcuni edifici abitativi e lo spostamento del tracciato della S.S. n. 81 Piceno-Aprutina, via di comunicazione a percorrenza medio-elevata. Allo scopo è stata eseguita una ricerca preliminare sulla franosità storica dell’area finalizzata all’individuazione degli stadi evolutivi dell’area. Sono stati utilizzati dati di archivio, osservazioni sul posto effettuate negli anni novanta e foto aeree del volo IGM del 1945 e del 1985 confrontate con la Carta Tecnica Regionale a scala 1:5.000 degli anni novanta. La frana risulta attiva da oltre 50 anni. Lo stesso tracciato della S.S. 81 Loreto-Aprutina all’epoca percorreva l’area in frana, a mezza costa, e fu spostato a causa del progredire del movimento; nonostante questo, circa 20 anni fa l’A.N.A.S. ha dovuto realizzare una palificata a protezione di un tratto della strada sul versante sinistro del Fosso Pietro e Paolo, nell’area degli apporti laterali. Nell’ultimo quinquennio, la corona della frana è arrivata a poche decine di metri da un caseggiato (soggetto ad ordinanza di sgombero) e sta raggiungendo lo spartiacque principale ortogonale al Fosso Pietro e Paolo. Data la pericolosità del fenomeno la Provincia di Teramo ha recentemente commissionato uno studio al fine di proporre soluzioni per mitigare gli effetti del dissesto. M ETODOLOGIA DI STUDIO   Gli obiettivi della ricerca, articolata con approccio multidisciplinare, sono stati quelli di definire la geometria e la cinematica dell’area in frana, di caratterizzare i terreni dal punto di vista geo-meccanico e geotecnico ed, infine, di controllare, con una rete di monitoraggio opportunamente dimensionata, la cinematica e la geometria dei movimenti in atto. È stato possibile, inoltre, correlare i dati dei parametri dell’input idrologico (piogge e andamento del livello freatico nel corpo di frana) con i dati di spostamento. La frana interessa le alternanze torbiditiche argilloso-arenacee del Pliocene dell’Abruzzo teramano. È caratterizzata da fenomeni di crollo da una testata alta circa 40 metri che sta arretrando rapidamente, e da una colata nel fosso (denominato Pietro e Paolo) sottostante. I suoli e il regolite, alla sommità della testata, sono decorticati e allontanati da frane superficiali roto-traslazionali e soil creeping, che facilitano l’esposizione e l’attacco da parte degli agenti esogeni della roccia fresca. La colata, in basso, è, invece, ulteriormente alimentata da apporti laterali di frane minori di tipo roto-traslazionale. In figura 1 viene riportato il quadro geomorfologico complessivo dell’area in frana: l’indagine geologico-tecnica è consistita nell’analisi della fratturazione dell’ammasso roccioso della scarpata e nello studio della dinamica evolutiva della colata tramite modellazione numerica. In figura 2 è riportata la sezione D-D’ presente in figura 1 con la caratterizzazione geologico-tecnica dei materiali riconosciuti in affioramento e nei sondaggi eseguiti nel corso della campagna geognostica. Tale sezione è quella utilizzata nelle successive modellazioni numeriche. 0 200 m S1 S2S34S15S36 A    B    R    U    Z     Z     O     L’Aquila TeramoPescaraChieti S5S41 2 37  DD’   Fig. 1 – Schema geomorfologico della frana di Penna S. Andrea. 1- colata; 2- testata; 3- zona di apporti laterali; 4- corona; 5- sondaggio con inclinometro; 6 sondaggio con piezometro; 7- sezione. Geomorphological scheme of the Penna S. Andrea landslide. 1- mud-flow; 2- scarp area; 3- lateral landslide area; 4- crown; 5- well with inclinometer; 6- well with piezometer; 7- section. La programmazione delle attività è stata articolata in varie fasi finalizzate alla caratterizzazione del modello evolutivo, alla valutazione degli stati tensionali nel pendio e al riconoscimento della cinematica in atto. Le fasi hanno previsto: a) un rilevamento geologico tecnico e geomorfologico di dettaglio di tutta l’area in dissesto (scala 1:5.000) e della scarpata in particolare; b) l’esecuzione di cinque sondaggi geognostici a carotaggio continuo con prelievo di campioni indisturbati per analisi di laboratorio; c) la realizzazione di prove SPT; d) l’installazione di tubi inclinometrici nei due sondaggi a monte; e) l’installazione di piezometri di Casagrande nei  AIGA – I° Convegno Nazionale 2003 Tallini M. et alii  647tre sondaggi posizionati in colata; f) l’installazione di cinque capisaldi per monitoraggio con tecnologie GPS nell’intera area in frana (i cui risultati sono ancora in corso di elaborazione); g) l’installazione e funzionamento di un pluviometro, posizionato in testata. Su tutti i campioni prelevati sono state eseguite prove di classificazione e quando possibile di caratterizzazione meccanica. Fig. 2 – Profilo longitudinale della frana. 1) suolo, regolite; 2) corpo di frana e coltre alterata; 3) substrato litoide (arenarie e marne siltose) (Sciarra).  Landslide section. 1- soil, regolite; 2- landslide and weathering units; 3- bedrock (sandstone and silty marl). I L CONTESTO GEOLOGICO E GEOMORFOLOGICO   Nell’area in frana, estesa circa 16 ha, affiorano torbiditi silicoclastiche di avanfossa del cosiddetto “Flysch di Teramo” (P ATACCA ET ALII , 1991), depositatesi durante l’intervallo Pliocene inferiore - Messiniano “lago-mare”; si tratta di alternanze pelitico-arenacee in strati sottili con intercalati a diverse altezze orizzonti arenacei (C ENTAMORE ET ALII , 1992). L’assetto strutturale delle litologie esercita un marcato controllo sulle caratteristiche del rilievo e sui fenomeni di dissesto. Quello principale si esplica con modalità diversificate lungo il Fosso Pietro e Paolo, la cui testata è caratterizzata da una scarpata subverticale costituita dalle alternanze pelitico-arenacee con strati subverticali o inclinati intorno ai 40° disposti a traverso poggio. La stratigrafia delle torbiditi della testata è caratterizzata da peliti con strati di qualche centimetro e con lamine piano parallele millimetriche ben marcate, cui si intercalano sia livelli diffusi di spessore centimetrico di arenarie scarsamente cementate, sia alcune bancate metriche di arenarie ben cementate (fig. 3). L’ammasso roccioso è condizionato, oltre che dalla stratificazione e dalle laminazioni sottili, anche dalla presenza di discontinuità tettoniche rappresentate da faglie di primo ordine con rigetti metrici, ben visibili in affioramento (figg. 3 e 4) e da famiglie di fratture pervasive che si intersecano disarticolando ulteriormente l’ammasso roccioso. Gli elementi macrostrutturali che caratterizzano la scarpata sono una serie di sovrascorrimenti subverticali orientati circa N20°-30°W che presentano geometrie tipo flat e angoli di cut-off di pochi gradi. Interessano una sequenza sedimentaria dritta, come evidenziato dalla giacitura delle controimpronte di fondo (fig. 4). Sul lato est della scarpata, sono individuabili due sovrascorrimenti disposti a traverso poggio e inclinati verso ovest con geometrie tipo rampa (angoli di cut-off pari a 60°) che presentano rigetti pari a diversi metri (fig. 4). La frequenza, l’analoga giacitura e le medesime caratteristiche strutturali dei sovrascorrimenti fa ritenere che l’area si trovi nei pressi di una zona di taglio inversa di relativa importanza come attestato da dati strutturali regionali (C ENTAMORE ET ALII , 1992, V EZZANI &   G HISETTI , 1998). La zona di taglio inversa sembra essersi enucleata in tempi precoci e quindi ha subito in seguito un basculamento insieme alla stratificazione in un contesto di deformazione graduale e continua. La roccia, localizzata lungo gli elementi tettonici è costituita da cataclasiti foliate e da micro-fault breccia o fault breccia sensu SIBSON (1977). Le prime si rinvengono soprattutto in corrispondenza delle peliti, le brecce tettoniche caratterizzano le arenarie. Si determina quindi una minuta destrutturazione della roccia che facilità l’innesco di locali, ma diffusi, debris fall. La sequenza stratigrafica più bassa, posta ad est del fosso principale è costituita da fitte alternanze deca- e centi-metriche di marne siltose e arenarie debolmente cementate (rapporto pelite/arenite pari a 2 circa), a cui si intercalano bancate di arenarie cementate di spessore metrico (settore est di fig. 3). La sequenza a ovest del fosso principale è caratterizzata quasi esclusivamente dalle peliti con intercalate spesse bancate di arenarie. Fig. 3 – Panoramica della scarpata del Fosso Pietro e Paolo alla cui base si innesca la colata. La scarpata è alta circa 40 m.  Landscape of the landslide scarp (height of about 40 m) and geologial section (bottom). At its bottom starts the mud-flow (Fosso Pietro e Paolo). Le discontinuità mesostrutturali, che influenzano lo stato di fratturazione dell’ammasso roccioso, in effetti, differiscono in relazione alle differenti litologie presenti  AIGA – I° Convegno Nazionale 2003 Tallini M. et alii  648nei due settori sopra definiti. Nel settore est si individuano, soprattutto nelle arenarie, tre tipi di discontinuità principali fortemente pervasive (fig. 5): la stratificazione e le laminazioni (stx di figg. 5 e 6) che presentano una spaziatura da decimetrica, per le prime, a millimetrica per le seconde e due set di fratture. Il sistema J1 (figg. 5 e 6) è caratterizzato da fratture suborizzontali con spaziatura da millimetrica a centimetrica; il secondo sistema J2 (figg. 5 e 6) è costituito invece da fratture, in molti casi beanti, subverticali e subparallele alla scarpata principale con spaziatura fra le fratture di circa 10 cm. stxsovcf SE NWJ1J2   Fig. 4 – Stato dell’ammasso roccioso della testata: serie di sovrascorrimenti (sov); stx: stratificazione cf: controimpronte di fondo; J1 set di fratture suborizzontali (settore est della scarpata - fig. 3).  Rock-mass condition of the scarp: overthrusts (sov); stx: bedding; cf: flute-cast; J1: set of subhorizontal joints (eastern sector of the scarp – fig. 3).   J2stxJ1 N  10 cm   Fig. 5 – Stato dell’ammasso roccioso della testata: sistemi di fratture J1 e J2 e stratificazione (stx) (settore est della scarpata - fig. 3).  Rock-mass condition of the scarp: sets of joint J1, J2 and bedding (stx) (eastern sector of the scarp – fig. 3). La genesi dei due sistemi di fratture, probabilmente costituenti un sistema coniugato, sembra essere riconducibile ad un regime compressivo di tipo andersoniano (T WISS & M OORES , 1992), in concomitanza con l’enucleazione dei sovrascorrimenti. In seguito, con il progredire della deformazione, l’insieme fratture, stratificazioni e sovrascorrimenti sarebbe stato basculato su un asse orientato N20°W con una rotazione di circa 90° da est verso ovest (fig. 7). I due set di fratture caratterizzano tutta la scarpata, soprattutto nel settore est, ma si nota, per il sistema J1, al passaggio dalle peliti (materiali meno competenti) alle arenarie, una notevole riduzione della spaziatura, in accordo con quanto noto circa i fenomeni di rifrazione dei joint (fig. 8) al passaggio fra mezzi meccanicamente diversi (H ANCOCK , 1985). J1J2   stxlastxJ2J1N N     10 cm b)a)   Fig. 6 – a) Poliedro elementare definito dai due sistemi di fratture J1 e J2 e dalla stratificazione (stx) e dalla laminazione piano-parallela (la). b) reticolo di Schmidt (emisfero inferiore) degli elementi strutturali dello schema in b) e di fig. 5. a)  Elementary polyedron defined by the two sets of joints J1, J2, the bedding and the plano-parallel lamination (stx); b) mesostructural elements of the scheme reported in b) and in fig. 5, Schmidt projection (lower emisphere).  AIGA – I° Convegno Nazionale 2003 Tallini M. et alii  649Le modalità della fratturazione delle marne siltose (settore est - fig. 3) differisce rispetto alle alternanze di peliti e arenarie del settore ovest, dove le discontinuità individuano i poliedri prima descritti. La fratturazione delle marne siltose è condizionata da laminazioni piano parallele, da sottili orizzonti sabbiosi, da locali fratture e faglie planari o curve, e soprattutto da fratture di contrazione, curve, ad andamento anatomizzante, estese qualche centimetro che presentano una geometria frattale (fig. 9). Quindi si realizzano poliedri irregolari a facce curve delimitati da queste fessure di contrazione. Le laminazioni e le fratture, principalmente, e la stratificazione e le faglie, in secondo luogo, caratterizzate da una maggiore spaziatura, determinano, in definitiva, il comportamento tipo “soft rock” (H OEK , 2000) dell’ammasso roccioso; si realizzano poliedri di dimensioni di qualche centimetro che si accumulano alla base della scarpata secondo modalità di distacco di singoli frammenti o con l’innesco di debris fall. Inoltre si distaccano anche blocchi di qualche metro cubo soprattutto provenienti dalla bancate arenacee con meccanismi di rock-fall, -slide e -toppling. I  DISSESTI PER COLATA   Il meccanismo di asportazione di materiale dalla scarpata, con conseguente suo arretramento, è continuo e prosegue con le medesime modalità in quanto lo stato di fratturazione, condizionato dall’assetto tettonico, caratterizza pervasivamente l’intero versante spingendosi anche all’interno dello stesso. Inoltre, il fenomeno di destrutturazione ed allontanamento del materiale è favorito dalla decorticazione al di sopra della testata, tramite frane roto-traslazionali molto superficiali e soil creeping che interessano il suolo e il regolite. Questi dissesti facilitano, tra l’altro, l’esposizione e l’attacco da parte degli agenti esogeni della roccia fresca. Questo primo meccanismo d’evoluzione del versante, per crolli e ribaltamenti, va ad alimentare, con continuità, alla base della scarpata, la colata principale di materiale argilloso che scorre all’interno del fosso Pietro e Paolo (fig. 10). Ciò è dovuto al fatto che le litologie si comportano come ammasso roccioso tipo soft rock in scarpata, mentre i poliedri che si accumulano alla base rammolliscono e si plasticizzano quando si saturano e costituiscono il materiale argilloso della colata di fango, che comunque è alimentata anche da apporti laterali da frane in genere roto-traslazionali ubicate nei versanti limitrofi (fig. 11). Il risultato concomitante crollo-colata crea in sostanza un arretramento progressivo della testata del fosso che attualmente ha raggiunto quasi lo spartiacque principale del crinale Penna S. Andrea – Cermignano, trasversale al fosso. In sintesi i meccanismi di dissesto principali sono rappresentati dai crolli degli strati arenacei e pelitici presenti in testata. Quindi si realizza la conseguente attivazione della colata di fango alimentata con continuità dai crolli in testata e dagli apporti laterali provenienti dai versanti limitrofi. pre-basculamentopost-basculamento situazione attuale stxJ2J1NsovstxJ2J1Nsov           Fig. 7 – Giacitura pre- e post-basculamento (situazione attuale) delle discontinuità di figg. 3 e 5, reticolo di Schmidt (emisfero inferiore). Pre- and post- tilting accomodation of the mesostructural elements reported in fig. 3 and 5, Schmidt  projection (lower emisphere). L A CAMPAGNA D ’ INDAGINE GEOGNOSTICA   I movimenti presenti nel Fosso Pietro e Paolo coinvolgono sia caseggiati, alcuni dei quali sono stati già evacuati nei primi anni novanta, sia infrastrutture (S.S. 81 - Piceno–Aprutina). Al fine di comprendere i cinematismi in atto e i tempi di attivazione, è stata approntata una campagna d’indagine supportata da un programma di monitoraggio multidisciplinare. La campagna geognostica
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