Indagine sperimentale sul ruolo della scabrezza nel moto di correnti granulari

INTRODUZIONE 
gomma con cardatura in millerighe. 
Il moto è stato filmato in prossimità della sezione finale del canale mediante 
una telecamera digitale funzionante con una frequenza di acquisizione delle 
immagini di 240 Hz. 
I fotogrammi acquisiti in ogni prova sono stati elaborati al fine di ottenere il 
profilo di velocità, il profilo di concentrazione ed il profilo di altezza della corrente 
per quella prova. Tutte le elaborazioni sono state effettuate in modo automatico; 
particolare attenzione ed impegno sono stati dedicati ai codici di calcolo utilizzati, i 
quali sono stati tutti appositamente creati utilizzando il software MATLAB v. 7.0.1. 
I risultati ottenuti sono stati analizzati mettendo a confronto sia i profili di 
velocità sia i profili di altezza, osservandone l’andamento sia al variare dell’angolo 
di inclinazione del canale per uno stesso rivestimento del fondo, sia nel caso dei 
diversi rivestimenti del fondo per una stessa pendenza. Inoltre è stato effettuato un 
confronto con i risultati relativi ad esperimenti su correnti granulari secche reperiti 
in letteratura ((Ridgway, Rupp, 1970), (Bailard, 1978) e (Hungr, Morgenstern, 
1984)). Un discorso a parte è stato fatto per i profili di concentrazione, i quali, a 
causa di problematiche connesse al metodo di determinazione degli stessi, non 
hanno potuto essere analizzati. 
La trattazione che segue è divisa in due parti. 
Nella prima parte è raccolta in forma organica una serie di informazioni 
relative alle correnti granulari, utili ad inquadrare il fenomeno in funzione di una 
migliore comprensione dell’attività sperimentale svolta. 
Ciò è stato ritenuto necessario a causa della mancanza, a tutt’oggi, di una 
trattazione sull’argomento generalmente condivisa in termini di definizione, 
terminologia e classificazione ed anche per fare il punto sui risultati dell’attività di 
ricerca nell’ambito degli aspetti dinamici delle correnti granulari, con particolare at- 
Indagine sperimentale sul ruolo della scabrezza nel moto di correnti granulari secche 2
INTRODUZIONE 
tenzione rivolta al comportamento reologico degli stessi. 
Si precisa che nei titoli dei capitoli e dei paragrafi della prima parte al posto 
dell’espressione “corrente granulare” si è preferita la dizione anglosassone “debris
flow”, universalmente accettata e molto diffusa nella nostra lingua; anche nel testo 
se ne è fatto largo uso in luogo delle corrispondenti espressioni italiane. 
La seconda parte è dedicata all’attività sperimentale svolta. Sono descritti 
l’installazione sperimentale usata e le modalità di esecuzione delle prove di 
laboratorio, i procedimenti di elaborazione dei dati ed i risultati ottenuti. 
Nei due DVD-ROM allegati sono contenuti la bibliografia che si è potuto 
reperire in formato digitale, i listati dei codici di calcolo impiegati nell’elaborazione 
dei fotogrammi ed i grafici ed i filmati ricavati dall’elaborazione di ogni prova. 
Indagine sperimentale sul ruolo della scabrezza nel moto di correnti granulari secche 3
PARTE I 
La letteratura dei debris flow
CAPITOLO 1
DEBRIS FLOW                         : CONSIDERAZIONI GENERALI
1.1 Definizione e terminologia 
Con l’espressione “debris flow” (letteralmente “flusso detritico”) s’intende 
un movimento di massa rapido che si sviluppa per azione principale della gravità e 
che interessa un miscuglio granulare ad alta concentrazione, cioè un sistema 
costituito da componenti solide disperse in un fluido, in modo che i granuli siano in 
contatto o molto prossimi tra loro. 
Il fluido, che riempie gli spazi fra un granulo e l’altro, perciò detto anche 
“fluido interstiziale”, non è necessariamente costituito da acqua: non mancano 
infatti riscontri di situazioni reali in cui il fluido interstiziale è un fango costituito da 
acqua e argilla oppure un aeriforme (aria); in tal caso si parla più propriamente e, a 
scanso di equivoci, di “correnti granulari secche”, anche se la dizione di debris flow,
nel suo significato letterale, sarebbe tutt’altro che imprecisa. 
Parte I – La letteratura dei debris flow 5
CAPITOLO 1 – DEBRIS FLOW: CONSIDERAZIONI GENERALI 
L’espressione anglosassone debris flow è ampiamente diffusa nella nostra 
lingua; esistono però anche espressioni italiane aventi identico significato: “colata 
detritica”, “corrente detritica” e “corrente granulare”, per citare le più usate. 
L’affermazione del termine debris flow e dei suoi sinonimi è piuttosto 
recente e si è accompagnata all’accresciuto interesse che, da poco più di due 
decenni, tale fenomeno riscuote presso la comunità scientifica e fra gli specialisti 
interessati alla gestione dei bacini montani; sono questi, infatti, gli ambienti naturali 
che rappresentano i tipici scenari di una colata detritica. 
Un altro termine talvolta utilizzato come sinonimo di debris flow è “trasporto 
di massa”; pur se abbastanza espressivo, questo termine sembra mancare di un 
preciso riferimento alle caratteristiche fisiche del processo (Marchi, 2005). 
Infine, ampiamente diffusa in passato, specialmente in ambito sistematorio, 
era l’espressione “lava torrentizia”, ricalco del francese lave torrentielle. Questo 
termine si applica alle colate detritiche che si sviluppano negli alvei torrentizi e non 
a quelle che interessano i versanti. 
1.2 Classificazione 
La componente solida di un debris flow è il risultato di fenomeni di erosione 
superficiale, frane ed eruzioni vulcaniche che portano all’accumulo negli alvei dei 
corsi d’acqua di depositi di materiale di pezzatura eterogenea. 
Gli ammassi granulari depositatisi nel tratto montano di un corso d’acqua 
possono essere mobilitati al verificarsi di eventi alluvionali, dando luogo alla 
formazione di una “piena di detriti” o, con identico significato, di una colata 
detritica, che si propaga verso valle con velocità che possono raggiungere anche 
alcune decine di metri al secondo (Seminara, Tubino, 1993). 
Parte I – La letteratura dei debris flow 6
CAPITOLO 1 – DEBRIS FLOW: CONSIDERAZIONI GENERALI 
La frazione solida può comprendere, oltre al sedimento (i granuli), anche 
altri materiali: in bacini forestali può essere importante la presenza di detrito 
legnoso preso in carico dalla corrente. 
L’azione motrice principale della componente solida di un debris flow è la 
gravità, tanto che questi fenomeni vengono sinteticamente indicati come “moti 
gravitazionali di sedimenti”. Ma devono essere considerate anche le azioni associate 
alle interazioni granulari, e, in particolare, agli effetti inerziali dovuti alle collisioni 
tra i granuli e alla deformazione del miscuglio. 
A questo proposito è opportuna qualche precisazione al fine di distinguere i 
debris flow dai moti bifase di interesse in aree scientifiche limitrofe a quella 
dell’Ingegneria Naturale propria delle colate detritiche. Il fatto che l’azione motrice 
dominante per la componente solida sia la gravità, fa distinguere le colate detritiche 
dai fenomeni di trasporto solido fluviale, di fluidizzazione e dai moti di sospensioni 
diluite per i quali la fase fluida e le azioni idrodinamiche ad essa associate svolgono 
un ruolo predominante. Inoltre, la notevole importanza, nella meccanica dei debris
flow, delle azioni associate alle interazioni intergranulari e alla deformazione del 
miscuglio distingue tale studio da quello dei moti, molto lenti, di miscugli granulari 
di interesse nell’ambito della Geotecnica: mentre molte frane conservano, almeno 
parzialmente, la struttura iniziale del materiale interessato dal movimento, nelle 
colate detritiche la massa fluente subisce forti deformazioni, fino a risultare 
completamente rimaneggiata (Marchi, 2005). 
Si può dunque concludere che il regime di moto che contraddistingue una 
colata detritica è intermedio tra quello quasi statico, tipico dei fenomeni franosi e di 
scorrimento, e quello idrodinamico, caratteristico invece delle sospensioni diluite 
(trasporto solido fluviale) (Seminara, Tubino, 1993). 
Tale collocazione intermedia è all’origine della particolare difficoltà 
nell’inquadramento e nell’analisi di questi processi. 
Parte I – La letteratura dei debris flow 7
CAPITOLO 1 – DEBRIS FLOW: CONSIDERAZIONI GENERALI 
Per maggiore chiarezza e completezza sembra opportuno riportare la 
classificazione proposta da Pierson e Costa (Pierson, Costa, 1987) (Tabella 1.1 e 
Figura 1.1). Si tratta di una classificazione basata sulla reologia dei fenomeni, i 
quali, in riferimento alla Figura 1.1, vengono distinti in funzione del valore assunto 
dalla coppia di grandezze concentrazione solida volumetrica
1
 (sediment
concentration), riportata in ascissa, e velocità media (mean velocity), riportata in 
ordinata. I limiti indicati nel diagramma di Figura 1.1 sono approssimati e solo in 
parte derivano da osservazioni sperimentali. 
Flow
Sediment concentration volume c
v
[%] 
Density
[g/cm
3
]
Water flow 020 1,001,33
Hyperconcentrated flow 2047 1,331,80
Debris flow 4777 1,802,30
Tabella 1.1 – Classificazione dei movimenti di massa (Pierson, Costa, 1987). 
1.3 Fenomenologia: formazione e propagazione 
La formazione di un debris flow è legata al contemporaneo verificarsi delle 
tre seguenti condizioni (Seminara, Tubino, 1993): 
a. presenza di materiale detritico; 
b. apporto di acqua sufficiente per la mobilitazione dei sedimenti; 
c. adeguata pendenza del fondo dell’alveo. 
1
 La concentrazione solida volumetrica di un miscuglio (c
v
) è definita come il rapporto tra il volume di solidi 
V
s
 ed il volume totale V del miscuglio stesso. 
Parte I – La letteratura dei debris flow 8
CAPITOLO 1 – DEBRIS FLOW: CONSIDERAZIONI GENERALI 
Figura 1.1 – Classificazione dei movimenti di massa (Pierson, 
Costa, 1987). 
a. Pur essendo molteplici i processi che danno luogo alla formazione di materiale 
detritico, le sorgenti tipiche del materiale costituente i debris flow possono 
essere ricondotte a due classi: 
1. il materiale proveniente dall’erosione dei versanti, dall’ostruzione 
temporanea dell’alveo operata da tronchi d’albero o da una frana e 
depositatosi in alveo; 
2. il materiale originato da eventi erosivi concomitanti con il verificarsi della 
colata detritica. 
b. Le colate detritiche sono generalmente originate da eventi piovosi di particolare 
Parte I – La letteratura dei debris flow 9
CAPITOLO 1 – DEBRIS FLOW: CONSIDERAZIONI GENERALI 
intensità oppure da fenomeni di repentino scioglimento di nevai o ghiacciai in 
seguito a brusche variazioni termiche. 
c. Il fattore che determina l’inizio della colata detritica è la pendenza del torrente e 
le condizioni di mobilitazione dipendono, oltre che dalle relazioni che esistono 
tra l’azione della gravità, della coesione e dell’attrito interno, anche dal tipo di 
deposito, dalla sua eterogeneità di costituzione e dalla sua geometria. 
Le modalità di formazione di una colata detritica possono essere 
schematicamente classificate nelle seguenti quattro classi: 
1. debris flow originato dalla mobilitazione di sedimenti che si sono depositati sul 
fondo dell’alveo del torrente, ad opera di una corrente superficiale generata da 
piogge intense o da fenomeni di disgelo; 
2. debris flow originato dal collasso di un versante con successiva trasformazione 
della frana in colata detritica; 
3. debris flow originato dal crollo di una diga naturale prodotta dall’occlusione di 
un torrente a seguito di un precedente evento franoso o da una ostruzione 
prodotta da tronchi d’albero; 
4. debris flow originato dalla fluidificazione immediata del materiale costitutivo di 
una frana, imputabile sia alla presenza di una corrente idrica superficiale sia ad 
affioramenti idrici nella zona di cedimento. 
Il primo meccanismo è in genere quello più frequente e può portare alla 
movimentazione di materiale solido originato da precedenti colate detritiche e 
depositatosi nelle zone meno acclivi del torrenti e nel conoide di deiezione (debris
flow secondario). 
Le colate detritiche si manifestano tipicamente attraverso pulsazioni, con 
l’improvvisa comparsa di onde caratterizzate da un fronte ripido e ben definito. 
Parte I – La letteratura dei debris flow 10
CAPITOLO 1 – DEBRIS FLOW: CONSIDERAZIONI GENERALI 
Le singole pulsazioni sono solitamente di breve durata ma possono 
succedersi, intervallate da brevi periodi di stasi, anche per parecchie ore o per più 
giorni. 
La presenza di numerose pulsazioni può essere espressione delle 
caratteristiche idrauliche del fenomeno o, in alcuni casi, può essere dovuta al fatto 
che l’apporto di materiale solido è dato da fenomeni franosi di grandi dimensioni. 
La composizione di una colata detritica è schematizzata in Figura 1.2. 
Figura 1.2 – Composizione di una colata detritica (Pierson, 1986). 
In generale le colate detritiche, una volta avviate, tendono ad assumere un 
aspetto tipico (Figura 1.3) costituito da un fronte di forma arrotondata, nel quale 
tendono ad accumularsi gli elementi di dimensione maggiore, seguito da un tratto, il 
corpo della colata detritica, la cui superficie libera si presenta sensibilmente 
parallela al fondo indisturbato della colata: lungo il corpo si assume che il moto sia 
prossimo all’uniformità; infine si ha la coda, formata dal materiale più fine, e nella 
quale il tirante si assottiglia rispetto a quello del fronte e del corpo (Armanini, 
1996).
Parte I – La letteratura dei debris flow 11