Modellazione 3D di pareti rocciose finalizzata alla valutazione della pericolosità da caduta massi 3D rock slope modelling for rock fall risk assessment

Rock slope instabilities represent a major hazard for human activities, often causing economic losses, property damages and maintenance costs, as well as injuries or fatalities. Rock slope stability is so one of the most important issue in mountain areas and mines. Although, in fact, rock falls along highways and railways in mountainous terrains do not pose the same level of economic risk as large-scale failures (which can cause the closure of major transportation routes for several days), the number of people killed by rockfalls tends to be of the same order as people killed by all other instabilities affecting rock slopes. An accurate characterisation of the rock mass discontinuities allows to understand the most probable failure mechanism and individuate the source area, since the local orientation of the mesh of the 3D model of the slope. A proper geostructural survey, together with a high definition 3D model of the slope, allows, in fact, to evaluate the position of source area; the geostructural survey permits also the modelling of the volume distribution of the removable blocks. The position of the source area, the position of the blocks and the high definition 3D model of the slope are fundamental parameters for the modelling of the run out of the blocks, defining so the trajectory of the blocks and the associated kinetic energy for the design of the most appropriate protection works. The estimate of the blocks volume can be conducted by means of codes that use the structural features of the rock surface to identify the boundaries of the polygons that represent the blocks. An accurate geomechanical characterisation is therefore crucial to gather information about the most probable failure mechanism, the position of source area and the volume of removable blocks. Semiautomatic methods in addition to manual methods for discontinuities extraction, have allowed to reduce the user-dependant subjectivity and the consume of time over the last few decades, to obtain details of the rock mass structures. The thesis shows the application of different tools for the structural characterisation and the stability assessment on a number of different walls affected by rockfall in open pit mines in Australia. 3D models of walls have been built since close range photogrammetric surveys using Siro3D code (Datamine SiroVision). SiroJoint (in built in the Siro3D package) has been used to manually detect the discontinuities, while DiAna, Facets plug-in of CloudCompare and I-site Studio (Maptek) codes have been used for the semiautomatic discontinuities extraction. Stereoplots of the discontinuities extracted by manual and semiautomatic methods have been so compared and kinematic indices for plane failure, wedge failure, block toppling, and flexural toppling have been calculated. The structural survey has been then used to perform the distribution of the block volume thanks to a multi-function discrete fracture network (DFN) generator and to describe removability and stability of the blocks using the Block Theory (Goodman & Shi) and the Factor of Safety (Hoek & Bray). This stability analysis has been carried out with SiroModel software (developed by CSIRO within Large Open Pit-LOP project). 3D kinematic analysis has been then performed using DiAna-K code, since the semiautomatic geostructural survey carried out with DiAna and the high definition 3D model of the slope. DiAna and DiAna-K codes has been developed within the Department of earth Sciences of the University of Florence. The integration of the 3D kinematic analysis with the stability analysis of the blocks extracted with a DFN allows to objectively quantify since remote survey data the main geometric input parameters necessary for a complete and reliable rockfall hazard analysis, such as slope high resolution morphology, source areas and volume of unstable blocks, thanks to which is possible to calculate the kinetic energy along the run out. The study is aimed to: i) evaluate how artificial cuts affect the reliability of semiautomatic discontinuities extraction methods in comparison to manual discontinuities extraction methods; ii) compare stereoplots of semiautomatic and manual discontinuities extraction in case of artificial cuts; iii) integrate 3D kinematic analysis with the stability analysis of the blocks extracted with a multi-function discrete fracture network generator. The comparison of the stereoplots of the discontinuity planes produced with SiroJoint and DiAna shows results somehow comparable; moreover, this application revealed a number of interesting advantages and drawbacks of manual and semiautomatic methods, which can be useful to overcome some current limitations and improve the quality of the remote geostructural survey and then of the rockfall simulations. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- La stabilità di versanti in roccia costituisce un tipo di frana che presenta un rischio elevato. Tale rischio è elevato in considerazione della probabilità che si abbiano vittime o feriti, dei tempi di interruzione dell’infrastruttura danneggiata e dei costi della sua messa in esercizio, oltre che di installazione dei più idonei sistemi di protezione. La caduta massi è infatti uno dei rischi maggiori in aree montane, così come anche in aree minerarie. Malgrado infatti i volumi di versate mobilizzati dai crolli siano in genere minori rispetto ai volumi dei corpi di frana di altri fenomeni di versante, l’elevata velocità del fenomeno fa sì che il numero di vittime avute a causa di caduta massi sia dello stesso ordine di altri fenomeni di versante. Un’attenta caratterizzazione delle discontinuità presenti all’interno dell’ammasso roccioso consente comprendere quali meccanismi cinematici siano più probabili ed individuare le possibili aree fonte dei distacchi. Pertanto, un corretto rilievo geostrutturale, insieme ad un modello 3D ad alta definizione del pendio, costituisce un dato di input essenziale per la corretta modellazione del run out dei massi in termini di percorsi e di energie cinetiche in gioco, permettendo quindi la progettazione delle contromisure di protezione più appropriate. Sono pertanto essenziali alcuni dati per la corretta modellazione 3D della rockfall analysis: un modello del terreno 3D di alta definizione (ricavato con rilievo fotogrammetrico o laser scanning), la posizione delle aree di distacco dei blocchi ed il volume dei blocchi instabili. Un accurato rilievo geostrutturale è alla base dell’individuazione dei meccanismi e quindi delle aree la cui esposizione risulta più favorevole all’innesco di caduta massi: un accurato rilievo geostrutturale è quindi alla base di una corretta valutazione del rischio caduta massi. Negli ultimi decenni ai metodi di rilevamento manuale delle discontinuità si sono aggiunti i metodi semiautomatici di estrazione delle discontinuità, che consentono di individuare le discontinuità a partire da parametri geometrici settati dall’operatore, riducendo molto la soggettività del rilievo ed il tempo necessario. Il rilievo geostrutturale consente quindi di calcolare gli indici di pericolosità cinematica e di avere la distribuzione del volume dei blocchi rimovibili. Gli indici di pericolosità cinematica consentono di attribuire un valore a ciascuno dei cinematismi posibili (scivolamento planare, civolamento di cunei, ribaltamento di blocchi, ribaltamento di flessure) in funzione dell’orientazione del versante; se si dispone di una mesh sarà quindi possibile capire quali porzioni siano più esposte al distacco di blocchi, in ragione della loro esposizione. Il rilievo geostrutturale consente inoltre di ricavare la distribuzione del volume dei blocchi mediante l’utilizzo di codici di calcolo che costruiscono una rete discreta di discontinuità all’interno dell’ammasso roccioso, mediante una modellazione di tipo stocastico. La tesi analizza e confronta l’applicazione di diversi codici per la caratterizzazione geostrutturale e per la successiva valutazione della stabilità di versante, su vari versanti in roccia situati in miniere di tipo open-pit in Australia. I modelli 3D dei versanti in roccia sono stati ricavati tramite fotogrammetria con il software Siro3D (Datamine SiroVision). Il codice SiroJoint (Siro3D package) è stato utilizzato per il rilievo manuale delle discontinuità, mentre per il rilievo semiautomatico delle discontinuità sono stati utilizzati i codici DiAna, Facets (CloudCompare) e I-Site Studio (Maptek). Sono stati quindi ricavati e gli stereoplots delle discontinuità estratte con metodi manuali e automatici e sono stati calcolati e confrontati gli indici di pericolosità cinematica per ciascun cinematismo. Il rilievo strutturale effettuato è stato utilizzato per ricavare tramite un generatore multifunzione di un sistema di fratture continue (discrete fracture network, DFN) all’interno del software SiroModel (sviluppato da CSIRO all’interno del progetto LRGE Open Pit mines – OPS), che ha consentito a partire dalla Teoria di Goodman e Shi sulla rimovibilità dei blocchi e dal calcolo del Fattore di Sicurezza (Factor of Safety; Hoek & Bray, 1981) di comprendere la distribuzione del volume dei blocchi instabili, stabili grazie all’attrito e stabili (Type I, II e III della classificazione dei blocchi di Goodman & Shi). I blocchi sono stati estratti mediante una modellazione stocastica a partire dall’orientazione e dalla persistenza delle discontinuità. L’analisi cinematica 3D è stata condotta tramite DiAna-K, usando come dati di il rilievo semiautomatico delle discontinuità ed il modello 3D del terreno ottenuto con tecnica fotogrammetrica. I codici DiAna e DiAna-K sono stati sviluppati dal Dipartimento di Scienze della Terra dell’Università di Firenze. L'integrazione dell’analisi cinematica 3D e dell’analisi di stabilità finalizzata alla definizione del volume dei blocchi rimovibili permette una definizione quantitativa ed oggettiva dei principali dati geometrici necessari per la modellazione del rischio di caduta massi, consentendo quindi di definire le traiettorie, la velocità e l’energia cinetica dei blocchi per una corretta progettazione degli interventi di mitigazione del rischio. Lo studio è stato finalizzato a: i) Valutare come la presenza di tagli artificiali influenzi l’applicabilità di metodi semiautomatici per l’estrazione delle discontinuità, rispetto a metodi manuali; ii) Confrontare gli stereoplot e gli indici di pericolosità cinematica dei rilievi geostrutturali effettuati con metodi manuali o con metodi semiautomatici di estrazione delle discontinuità; iii) Integrare l’analisi cinematica 3D con l’analisi di stabilità dei blocchi estratti grazie a DFN.