An enhanced modelling approach for debris flow inception and propagation

Debris flows are a major component of hydraulic hazard in mountainous environments and are often triggered by the collapse of steep slopes along the drainage network of a watershed. The identification of unstable areas during a rainfall event inside a catchment is crucial to the assessment of the impacted areas. In literature many contributions deal with this task by using physically based distributed models. In most applications the geotechnical component of these models provides the Factor of Safety (FS) using the Infinite Slope (IS) assumption coupled with suitable hydrologic hypothesis. However, there is evidence in literature, that the IS assumption, that considers single cells stability, becomes increasingly inadequate with the growing space resolution of the elevation model, contributing to the overprediction of unstable areas that affect these models. In this work it is proposed an original improvement to the stability calculation of physically based distributed models, by presenting a modification of the Janbu’s method of slices suitable to basin scale applications. The proposed method is systematically better than the local IS prediction for a set of elementary test cases in which a rigorous stability analysis is available, confirming the predictive capabilities of the proposed approach. Finally, it is showed the applicability of the method at the watershed scale by considering its application to a well-known test case in Oregon, i.e. the Mettman Ridge. In order to model the propagation of debris flows after being triggered, a numerical software has been implemented. DEBRA (Debris-flow Evolution and Behaviour for Risk Assessment) is a shock capturing finite volume numerical scheme which solves the monophasic 2D Steep Slope Shallow Water Equations on an unstructured grid. DEBRA is equipped with multiple rheological laws (Manning, Voellmy and O’Brien) used in most commercial software allowing the user to choose the best formulation according to experience or field characteristics. Firstly, the numerical scheme is validated against dam break analytical solutions which are obtained specifically for each rheology. Secondly, DEBRA and a commercially available software (RAMMS) are compared on a real event happened in Niardo (Italy) where information about deposition maps and inundation extent are available.

Le colate detritiche sono una componente principale della pericolosità idraulica nelle aree montane e sono spesso innescate dal collasso di versanti eccessivamente ripidi lungo il reticolo di drenaggio di un bacino. L’identificazione delle aree instabili durante un evento meteorico intenso a scala di bacino è cruciale per la mappatura delle aree potenzialmente impattate. In letteratura molti contributi utilizzano dei modelli fisicamente basati a scala di bacino per modellare il fenomeno. Nella maggior parte delle applicazioni la componente geotecnica di questi modelli fornisce il Fattore di Sicurezza (FS) utilizzando il modello di versante infinito (IS) accoppiato con opportune ipotesi idrologiche. Tuttavia, è possibile riscontrare in letteratura che il modello IS, il quale considera ogni cella del bacino in modo isolato, diviene via via meno adeguato all’aumentare della risoluzione del modello di elevazione del bacino, contribuendo a sovrastimare le aree instabili. In questo lavoro verrà presentato un originale miglioramento del calcolo della stabilità dei versanti, modificando il metodo di stabilità di Janbu per poter essere applicato a scala di bacino. Il metodo proposto è un miglioramento rispetto all’IS su casi test semplificati in cui un’analisi di stabilità rigorosa consente di validare le risposte dei modelli. Infine, è stato applicato il modello introdotto ad un caso test ben documentato in letteratura: il Mettman Ridge in Oregon. Nell’ottica di modellare la propagazione delle colate detritiche dopo l’innesco è stato implementato un codice numerico ai volumi finiti chiamato DEBRA (Debris-flow Evolution and Behaviour for Risk Assessment) in grado di simulare la propagazione degli shock grazie alla risoluzione delle equazioni delle acque basse bidimensionali a forte pendenza su grigliati non strutturati. DEBRA è dotato di svariati modelli reologici (Manning, Voellmy e O’Brien) utilizzati in letteratura e in altri software commerciali, consentendo all’utente di poter selezionare la formulazione migliore considerando le peculiarità del caso in esame. In primo luogo, lo schema numerico è stato validato utilizzando soluzioni analitiche di rottura di diga o presenti in letteratura o derivate appositamente per la reologia considerata. In secondo luogo, sono stati confrontati i risultati di DEBRA e di un software commerciale (RAMMS) relativamente alla propagazione di una colata accaduta realmente a Niardo (Italia) dove sono disponibili alcune informazioni di riferimento relative alla deposizione e all’estensione delle aree impattate.