Un gruppo di ingegneri del Politecnico di Milano ha messo a punto un modello computazionale più maneggevole di quelli disponibili finora capace di descrivere il comportamento delle colate detritiche, quelle frane in cui i comportamenti tipici di un solido coesistono con quelli tipici di un fluido. Il modello potrebbe essere usato per valutare l’impatto delle colate detritiche su strutture e infrastrutture esistenti e per progettare in modo più appropriato barriere per ridurre i loro effetti. I risultati del modello sono descritti in un articolo pubblicato sulla rivista Interanational Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics.

«Lo studio fa parte di un’attività più ampia promossa dalla Fondazione RETURN per rendere più semplice e rapida la valutazione del rischio posto dalle colate detritiche, considerandone allo stesso tempo gli aspetti dinamici» spiega Pietro Marveggio, ricercatore in geotecnica al Politecnico di Milano e primo autore dello studio.

«Questo è uno dei tasselli necessari, che speriamo di comporre con gli altri che si concentrano invece sulla stima della probabilità che una colata venga innescata a causa di un terremoto o di piogge intense», aggiunge.

Secondo l’ultimo rapporto ISPRA sul dissesto idrogeologico, basato sull’osservazione del triennio 2022-2024, il 23% del territorio italiano è a rischio frane, il 15% in più rispetto alla rilevazione precedente.

Tra gli eventi idrogeologici che hanno caratterizzato il triennio 2022-2024, ISPRA cita anche le colate di fango e detriti che hanno colpito l’isola di Ischia a novembre del 2022 causando 12 morti, e le colate detritiche innescate dalle forti piogge in Valle d’Aosta e Piemonte a giugno 2024.

Una colata detritica o di fango e detriti è un fenomeno con caratteristiche intermedie tra una frana e la piena di un torrente. In una colata rocce e detriti, mescolati o meno ad acqua a fango, si muovono come se fossero un fluido, raggiungendo velocità elevate (fino a 60 chilometri orari) e sono in grado di travolgere oggetti e persone.

L’ultimo evento simile è avvenuto tra giugno e luglio del 2025 nel comune di San Vito di Cadore (Belluno), quando un’enorme massa di detriti alta due metri e con un fronte largo cento, si è staccata dalle vette del Sorapiss nelle Dolomiti ampezzane scendendo verso la valle tracciata dal fiume Boite e invadendo la statale Alemagna.

Un po’ fluido, un po’ solido

Valutare la forza che una colata detritica esercita su un ostacolo posto lungo la sua traiettoria è complesso perché l’impatto genera delle onde di rarefazione e compressione nel materiale che lo inducono a comportarsi a tratti come un fluido e a tratti come un solido. Queste due fasi coesistono all’interno della colata in zone diverse del suo volume ed evolvono nel tempo, modificando di conseguenza la pressione esercitata sull’ostacolo.

Marveggio fa un esempio molto chiaro. «Nel caso di una colata di materiale molto compatto, subito dopo l’impatto si crea, alla base dell’ostacolo, una rampa di materiale sostanzialmente solido e il materiale che sopraggiunge dopo può scivolarvi sopra, come un fluido, prendendo velocità», spiega.

Quando però il materiale di cui è composta la colata è meno denso, questo fenomeno avviene più lentamente o non avviene affatto. Inizialmente l’impatto tende a rendere più denso il fronte della colata e successivamente, solo se il volume della colata è sufficiente, può crearsi la rampa.

Finora, per tenere insieme la varietà di comportamenti che abbiamo descritto, era necessario ricorrere a modelli computazionali molto onerosi, in cui la dinamica della colata emerge dall’aggregazione dei comportamenti individuali dei granelli che la compongono.

I modelli più leggeri, e anche più facili da usare per utenti non esperti, descrivono invece il materiale come un continuo che si muove su una griglia spaziale non uniforme. Questa griglia è infatti più densa dove è necessario avere maggior dettaglio sulle forze in gioco nella colata e meno densa dove invece ci si aspetta un comportamento più uniforme. Tuttavia, i modelli al continuo sviluppati finora erano capaci di descrivere il materiale in un’unica fase, o solida o fluida. Marveggio e i suoi coautori hanno sfruttato un approccio sviluppato nel 2022 per introdurre due fasi contemporaneamente.

Per capire se il modello funzionava, gli autori hanno stimato l’evoluzione temporale della forza esercitata sull’ostacolo durante l’impatto e l’hanno confrontata con le previsioni dei modelli computazionali discreti, quelli più onerosi che abbiamo citato prima, e con quelli continui che considerano solo la fase solida. Lo hanno fatto variando le condizioni iniziali dell’impatto, soprattutto la densità del materiale di cui è composta la colata. Per valori alti della densità il materiale è più simile a un solido, per valori bassi della densità è più simile a un fluido. A seconda del valore della densità all’inizio dell’impatto, la coesistenza e la transizione tra i due regimi determinano diversi tipi di evoluzione temporale della forza di impatto sull’ostacolo.

«Quando il materiale è sufficientemente compatto si creano quelle che in geotecnica si chiamano catene di forza. Sostanzialmente il materiale è organizzato in una sorta di colonne compresse che garantiscono la risposta solida del materiale», spiega Marveggio. Aggiunge poi che «invece, quando il materiale è meno compatto, queste catene di forza stabili non riescono a formarsi. Di conseguenza i granelli non sono organizzati in una rete di contatti persistenti, ma scorrono e collidono tra loro, fluttuando nello spazio e muovendosi gli uni rispetto agli altri. In questo regime il materiale può essere descritto come un gas granulare: un insieme di particelle discrete in movimento, per il quale si possono usare analoghe leggi a quelle dei gas molecolari, con la differenza che i “costituenti” non sono molecole, bensì granelli.»

L’analogia formale con i gas è tale che Marveggio e coautori hanno potuto definire il comportamento del materiale attraverso una “temperatura”, che è proporzionale all’energia cinetica di fluttuazione dei granelli.

«Durante l’impatto c’è un continuo cambiamento tra questi due regimi», spiega Marveggio. Per colata inizialmente dense, «Il materiale raggiunge l’ostacolo e viene bloccato, quello che arriva subito dopo lo schiaccia e lo compatta formando così una zona dominata dalle catene di forza, che ha quindi un comportamento solido. Nella striscia superiore della colata invece domina l’agitazione dei granelli, quindi un comportamento fluido, così il materiale cerca di percorrere la rampa, fino a fermarsi progressivamente lungo l’ostacolo.»

Ma è per colate inizialmente meno dense che il modello di Marveggio e coautori fa la differenza.

Il modello mostra che lo strato di materiale più vicino all’ostacolo “si scalda” e quindi “si fluidifica”, per via dell’energia cinetica che l’impatto con l’ostacolo trasferisce ai granelli. Il materiale che sopraggiunge subito dopo compatta questo strato che si solidifica rapidamente, “cedendo calore”, cioè trasferendo energia cinetica al materiale subito dietro che quindi si fluidifica.

Questa complessa coesistenza e mutevolezza di fasi all’interno della colata non veniva riprodotta in modo soddisfacente dai modelli al continuo che consideravano un’unica fase solida.

Valutare il rischio

Come abbiamo anticipato, i risultati ottenuti da Marveggio e coautori sono un tassello di un puzzle più ampio che deve essere composto per valutare il rischio. «In una colata detritica possiamo distinguere tra passi, innesco, propagazione, impatto. In questo studio ci siamo concentrati sull’ultimo passo, l’impatto, ma le condizioni della colata subito prima dell’impatto dipendo dai passi precedenti e cioè dalle cause, che possono essere sismi o precipitazione in sostanza.

«Stiamo collaborando con Roberto Paolucci e Chiara Smerizini del Politecnico di Milano sulla caratterizzazione degli eventi sismici nelle zone in cui sappiamo essere presenti depositi detritici che già in condizioni statiche, quindi senza perturbazioni, sono in condizione di collasso incipiente», spiega Marveggio. «L’obiettivo è sviluppare strumenti rapidi e semplificati per valutare l’evoluzione nel tempo delle forze che agiscono sull’ostacolo durante l’impatto nei diversi scenari delineati dall’analisi degli eventi sismici che possono innescare le colate.»

Per poter applicare su scala regionale o nazionale questi strumenti è importante disporre di una mappa il più dettagliata possibile dei depositi detritici instabili, che oggi manca. Marveggio e gli altri ricercatori impegnati in questa attività sperano che mettere a disposizione questi strumenti possa motivare le istituzioni, in primo luogo il Dipartimento della Protezione Civile, a migliorare la mappatura dei depositi a rischio.

Un’altra possibile applicazione potrebbe essere nei sistemi di allerta precoce. «L’innesco delle colate dopo un terremoto non avviene immediatamente ma dopo un certo tempo», spiega Marveggio. La prospettiva, quindi, sarebbe quella di impiegare i modelli numerici sviluppati in questo studio e raffinati in quelli che seguiranno per generare dati di impatto sintetici e poi usarli per allenare un sistema di intelligenza artificiale da impiegare nei primi istanti dopo la rilevazione di un terremoto per eventualmente chiudere un viadotto o evacuare una struttura la cui tenuta potrebbe essere messa a rischio dalla colata.