La stabilità geologica della parete rocciosa contenente l’insediamento rupestre e gli affreschi romanici del S.S. Salvatore (Vallerano-VT)

1. Introduzione

2. Caratterizzazione geologica dell'area

3. Assetto strutturale

4. Inquadramento geomorfologico

5. Caratterizzazione geo-meccanica delle rocce affioranti

6. La stabilità della parete rocciosa

Conclusioni

Bibliografia

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SOMMARIO

La rupe del SS. Salvatore in Vallerano si caratterizza per la presenza di un insediamento benedettino rupestre, con rari affreschi in stile bizantino, presumibilmente ascrivibili al IX-X sec. d. C. Principale elemento è una grotta usata come “cappella” dove, nella parete laterale sinistra, è effigiato il SS. Salvatore con ai lati S. Pietro ed un angelo e, nella parete di fondo, è dipinto un gruppo di santi. Le opere sembrano di un artista importante, di stile bizantino e si stagliano su un fondo rosso ornato di riquadri di vari colori. La grotta, si è manifestata nel secolo scorso, in seguito ad un crollo che ha distrutto la parete più esterna, anche questa presumibilmente affrescata.

La parete rocciosa evidenzia chiari segni di instabilità geomorfologiche, le quali lasciano ipotizzare un progressivo degrado destinato a far scomparire i resti dell’insediamento e gli affreschi ivi contenuti.

Nell’area è stato effettuato uno studio geomorfologico applicativo pervenendo ad un modello interpretativo morfo-evolutivo e geotecnico. Tale modello concettuale è stato successivamente parametrizzato con il codice di calcolo FLAC, in modo da pervenire ad una ipotesi realistica di bonifica del bene culturale.

In base agli studi condotti si è evidenziato come la parete rocciosa non  presenti cinematismi in grado di condurre a crolli in tempi brevi ma, semmai, si individuano una serie di condizioni al contorno, principalmente legate alla penetrazione dell’apparato radicale nelle fratture ed alla presenza di eventuale acqua di infiltrazione, capaci di diminuire la resistenza al taglio del versante. I crolli avvenuti nel secolo scorso sembrerebbero anche ascriversi ad una ridotta resistenza al taglio della parete in seguito alla presenza delle cavità.     

1. INTRODUZIONE

Molti beni culturali presenti sul territorio nazionale sono localizzati in aree ad elevato rischio di eventi naturali estremi; infatti, nei secoli scorsi, a causa principalmente di frane, terremoti ed alluvioni, sono scomparse molte testimonianze della storia antica del Paese e molte altre, purtroppo, sono destinate a scomparire nei prossimi anni. Tra queste ultime si annoverano certamente gli affreschi romanici del S.S. Salvatore a Vallerano (VT), che rappresentano una delle rare attestazioni di presenza benedettina nell’Alto Lazio.

 Figura 1 – Il versante con l’insediamento rupestre e la grotta del S.S. Salvatore.

Gli affreschi ornavano un insediamento rupestre il quale é andato progressivamente degradandosi, a causa di fenomeni di crollo che hanno interessato la parete tufacea dove era ubicato. Attualmente rimangono solo la parete di fondo ed un a piccola porzione della parete laterale; in queste si ritrovano i resti degli affreschi, peraltro, oltre che ai crolli, ormai esposti anche agli agenti atmosferici.

 

 Figura 2 – Veduta dell’insediamento rupestre e degli affreschi del S.S. Salvatore in Vallerano (VT)

Nel corso della presente ricerca sono state investigate le condizioni geologiche, morfologiche, strutturali e geotecniche della parete tufacea dove sono localizzati gli affreschi, pervenendo ad una valutazione di stabilità complessiva dell’ammasso. Infine vengono effettuate alcune considerazioni sulla possibile evoluzione morfologica dell’area, in base ai cinematismi riconosciuti.

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2. CARATTERIZZAZIONE GEOLOGICA DELL’AREA

L’area su cui insiste l’insediamento rupestre del S.S. Salvatore si trova nel Lazio settentrionale, poco a Nord dell’abitato di Vallerano (VT). L’intero territorio si colloca geologicamente nel versante orientale dell’apparato vulcanico vicano.

Il sito in esame è situato sul versante più acclive, in destra orografica, di una valle asimmetrica dove scorre il fosso di Puliano.

Nella zona affiorano i litotipi vulcanici dell’apparato vicano e cimino e, nel fondovalle, si rinviene un limitato deposito di materiale alluvionale. Estese coltri detritiche attuali sono invece presenti nella parte bassa dei versanti, in prossimità del fondovalle, a testimonianza dei forti processi erosivi in atto.

Figura 3 – Carta geologica(sin)  e sezione (dx) dell’area dove sorge l’insediamento rupestre. In marrone è riportata la formazione delle fonoliti tefritiche ed in grigio i depositi detritici (base topografica da Felici e Cappa, ….)

 L’incisione rupestre è ubicata nella parete, a circa 5-8 m dal fondovalle (fig. 3). Il litotipo su cui è stato scavato l’insediamento è costituito da una formazione ignimbritica fonolitico-tefritica (Ignimbrite A Locardi auct.) ascrivibile al periodo iniziale della fase di maggior attività dell’apparato vulcanico vicano, compresa in un intervallo di  tempo tra 0,2 e 0,15 milioni di anni (Locardi, 1965). Si tratta di materiale con colorazione prevalente grigio-violacea, fittamente cosparso di piccole leuciti, di aspetto agglomeratico con frammenti lavici e pomici piuttosto compatte a feldspati e leuciti. Lo spessore è variabile nell’area, fino agli 80 metri.

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3. ASSETTO STRUTTURALE

Nella parete rocciosa oggetto del presente studio è stati identificato un sistema principale di discontinuità con direzione N140E, riferibile presumibilmente a processsi di detensionamento laterale, in conseguenza dell’approfondimento dell’incisione fluviale. Oltre tale sistema principale si rinvengono una serie di discontinuità minori, che si dispongono senza apparente regolarità e presumibilmente collegate al meccanismo singenetico di raffreddamento del materiale, successivamente alla messa in posto. La figura 4 riporta l’insieme delle discontinuità rilevate.

Figura 4 – Orientazione del versante (celeste) e principale famiglia di discontinuità rilevate (blu); altre singole discontinuità rinvenute nella line di scansione.

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4. INQUADRAMENTO GEOMORFOLOGICO

Il versante in destra orografica del fosso di Puliano presenta una evidente attività morfologica in atto (figura 5).

 Figura 5 – Lineamenti geomorfologici dell’area

 Nell’area si rinvengono principalmente due tipologie di movimenti di versante (figura 5): frane di crollo (che hanno distrutto la parete esterna della grotta del S.S. Salvatore) e scivolamenti superficiali di suolo. Tali ultimi fenomeni, che attualmente si rinvengono già a pochi metri di distanza dall’insediamento, destano preoccupazione per una possibile evoluzione parossistica nel versante sovrastante la grotta stessa e quindi per la conservazione degli affreschi attualmente esposti agli agenti esogeni. Si tratta di fenomeni di limitata volumetria, che si innescano in occasione di intense precipitazioni.

Le frane di crollo interessano sostanzialmente l’intero versante, come testimoniato dalle coltri detritiche presenti nel fondovalle. In particolare la frana della grotta del S.S. Salvatore, documentata sin dal 1888 (Bertini Calosso, 1907), presenta numerosi ringiovanimenti nelle adiacenze dell’insediamento benedettino, come confermato dalla freschezza dei tagli nella rupe. Mancano purtroppo indicazioni dirette che consentano di effettuare una datazione più precisa dei movimenti che hanno interessato la rupe. Sicuramente la descrizione di Marini (1742-1815) evidenzia e uno stato dei luoghi che sembrerebbe caratterizzarsi per le grotte ancora relativamente intatte. Successivamente il Calindri (1829), poi ripreso da Moroni (1894), descrive la grotta ormai crollata. Successivamente, Bertini Calosso (1907) descrive un versante colmo di detriti e massi con un accesso ai resti della grotta molto difficoltoso. Inoltre, lo stesso autore, pubblica una fotografia da cui si intuisce un crollo relativamente recente (figura 6). Tale crollo viene, dallo stesso Bertini Calosso (1907), riferito al 1888 in base, sembrerebbe, a testimonianze orali. Un rilievo della Soprintendenza Archeologica di Roma del 1948 cita il crollo della volta, rilevato come integro nel sopralluogo di Bertini Calosso (1907).

Figura 6 – Veduta storica delle condizioni del versante nel 1907. (da Bertini Calosso, 1907)

Un rilievo topografico viene infine riportato in Felici e Cappa (….), descrivendo uno stato dei luoghi sostanzialmente simile all’odierno.

La visione di insieme del versante è riportato nella figura 7 da cui si può dedurre come l’area dell’insediamento rupestre sembra quella nelle peggiori condizioni di stabilità. Questo potrebbe essere effettivamente la conseguenza delle grotte che, con la loro presenza, hanno diminuito la resistenza al taglio lungo le discontinuità del versante.

 

 figura 7 – Veduta d’insieme dell’intero versante.

 Le frane di crollo sono fenomeni che sostanzialmente riflettono gli stati tensionali del versante e quindi la resistenza di taglio nelle fratture presenti. Sono innescate da una notevole varietà di cause tra cui il crioclastismo, il termoclastismo, l’incremento di pressione interstiziale nelle fratture, lo scalzamento al piede, la divaricazione delle fratture a causa di apparati radicali. Nell’area sono state rinvenute numerose radici di piante all’interno di fratture, le quali hanno sicuramente favorito l’allargamento delle discontinuità e quindi la diminuzione della resisitenza di taglio di questa. Elementi corroboranti di tale tesi sono identificabili nei due piccoli crolli a sinistra e destra dell’insediamento, dove se superfici neo-esposte sono integralmente coperte da apparati radicali di piante ubicate nella parte alta della rupe.

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5. CARATTERIZZAZIONE GEO-MECCANICA DELLE ROCCE AFFIORANTI

Lo scopo della caratterizzazione geotecnica è quello di individuare, in coerenza con il modello morfo-evolutivo ricostruito, il modello geotecnico di riferimento, i parametri geotecnici rappresentativi, il regime delle pressioni interstiziali. Per gli ammassi rocciosi sono inoltre disponibili una serie di classificazioni in grado di assegnare una classe di qualità all’ammasso in esame. In particolare, nel sito in esame sono stati adottati: Q system (Barton, 1974), RMR (Beniawsky, 1989), GSI (Hoek et alii, 1998). La tabella seguente riepiloga i valori ottenuti nel corso della campagna di rilevamento

 

Tabella 1 – Parametri geotecnici rappresentativi dell’ammasso roccioso delle fonoliti-tefritiche

Parametro

Valore

Peso di volume

1520 Kg/mc

Coef. di rugosità JRC

10

RMR

49.8

Q

9.34

Vp

4,47 Km/sec

GSI

44.5

Per quanto attiene alla resistenza a compressione monoassiale (σ’) questa è stata ottenuta con martello di Schmidt direttamente nella superficie esposta; il valore finale rappresenta la media di 25 misurazioni effettuate lungo la linea di scansione (fig. 8/a). E’ stato comunque notato un decadimento delle caratteristiche geomeccaniche nel lato occidentale dell’insediamento (fig. 8/b).

 Figura 8a, 8b– Distribuzione modale dei valori di s’ e distribuzionedei lungo la linea di scansione (da NE a SW)

Applicando invece le indicazioni ISMR(1975), si ottiene un  valore di 12,2 Mpa (media su 10 prove scartando i 5 valori più bassi).

La caratterizzazione geotecnica deve inoltre consentire l’identificazione dello stato tenso-evolutivo del versante. Per tale motivo si rende necessario identificare parametri che caratterizzano la resistenza e deformabilità dell’ammasso roccioso, in funzione del modello geotecnico e morfo-evolutivo che meglio caratterizza il caso in esame. Per gli ammassi rocciosi, si fa generalmente riferimento alla distinzione classica tra continui, continui equivalenti e discontinui, basata essenzialmente sulla struttura dell’ammasso roccioso e sulle caratteristiche dei litotipi che lo costituiscono (Barla et alii, 2001).

Nel sito di Vallerano, in considerazione delle dimensioni dell’insediamento rupestre dove intervenire, della dimensione e spaziatura delle fratture e delle caratteristiche di omogeneità del litotipo, si ritiene applicabile un modello discontinuo. L’ammasso rocioso, inteso come mezzo discontinuo, è quindi costituito da una serie di blocchi di roccia intattta in mutuo contatto lungo le discontinuità: per poter descrivere il comportamento di un siffatto sistema, occorre definire separatamente il comportamento tensio-deformativo dei blocchi e delle discontinuità.

Per quanto attiene alle caratteristiche di resistenza dei giunti queste sono state ottenute dai profili di scabrosità, identificando gli angoli di inclinazione delle asperità di primo ordine f (lunghezza d’onda > 50 cm) e quelle di secondo ordine i (l<50 cm). I valore ottenuto è pari a (f + i)=(5°+10°)=15°. Tale valore risulta essere puramente indicativo ma, in ogni caso, suggerisce che il comportamento tensio-deformativo dell’ammasso sia principalmente governato dalla coesione del litotipo, piuttosto che dall’attrito lungo le fratture le quali risultano essere relativamente liscie (JRC=10). Utilizzando invece la relazione proposta da Barton (1976) t = s’ tan (  f + JRC s i / s’), si ottiene un valore di i pari a 14°. Nella relazione di Barton (1976) si rappresenta la resistenza a compressione semplice mentre s’ è la tensione normale efficace. Il termine JRC s i / s’ è equivalente alla rugosità di secondo ordine.

L’elaborazione di analisi di stabilità di pareti rocciose richiede informazioni affidabili sulla resistenza dell’ammasso, da adottare nelle modellazioni matematiche. , attraverso la definizione della coesione c’ e dell’angolo di attrito dell’ammasso roccioso f .

Per quanto attiene alla formazione delle fonoliti, è stato applicato il principio di rottura di Hoek-Brown (1988), pervenendo ad una serie di parametri c’ e f’ rappresentativi del comportamento globale dell’ammasso. L’elaborazione è stata effettuata simulando il comportamento in prova triassiale di un campione di materiale caratterizzato da s, m ed s (Hoek-Brown, 1988). La simulazione è stata effettuata con la rutine hoek.fis del codice FLAC (Itasca Consulting Group, 2000). Il risultato dell’elaborazione ha consentito di ottenere valori pari a f=39° e c’=205,9 (KPa).

La figura 9 riporta i risultati ottenuti dalle simulazioni di prova triassiale.

Figura 9 – Distribuzione dei valori di s’ e c’, ottenuti dalla simulazione con il codice FLAC del comportamento, in prova triassiale, di un provino sottoposto a rottura secondo il criterio di Hoek-Brown.

La tabella seguente sintetizza tutti i dati ottenuti e relativi alle proprietà meccaniche della formazione delle fonoliti e delle fratture in essa contenute.

Tabella 2 – Parametri geomeccanici della formazione delle fonoliti-tefritiche e delle fratture rilevate

Parametro

Valore

Res. Compr. Monoassiale s

8700 KPa

Angolo di attrito fratture (f + i)

15°

Angolo di attrito formazione fonoliti (Hoek-Brown)

39°

Coesione formazione fonoliti (Hoek-Brown)

205,9 KPa

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6. LA STABILITA’ DELLA PARETE ROCCIOSA

L’insorgenza di fenomeni di versante nei pendii in roccia, deve rispondere a precisi criteri cinematici, in grado di definire la tipologia del potenziale distacco. Questi si definiscono attraverso l’analisi stereografica degli elementi strutturali rilevati (versante, fratture, resistenza) (Norrish & Wyllie, 1996). Nel caso in esame si identificano  marginali condizioni per l’occorrenza di scivolamenti di cunei di roccia, mentre sono sufficientemente sviluppate le condizioni relative agli scivolamenti planari (direzione della pendenza del potenziale piano di scivolamento entro +-20° dalla direzione della pendenza del versante; pendenza del versante maggiore della pendenza delle fratture rilevate; angolo d’attrito > della pendenza delle fratture rilevate).

In seguito a tali considerazioni l’analisi di stabilità è stata effettuata analizzando la possibilità di uno scivolamento planare con un materiale a comportamento omogeneo (Hoek-Brown) ed una frattura intersecante il versante con parametri di resistenza al taglio rilevati direttamente in campagna (tab. 2). L’analisi è stata condotta con una modellazione numerica alle differenze finite, in quanto maggiormente rispondente alle eterogenee condizioni di sito. Il codice di calcolo usato è FLAC (Itasca Consulting Group, 2000). In particolare, la modellazione numerica consente di valutare le condizioni di resistenza al taglio, deformazioni, ecc., in modo specifico su tutti i nodi di un sistema definito, senza pervenire esclusivamente a soluzioni di insieme. Inoltre, la versione 4.0 di FLAC (Itasca Consulting Group, 2000) consente anche di valutare il fattore di sicurezza del versante, attraverso una tecnica di riduzione della resistenza di taglio. In particolare, il fattore di sicurezza è tradizionalmente definito come il rapporto tra la resistenza di taglio dei terreni e la resistenza di taglio minima richiesta per prevenire il collasso (Bishop, 1955). Duncan (1996) ha evidenziato come F rappresenti il fattore che deve dividere la resistenza al taglio dei terreni, per condurre il versante al collasso. Dalla considerazione che F è un fattore di riduzione della resistenza di taglio del terreno, Dawson et alii (1999) hanno dimostrato come il metodo più semplice di calcolare F si ottenga dall’applicazione di un codice alle differenze finite (es. FLAC). Il risultante fattore di sicurezza è quindi il rapporto tra la vera resistenza di taglio del terreno e quella ridotta capace di generare il collasso del versante.

Questo metodo presenta molti vantaggi rispetto ai tradizionali metodi dell’equilibrio limite: il principale è la capacità di identificare automaticamente la potenziale superficie di rottura. Nel passato sono stati sviluppate limitate applicazioni a causa dell’enorme tempo macchina necessario alle elaborazioni. Con i moderni PC tali limiti si vanno attenuando.

Il pendio è stato simulato su una superficie piana, usando aggiornando le coordinate dei nodini conseguenza degli spostamenti nodali calcolati (large-strain mode). I nodi di calcolo e quindi la mesh relativa, sono stati prodotti con una densità a circa 1,1 punti al mq; una maggiore concentrazione è stata applicata nella parte della rupe vreso l’esterno, con una frattura dove i nodi si avvicinano a distanze centimetriche.

La figura allegata illustra la sezione tipo investigata con la mesh  utilizzata e la distribuzione geologica dei terreni.

Figure 10 – geometria della sezione di indgine e distribuzione dei terreni.

 La prima simulazione è stata prodotta considerando l’ammasso nelle condizioni di Hoek-Brown e la frattura con la sola resistenza per attrito pari a 15°.

I risultati delle elaborazioni hanno evidenziato come il pendio, nelle condizioni progettuali e similarmente riproducenti le condizioni attuali, presenti un fattore di sicurezza Fs pari a 1.16, indicando quindi una situazione di stabilità relativa. La figura 11 riepiloga le tensioni di taglio cumulative e la potenziale superficie di rottura, coincidente con il sistema di fratture rilevato. 

Figura 11 - Tensioni di taglio cumulative lungo la superficie di rottura potenziale, coincidente con il sistema di fatturazione rilevato.  

La figura 12 evidenzia invece le deformazioni nel piano x ed y relativamente. Da queste si ricava nettamente il contributo della frattura alla instabilità dell’ammasso.

Figura 12 – deformazioni ricavate nel piano x (sin)  ed y (dx).

Al fine di comprendere la potenziale evoluzione del versante è stato ipotizzato un annullamento dell’angolo di attrito lungo la frattura, corrispondente ad una progressiva penetrazione delle radici delle piante nella frattura, come effettivamente rilevato in sito nei due crolli adiacenti alla grotta del S.S. Salvatore. Il fattore di sicurezza Fs è risultato quindi pari a =0.79, evidenziando la  instabilità del versante in queste condizioni. Le deformazioni ottenute sono riportate nella figura 13.

Figura 13 – Deformazioni relative al versante, in condizioni di annullamento dell’angolo d’attrito lungo il sistema di fratture rilevato.

Tali condizioni portano ad un crollo, presumibilmente, anche con una riduzione al 50% delle condizioni di adiacenza dei due labbri della frattura; emerge quindi in  modo inequivocabile il contributo negativo di tutti quei fattori potenzialmente in grado di divaricare i due lembi delle fratture, capaci quindi di far diminuire l’angolo d’attrito lungo la stessa frattura (p.e. pressione interstiziale, termoclastismo, crioclastismo, apparati radicali).

La figura 14 evidenzia il cambiamento di stato tensionale, passando da condizioni di relativa stabilità (Fs=1,16) per  f’=15° (adiacenza dei due lembi della frattura) a condizioni di instabilità per f ’==0° (beanza dei due lembi della frattura) relativamente alla parte esterna della rupe.

Dall’analisi condotta si evidenzia quindi l’importanza di evitare quei processi in grado di divaricare i lembi delle fratture presenti nel sito.

Figura 14 -  Stati tensionali nella parete del S.S: Salvatore in Valleranno con f =15° nella frattura (sin) e  f=0° (dx).

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Conclusioni

Le indagini condotte presso l’insediamento rupestre e la grotta del S.S. Salvatore in Valleranno (VT) hanno evidenziato la presenza di fenomeni franosi di tipo superficiale e crolli della rupe tufacea. Per quanto attiene ai primi si dovrà intervenire impedendo il ruscellamento superficiale nella parte a monte dell’insediamento, potenzialmente in grado di causare un interramento della grotta con gli affreschi. Questo potrà essere ottenuto con sistemi di raccolta delle acque e convogliamento al fosso sottostante.

Ben più complessa è la problematica relativa ai crolli; si è dimostrato  la necessità di impedire la riduzione dell’angolo di attrito lungo le fratture pre-esistenti e quindi la necessità di impedire la divaricazione delle fratture esistenti. Questo potrà avvenire sia con sistemi in gradi di incrementare le resistenze disponibili nel versante (es. tiranti) come pure impedendo l’insorgere di meccanismi divaricativi delle fratture, come nel caso della propagazione degli apparati radicali della vegetazione. E’ quindi evidente che il controllo della vegetazione rappresenta il primo passo per evitare l’insorgenza di futuri crolli; ciononostante, siccome gli elementi di innesco di questi fenomeni vanno ricercati anche in altri fattori quali il crioclastismo, il termoclastismo, l’incremento di pressione interstiziale nelle fratture, il solo controllo della vegetazione potrebbe risultare inefficace. E’ auspicabile quindi un intervento con rinforzo delle forze disponibili nel versante (es chiodature o tirantature), avendo però cura di realizzare tali interventi con sistemi a basso impatto ambientale in grado di nascondere totalmente le opere di ingegneria.

Inoltre, il controllo della vegetazione non dovrà interferire con la protezione del suolo e quindi la potenziale insorgenza di colate di fango superficiali, sopra descritte.

Le dimensioni dell’area sono d'altronde estremamente limitate per cui i costi per un risanamento sono senz’altro giustificativi dei benefici indotti dalla salvaguardia di una delle più belle testimonianze di arte medioevale in stile bizantino dell’alto Lazio.

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Bibliografia

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