Le cavità naturali non sono strutture statiche. La roccia incassante è attraversata da sistemi di fratture, discontinuità e piani di debolezza che si sono formati nel corso di millenni di sollecitazioni tettoniche, variazioni del regime idrico e processi di dissoluzione carsica. In questo contesto, i blocchi rocciosi che compongono le volte, le pareti e i pilastri naturali di una grotta sono soggetti a micro-movimenti continui, spesso millimetrici, raramente visibili a occhio nudo, che possono costituire il precursore di un evento di distacco o di crollo
Per un ricercatore speleologico, il monitoraggio di questi movimenti è parte integrante della caratterizzazione geomeccanica della cavità: capire come e con quale velocità un blocco si muove rispetto alla roccia circostante è la base per costruire modelli di stabilità fondati su dati misurati anziché su valutazioni visive. Per un gestore di cavità turistica, la stessa informazione ha un valore operativo diretto: un sistema di monitoraggio che intercetta una variazione anomala dell’inclinazione di un blocco critico permette di intervenire in anticipo rispetto a qualsiasi segnale visivo, con un margine di tempo sufficiente a organizzare un’ispezione tecnica e, se necessario, la chiusura temporanea del tratto interessato.
Meccanismi di instabilità dei blocchi rocciosi in grotta
Prima di scegliere lo strumento di misura, occorre comprendere quali meccanismi fisici si intende monitorare. I blocchi rocciosi instabili in ambiente ipogeo si muovono secondo alcune modalità ricorrenti, ognuna delle quali produce un segnale strumentale caratteristico.
Rotazione progressiva lungo un piano di discontinuità. Quando il blocco è delimitato da una o più fratture inclinate rispetto alla verticale, può subire una rotazione lenta attorno a un asse orizzontale, analoga a quella di un cuneo che si apre progressivamente. Questo movimento si manifesta come una variazione dell’angolo di inclinazione del blocco rispetto al piano di riferimento, misurabile con un tiltmetro installato direttamente sulla sua superficie.
Scorrimento traslazionale lungo un giunto sub-orizzontale. Blocchi che poggiano su giunti debolmente inclinati possono subire uno scivolamento in direzione del massimo pendio del giunto stesso. Anche in questo caso il movimento si accompagna a una variazione di inclinazione, ma la componente predominante è lo spostamento relativo tra il blocco e la roccia sottostante, rilevabile con estensimetri o con inclinometri installati in punti distinti del sistema.
Apertura di fratture di trazione nella zona di ancoraggio. Nei blocchi che tendono a staccarsi dalla volta, le fratture marginali si aprono progressivamente man mano che il blocco perde aderenza con la roccia circostante. L’apertura di questi giunti di trazione è misurabile con fessurimetri, ma la rotazione associata al progressivo distacco è il segnale che i tiltmetri intercettano con maggiore anticipazione.
Risposta sismica e vibrazionale. Blocchi in equilibrio precario possono essere destabilizzati da sollecitazioni dinamiche esterne, incluse le vibrazioni indotte dal traffico, dalle attività di cantiere nelle vicinanze o da eventi sismici anche di bassa magnitudo. In questo caso il monitoraggio deve avere una frequenza di campionamento adeguata a catturare gli effetti transitori oltre che le variazioni lente.
Tiltmetri: principio di funzionamento e applicazione sui blocchi rocciosi in grotta
Il tiltmetro è lo strumento di elezione per il monitoraggio dell’inclinazione di un blocco roccioso in ambiente ipogeo. Il suo principio di funzionamento si basa sulla misura dell’angolo che una superficie rigida forma rispetto alla verticale gravitazionale: qualsiasi rotazione del blocco a cui lo strumento è solidalmente ancorato si traduce in una variazione dell’angolo misurato, registrata con la risoluzione tipica di questi sensori, che nei modelli ad alta precisione scende all’ordine del secondo d’arco.
Il tiltmetro IN920 di SIM Strumenti è dotato di un sensore elettrolitico ed è disponibile sia nella versione monoassiale che in quella biassiale. La versione biassiale permette di misurare simultaneamente le rotazioni attorno a due assi ortogonali, fornendo una descrizione completa del movimento tridimensionale del blocco senza necessità di installare due strumenti separati. Questa caratteristica è particolarmente utile in ambiente ipogeo, dove ogni installazione aggiuntiva comporta un accesso tecnico specifico e un onere logistico non trascurabile.
La scelta tra versione monoassiale e biassiale dipende dalla geometria del movimento atteso. Se le osservazioni morfologiche preliminari suggeriscono che il blocco si muova prevalentemente in una direzione, ad esempio lungo la direzione di massima pendenza di un giunto, la versione monoassiale è sufficiente. Se la cinematica del blocco è meno definita o se si vogliono escludere componenti di movimento fuori dal piano principale, la versione biassiale garantisce una caratterizzazione più completa.
Inclinometri fissi da parete: quando la geometria della cavità richiede un approccio diverso
In alcune cavità, la morfologia della superficie del blocco da monitorare non è favorevole all’installazione diretta di un tiltmetro. Pareti molto inclinate, superfici irregolari o blocchi che affacciano su vuoti non accessibili possono rendere necessario un approccio di misura differente.
L’inclinometro fisso da parete IN921, progettato per un monitoraggio attento e costante di strutture interessate da rotazioni di qualsiasi tipo, è dotato di un sensore servoaccelerometrico o a tecnologia MEMS, che garantisce un’elevata risoluzione angolare e una risposta stabile nel tempo anche in condizioni ambientali difficili. L’inclinometro fisso da parete IN922 è invece dotato di un sensore a effetto Hall. Tutti e tre i dispositivi sono disponibili sia nella versione monoassiale che in quella biassiale e possono essere configurati come inclinometri a barra, utili per misurare la deformazione relativa tra due punti distanti lungo la superficie del blocco.
La versione a barra anche detta elettrolivella è particolarmente adatta al monitoraggio di blocchi di grandi dimensioni, dove la deformazione non è uniforme e si vuole misurare non solo la rotazione complessiva del blocco ma anche la sua flessione interna. In questo caso due punti di ancoraggio distanti, collegati dalla barra rigida dello strumento, consentono di misurare la variazione di curvatura del blocco nel tempo.
Inclinometri di profondità: per i blocchi rocciosi con radici nel sottosuolo
Quando il blocco instabile non è un elemento isolato ma fa parte di un sistema più complesso, ad esempio un pilastro naturale con fondazione nel suolo detritico o una parete che si muove solidalmente con uno strato di materiale superficiale, il monitoraggio dell’inclinazione in superficie non è sufficiente a descrivere la cinematica completa del sistema.
L’inclinometro fisso di profondità IN935 è stato progettato per il monitoraggio di aree soggette a rischio franoso e si distingue per le elevate caratteristiche tecniche, per l’assenza di errori occasionali o sistematici e perché fornisce in tempo reale tutte le indicazioni necessarie per monitorare gli eventi franosi in atto. È dotato di sensori elettrolitici anche detti sensori a effetto Hall capaci di misurare le variazioni di inclinazione dei piani di scivolamento dei versanti in movimento.
In ambiente ipogeo, questo strumento trova applicazione nei casi in cui il piano di scivolamento del blocco sia localizzato in profondità rispetto alla superficie della cavità, ad esempio in un riempimento di materiale sciolto sotto la roccia di volt, e si voglia individuare la quota esatta a cui avviene la deformazione massima, piuttosto che limitarsi a rilevarne gli effetti in superficie.
Sistemi di acquisizione dati: dalla misura manuale al monitoraggio automatico in continuo
La scelta del sistema di acquisizione dati è tanto importante quanto la scelta dello strumento di misura. In ambiente ipogeo, le due esigenze principali sono l’autonomia e la continuità della registrazione.
La centralina INCLAB, sviluppata da SIM Strumenti pensando a un’utenza altamente specializzata, è utilizzabile per inclinometri fissi di profondità, sistemi inclinometrici e inclinometri orizzontali. La funzione manuale di acquisizione dei dati consente agli operatori grande flessibilità nella raccolta dei dati da ogni singolo sensore installato, mentre il software di gestione permette di elaborare le informazioni in modo rapido e affidabile, fornendo risposte immediate sullo stato della struttura o del terreno monitorato.
Per installazioni in cavità con accesso discontinuo, la modalità di acquisizione automatica è preferibile alla lettura manuale: consente di registrare il comportamento del blocco anche nei periodi tra una visita tecnica e la successiva, catturando le variazioni notturne, le risposte agli eventi sismici e le oscillazioni stagionali che con una campagna di misura periodica andrebbero inevitabilmente perdute.
La frequenza di campionamento ottimale dipende dalla velocità attesa del fenomeno. Per i movimenti lenti e progressivi, tipici della deformazione viscosa della roccia o del consolidamento di materiali di riempimento, campionamenti orari o pluriorari sono sufficienti a costruire una serie storica significativa con un consumo energetico contenuto. Per il monitoraggio di blocchi in condizioni di equilibrio precario, dove interessa anche intercettare le risposte agli eventi sismici o vibrazionali, è necessaria una frequenza di campionamento più alta, nell’ordine dei minuti.
Come progettare una rete di monitoraggio dell’inclinazione in grotta
Un sistema di monitoraggio efficace non si riduce all’installazione di un singolo strumento sul blocco più evidente. La progettazione di una rete richiede un approccio sistematico che parte dall’analisi geomeccanica preliminare della cavità.
Il primo passo è l’identificazione dei blocchi critici, basata sul rilievo delle principali famiglie di fratture, sulla valutazione dell’orientamento delle discontinuità rispetto alla geometria della cavità e sull’osservazione di eventuali segnali morfologici di movimento pregresso, superfici di scivolamento lucidate, depositi di materiale detritico fresco sotto i blocchi, aperture di fratture visibili a occhio nudo.
Il secondo passo è la prioritizzazione: non tutti i blocchi identificati richiedono lo stesso livello di monitoraggio. I blocchi direttamente sovrastanti il percorso turistico o le aree di sosta dei visitatori hanno una priorità evidentemente superiore rispetto a quelli collocati in settori non accessibili.
Il terzo passo è la scelta del punto di installazione su ogni blocco. Il tiltmetro o l’inclinometro deve essere ancorato in un punto che sia rappresentativo del movimento del blocco nel suo complesso, evitando le zone di bordo dove la deformazione locale può differire significativamente da quella media. In alcune configurazioni, due strumenti su un singolo blocco, uno al centro e uno al margine, permettono di distinguere la rotazione rigida dalla deformazione interna.
Correlazione con gli altri parametri di monitoraggio della cavità
Il comportamento dei blocchi rocciosi in grotta non è indipendente dagli altri parametri ambientali della cavità. Come descritto negli articoli precedenti di questo approfondimento, la variazione del livello idrico nei giunti saturi può modificare la pressione interstiziale lungo i piani di discontinuità, riducendo la resistenza al taglio e accelerando il movimento. Un innalzamento della falda a seguito di un evento piovoso intenso può quindi riflettersi in un’accelerazione del movimento del blocco misurabile sui tiltmetri, con un ritardo temporale che dipende dalla trasmissività del sistema carsico locale.
Analogamente, le variazioni stagionali di temperatura influenzano la dilatazione termica della roccia e possono generare oscillazioni periodiche dell’inclinazione che si sovrappongono al trend di lungo periodo. Riconoscere e separare questa componente termica dal segnale di deformazione reale è possibile solo disponendo di una serie temporale di temperatura registrata in parallelo ai dati di inclinazione.
Un sistema di acquisizione multicanale che integri tiltmetri o inclinometri, sensori di temperatura, piezometri e dati meteo di superficie in un unico ambiente di analisi restituisce una visione molto più completa del comportamento della cavità rispetto alla lettura isolata di ciascun parametro, ed è la base su cui costruire modelli predittivi della stabilità fondati su evidenza sperimentale.