Study of volcaniclastic debris-flows in the Campanian area

Volcaniclastic debris-flows are high-concentration mixtures of water and unconsolidated volcanic sediments (e.g., ash, lapilli, pumice, and lithic clasts) that occur in volcanic terrains. They represent a major hazard due to their sudden initiation, high velocities, long runout distances and large impact forces. While the exact timing of triggering is difficult to forecast, the spatial occurrence can be constrained because debris-flow generation typically requires steep slopes (≈20-45°), abundant loose deposits, and sufficient moisture. This study aims to improve our understanding of the water infiltration processes and triggering parameters of rainfall-triggered debris-flows in the Campanian Volcanic region, with a focus on the Sarno area (Salerno Province-Southern Italy). Sarno is a small municipality that between 5 and 6 May 1998, was severely affected by a series of debrisflows, which caused about 150 fatalities. In the area, susceptibility is enhanced by the convergence of steep slopes, a calcareous bedrock mantled by alternating pyroclastic deposits and colluvium, and the presence of natural scarps and anthropogenic cuts. A multi-method approach was employed, including, for the Sarno succession (i) geotechnical and rheological characterization of the deposits; (ii) X-ray diffraction analyses to constrain mineralogical composition, with emphasis on the clay fraction; (iii) large-scale rainfall-simulation experiments to quantify the role of infiltration and subsurface water circulation in triggering. In addition, at a dedicated transferable test site, (iv) in-situ Time-Domain Reflectometry (TDR) measurements to determine vertical soilmoisture profiles and (v) drone-borne passive radiometry surveys to map spatial moisture variability were implemented to validate a transferable monitoring methodology for future application to the Sarno target area. The geotechnical tests on the ash-rich units of the Sarno succession, carried out over a volumetric water-content range of 0-8%, show that increasing moisture marks a clear transition from a purely friction-governed response under completely dry conditions toward a regime characterized by significant apparent cohesion, tensile strength, and unconfined yield strength. However, as the highest water contents are approached, this capillary-induced strengthening is limited by a reduced measurement stability at the wettest tested conditions. At the transferable test site, PoLRa-derived near-surface soilmoisture values showed a generally good agreement with TDR observations, with differences commonly within about ±5 percentage points. By integrating laboratory, field, and experimental results, the project reconstructs the spatiotemporal evolution of water content prior to failure and identifies hydrological indicators that can be implemented in rainfall-triggered landslide and debris-flow early-warning systems.

Le colate detritiche vulcanoclastiche sono miscele ad alta concentrazione di acqua e sedimenti vulcanici incoerenti (quali ceneri, lapilli, pomici e clasti litici). Tali fenomeni risultano estremamente pericolosi a causa dell'innesco repentino, delle elevate velocità, delle ampie distanze di propagazione e delle ingenti forze d’impatto. Sebbene il momento esatto dell’innesco sia di difficile previsione, la distribuzione spaziale del fenomeno può essere circoscritta, poiché il triggering delle colate richiede tipicamente versanti acclivi (≈20-45°), abbondante materiale sciolto e un elevato contenuto d'acqua. Questo studio mira a migliorare la comprensione dei processi di infiltrazione e delle soglie di innesco delle colate detritiche pluvio-indotte nel contesto vulcanico campano, con particolare riferimento all’area di Sarno (Salerno, Italia meridionale). Il territorio di Sarno fu tragicamente colpito, tra il 5 e il 6 maggio 1998, da una serie di colate detritiche che causarono circa 150 vittime. In quest'area, la suscettibilità è accentuata dalla combinazione di versanti acclivi, un substrato calcareo rivestito da depositi piroclastici e colluviali, e dalla presenza di scarpate naturali e tagli antropici. La ricerca adotta un approccio multi-metodologico che ha incluso, per la successione di Sarno: (i) caratterizzazione geotecnica e reologica dei depositi; (ii) analisi di diffrazione a raggi X (XRD) per la definizione della composizione mineralogica, specificamente della frazione argillosa; (iii) simulazioni di pioggia in grande scala per quantificare il ruolo dell’infiltrazione e della circolazione idrica sotterranea nell'innesco. Inoltre, presso un sito di prova sperimentale dedicato e trasferibile, sono state implementate: (iv) misure in-situ di Riflettometria nel Dominio del Tempo (TDR) per la definizione dei profili verticali di umidità e (v) rilievi di radiometria passiva da drone per la mappatura spaziale dell'umidità, al fine di validare una metodologia di monitoraggio trasferibile per future applicazioni all'area target di Sarno. Le prove geotecniche sulle unità cineritiche della successione di Sarno, eseguite in un intervallo di contenuto d'acqua volumetrico dello 0-8%, mostrano che l'aumento dell'umidità segna una chiara transizione da una risposta puramente governata dall'attrito in condizioni completamente secche verso un regime caratterizzato da una significativa coesione apparente, resistenza a trazione e resistenza a compressione non confinata (unconfined yield strength). Tuttavia, man mano che ci si avvicina ai contenuti d'acqua più elevati, questo rinforzo indotto dalla capillarità è limitato da una ridotta stabilità delle misure nelle condizioni testate più umide. Nell’area test, i valori di umidità superficiale del suolo derivati da PoLRa hanno mostrato un accordo generalmente buono con le osservazioni TDR, con differenze comunemente entro circa ±5 punti percentuali. Integrando dati di laboratorio, di campo e sperimentali, il progetto ricostruisce l’evoluzione spazio-temporale del contenuto d’acqua pre-rottura, identificando indicatori idrologici integrabili nei sistemi di allerta precoce per il rischio da frana e colata.