Integrated application of geochemical and geophysical methods for hydrogeological impact assessment for tunneling in fractured rock

The interaction of tunneling with groundwater is a problem both from an environmental and an engineering point of view. In fact, tunnel drilling may cause a drawdown of piezometric levels and water inflows into tunnels that may cause problems during excavation of the tunnel. While the influence of tunneling on the regional groundwater systems may be adequately predicted in porous media using analytical solutions, such an approach is difficult to apply in fractured rocks. Numerical solutions are preferable and various conceptual approaches have been proposed to describe and model groundwater flow through fractured rock masses, ranging from equivalent continuum models to discrete fracture network simulation models. However, their application needs many preliminary investigations on the behavior of the groundwater system based on hydrochemical and structural data. To study large scale flow systems in fractured rocks of mountainous terrains, a comprehensive study was conducted in southern Switzerland, using as case studies two infrastructures actually under construction: (i) the Monte Ceneri base railway tunnel (Ticino), and the (ii) San Fedele highway tunnel (Roveredo, Graubiinden). The chosen approach in this study combines the temporal and spatial variation of geochemical and geophysical measurements. About 60 localities from both surface and underlying tunnels were temporarily and spatially monitored during more than one year. At first, the project was focused on the collection of hydrochemical and structural data. A number of springs, selected in the area surrounding the infrastructures, were monitored for discharge, electric conductivity, pH, and temperature. Water samples (springs, tunnel inflows and rains) were taken for isotopic analysis; in particular the stable isotope composition (δ2Η, δ180 values) can reflect the origin of the water, because of spatial (recharge altitude, topography, etc.) and temporal (seasonal) effects on precipitation which in turn strongly influence the isotopic composition of groundwater. Tunnel inflows in the accessible parts of the tunnels were also sampled and, if possible, monitored with time. Noble-gas concentrations and their isotope ratios were used in selected locations to better understand the origin and the circulation of the groundwater. In addition, electrical resistivity and VLF-type electromagnetic surveys were performed to identify water bearing fractures and/or weathered areas that could be intersected at depth during tunnel construction. The main goal of this work was to demonstrate that these hydrogeological data and geophysical methods, combined with structural and hydrogeological information, can be successfully used in order to develop hydrogeological conceptual models of the groundwater flow in regions to be exploited for tunnels. The main results of the project are: (i) to have successfully tested the application of electrical resistivity and VLF-electromagnetic surveys to asses water-bearing zones during tunnel drilling; (ii) to have verified the usefulness of noble gas, major ion and stable isotope compositions as proxies for the detection of faults and to understand the origin of the groundwater and its flow regimes (direct rain water infiltration or groundwater of long residence time); and (iii) to have convincingly tested the combined application of a geochemical and geophysical approach to assess and predict the vulnerability of springs to tunnel drilling. - L'interférence entre eaux souterraines et des tunnels pose des problèmes environnementaux et de génie civile. En fait, la construction d'un tunnel peut faire abaisser le niveau des nappes piézométriques et faire infiltrer de l'eau dans le tunnel et ainsi créer des problème pendant l'excavation. Alors que l'influence de la construction d'un tunnel sur la circulation régionale de l'eau souterraine dans des milieux poreux peut être prédite relativement facilement par des solution analytiques de modèles, ceci devient difficile dans des milieux fissurés. Dans ce cas-là, des solutions numériques sont préférables et plusieurs approches conceptuelles ont été proposées pour décrire et modéliser la circulation d'eau souterraine à travers les roches fissurées, en allant de modèles d'équivalence continue à des modèles de simulation de réseaux de fissures discrètes. Par contre, leur application demande des investigations importantes concernant le comportement du système d'eau souterraine basées sur des données hydrochimiques et structurales. Dans le but d'étudier des grands systèmes de circulation d'eau souterraine dans une région de montagnes, une étude complète a été fait en Suisse italienne, basée sur deux grandes infrastructures actuellement en construction: (i) Le tunnel ferroviaire de base du Monte Ceneri (Tessin) et (ii) le tunnel routière de San Fedele (Roveredo, Grisons). L'approche choisie dans cette étude est la combinaison de variations temporelles et spatiales des mesures géochimiques et géophysiques. Environs 60 localités situées à la surface ainsi que dans les tunnels soujacents ont été suiviès du point de vue temporel et spatial pendant plus de un an. Dans un premier temps le projet se focalisait sur la collecte de données hydrochimiques et structurales. Un certain nombre de sources, sélectionnées dans les environs des infrastructures étudiées ont été suivies pour le débit, la conductivité électrique, le pH et la température. De l'eau (sources, infiltration d'eau de tunnel et pluie) a été échantillonnés pour des analyses isotopiques; ce sont surtout les isotopes stables (δ2Η, δ180) qui peuvent indiquer l'origine d'une eaux, à cause de la dépendance d'effets spatiaux (altitude de recharge, topographie etc.) ainsi que temporels (saisonaux) sur les précipitations météoriques , qui de suite influencent ainsi la composition isotopique de l'eau souterraine. Les infiltrations d'eau dans les tunnels dans les parties accessibles ont également été échantillonnées et si possible suivies au cours du temps. La concentration de gaz nobles et leurs rapports isotopiques ont également été utilisées pour quelques localités pour mieux comprendre l'origine et la circulation de l'eau souterraine. En plus, des campagnes de mesures de la résistivité électrique et électromagnétique de type VLF ont été menées afin d'identifier des zone de fractures ou d'altération qui pourraient interférer avec les tunnels en profondeur pendant la construction. Le but principal de cette étude était de démontrer que ces données hydrogéologiques et géophysiques peuvent être utilisées avec succès pour développer des modèles hydrogéologiques conceptionels de tunnels. Les résultats principaux de ce travail sont : i) d'avoir testé avec succès l'application de méthodes de la tomographie électrique et des campagnes de mesures électromagnétiques de type VLF afin de trouver des zones riches en eau pendant l'excavation d'un tunnel ; ii) d'avoir prouvé l'utilité des gaz nobles, des analyses ioniques et d'isotopes stables pour déterminer l'origine de l'eau infiltrée (de la pluie par le haut ou ascendant de l'eau remontant des profondeurs) et leur flux et pour déterminer la position de failles ; et iii) d'avoir testé d'une manière convainquant l'application combinée de méthodes géochimiques et géophysiques pour juger et prédire la vulnérabilité de sources lors de la construction de tunnels. - L'interazione dei tunnel con il circuito idrico sotterraneo costituisce un problema sia dal punto di vista ambientale che ingegneristico. Lo scavo di un tunnel puô infatti causare abbassamenti dei livelli piezometrici, inoltre le venute d'acqua in galleria sono un notevole problema sia in fase costruttiva che di esercizio. Nel caso di acquiferi in materiale sciolto, l'influenza dello scavo di un tunnel sul circuito idrico sotterraneo, in genere, puô essere adeguatamente predetta attraverso l'applicazione di soluzioni analitiche; al contrario un approccio di questo tipo appare inadeguato nel caso di scavo in roccia. Per gli ammassi rocciosi fratturati sono piuttosto preferibili soluzioni numeriche e, a tal proposito, sono stati proposti diversi approcci concettuali; nella fattispecie l'ammasso roccioso puô essere modellato come un mezzo discreto ο continuo équivalente. Tuttavia, una corretta applicazione di qualsiasi modello numerico richiede necessariamente indagini preliminari sul comportamento del sistema idrico sotterraneo basate su dati idrogeochimici e geologico strutturali. Per approfondire il tema dell'idrogeologia in ammassi rocciosi fratturati tipici di ambienti montani, è stato condotto uno studio multidisciplinare nel sud della Svizzera sfruttando come casi studio due infrastrutture attualmente in costruzione: (i) il tunnel di base del Monte Ceneri (canton Ticino) e (ii) il tunnel autostradale di San Fedele (Roveredo, canton Grigioni). L'approccio di studio scelto ha cercato di integrare misure idrogeochimiche sulla qualité e quantité delle acque e indagini geofisiche. Nella fattispecie sono state campionate le acque in circa 60 punti spazialmente distribuiti sia in superficie che in sotterraneo; laddove possibile il monitoraggio si è temporalmente prolungato per più di un anno. In una prima fase, il progetto di ricerca si è concentrato sull'acquisizione dati. Diverse sorgenti, selezionate nelle aree di possibile influenza attorno allé infrastrutture esaminate, sono state monitorate per quel che concerne i parametri fisico-chimici: portata, conduttività elettrica, pH e temperatura. Campioni d'acqua sono stati prelevati mensilmente su sorgenti, venute d'acqua e precipitazioni, per analisi isotopiche; nella fattispecie, la composizione in isotopi stabili (δ2Η, δ180) tende a riflettere l'origine delle acque, in quanto, variazioni sia spaziali (altitudine di ricarica, topografia, etc.) che temporali (variazioni stagionali) della composizione isotopica delle precipitazioni influenzano anche le acque sotterranee. Laddove possibile, sono state campionate le venute d'acqua in galleria sia puntualmente che al variare del tempo. Le concentrazioni dei gas nobili disciolti nell'acqua e i loro rapporti isotopici sono stati altresi utilizzati in alcuni casi specifici per meglio spiegare l'origine delle acque e le tipologie di circuiti idrici sotterranei. Inoltre, diverse indagini geofisiche di resistività elettrica ed elettromagnetiche a bassissima frequenza (VLF) sono state condotte al fine di individuare le acque sotterranee circolanti attraverso fratture dell'ammasso roccioso. Principale obiettivo di questo lavoro è stato dimostrare come misure idrogeochimiche ed indagini geofisiche possano essere integrate alio scopo di sviluppare opportuni modelli idrogeologici concettuali utili per lo scavo di opere sotterranee. I principali risultati ottenuti al termine di questa ricerca sono stati: (i) aver testato con successo indagini geofisiche (ERT e VLF-EM) per l'individuazione di acque sotterranee circolanti attraverso fratture dell'ammasso roccioso e che possano essere causa di venute d'acqua in galleria durante lo scavo di tunnel; (ii) aver provato l'utilità di analisi su gas nobili, ioni maggiori e isotopi stabili per l'individuazione di faglie e per comprendere l'origine delle acque sotterranee (acque di recente infiltrazione ο provenienti da circolazioni profonde); (iii) aver testato in maniera convincente l'integrazione delle indagini geofisiche e di misure geochimiche per la valutazione della vulnérabilité delle sorgenti durante lo scavo di nuovi tunnel. - "La NLFA (Nouvelle Ligne Ferroviaire à travers les Alpes) axe du Saint-Gothard est le plus important projet de construction de Suisse. En bâtissant la nouvelle ligne du Saint-Gothard, la Suisse réalise un des plus grands projets de protection de l'environnement d'Europe". Cette phrase, qu'on lit comme présentation du projet Alptransit est particulièrement éloquente pour expliquer l'utilité des nouvelles lignes ferroviaires transeuropéens pour le développement durable. Toutefois, comme toutes grandes infrastructures, la construction de nouveaux tunnels ont des impacts inévitables sur l'environnement. En particulier, le possible drainage des eaux souterraines réalisées par le tunnel peut provoquer un abaissement du niveau des nappes piézométriques. De plus, l'écoulement de l'eau à l'intérieur du tunnel, conduit souvent à des problèmes d'ingénierie. Par exemple, d'importantes infiltrations d'eau dans le tunnel peuvent compliquer les phases d'excavation, provoquant un retard dans l'avancement et dans le pire des cas, peuvent mettre en danger la sécurité des travailleurs. Enfin, l'infiltration d'eau peut être un gros problème pendant le fonctionnement du tunnel. Du point de vue de la science, avoir accès à des infrastructures souterraines représente une occasion unique d'obtenir des informations géologiques en profondeur et pour échantillonner des eaux autrement inaccessibles. Dans ce travail, nous avons utilisé une approche pluridisciplinaire qui intègre des mesures d'étude hydrogéochimiques effectués sur les eaux de surface et des investigations géophysiques indirects, tels que la tomographic de résistivité électrique (TRE) et les mesures électromagnétiques de type VLF. L'étude complète a été fait en Suisse italienne, basée sur deux grandes infrastructures actuellement en construction, qui sont le tunnel ferroviaire de base du Monte Ceneri, une partie du susmentionné projet Alptransit, situé entièrement dans le canton Tessin, et le tunnel routière de San Fedele, situé a Roveredo dans le canton des Grisons. Le principal objectif était de montrer comment il était possible d'intégrer les deux approches, géophysiques et géochimiques, afin de répondre à la question de ce que pourraient être les effets possibles dû au drainage causés par les travaux souterrains. L'accès aux galeries ci-dessus a permis une validation adéquate des enquêtes menées confirmant, dans chaque cas, les hypothèses proposées. A cette fin, nous avons fait environ 50 profils géophysiques (28 imageries électrique bidimensionnels et 23 électromagnétiques) dans les zones de possible influence par le tunnel, dans le but d'identifier les fractures et les discontinuités dans lesquelles l'eau souterraine peut circuler. De plus, des eaux ont été échantillonnés dans 60 localités situées la surface ainsi que dans les tunnels subjacents, le suivi mensuelle a duré plus d'un an. Nous avons mesurés tous les principaux paramètres physiques et chimiques: débit, conductivité électrique, pH et température. De plus, des échantillons d'eaux ont été prélevés pour l'analyse mensuelle des isotopes stables de l'hydrogène et de l'oxygène (δ2Η, δ180). Avec ces analyses, ainsi que par la mesure des concentrations des gaz rares dissous dans les eaux et de leurs rapports isotopiques que nous avons effectués dans certains cas spécifiques, il était possible d'expliquer l'origine des différents eaux souterraines, les divers modes de recharge des nappes souterraines, la présence de possible phénomènes de mélange et, en général, de mieux expliquer les circulations d'eaux dans le sous-sol. Le travail, même en constituant qu'une réponse partielle à une question très complexe, a permis d'atteindre certains importants objectifs. D'abord, nous avons testé avec succès l'applicabilité des méthodes géophysiques indirectes (TRE et électromagnétiques de type VLF) pour prédire la présence d'eaux souterraines dans le sous-sol des massifs rocheux. De plus, nous avons démontré l'utilité de l'analyse des gaz rares, des isotopes stables et de l'analyses des ions majeurs pour la détection de failles et pour comprendre l'origine des eaux souterraines (eau de pluie par le haut ou eau remontant des profondeurs). En conclusion, avec cette recherche, on a montré que l'intégration des ces informations (géophysiques et géochimiques) permet le développement de modèles conceptuels appropriés, qui permettant d'expliquer comment l'eau souterraine circule. Ces modèles permettent de prévoir les infiltrations d'eau dans les tunnels et de prédire la vulnérabilité de sources et des autres ressources en eau lors de construction de tunnels.

Estimation des crues extrêmes dans les Alpes suisses a l'aide d'un modèle hydrologique distribué

Les modèles hydrologiques développés pour les pluies extrêmes de type PMP sont difficiles à paramétrer en raison du manque de données disponibles pour ces évènements et de la complexité du terrain. Cet article présente les processus et les résultats de l'ajustement des paramètres pour un modèle hydrologique distribué. Ce modèle à une échelle fine a été développé pour l'estimation des crues maximales probables dans le cas d'une PMP. Le calcul effectué pour deux bassins versants test suisses et pour deux épisodes d'orages d'été concerne l'estimation des paramètres du modèle, divisé en deux groupes. La première concerne le calcul des vitesses des écoulements et l'autre la détermination de la capacité d'infiltration initiale et finale pour chaque type de sol. Les résultats validés avec l'équation de Nash montrent une bonne corrélation entre les débits simulés et ceux observés.

Facies, depositional environment, and palaeoecology of the Middle Triassic Cassina Beds (Meride Limestone, Monte San Giorgio, Switzerland).

The Ladinian Cassina beds belong to the fossiliferous levels of the world-famous Middle Triassic Monte San Giorgio Lagerstatte (UNESCO World Heritage List, Canton Ticino, Southern Alps). Although they are a rich archive for the depositional environment of an important thanatocoenosis, previous excavations focused on vertebrates and particularly on marine reptiles. In 2006, the Museo Cantonale di Storia Naturale (Lugano) started a new research project focusing for the first time on microfacies, micropalaeontological, palaeoecological and taphonomic analyses. So far, the upper third of the sequence has been excavated on a surface of around 40 m(2), and these new data complete those derived from new vertebrate finds (mainly fishes belonging to Saurichthys, Archaeosemionotus, Eosemionotus and Peltopleurus), allowing a better characterization of the basin. Background sedimentation on an anoxic to episodically suboxic seafloor resulted in a finely laminated succession of black shales and limestones, bearing a quasi-anaerobic biofacies, which is characterized by a monotypic benthic foraminiferal meiofauna and has been documented for the first time from the whole Monte San Giorgio sequence. Event deposition, testified by turbidites and volcaniclastic layers, is related to sediment input from basin margins and to distant volcanic eruptions, respectively. Fossil nekton points to an environment with only limited connection to the open sea. Terrestrial macroflora remains document the presence of emerged areas covered with vegetation and probably located relatively far away. Proliferation of benthic microbial mats is inferred on the basis of microfabrics, ecological considerations and taphonomic (both biostratinomic and diagenetic) features of the new vertebrate finds, whose excellent preservation is ascribed to sealing by biofilms. The occurrence of allochthonous elements allows an insight into the shallow-waters of the adjoining time-equivalent Salvatore platform. Finally, the available biostratigraphic data are critically reviewed.

The Ladinian flora from the Cassina beds (Meride Limestone, Monte San Giorgio, Switzerland): Preliminary results

A newly opened excavation in the Cassina beds of the Lower Meride Limestone (Monte San Giorgio UNESCO WHL, Canton Ticino, Southern Alps) has yielded a small collection of Ladinian plant fossils, together with vertebrate (mostly fish) and invertebrate remains The flora contains at least five species, conifer remains assignable to the genera Elatocladus, Voltzia and Pelourdea are the most common elements A new species, Elatocladus cassinae n Sp, is formally, described Co-occurring with the conifers arc seed ferns (Ptilozamites) and a few putative cycadalean remains (Taemopteris) Among the identified genera, only Volizia has previously been reported from Monte San Giorgio The fossils presented in this paper indicate that a diversified flora thrived in the region during the Ladman Floral composition and preservation patterns are suggestive of a taphonomically-biased record and a relatively far-away source area

Quattromani lettore di Bembo : studio e edizione dei Luoghi delle Rime

Letterato versatile e curioso del presente, Sertorio Quattromani (Cosenza 1541-1603) fu uno dei migliori critici letterari della seconda metà del Cinquecento, come dimostrano innanzi tutto l'importante esposizione delle Rime di Della Casa (edita postuma nel 1616) e ora il commento alle Rime di Bembo, qui per la prima volta pubblicato, sulla base del manoscritto Palatino 1036 della Biblioteca Nazionale Centrale di Firenze, nel quale si conserva adespoto con il titolo Luoghi difficili del Bembo. Elaborato tra il 1564 e il 1570, il commento bembiano si presenta non del tutto compiuto, per quanto già ricco di chiose esplicative e di riferimenti intertestuali. Occorre tuttavia considerare che la tipologia esegetica scelta da Quattromani non è quella dell'esposizione continua ma quella del commento tecnico e selettivo, incentrato sulla spiegazione dei luoghi difficili e sull'allegazione dei loci paralleli, oltre che sulle censure di gusto e sui rilievi linguistici, stilistici e retorici. Focalizzata sulla parafrasi e sull'intertestualità, l'annotazione di Quattromani intende essere al servizio del testo e insieme offrire agli scrittori coevi la possibilità di entrare in uno dei più raffinati laboratori poetici del Rinascimento. Almeno due sono le ragioni per motivare il recupero di un'opera incompiuta, e che lo stesso autore non ritenne più adeguata ai tempi, impegnandosi nell'esegesi delle Rime dellacasiane. Innanzi tutto un motivo di ordine generale: letture e commenti di critici coevi all'autore sono di grande utilità per un'interpretazione dei testi storicamente fondata. Poi un motivo specifico, che riguarda lo sviluppo della lirica italiana: già da metà Cinquecento l'esegesi dei poeti contemporanei diventa uno strumento essenziale per costruire la lirica moderna sulle fondamenta gettate da Bembo prima e da Della Casa poi. Infatti nel commento bembiano di Quattromani la fitta allegazione di loci paralleli estratti dalla letteratura latina serve anche a rivelare quanto il petrarchismo di Bembo non si alimenti del solo Petrarca. Rispetto alla vulgata petrarchistica, ciò che emerge nel Bembo di Quattromani è pertanto l'impossibilità per un poeta non corrivo di attenersi a norme insensibili al mutare dei tempi. Il riuso del dettato petrarchesco resta ovviamente legge, ma a patto che accolga nuove commistioni e svariati incrementi. In particolare, si avverte come sempre più vitale la riappropriazione profonda di tutta la letteratura in latino, da quella antica a quella umanistico-rinascimentale, tanto da pervenire a una contaminazione di latino e volgare che può essere considerata uno dei principali fattori di apertura della strada verso il Barocco intrapresa a fine Cinquecento dalla poesia italiana.