Sensori distribuiti in fibra ottica e tecnologie geomatiche per il monitoraggio della stabilit� dei fronti di cava
Creators: name: LANCIANO, CHIARA
Publisher: name: Universit� degli Studi di Siena
Year: 2021

description: La presente Tesi di Dottorato � incentrata sull?applicazione integrata di tecnologie geomatiche e Sensori Distribuiti in Fibra Ottica (Distributed Optical Fiber Sensors DOFS) per lo sviluppo di un sistema innovativo di monitoraggio finalizzato alla verifica della stabilit� dei fronti di estrazione di tre cave di marmo delle Alpi Apuane: la ?Cava Lorano I n� 22? (Carrara, Massa?Carrara), la ?Cava Piastra Bagnata? (Vagli di Sotto, Lucca) e la ?Cava del Piastraio di Sotto? (Levigliani di Stazzema, Lucca). Mentre i primi due sono siti a cielo aperto, l?ultima � una cava di marmo in sotterraneo. Tutti e tre i siti test sono stati studiati dal punto di vista geologico-strutturale, geotecnico e geomorfologico. Inoltre, con la duplice finalit� di integrare i rilievi geomeccanici e rappresentare cartograficamente la traccia della fibra ottica disposta sui fronti da analizzare, sono stati effettuati rilievi geomatici con drone e laser scanner terrestre e, laddove necessario, rilievi topografici (mediante Stazione Totale e misure GPS differenziale). Il sistema di DOFS adottato, denominato ?OSD-1? � stato fornito dall?azienda Optosensing s.r.l.. La strumentazione, basata sul fenomeno dello ?scattering di Brillouin?, consente di effettuare, lungo l?intera lunghezza dei cavi sensori in fibra ottica, il monitoraggio di alcuni parametri fisici di interesse, quali la temperatura e la deformazione (strain). Lo scattering di Brillouin (fenomeno di interazione tra la sorgente luminosa e il mezzo ottico), intrinsecamente dipendente dalla densit� della fibra (a sua volta correlata a temperatura e deformazione), si verifica mediante vibrazioni acustiche stimolate nella fibra ottica. Tali vibrazioni producono un?onda contropropagante (?onda di scattering di Brillouin?) che indebolisce l?impulso di input. Per soddisfare il requisito di conservazione dell?energia, si ottiene uno shift di frequenza tra l?onda di scattering di Brillouin e la frequenza dell?impulso di luce originario. Lo Shift di Frequenza di Brillouin (BFS, Brillouin Frequency Shift) varia a seconda della temperatura e delle condizioni di deformazione longitudinale, rendendo possibile l?individuazione e la misura di strain e temperatura lungo la fibra.
Presso i tre siti oggetto di analisi, sono state eseguite due diverse tipologie di misura: BOTDR (Brillouin Optical Time Domain Reflectometer), basata sullo scattering spontaneo di Brillouin, e BOTDA (Brillouin Optical Time Domain Analysis) facente riferimento alla condizione di scattering stimolato di Brillouin. In questo secondo caso, uno stimolo addizionale sulla generazione di fononi, ottenuto grazie all?utilizzo di luce incidente addizionale, potenzia o amplifica l?entit� dello scattering. Le misure, inoltre, sono state eseguite secondo due diverse modalit�: in maniera multitemporale presso le due cave situate a Vagli di Sotto e Levigliani di Stazzema, dove la centralina di misura � stata portata in loco nel momento in cui occorreva eseguire la misura (centralina mobile); in maniera continua nel sito di Lorano, dove, al contrario degli altri due siti, la centralina � stata posizionata in modo fisso per tutta la durata del progetto di ricerca. Al fine di analizzare i dati di deformazione acquisiti mediante DOFS, sono stati realizzati diversi grafici che mostrano, al variare del tempo, la relazione tra la distanza lungo il percorso della fibra e le seguenti grandezze: BFS, strain e variazione di temperatura. Per ciascun profilo di deformazione, � stato quindi calcolato, statisticamente e tenendo conto delle caratteristiche geotecniche, un valore soglia di allarme delle deformazioni. Inoltre, per il caso studio di Lorano, � stato possibile confrontare i risultati dei DOFS con i dati di spostamento acquisiti dal sistema di monitoraggio topografico e geotecnico attivo presso il sito in questione a partire dall?anno 2012. In seguito all?installazione dei DOFS, � stato necessario affrontare e risolvere alcune criticit� di carattere tecnico che si sono presentate durante le attivit� di sperimentazione: problematiche legate alle batterie tampone della centralina preposta alle misure e fenomeni di recisione della fibra ottica, dovuti sia alla presenza delle asperit� rocciose che al persistere del ghiaccio durante la stagione invernale. Tali inconvenienti, congiuntamente alla chiusura dei siti di estrazione durante i mesi invernali (in entrambe le stagioni 2017-2018 e 2018-2019), a causa delle avverse condizioni metereologiche, hanno portato ad avere, inevitabilmente, una limitazione dell?entit� delle osservazioni acquisite. Nonostante le difficolt� riscontrate, complessivamente, i risultati ottenuti indicano una buona potenziale abilit� del sistema di monitoraggio DOFS di rilevare e localizzare eventuali fenomeni deformativi che possono verificarsi lungo il percorso della fibra, anche in ambienti decisamente ostili e poco ospitali come i siti di estrazione del marmo. In futuro, il sistema potrebbe essere sviluppato al fine di realizzare attivit� di smart-monitoring e implementare veri e propri sistemi di preannuncio, contribuendo al miglioramento delle condizioni di sicurezza sui luoghi di lavoro e andando a costituire un valido supporto decisionale nell?ambito della pianificazione sul medio-lungo termine delle attivit� di escavazione.