ARTICLE Interplay of rheology and entrainment in debris avalanches: a numerical study Sabatino Cuomo, Manuel Pastor, Leonardo Cascini, and Giuseppe Claudio Castorino Abstract: Flow-type landslides are a major global hazard. They occur worldwide, and are responsible for a large number of casualties, significant structural damage to property and infrastructure, and economic losses. The features of debris avalanches are particularly important, as they involve open slopes and affect triangular source areas when initial slides turn into avalanches through further failures or eventual soil entrainment. In this paper, the propagation stage of debris avalanches is numerically modelled to provide information such as the propagation pattern of the mobilized material and its velocity, thickness, and run-out distance. The use of a “depth-integrated” model has the following advantages: (i) it adequately accommodates the irregular topography of real slopes, which greatly affects the evolution of the propagation stage; and (ii) it is less time consuming than full three-dimensional approaches. The model is named “GeoFlow_SPH” and has previously been applied to theoretical, experimental, and real case histories. The behaviour of debris avalanches is analysed with particular attention to the apical angle, one of the main features of this type of landslide, in relation to soil rheology, hillslope geometry, and the geometric aspect ratio of the triggering area. The role of bed entrainment is also investigated with reference to differences in steepness of the uppermost parts of open slopes. First, simplified benchmark slopes are analysed using both water-like materials (with negligible shear strength) and debris-type materials (saturated frictional soil). Next, the paper addresses three important case studies from the Campania region of southern Italy (Cervinara, Nocera Inferiore, and Sarno), where debris avalanches occur in pyroclastic soils that originated from the eruptive products of the Mount Vesuvius volcano. In all of the cases analysed, the effects of erosion rate are compared with those of simulated soil propagation height, run-out distance, and velocity. In a novel contribution to the existing research, the results obtained from analysis of both the benchmark slopes and the real case histories indicate that landslide propagation depends on the interplay of rheology and bed entrainment. In particular, increased erosion growth rates correspond to shorter run-out distances, lower velocities, and larger propagation depths. It is further shown that erosion depth increases with either friction angle or the consolidation coefficient of pore-water pressure; the latter reduces bed entrainment but does not significantly affect the apical angle of debris avalanches. Globally, the results are particularly satisfactory because they indicate that the GeoFlow_SPH model is a suitable tool for the analysis and forecasting of debris avalanches. Key words: landslide, modelling, numerical, smoothed particle hydrodynamics (SPH), entrainment. Résumé : Les glissements de terrain de type écoulement sont un danger global majeur. Ils se produisent a ` la grandeur de la planète, et sont responsables d’un grand nombre de pertes de vies humaines, de dommages structuraux significatifs a ` la propriété et aux infrastructures, et de pertes économiques. Les caractéristiques des avalanches de débris sont particulièrement importantes, puisqu’elles impliquent des pentes ouvertes et affectent des zones de sources triangulaires lorsque les glissements initiaux deviennent des avalanches via d’autres ruptures ou l’entraînement du sol. Dans cet article, l’étape de propagation des avalanches de débris est modélisée numériquement afin de fournir de l’information comme le patron de propagation du matériel mobilisé et sa vitesse, épaisseur et distance d’écoulement. L’utilisation d’un modèle « profondeur intégrée » offre les avantages suivants : (i) il représente adéquatement la topographie irrégulière des pentes réelles, ce qui affecte grandement l’évolution de l’étape de propagation; et (ii) il est plus rapide que les approches tridimensionnelles complètes. Le modèle est nommé « GeoFlow_SPH » et a été utilisé précédemment pour des cas théoriques, expérimentaux et réels. Le comportement des avalanches de débris est analysé avec une attention particulière a ` l’angle au sommet, une des principales caractéristique de ce type de glissement de terrain, en lien avec la rhéologie du sol, la géométrie des pentes, et le rapport de longueur géométrique de la zone de déclenchement. Le rôle de l’entraînement du lit est aussi étudié en référence aux différences d’inclinaison dans les parties supérieures des pentes ouvertes. Premièrement, des pentes témoins simplifiées sont analysées avec des matériaux semblables a ` l’eau (avec une résistance au cisaillement négligeable) et des matériaux de type débris (sol frictionnel saturé). Ensuite, l’article discute trois études de cas importantes de la région de Campania au sud de l’Italie (Cervinara, Nocera Inferiore et Sarno), où des avalanches de débris se produisent dans des sols pyroclastiques qui proviennent des produits d’éruption du volcan du Mont Vésuve. Dans tous les cas analysés, les effets du taux d’érosion sont comparés aux taux simulés de hauteur de propagation du sol, de distance d’écoulement et de vitesse. En tant que nouvelle contribution a ` la recherche existante, les résultats obtenus de l’analyse des pentes témoins et des études de cas réels indiquent que la propagation des glissements de terrain dépend de l’interaction de la rhéologie et de l’entraînement du lit. Plus particulièrement, l’augmentation des taux d’érosion correspond a ` des distances d’écoulement plus courtes, des vitesses plus faibles et des profondeurs de propagation plus grandes. Il est aussi démontré que la profondeur d’érosion augmente avec soit l’angle de friction ou le coefficient de consolida- Received 10 October 2013. Accepted 29 April 2014. S. Cuomo, L. Cascini, and G.C. Castorino. Laboratory of Geotechnics, Department of Civil Engineering, University of Salerno, Via Ponte Don Melillo 1, 84084 Fisciano (SA), Italy. M. Pastor. Department of Applied Mathematics and Computer Science, ETS Ingenieros de Caminos, Universidad Politecnica de Madrid, Madrid, Spain. Corresponding author: Sabatino Cuomo (e-mail: scuomo@unisa.it). 1318 Can. Geotech. J. 51: 1318–1330 (2014) dx.doi.org/10.1139/cgj-2013-0387 Published at www.nrcresearchpress.com/cgj on 31 May 2014. Can. Geotech. J. Downloaded from www.nrcresearchpress.com by CSP Staff on 12/17/14 For personal use only.