U
NIVERSITÀ
DI
P
ISA
F
ACOLTÀ
DI
I
NGEGNERIA
Corso di Laurea in Ingegneria Civile
I
NDIRIZZO
I
DRAULICA
Tesi di Laurea
Studio sperimentale di strutture a basso impatto
ambientale per la sistemazione idraulica dei corsi d’acqua:
i Log-Frame Deflectors
Relatori
Candidato
Prof. Ing. Stefano Pagliara
David Bertocchini
Dott. Ing. Sahameddin M. Kurdistani
a Virgilio e Francesco
per la loro dedizione al lavoro
1
I
NDICE
Introduzione pag. 3
Capitolo 1. Le River Training Structures 5 1.1 Riqualificazione fluviale 5
1.2 Generalità sulle River Training Structures 7
1.3 Obiettivi e cause frequenti di insuccesso 9
1.4 Descrizione delle principali tipologie costruttive 10
1.4.1 Submerged Vanes 12
1.4.2 Rock Vanes 14
1.4.3 Bendway Weirs - Stream Barbs 16
1.4.4 Constructed Riffles 19 1.4.5 Cross Vanes 22 1.4.6 W-Weirs 24 1.4.7 J-Hook Vanes 26 1.4.8 Log Vanes 29 1.4.9 Deflectors-Spurs 32
1.5 Studi Sperimentali sulle River Training Structures 37
1.6 Scopo della ricerca 39
Capitolo 2. Apparato Sperimentale 40
2.1 Modello sperimentale 40
2.1.1 Delimitazione del modello 42
2.1.2 Pompe, tubi e vasche 47
2.1.3 Valvole e paratoie 49
2.1.4 Strutture testate 51
2.1.5 Parametri geometrici e morfologici considerati 53
2.1.6 Materiale di fondo 55
2.2 Strumenti di misura 56
2.2.1 Misura delle portate 56
2.2.2 Idrometro manuale 59
2
2.2.4 Precisione strumentale e confronto tra strumenti 62 2.2.5 Trasduttore magnetostrittivo di posizione rettil.“Gefran” 64 Capitolo 3. Prove sperimentali 67
3.1 Condizioni di “Clear Water” 67
3.2 Procedura di preparazione delle prove 69 3.3 Procedura di conclusione delle prove 72
3.4 Misurazioni eseguite durante una prova 73
3.5 Rilevamento finale del fondo mobile 75
3.6 Programma delle prove 77
Capitolo 4. Definizione dei parametri 81 4.1 Cenni di analisi dimensionale 81 4.2 Il parametro 86
4.3 Il numero di Froude densimetrico Fd 87
4.4 Il Tail Water htw 88
Capitolo 5. Elaborazioni e risultati 89
5.1 Analisi qualitativo-morfologica 90
5.1.1 Tipologie di scavo 90
5.1.2 Prima serie di esperimenti (exp 1-9, single wing) 92 5.1.3 Seconda serie di esperimenti (double wings) 94 5.14 Effetto lambda sulla morfologia di scavo 97
5.2 Analisi qiantitativo-analitica 99
5.2.1 Massima profondità di scavo (zm/hst) 100 5.2.2 Massima lunghezza di scavo (lm/hst) 103
5.2.3 Massima altezza di duna (z’m/hst) 106
5.2.4 Massima lunghezza di duna (l’m/hst) 109 Capitolo 6. Conclusioni 112
Appendice. Immagini delle prove sperimentali 115
Bibliografia 150 Ringraziamenti 155
3
Introduzione
Il presente lavoro di tesi si pone come obiettivo principale quello di analizzare in termini quali-quantitativi, le variazioni di un alveo a fondo mobile dovute all’installazione in alveo di strutture a basso impatto ambientale (nello specifico strutture realizzate con tronchi in legno e pietrame) denominati Log-Frame
Deflectors.
La base di partenza per tale studio analitico-morfologico è quella dell’analisi sperimentale di laboratorio; i test sono stati infatti eseguiti su un modello che risulta essere in estrema sintesi un canale rettilineo a pendenza zero. Lo scopo del modello è quello di riprodurre in scala ciò che avviene nei tratti rettilinei dei fiumi dove l’inserimento dei Log-Frame Deflectors si rende spesso necessario per garantire la stabilità del fondo di alcuni tratti dei corsi d’acqua.
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Come verrà meglio descritto successivamente i parametri presi in considerazione per le elaborazioni sono:
la portata liquida Q (l/s)
l’altezza della struttura hst (cm)
la lunghezza della struttura lst (cm)
la larghezza del canale B (m)
la densità del materiale di fondo rispetto a quella dell’acqua Gs (adim.)
l’altezza idrica del pelo libero a valle delle strutture htw (cm).
L’effetto della struttura sulla morfologia di scavo e di duna è stato valutato anche in relazione alla posizione della stessa all’interno del canale; in particolare sono stati condotti esperimenti con struttura singola (Log-Frame Deflector single wing) e con doppia struttura (una per sponda, double wing) e con differenti spaziature longitudinali (λ) tra i due elementi.
Il modello è stato dotato di una serie di accessori indispensabili per le misurazioni; è stato inoltre vagliato il materiale per il fondo mobile e sono state calibrate procedure di acquisizione dei dati. Dopo aver effettuato i test previsti dallo specifico programma, sono stati elaborati i dati concentrando inizialmente l’attenzione sull’aspetto morfologico e poi su quello analitico.
Per questo lavoro di tesi, le sperimentazioni eseguite ed i risultati ottenuti sono degli importanti tasselli, da inserire in un lavoro più ampio, per porre le basi progettuali necessarie a quelle che ad oggi vengono chiamate nel campo dell’Idraulica Fluviale le River Training Structures.
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Capitolo 1
Le River Training Structures
1.1 Riqualificazione fluviale
In genere, la riqualificazione fluviale è realizzata attraverso un insieme integrato e sinergico di azioni e tecniche, mirate a portare un corso d’acqua ad uno stato che sia più naturale possibile, in modo da renderlo capace di espletare le sue caratteristiche funzioni ecosistemiche (geomorfologiche, fisico-chimiche, biologiche) e dotarlo di un maggior valore ambientale. Un’azione relativa ad un corpo idrico, quindi, si può definire di “riqualificazione fluviale” soltanto se ha come obiettivo il miglioramento dello stato ecologico, ripristinandone la dimensione, la forma ed il profilo, ossia, simulando lo stato naturale stabile. La logica di tale approccio all’interno del bacino idrografico è quella di raggiungere un equilibrio tra i flussi di drenaggio e i flussi dei sedimenti che il canale, una volta ripristinato, dovrà trasportare.
Dal punto di vista idraulico, gli interventi eseguiti su un corso d’acqua possono essere suddivisi in:
a) Interventi di regimazione:
sono gli interventi che tendono a modificare il regime idrico delle portate che defluiscono nell’alveo (sono effettuati mediante l’ausilio di arginature e opere di sbarramento, come le dighe);
6 b) Interventi di sistemazione:
sono gli interventi che tendono a modificare e/o consolidare la geometria dell’alveo al fine di raggiungere un profilo plano-altimetrico stabile (sono effettuati mediante l’uso di opere di difesa delle sponde (b.1), di stabilizzazione dell’alveo (b.2) e di risagomatura delle sezioni (b.3)).
In particolare, negli interventi di sistemazione, le opere per la difesa delle sponde (b.1) di un corso d’acqua si suddividono in:
b1.1) Opere di difesa longitudinale (o radenti), disposte in direzione della corrente, producendo delle interferenze trascurabili sulle condizioni di deflusso;
b1.2) Opere di difesa trasversale (o repellenti), disposte in direzione ortogonale alla corrente, che possono modificare sostanzialmente le condizioni di deflusso.
Gli interventi di sistemazione dell’alveo (b), specie attraverso opere di difesa delle sponde (b.1), generalmente tendono a limitare la capacità erosiva del deflusso al fine di evitare che un abbassamento del fondo possa indurre instabilità delle sponde, dei versanti e delle strutture connesse (ponti, argini). L’erosione naturale infatti tende a portare il corso d’acqua verso una configurazione di equilibrio tra la capacità di trasporto e il materiale solido dei tronchi in arrivo da monte. Purtroppo tale fenomeno può estendersi anche per periodi molto lunghi. Una corretta sistemazione del corso d’acqua ha, quindi, lo scopo di accelerare tale dinamica evolutiva, raggiungendo le condizioni finali di stabilità in tempi più brevi.
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1.2 Generalità sulle River Training Structures
Tra le opere di sistemazione che oggi si vanno affermando sempre di più troviamo quelle che oggi, in ingegneria idraulica, vengono chiamate le River Training
Structures; sono opere di sistemazione di stabilizzazione dell’alveo (b.2), che
tendono cioè ad accelerare il naturale processo evoluti vo di equilibrio di un corso d’acqua.
Secondo quanto affermato da Radspinner et al. nel 2010, l’utilizzo delle River
Training Structures per la stabilizzazione dei corsi d’acqua, negli ultimi anni è
diventato molto popolare. Tale uso è dovuto principalmente a motivi ecologici ed ambientali, poiché si tratta di strutture a basso impatto ambientale con un ottimo rapporto tra costi e benefici. Se opportunamente progettate e con la dovuta manutenzione, tali strutture sono in grado di proteggere dall’erosione, controllare la pendenza di fondo e favorire lo sviluppo dell’habitat per la flora e la fauna ittica, dell’alveo.
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Negli ultimi due decenni, i tentativi di stabilizzazione dei corsi d’acqua negli USA sono aumentati, perché l’instabilità della correnti e le erosioni locali provocavano, come affermato da Lagasse et al. nel 1995, il 60% dei crolli di ponti autostradali statunitensi ed altri danni a proprietà pubbliche e private.
Foto da inserire
Figura 3. Esempio di erosione locale alla pila di un ponte
Oggi, sia la comunità scientifica che la società civile sono giunte ad un buona consapevolezza sull’utilità di queste opere; però, nonostante i grandi investimenti, secondo quanto riportato da O ‘Neal e Fitch nel 1992, da House nel 1996, da Roni et al. nel 2002, da Moerke e Lamberti nel 2004 e da Bernhardt et al. nel 2005 è stato riscontrato che:
- i risultati delle specifiche installazioni sono spesso variabili da sito a sito; - le pratiche di ricerca e monitoraggio esistenti per il ripristino dei corsi
d’acqua e le tecniche di River Training risultano essere inadeguate;
- esiste l’importante necessità di una valutazione d’insieme sulla maggior parte dei metodi di ripristino utilizzati.
Se ne deduce che le linee guida per la progettazione delle River Training Structures correntemente utilizzate, non garantiscono ad oggi risultati soddisfacenti; probabilmente ai diffusi insuccessi contribuisce la mancanza di fondi economici destinati al monitoraggio delle strutture in fase di esercizio.
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1.3 Obiettivi e cause frequenti di insuccesso
Nel 2006, Rosgen ha elencato gli scopi per i quali ci si è dedicati allo sviluppo e all’applicazione delle River Training Structures, e cioè:
- Controllare la pendenza; - Ridurre l’erosione;
- Regolare il trasporto di sedimenti;
- Deviare la corrente ai fini dell’irrigazione; - Favorire l’habitat della flora e della fauna ittica;
- Stabilizzare il rapporto larghezza/profondità dell’alveo; - Facilitare la navigazione ricreativa;
- Rendere stabile il corso d’acqua;
- Dissipare l’energia in eccesso della corrente; - Ridurre il rischio di esondazione.
Le River Training Structures dissipano l’energia della corrente e allontanano il flusso dalle sponde proteggendole dall’erosione. In questo modo tali strutture consentono di eliminare o almeno ritardare la necessità del dragaggio, il rivestimento delle sponde ed altri interventi temporanei.
Tuttavia, il monitoraggio della loro efficienza ha indicato che molte strutture, progettate in modo non conforme alle prescrizioni progettuali, sono state causa di instabilità. Spesso le strutture vengono scelte ed installate senza avere un’adeguata conoscenza del fenomeno di erosione, portando in questo modo ad un’alterazione
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delle dimensioni, del comportamento e del profilo naturale del corso d’acqua. Il lavoro condotto nel 1964 da Leopold et al., ha portato alla scoperta che la forma di un alveo è associata ad otto variabili fisico-idrauliche e che il cambiamento del valore associato ad una variabile causa la variazione simultanea delle altre variabili, sino al raggiungimento di un equilibrio.
Le otto variabili sono:
pendenza larghezza profondità velocità
portata
scabrezza del fondo
dimensione dei sedimenti trasportati concentrazione dei sedimenti.
Sfortunatamente, molte strutture spesso vengono installate nei corsi d’acqua per correggere un singolo difetto o un effetto causato dall’instabilità, anziché per giungere ad una forma globale di canale stabile.
La progettazione delle strutture fluviali ingegneristiche dovrebbe essere basata, invece, su una nitida comprensione dei valori delle variabili fluviali che conferiscono al corso d’acqua una forma stabile e soprattutto sulla loro interazione. L’insuccesso delle strutture è pertanto associato a progetti alla fine incompatibili con le cosiddette “regole del fiume”.
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1.4 Descrizione delle principali tipologie costruttive
Le strutture in alveo possono essere classificate in due categorie:
Sills;
Deflectors.
Le strutture di tipo Sills sono strutture di modesta altezza che si estendono per l’intera larghezza del canale, mentre le Deflectors hanno origine da una sponda e si interrompono prima di raggiungere la sponda opposta.
Si individuano 9 tipologie principali di River Training Structures: - Submerged Vanes;
- Rock Vanes;
- Bendway Weirs – Stream Barbs; - Constructed Riffles; - Cross Vanes; - W-Weirs; - J-Hook Vanes; - Log Vanes. - Deflectors.
Nel presente lavoro l’attenzione sarà concentrata sui Log-Frame Deflectors (strutture appunto tipo Deflectors); si riporta di seguito una breve descrizione delle principali caratteristiche di ciascuna delle tipologie elencate, sulla base di quanto raccolto dallo U.S. Army Corps of Engineers nel 2006 e da Radspinner el al. nel 2010.
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1.4.1 Submerged Vanes
I Submerged Vanes, chiamati anche Iowa Vanes, sono piccole strutture doppiamente incurvate, brevettate per la gestione dei sedimenti nei fiumi e progettate per proteggere le sponde dall’erosione, assicurare la profondità necessaria per la navigazione, contenere le portate di piena nei fiumi e controllare il deposito alle diramazioni e alle immissioni degli affluenti.
In pratica si tratta di sottili lamine, sommerse anche nei periodi di magra, disposte obliquamente rispetto all’asse del corso d’acqua (Figura 4), che sono in grado di attenuare l’erosione delle banchine dovuta alla corrente e “ricostruire” l’altezza del fondale grazie all’induzione di correnti secondarie.
Normalmente utilizzati in batterie, contrastano le circolazioni secondarie erosive dovute alla presenza di meandri nel canale e generalmente non sono in contatto con le banchine. Il loro costo economico si è dimostrato inferiore rispetto a quello del rivestimento delle sponde con massi alla rinfusa (intervento rip - rap).
Nei casi applicativi non è mai stata individuata la necessità di interventi di manutenzione consistenti, e quindi di costi legati a tale fattore.
I Submerged Vanes sono utili in un’ampia gamma di applicazioni, che vanno dall’opposizione all’erosione della sponda e alla migrazione laterale, fino alla protezione delle pile dei ponti e delle strutture di immissione. Sono esteticamente validi perché, se progettati correttamente, i sedimenti li ricoprono e di conseguenza permettono lo sviluppo della vegetazione.
L’ampiezza dei corsi d’acqua nei quali vengono installate queste strutture, varia tra i 10 e i 250 m. Il tipico angolo di attacco è pari a 20 gradi.
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Figura 4. Distribuzione di Submerged Vanes in un alveo.
Figura 4. Distribuzione di Submerged Vanes in un alveo e dimensioni tipiche
1.4.2 Rock Vanes
I Rock Vanes sono strutture in alveo costruite allo scopo di ridurre le tensioni tangenziali sulle sponde. Nella loro realizzazione si utilizzano rocce spigolose,
Vane height, H 1 - 3 m (0.2 - 0.3 times design flow depth)
Vane thickness 0.05 - 0.20 m
Vane length, L 3 H
Lateral spacing 3 H
Longitudinal spacing 30 H Distance to bank or intake 3 H
Angle of attack 20 degrees
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piatte o cubiche, simili quanto più possibile in colore e tessitura, alle rocce già presenti in sito. Le rocce dovrebbero avere una durezza sufficiente a resistere all’azione degli agenti atmosferici e non dovrebbero avere fessure o altri difetti. Rocce porose come il calcare o altre rocce soffici come lo scisto non sono accettate. I Rock Vanes pendono dalla sponda verso l’estremità libera che si trova nell’alveo (Figura 5). Con basse portate, la punta resta sommersa, mentre la zona laterale emerge. Possiedono un’inclinazione planimetrica verso monte e allontanano la corrente dalle sponde, creando quindi zone di quiete in corrispondenza delle stesse. L’habitat acquatico riceve beneficio dalla formazione di vasche di erosione. Una serie di Rock Vanes crea una circolazione secondaria che produce erosione nel centro della sezione del corso d’acqua, mentre nello stesso tempo si ha un interramento nei pressi delle sponde (Figura 6a e 6b). Inoltre il bisogno di rivestire le sponde viene notevolmente ridotto. Alcuni fattori che possono mandare in crisi tali strutture sono il setacciamento e l’erosione, che comporta la perdita dell’ammorsamento con la sponda e lo spostamento dei massi.
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Figura 5. Schema geometrico del Rock Vanes in pianta e prospetto.
Figura 6a. Zone di scavo e di deposito in presenza di una serie di Rock Vanes. Figura 6b. Particolare di ammorsamento alla sponda di un Rock Vane
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1.4.3 Bendway Weirs – Stream Barbs
Entrambe sono strutture di roccia Single Arm posizionate lungo le sponde, ammorsate alle stesse ed aggettanti verso il centro dell’alveo (Figura 7). Sono generalmente sommerse, fatta eccezione per le basse portate. Mentre le Bendway
Weirs sono piane per tutta la loro lunghezza (non oltre il 50% della larghezza del
corso d’acqua), le Stream Barbs sono pendenti dalla sponda verso il letto fino all’estremità libera (si estendono non oltre il 25% della larghezza della sezione del corso d’acqua).
Figura 7. Schema geometrico di una Bendway Weirs.
Sebbene non siano disponibili sufficienti documentazioni sul loro comportamento meccanico, è stato suggerito che entrambe rendono meno erosivo lo schema della corrente attraverso la meccanica della briglia, cioè forzando il flusso sovrastante perpendicolarmente all’allineamento della stessa.
Le Stream Barbs sono posizionate più vicine tra loro e sono più efficienti in canali curvi con piccolo raggio. Entrambe modificano e spostano il flusso elicoidale delle
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correnti secondarie tipicamente associate con i meandri del canale. Una serie di
Stream Barbs e Bendway Weirs porta ad un deposito di sedimenti nella regione
vicino alle sponde.
Le Bendway Weirs sono usate principalmente lungo i meandri di grandi fiumi e tendono a lavorare meglio in condizioni di portate intense, ma sono state monitorate per funzionare adeguatamente anche a basse portate. Sono soggette ad erosione locale alla testa. Talvolta creano problemi alla navigazione, ma inconvenienti di questo tipo possono essere previsti e quindi prevenuti mediante modellazione da software o fisica. Studi di laboratorio approfonditi hanno dimostrato la loro efficacia, determinando il loro allineamento ideale e verificando una propensione all’erosione locale. Il loro posizionamento ed il loro allineamento alterano le correnti secondarie in modo tale da spostarle dalla sponda esterna, riducendo il fenomeno erosivo ed evitando, di conseguenza, un eccessivo approfondimento del letto (Figura 8).
Il risultato è un canale di navigazione più largo e più sicuro lungo la curva, senza la necessità di dragaggi manutentivi periodici. Inoltre, le Bendway Weirs eliminano il bisogno di costruire Dikes dal lato interno di un’ansa proteggendo quindi le bellezze naturali e l’habitat di questo ambiente sensibile. Le Bendway Weirs non hanno fornito solo migliorie dal punto di vista della navigazione, ma hanno permesso di raggiungere anche molti benefici ambientali significativi.
L’habitat per la riproduzione del fraticello americano, una specie ornitologica in pericolo di estinzione, ad esempio, non subisce alcun disturbo per la presenza di strutture di questo tipo. Gli spazi tra le Bendway Weirs hanno inoltre consentito un comprovato sviluppo dell’habitat per i pesci. Queste scogliere “ecologiche” hanno
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creato zone di calma in aree che una volta erano strette, profonde e soggette quindi a flussi idrici veloci.
Figura 8. Zone di scavo, zone di deposito e nuovo thalweg in presenza di una serie di Stream Barbs
Il monitoraggio ha mostrato che la specie in pericolo dello storione pallido, tipico del Missouri e del basso Mississippi, sfrutta gli spazi tra le Weirs in modo significativo come suo habitat. Molti studi hanno dimostrato un incremento nella biodiversità e nel numero di pesci e micro invertebrati. Inoltre è stato risolto il problema principale della trasformazione dell’ambiente acquatico in ambiente terrestre; infatti il canale si mantiene stabile autonomamente, così come le strutture.
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Nel costruire le Weirs si procede da valle verso monte ed è di fondamentale importanza orientare le strutture con un angolo verso monte di 30°. Nella progettazione è necessario considerare l’angolo con il quale la corrente entra nella curva. Nelle curve strette è necessario assicurarsi che le Weirs non occupino lo spazio che si ha tra due successive strutture.
1.4.4 Constructed Riffles
Sono costituiti da cumuli di roccia posizionati generalmente in corrispondenza degli allargamenti di sezione, nei quali il tirante idrico decresce. Li si trovano in serie pool-riffle (Figura 9 e 10).
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Essi aiutano a regolare il trasporto solido e a diversificare i regimi di portata creando risalti idraulici e vortici. Le correnti secondarie create dai riffles possono lavorare contrastando le condizioni erosive lungo le sponde e nelle pile dei ponti. Inoltre, promuovono e sostengono la qualità dell’habitat acquatico per invertebrati e costituiscono delle eccellenti aree di riproduzione per la fauna ittica. Le vasche e le secche, nelle correnti naturali, mantengono la morfologia del canale, poiché sono soggette a comportamenti opposti di erosione e di riempimento. Ad alte portate, le vasche vengono erose e le secche riempite, mentre a basse portate, le secche possono erodersi e le vasche vengono riempite con un assortimento naturale di materiale del letto, dove i materiali grossolani si depositano sulle secche. Poiché l’acqua si sposta più velocemente lungo le secche a basse portate, i sedimenti di piccola granulometria vengono rimossi e la corrente viene ossigenata dalla turbolenza. La pendenza lungo le sezioni della secca risulta essere più ripida rispetto alla pendenza media della corrente, mentre le sezioni di vasca quasi non hanno pendenza.
Poiché i Constructed Riffles tendono ad imitare una conformazione naturale del fiume, di conseguenza, sono soggetti ai naturali processi di degradazione, irripidimento e migrazione, i quali possono portate ad una diminuzione dell’efficienza o alla rottura. In tutte le strutture in roccia l’utilizzo di filtri, normalmente in geotessile, è raccomandato specialmente in canali con sedimenti sabbiosi o a grana fine.
Le sequenze riffle-pool, generalmente, si trovano in canali alluvionali con una pendenza minore del 2-3 %. Per canali più pendenti, la probabilità di presentare un andamento step-pool o cascade-pool è maggiore. Gli effetti delle riffle-pools sono
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meno visibili in condizioni di piena, sebbene siano richieste alte portate per erodere le vasche e mantenere la forma dei riffle. Si riportano i principali benefici e svantaggi dei Constructed Riffles, così come elencati da Bates nel 2006.
Benefici:
- Perdita di energia localizzata sulle rampe (ridotta erosione del fondo e della sponda negli spazi tra le rampe);
- Incremento della profondità media per basse portate (miglioramento delle condizioni per l’habitat dei pesci);
- Controllo della pendenza locale;
- Incremento dell’aerazione in prossimità del riffle (ossigeno disciolto); - Struttura trasversale costruita ad intervalli invece che una struttura
longitudinale continua a protezione delle sponde;
- Presa e accumulo di sedimenti di fondo a breve termine; - Bassi costi di manutenzione.
Svantaggi:
- I lavori devono essere condotti in alveo (generalmente in acqua); - Difficoltà di reperimento e costi elevati delle rocce;
- Possibili difficoltà di adattamento alle caratteristiche della corrente; - Scarsa efficacia nella protezione dagli eventi di piena;
- Se installate in modo scorretto, possono costituire una barriera per i pesci (il problema si risolve in genere col tempo).
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Figura 10. Profilo e planimetria di un tratto fluviale con andamento riffle-pool.
1.4.5 Cross Vanes
Sono delle strutture ottenute dalla combinazione di due Rock Vanes laterali legati ad una briglia centrale disposta normalmente alla corrente (Figura 11). La loro principale funzione è quella di controllare la pendenza, ma sono anche in grado di ridurre le tensioni tangenziali in prossimità delle sponde. Se ben costruite, promuovono l’interramento a monte della struttura. Inoltre, instaurano un rapporto stabile tra larghezza e profondità, ed evitano alterazioni della capacità di smaltimento delle acque, della capacità di trasporto dei sedimenti e della capacità di deposito.
Secondo quanto affermato da Rosgen nel 2006, il Cross Vane è anche una struttura che migliora l’habitat della corrente grazie:
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- Ad un incremento del rivestimento della sponda dovuto ad un aumento differenziale della superficie liquida nella regione delle sponde;
- Alla creazione di rifugi per il riparo dei pesci durante i periodi con basse e alte portate nelle vasche profonde;
- Allo sviluppo di aree in cui i pesci possono alimentarsi nella zona di separazione della corrente (l’interfaccia tra acqua veloce e acqua lenta) causata dalle intense forze di downwelling ed upwelling al centro del canale; - Alla creazione di habitat riproduttivi nella zona di uscita dalla vasca.
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Importanti eventi di piene hanno testato le strutture Cross Vanes come, per esempio, la piena sul fiume San Juan in Pagosa Springs, con livello liquido di 3,5 metri al di sopra della cima delle strutture e pendenza di fondo di 0,005%. La struttura richiese una manutenzione post piena, ma tutt’oggi si comporta correttamente come struttura di diversione, percorso per kayak ed eccellente luogo per la pesca. Sebbene si fosse presentato un trasporto di fondo di particelle di grandezza superiore ai 22 cm durante la piena, le vasche non si riempirono. Le forti correnti di downwelling nel centro del canale mantennero un alto trasporto di fondo, conservando la profondità delle vasche.
1.4.6 W – Weirs
Una W-Weir è costituita da una coppia di Rock Vanes collegati con due file di rocce disposte a V direzionate verso valle (Figura 12). Tale sistemazione genera un doppio thalweg e quindi una maggiore varietà di portate. Può essere anche utile per far divergere una corrente molto veloce allontanandola dal centro della sezione, nonché nel controllo della pendenza.
Rosgen, nel 2006, ha affermato che il progetto di W-Weirs inizialmente fu sviluppato per ricreare il substrato roccioso nei fiumi più grandi. Varie briglie in roccia installate in grandi fiumi per l’habitat dei pesci, il controllo della pendenza e la protezione delle sponde, spesso creano una linea di rocce uniforme ed innaturale che nuoce al valore estetico. Il W-Weir è simile ad un Cross Vane poiché entrambi i lati sono dei vanes diretti dalla sponda verso l’interno del canale, con
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un’angolazione verso monte avente simili angoli di attacco. Ad ¼ e a ¾ dell’ampiezza del canale, la cresta delle briglie si dirige verso valle al centro del canale creando due thalweg.
Figura 12. Planimetria e sezioni trasversali del corso d’acqua in presenza di una W-Weir.
Gli obiettivi della struttura sono quelli di: garantire il controllo della pendenza su fiumi di dimensioni maggiori, incrementare la qualità dell’habitat della fauna ittica, garantire la navigazione ricreativa, stabilizzare le sponde, facilitare le deviazioni per l’irrigazione, ridurre l’erosione alle fondazioni ed alle pile centrali dei ponti ed incrementare il trasporto dei sedimenti nella zona dei ponti. Le W-Weirs doppie sono costruite in fiumi molto ampi e/o per proteggere i due piloni centrali dei ponti.
L’habitat per le trote viene migliorato massimizzando le aree a loro disposizione per l’alimentazione e la riproduzione. I pesci si trattengono nelle molteplici corsie
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di alimentazione create dai due thalweg e dalle vasche. Le Trote di varie età vengono trattenute nei profondi scivoli creati a monte della struttura e presso entrambe le sponde.
L’habitat di riproduzione si crea nelle zone di uscita dalle vasche a causa delle correnti di upwelling ed a causa di un assortimento granulometrico del materiale, di dimensioni adatte per le trote.
1.4.7 J – Hook Vanes
Un J-Hook Vane consiste in un vane di roccia con massi addizionali posizionati alla sua testa con un certo interasse tra loro, secondo una disposizione a uncino (Figura 13). Tale struttura crea l’erosione forzando la corrente verso il centro del canale attraverso il passaggio dalle fessure tra i massi. Lo scopo primario di tale struttura è la creazione dell’habitat, ma si ottiene anche, come effetto secondario, una dissipazione di energia.
La vasca ottenuta con il J-Hook ha dimensioni maggiori di quella creata da un Rock
Vane. Si tratta di una struttura diretta verso monte, leggermente pendente e
composta da materiali naturali.
Secondo Rosgen (2006), la struttura può comprendere una combinazione di massi, tronchi e fascinate ed è collocata nella parte esterna delle curve del corso d’acqua, dove le forti correnti di downwelling e upwelling, gli alti boundary stress e gli alti gradienti di velocità generano alti sforzi nella regione vicino alle sponde. La struttura è progettata per abbattere l’erosione alle sponde riducendone, la
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pendenza vicino alle stesse, la velocità, il gradiente di velocità, la potenza della corrente e la tensione tangenziale.
Figura 13. Schema geometrico di un J-Hook Vane installato in corrispondenza di una curva di un
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Il reindirizzamento delle celle secondarie dalle zone nei pressi della sponda non causa l’erosione grazie alla ricircolazione vorticosa alle spalle. La porzione del vane della struttura occupa ⅓ dell’ampiezza dell’alveo del canale, mentre il gancio occupa l’ ⅓ centrale. La velocità, lo sforzo di taglio, la potenza della corrente ed i gradienti di velocità massimi vengono diminuiti nella regione delle sponde e sono incrementati nel centro del canale.
L’acqua stagnante si forma soltanto nella regione delle sponde, ed il piccolo angolo di attacco ridirige dolcemente i vettori di velocità verso il centro, riducendo l’erosione attiva delle sponde. Inoltre, la vasca di erosione nell’ ⅓ centrale del canale porta alla dissipazione dell’energia e funge da protezione per la fauna ittica. Le zone di separazione del flusso, o giunzioni tra acqua veloce e lenta che segnano le zone delle correnti di downwelling ed upwelling, sono dei tipi di habitat favorevoli alle trote.
Lo sforzo di taglio al centro del canale è incrementato da un vortice, creato dagli spazi delle dimensioni comprese tra ¼ ÷ ⅓ del diametro delle rocce tra le rocce stesse. Il centro del canale in cui si trova il gancio è adatto al trasporto di sedimenti e detriti, e migliora la capacità del canale.
Lo shooting flow associato alla porzione a gancio della struttura permette la navigazione ricreativa in corsi d’acqua medi e grandi. I rapporti tra larghezza/profondità sono mantenuti costanti attraverso la diminuzione del tasso di erosione delle sponde e l’incremento della profondità del canale, anche in seguito ad importanti alluvioni. Nel 2000 Il Maryland Department of the Environment Water Management Administration ha fornito delle linee guida per la costruzione delle River Training Structures, nelle quali il J-Hook è stato inserito in
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un tratto rettilineo del corso d’acqua, invece che all’esterno di una curva. La geometria consigliata per la struttura è, in questo caso, leggermente diversa.
1.4.8 Log Vanes
I Log Vanes hanno la funzione di favorire la sedimentazione del materiale di fondo a ridosso della sponda, mantenendo il deflusso del corso d’acqua al centro della sezione dell’alveo (Figura 14 a e b).
Sono strutture che vengono collocate trasversalmente all’asse del corso d’acqua e che, adeguatamente ammorsate lungo la sponda, si protendono verso il centro dell’alveo interferendo con la corrente.
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Figura 14b. Sezione trasversale di un corso d’acqua in cui è collocato un Log Vane.
Tali opere sono utilizzate nei corsi d’acqua in cui è necessario deviare il deflusso della corrente o modificare la sezione dell’alveo allo scopo di:
Allontanare la corrente dalle sponde in erosione;
Stabilizzare la morfologia fluviale evitando divagazioni; Rendere stabili le zone di confluenza di altri corsi d’acqua.
I Log Vanes comportano una riduzione della velocità dell’acqua ed il rimescolamento, consentendo in questo modo il deposito di materiale solido. Come già accennato precedentemente, si tratta di strutture a singolo braccio, parzialmente ammorsate all’argine, disposte con varie angolazioni e sommerse anche con basse portate idriche. Queste strutture vengono posizionate trasversalmente alla sponda, con l’asse maggiore inclinato nella direzione del corso d’acqua, ortogonale alla sponda o inclinato contro corrente (Figura 15 e 16).
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Figura 15. Esempio di un Log Vane.
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La loro corretta collocazione provoca una circolazione secondaria del flusso, favorendo così, attraverso lo scavo, la formazione di piccole vasche e creando un miglioramento dell’habitat acquatico.
I Log Vanes, in base all’orientamento rispetto all’asse del corso d’acqua, si suddividono nei seguenti tipi:
Attrattivo, perché “attira” la corrente a valle, verso la testa della struttura, favorendone la formazione di uno scavo in punta ed a valle della stessa; Deviatorio, in quanto devia la direzione del flusso senza respingerlo; Repellente, perché devia il flusso lontano da se stessa.
L’angolo di inclinazione rispetto la sponda influenza le linee di flusso della corrente e di conseguenza la modalità di deposito e di distribuzione del materiale solido eroso in prossimità dell’opera.
1.4.9 Deflectors-Spurs
I Deflectors sono delle River Training Structures che si proiettano nel corso d’acqua (Figura 17, 18 e 19), conosciuti anche come, Spurs o Dikes. Possono essere permeabili o impermeabili a seconda dei materiali da costruzione adoperati. Sono utilizzati per prevenire il “meandramento” della corrente, del letto ed anche per aiutare nello sviluppo di canali già ben definiti.
Al contrario delle Bendway Weirs e delle Stream Barbs, essi rallentano o deviano direttamente la corrente: infatti il flusso passa attraverso la struttura o intorno ad essa a seconda della permeabilità della stessa.
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Figura 17. Schema geometrico di un Deflector.
Figura 18. Schema tipo di un Deflector.
La modifica del flusso porta al deposito dei sedimenti e riduce le velocità nei pressi della sponda, rimuovendo così i meccanismi di erosione responsabili dell’instabilizzazione del canale ed impedendo il trasporto solido dei sedimenti asportati dalle sponde. Il materiale spostato, dovuto ai fenomeni erosivi, si posiziona vicino alla testa dello sperone, in modo da spostare il thalweg verso il centro del canale e favorendo lo sviluppo rettilineo. Le cause di rottura, di tali strutture, sono l’erosione locale alla testa e le deviazioni impreviste della corrente
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dovute al sormonto. Sono molto simili in apparenza alle Bendway Weirs, ma in realtà alterano la corrente in modo molto diverso, infatti, le prime modificano il flusso usando la meccanica della briglia mentre i secondi lavorano in maniera diretta rallentando o deviando la corrente, ottenendo così un effetto combinato delle due. Entrambi i metodi sono utilizzati quasi esclusivamente in grandi fiumi, dove sono più efficaci.
Figura 19. Criteri per la spaziatura ottimale tra Deflectors.
I Deflectors sono utilizzati come opere di restringimento per raddrizzare l’asse della corrente, per promuovere l’erosione o il deposito di sedimenti dove richiesto e per bloccare il trasporto del materiale di fondo al fine di costruire nuovi argini. Pur essendo meno efficaci dei muri di sponda nei fiumi con poco trasporto solido e nei canali con pendenze ripide e caratterizzati quindi da correnti veloci, sono
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spesso più economici, poiché è richiesto comunque del materiale per proteggere la sponda. Si riportano alcuni accorgimenti costruttivi:
- Se la distanza tra essi è troppo breve, non si ha la formazione dell’area di deposito, mentre se sono troppo distanti tra di loro è possibile l’erosione delle sponde;
- Un importante fattore da prendere in considerazione è il movimento delle correnti vicine ed entro i loro spazi;
- I Dikes pendenti possono essere progettati per avere la stessa efficienza di quelli orizzontali;
- Nei canali di piccole dimensioni (<75 m di larghezza) il restringimento della corrente dovuto all’uso dei Deflectors può causare l’erosione della sponda opposta. Comunque essi possono essere utilizzati anche nei piccoli canali qualora lo scopo sia quello di spostare la posizione dell’alveo.
In canali lunghi e dritti, una tipica soluzione tipica è quella degli Alternating Dikes (Figura 20). Tali strutture sono posizionate lungo entrambe le linee di sponda in maniera alternata. Lo schema di posizionamento genera un comportamento sinuoso del flusso nelle aree dove precedentemente il flusso era omogeneo. Il letto del fiume è, inoltre, alterato con la formazione di scavi dovuti all’erosione intorno alle teste di ogni Dike e dune di sabbia lungo le sponde a valle e a monte di ogni struttura. Questo schema di flusso alterato genera un ulteriore flusso lungo la linea di sponda di fronte ad ogni Dike, e ciò può indurre a tendenze erosive. Quindi queste aree in genere sono protette con pietrame se appartenenti a privati, contengono infrastrutture o se il movimento laterale della sponda è semplicemente indesiderato. Se invece le aree sono di proprietà pubblica, si
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consente l’erosione naturale, il movimento laterale della sponda che può produrre un andamento sinuoso.
Figura 20. Vista aerea di Alternating Dikes.
Per progettare i Deflettori alternati, in genere si utilizzano prove su modello. Le prove consentono di determinare spaziatura, lunghezza e peso delle strutture. Generalmente ogni Deflettore ha una lunghezza pari ad ⅓ della larghezza tra le sponde. Il rivestimento è posizionato per brevi tratti sia a valle che a monte della struttura per proteggerla dallo sfiancamento. Come già detto, in alcuni casi il rivestimento può essere disposto lungo la sponda opposta per evitare il meandramento del canale. La maggior parte dei Dikes costruiti lungo il canale principale hanno un’altezza variabile da ½ a ¾ dell’altezza della sponda.
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1.5 Studi sperimentali sulle River Training Structures
In letteratura sono presenti pochi studi sperimentali sulle River Training
Structures.
Bormann e Julien nel 1991 eseguirono una serie di esperimenti effettuando 231 misurazioni della profondità di scavo. Costruirono una struttura di controllo della pendenza in lamiera metallica, usando tre diverse pendenze per il lato di valle (verticale, 100% e 33%). L’equazione della profondità di scavo che utilizzarono fu quella proposta da Mason e Arumugan nel 1985. I risultati mostrarono che la forma dell’equazione si adattava perfettamente a descrivere gli scavi dovuti alle cause più differenti: cascate, getti verticali, getti sommersi e deflussi d’acqua al di sopra delle strutture di controllo della pendenza.
D’Agostino e Ferro nel 2004, in base all’analisi dimensionale ed ai dati sperimentali delle ricerche, ottennero un unico parametro capace di stimare in modo approssimativo la massima profondità di scavo.
Questo parametro htw / hst , era il rapporto tra il tirante idrico sulla struttura e l’altezza della struttura.
Nel 2007 Pagliara condusse una serie di prove su modello a fondo mobile che riguardavano lo scavo a valle di rampe in massi con l’assenza di trasporto di materiale di fondo e con risalto idraulico libero. I risultati dimostrarono che sia la profondità che la lunghezza di scavo erano funzione della pendenza della rampa, del numero densimetrico di Froude e di un parametro di non-uniformità dei sedimenti. Da questi risultati furono derivate semplici equazioni per ottenere una previsione della profondità e lunghezza dello scavo.
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Nel 2008 Pagliara e Palermo utilizzarono diversi tipi di Sills per controllare lo scavo a valle delle rampe in massi, ed in questo modo svilupparono le equazioni per stimare i principali parametri geometrici come: profondità di scavo, lunghezza di scavo ed altezza di duna, in presenza di un Sill in roccia. Furono studiati Sills di tipo continuo, dentato e in roccia.
Scurlock et al. nel 2011 eseguì una serie di esperimenti atti a valutare i principali parametri geometrici di scavo a valle di tre differenti tipi di strutture di controllo della pendenza, ricavando tre differenti equazioni poter per stimare la profondità di scavo per ciascun tipo di struttura.
Pagliara et al. (2014, 2015) ha condotto uno studio sulla morfologia di scavo nei fiumi rettilinei a valle di Log-Vane e Log-Deflector; Kurdistani e Pagliara (2015) ne hanno studiato gli effetti dell’angolo di incidenza con il flussoe, scoprendo che, in caso di Log-Vanes non c'era nessun scavo a valle della struttura adiacente alla sponda.
1.6 Scopo della ricerca
Le River Training Structures rappresentano un’ottima soluzione per la sistemazione ecologica dei corsi d’acqua, che mira a ristabilire l’equilibrio naturale. Tuttavia, le opinioni dei professionisti del settore mettono in luce diffuse ambiguità nella progettazione, nella costruzione e nella manutenzione di tali strutture. La mancanza di una teoria completa riguardante le linee guida per la realizzazione di queste strutture può essere attribuita all’incostante e complesso
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carattere tridimensionale del flusso in prossimità delle strutture, nonché alla significante variabilità delle caratteristiche della corrente da sito a sito. D’altra parte, lo sviluppo di ben definite linee guida potrebbe incentivare l’utilizzo di strutture in alveo e, così facendo, scoraggiare quello dei rivestimenti in massi e metodi simili che sono noti per avere effetti avversi sull’ambiente e comportare maggiori costi nel tempo.
Nonostante la difficoltà di questa sfida, appare di fondamentale importanza sviluppare criteri quantitativi basati su principi scientifici per le strutture in alveo a basso impatto ambientale.
Uno studio quantitativo delle varie strutture è necessario per determinare le condizioni ottimali di installazione e le configurazioni geometriche più vantaggiose, che permetteranno a queste strutture di essere impiegate in sicurezza come tipiche soluzioni ingegneristiche. In quest’ottica, appare di fondamentale importanza lo studio sperimentale di laboratorio delle River Training Structures.
Il presente lavoro di tesi, con il fine di perseguire questo obiettivo, si propone di analizzare sperimentalmente le modificazioni nel fondo mobile causate dall’installazione di Log-Frame Deflectors in un modello fluviale rettilineo a fondo orizzontale, ricavato all’interno di un canale di laboratorio.
In letteratura, tutt’oggi, non sono presenti studi sperimentali di laboratorio relativi alla particolare struttura scelta.
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Capitolo 2
Apparato Sperimentale
2.1 Modello sperimentale
Il modello è stato realizzato nel laboratorio del Dipartimento di Idraulica dell’Università di Pisa.
Per l’esecuzione degli esperimenti, è stato considerato un tratto di canale della lunghezza di 2 metri a fondo mobile orizzontale. Il canale (dimensioni: lunghezza 20 m, larghezza 80 cm e profondità 75 cm) in cui è stato ricavato il modello è costituito da una intelaiatura di profili in acciaio e da pannelli in vetro (Figura 21) e viene alimentato, ad un’estremità, da una vasca in acciaio con soglia sfiorante.
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Attraverso una tubazione, tale vasca riceve acqua prelevata, grazie all’azione di una pompa di sollevamento ad asse orizzontale, da un serbatoio.
L’acqua, dopo aver percorso il canale, una volta oltrepassata una paratoia mobile piana in lamiera, viene scaricata in un bacino di raccolta in muratura dotato di un’apertura sul fondo e protetta da una griglia (Figura 22).
Attraverso tale apertura l’acqua scaricata ritorna al serbatoio di origine dal quale è nuovamente pompata, ottenendo in questo modo la chiusura del circuito idraulico.
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2.1.1 Delimitazione del modello
Il modello sul quale sono stati eseguiti gli esperimenti è stato realizzato all’interno del canale. In pratica, sono stati costruiti tre parallelepipedi cavi in lamiera sprovvisti di una delle sei facce (quella inferiore, poiché è a diretto contatto con il fondo del canale). Tali parallelepipedi, delle dimensioni B x l x h = 0,8 m x 0,6 m x 0,5 m (Figura 23 e 24), sono stati posizionati in serie all’interno del canale e fissati alle pareti e al fondo con l’utilizzo di silicone.
Tra il parallelepipedo che si trova più a monte e quello di mezzo è stato lasciato uno spazio vuoto di 2 metri, all’interno del quale è stato ricavato il modello fluviale a fondo mobile (Figura 25).
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Figura 24. Parallelepipedi di delimitazione del modello.
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Sulla faccia superiore del parallelepipedo di mezzo è stato disposto un foglio di lamiera forata (a maglie circolari con diametro di circa 3 mm), allo scopo di intrappolare e trattenere il più possibile la sabbia. Tra il parallelepipedo di mezzo e quello di valle è stato lasciato uno spazio, della lunghezza di circa 1,5 metri, fungendo in pratica da vasca di sedimentazione (Figura 26 e 27), con lo scopo di evitare che del materiale costituente il fondo mobile del modello possa, trasportato dalla corrente, cadere nel serbatoio ed essere quindi disperso, oltre a costituire una potenziale causa di usura degli organi meccanici della pompa di sollevamento.
Figura 26. Vista della vasca di sedimentazione dall’interno del canale.
Il modello fluviale, a fondo mobile, delimitato dai primi due parallelepipedi, delle dimensioni planimetriche di 2 m x 0,8 m, non è stato completamente riempito di sabbia, ma sono stati utilizzati altri parallelepipedi cavi di altezza inferiore a quella
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dei parallelepipedi di delimitazione differenziando l’altezza di riempimento tra la zona più a monte e quella più a valle, poiché che ci si aspettava la formazione di uno scavo durante gli esperimenti, nella zona più a monte e presumibilmente la formazione di una duna nella zona più a valle (Figura 28). In questo modo è stato rialzato il livello del letto, per una più agevole raccolta delle misurazioni durante le prove.
Figura 27. Vista della vasca di sedimentazione dall’esterno del canale.
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Tutte le “scatole” di lamiera, tranne la prima a monte, sono state adeguatamente “finestrate” nel lato di valle per circa l’80% della superficie e dotati al loro interno di contrappesi costituiti da blocchi di calcestruzzo (Figura 29), per velocizzare le operazioni di svuotamento dall’acqua al termine di ogni esperimento ed evitare problemi di stabilità come quella al ribaltamento, dovuti alla probabile creazione di un dislivello liquido consistente tra l’interno e l’esterno del parallelepipedo. In Figura 30 si riporta lo schema del modello in pianta e prospetto.
Figura 29. Finestre lato valle dei parallelepipedi di delimitazione della vasca di sedimentazione,
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Figura 30. Schema completo del tratto di canale utilizzato, comprendente il modello e la vasca di
sedimentazione.
2.1.2 Pompe, tubi e vasche
L’impianto idraulico di alimentazione del canale, utilizzato per le prove di laboratorio, è dotato, come precedentemente accennato, di una pompa ad asse orizzontale. Oltre a questa, di tipo fisso, è stata utilizzata anche una elettropompa sommersa di tipo mobile (Figura 31), ad asse verticale, dotata di un tubo di gomma della lunghezza di circa 10 metri per lo scarico dell’acqua. Tale dispositivo è risultato utile per regolare i livelli idrici durante la preparazione e l’effettuazione degli esperimenti, come verrà illustrato in seguito al paragrafo 3.2.
La tubazione di alimentazione della vasca posta all’ingresso del canale è in acciaio ed ha un diametro di circa 40 cm (Figura 32). La presenza di una valvola di regolazione (Figura 33) nel tratto finale del tubo consente l’accesso dell’acqua alla vasca o di regolare la portata di alimentazione. La vasca metallica posta all’ingresso del canale, di forma rettangolare, è dotata di soglia sfiorante. La portata di afflusso al canale dipende dal carico sullo sfioratore.
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Figura 31. Elettropompa sommersa utilizzata per il riempimento e lo svuotamento del modello.
Figura 32. Esterno della vasca di alimentazione del canale, che riceve l’acqua in arrivo dal
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Figura 33. Valvola di regolazione.
Anche la vasca in muratura posta all’uscita del canale è di forma rettangolare ed ha dimensioni tali da evitare la tracimazione in qualsiasi condizione di portata.
2.1.3 Valvole e paratoie
Nella tubazione di ingresso, nei pressi dello sbocco nella vasca di alimentazione (Figura 33), è presente una valvola di regolazione comandata da un volantino. La portata di afflusso al canale è quindi regolata manualmente. Anche la paratoia mobile piana, posta al termine del canale, varia la sua apertura e chiusura
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manualmente a mezzo di un volantino (Figura 34). Il bordo superiore della paratoia, completamente abbassata si trova all’incirca 25 cm al di sotto dell’altezza delle sponde del canale. Con la paratoia chiusa si permette di avere un franco di sicurezza che evita il rischio di tracimazione del canale dai lati, almeno per le portate utilizzate in questo studio (al massimo 55 l/s). In caso di alte portate, per mantenere un livello liquido sufficiente a mantenere la velocità della corrente al di sotto del valore critico proprio del materiale di fondo, si è regolata la paratoia in modo tale da far defluire l’acqua sia dal battente, al di sotto della paratoia, che attraverso la soglia sfiorante, al di sopra della paratoia.
51 2.1.4 Strutture testate
Seguendo le prescrizioni presenti in letteratura, già riportate al paragrafo 1.4.10, sono state costruite due strutture Log-Frame Deflector, inserite successivamente nel modello come specificato in seguito, secondo lo schema di Figura 35.
Foto da inserire
Figura 35. Schema di un Log-Frame Deflector
L’elemento Log-Frame Deflector è costituito da due tronchi pseudocilindrici in legno dello stesso diametro disposti planimetricamente in modo tale da formare tra loro un angolo retto. Essi sono stati posti in aderenza della sponda del canale in modo tale da formare un triangolo rettangolo con l’angolo minore disposto verso monte e con la generatrice inferiore dei tronchi posta alla stessa quota del fondo mobile. La porzione di superficie compresa tra i due elementi è stata riempita di pietrame di piccole dimensioni in modo tale da raggiungere la quota pari a quella della generatrice superiore dei tronchi. I tronchi sono stati fatti poggiare su una fondazione costituita da elementi lapidei (pietre, mattoni) di dimensioni simili al
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diametro dei tronchi ma di peso decisamente superiore (tra questi ultimi e i tronchi sono stati inseriti a volte degli elementi lignei di collegamento, al fine di ottenere la necessaria profondità di posa della fondazione.
Tutti questi elementi sono stati poi resi solidali tra loro ed al canale mediante l’utilizzo di materiali quali filo di ferro, silicone e stucco. In particolare le pietre di riempimento sono state rese solidali ma permeabili in modo da ricreare lo stesso effetto che si ha nei casi reali. L’ammorsamento alla sponda è stato riprodotto fissando al pannello di vetro laterale del canale, mediante silicone, i costituenti la parte di struttura che, in un fiume reale, sarebbero ancorati alla sponda.
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Come sarà descritto dettagliatamente più avanti, gli esperimenti sono stati realizzati alcuni con singolo Log-Frame Deflector (single wing) ed altri (in numero maggiore) con due strutture Log-Frame Deflector (double wings); le strutture sono state poi modificate sia in altezza (sia per la single wing che per le double wing), che nella distanza tra i due Log-Frame Deflector (solo per le double wings) per due valori di spaziatura oltre quello a spaziatura longitudinale nulla.
2.1.5 Parametri geometrici e morfologici considerati
Il programma è stato definito in corso d’opera, sulla base delle informazioni ricavate durante le prove stesse. Sono stati altresì individuate alcune grandezze necessarie per descrivere il fenomeno.
Dal punto di vista della geometria della struttura, i parametri presi in considerazione sono stati:
- L’angolo orizzontale (α) di monte tra l’opera e la sponda; - La lunghezza (lst) della struttura;
- L’altezza media (hst) del tronco costituente la struttura.
Dal punto di vista della morfologia del fondo mobile del modello, i parametri presi in considerazione necessari per descrivere il fenomeno (Figura 37 e 38) sono stati:
- zm : massima profondità di scavo;
- lm : massima lunghezza di scavo, misurata lungo l’asse passante per il punto
di massimo scavo;
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- l’m : massima lunghezza della duna, misurata lungo la linea passante per il
punto di massima duna.
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Figura 38. Sezioni trasversali del modello.
2.1.6 Materiale di fondo
Il materiale di fondo del letto del canale è costituito da una sabbia grossa di granulometria piuttosto uniforme.
In laboratorio è stata ricavata la curva granulometrica (Figura 39) prelevando dal modello un campione di materiale del peso di 500 grammi, setacciandolo con quattro vagli sovrapposti aventi maglie di diametro 1 mm, 1,4 mm, 2 mm e 3 mm, impilati uno sull’altro con diametro in ordine crescente, e pesando il trattenuto da ogni vaglio, nonché il passante da tutti e quattro.
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Dalla curva è stato ricavato graficamente il diametro mediano d50=1,6mm.
Figura 39. Curva granulometrica del materiale di fondo.
2.2 Strumenti di misura
2.2.1 Misura delle portate
La misura delle portate di afflusso al canale, e quindi al modello, è basata su una scala di deflusso (Figura 40) ottenuta con la formula di Poleni, che fornisce la portata di una luce a stramazzo in funzione del carico sulla soglia sfiorante.
Negli anni di utilizzo del canale, sono state poi, man mano misurate delle portate, corrispondenti a determinati carichi sullo sfioratore di afflusso dalla vasca,
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attraverso l’utilizzo di una vasca tarata. La vasca tarata riceve l’acqua proveniente da un collettore a pelo libero alimentato direttamente dalla vasca di raccolta presente all’uscita del canale. Per misurare le portate, è sufficiente deviare l’acqua in uscita dal canale nella vasca tarata, per qualche secondo. Il rapporto tra il volume invasato ed il tempo di afflusso alla vasca tarata fornisce, ovviamente, la portata defluente nel canale.
Figura 40. Scala di deflusso per la misura delle portate di afflusso al canale.
Dal confronto tra la formula di Poleni (curva in rosso) ed i dati ottenuti mediante misurazioni con vasca tarata (cerchi bianchi) è possibile notare come le misurazioni di portata si discostino in maniera del tutto trascurabile dalla curva teorica ottenuta mediante la suddetta formula, attestandone quindi la completa attendibilità.
Il carico sullo sfioratore è misurato mediante un idrometro posto all’interno di una colonna cilindrica cava di vetro, chiusa alla base inferiore e comunicante, attraverso un piccolo tubo flessibile, con la vasca di alimentazione al canale (Figura 41 e 42). La colonna è disposta verticalmente accanto alla vasca, mentre l’asta graduata al decimo di millimetro presente al suo interno termina inferiormente
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con un uncino metallico (Figura 43) ed è fissata tramite un supporto alla parete della vasca. Ovviamente, l’asta graduata può scorrere verticalmente nel supporto attraverso una vite di regolazione. Posizionando l’asta ad un livello tale da avere la punta dell’uncino esattamente al livello del pelo libero presente nella colonna, è possibile leggere il valore della quota liquida relativa presente nella vasca di alimentazione. La scala di deflusso correla direttamente il valore letto sull’asta graduata con la portata di afflusso al canale. La precisione della portata misurata è stata stimata pari a 0,001 m3/s.
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Figura 43. Punta ad uncino dell’idrometro manuale.
2.2.2 Idrometro manuale
Oltre all’idrometro utilizzato per misurare la portata di afflusso, è presente nell’ apparato un idrometro manuale, che può scorrere verticalmente entro un supporto, a sua volta collegato rigidamente ad una barra filettata girevole, tramite manovella. La barra è fissata su un carrello, in grado di scorrere orizzontalmente, in direzione longitudinale al canale, su dei binari posti sui bordi laterali, nella zona dove è stato realizzato il modello (Figura 44, nel riquadro rosso si nota l’idrometro). Ruotando la manovella, è possibile spostare il supporto anche in direzione trasversale al canale. L’idrometro, dotato di vite di regolazione e di una semplice punta metallica disposta verticalmente, ha una precisione pari a 0,1 mm, ed è stato utilizzato per effettuare le misurazioni del livello liquido e del livello del fondo mobile del modello durante l’esecuzione degli esperimenti. Nell’apparato si può vedere un altro idrometro che porta alla sua estremità il sensore di misurazione di distanza “Baumer”.
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Figura 44. Idrometro manualee sensore ultrasonico “Baumer”.
2.2.3 Sensore ultrasonico di misurazione di distanza “Baumer”
Per le misurazioni di quota del fondo mobile effettuate a fine prova, cioè in assenza di acqua nel canale, è stato utilizzato un sensore a ultrasuoni “Baumer”.
E’ fissato alla punta di un ulteriore idrometro manuale posto vicino a quello utilizzato per le misurazioni effettuate durante l’esperimento (Figura 44 in giallo). Il sensore misura il tempo che intercorre tra l’emissione di un segnale e la ricezione del segnale riflesso. La misura viene immediatamente convertita in un valore di tensione e trasmessa in tempo reale ad un computer, al quale lo strumento è collegato. Dai valori in volts registrati è possibile, mediante taratura, rilevare direttamente la distanza, misurata lungo la verticale, del fondo dal sensore, e quindi ricavare facilmente la relativa quota del fondo.
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L’idrometro al quale è fissato il sensore è tenuto fisso a una quota nota, letta sull’asta graduata. Prima dell’utilizzo dello strumento per il rilievo del fondo, è stato necessario effettuare la taratura. Semplicemente, ponendo lo strumento e il suo idrometro in un punto qualsiasi al di sopra del letto del modello completamente livellato orizzontalmente ad una quota pari a quella delle scatole di lamiera che lo delimitano, si è poi abbassata l’asta idrometrica di un centimetro alla volta e, ad ogni lettura sull’asta graduata, si è associato il valore corrispondente di tensione registrato dallo strumento a distanze dal fondo man mano decrescenti. In tal modo si è ottenuta una retta in un grafico con ascissa riportante il voltaggio e in ordinata la lettura sull’idrometro. Scegliendo successivamente una posizione fissa per l’asta idrometrica, si è associato il voltaggio relativo alla distanza strumento-fondo in tale configurazione alla quota 308 mm, che risulta essere la quota relativa del fondo prima dell’inizio di ogni prova, letta sull’idrometro manuale utilizzato nelle misurazioni durante gli esperimenti. A questo punto è stato possibile associare direttamente alle quote i voltaggi registrati precedentemente per le distanze e, quindi, ottenere la retta di taratura (Figura 45), la cui equazione è in grado di trasformare direttamente le misure registrate dallo strumento (Volts) in quote (mm).
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Figura 45. Curva di taratura del sensore ultrasonico “Baumer”.
2.2.4 Precisione strumentale e confronto tra strumenti
Il sensore “Baumer” registra i valori medi presenti in un cerchio di area pari a 5 cm2 attorno al suo centro. Di conseguenza, la quota ricavata risulta essere una quota media dei punti presenti in questo cerchio planimetrico, e non esattamente la quota del punto che si trova sulla verticale dello strumento.
Per verificare che l’errore dovuto a questo non fosse significativo e controllare la precisione dello strumento, si è provveduto, al termine di un esperimento, a confrontare un profilo longitudinale del fondo ricavato con il sensore “Baumer” con quello ottenuto mediante misurazione diretta con idrometro manuale. Il risultato del confronto è mostrato nella Figura 46 e 47.
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Figura 46. Profili longitudinali del fondo ottenuti con l’idrometro manuale e con il sensore
ultrasonico “Baumer”.
Figura 47. Confronto dei punti ottenuti nel piano xy ponendo x=misura della quota del fondo con
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2.2.5 Trasduttore magnetostrittivo di posizione rettilinea “Gefran”
Per facilitare le operazioni di rilevamento del fondo a fine esperimento, è stato installato anche un trasduttore rettilineo di posizione, costituito da una barra rigida fissata a uno dei due bordi laterali del canale, della lunghezza di 2 m e disposta in corrispondenza del modello, e da un sensore scorrevole su tale barra (Figura 48).
Il sensore, collegato al computer, è in grado di registrare in tempo reale, mediante conversione di un segnale magnetico in una misura di tensione elettrica e previa taratura, la posizione che occupa lungo la barra.
Figura 48. Particolare del cursore magnetico a slitta del trasduttore di posizione “Gefran”.
La taratura, analogamente a quanto fatto per il sensore di distanza “Baumer”, è stata effettuata annotando i voltaggi registrati in corrispondenza di varie ascisse.
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In pratica, si è spostato il carrello da monte a valle lungo tutto il modello, e le ascisse relative sono state lette lungo una striscia graduata orizzontale disposta lungo il bordo laterale del canale.
Una volta, convenientemente, fissata un’origine delle ascisse nei pressi dell’inizio del modello, dove è collocata la struttura testata, si è ottenuta la retta di taratura (Figura 49). In ascissa si ha il voltaggio registrato (x) e in ordinata la distanza orizzontale dall’origine, misurata parallelamente alla direzione del flusso e con verso concorde a quello della corrente (y). L’equazione riportata in Figura 49 consente la conversione.
Figura 49. Curva di taratura del trasduttore di posizione “Gefran”.
Il notevole vantaggio fornito dal trasduttore di posizione è la possibilità di associare un’ascissa alla quota rilevata mediante il sensore di distanza.
In questo modo, posti gli idrometri, i quali possono scorrere anche trasversalmente al canale lungo il carrello su cui sono fissati, in corrispondenza di
