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Capitolo 1
Strutture a basso impatto ambientale
1.1. Generalità sulle River Training Structures
Negli ultimi anni, essendo incrementato l'interesse per le sistemazioni ambientali dei corsi d'acqua, necessarie al ripristino delle funzioni e delle caratteristiche originarie degli ecosistemi fluviali, sono state effettuate molte ricerche con lo scopo di individuare nuovi criteri progettuali e meccanismi di funzionamento diversi da quelle abitualmente utilizzate, avendo osservato le molteplici problematiche presenti nelle opere di sistemazione idraulica tradizionale.
Spesso queste problematiche si presentano a causa di un' errata valutazione dell'influenza che alcuni interventi hanno sulla morfologia dell'alveo in seguito alla variazione del trasporto solido originale
Secondo quanto affermato da Radspinner et al. nel 2010, l’utilizzo delle "Strutture per la stabilizzazione del corso d'acqua" (River Training Structures) in alveo, per la stabilizzazione dei corsi d’acqua, è diventato molto popolare (specialmente negli Stati Uniti), soprattutto per motivi ecologici ed ambientali, uniti ad un buon rapporto tra costi e benefici. Con una corretta progettazione e manutenzione, infatti, queste strutture sono in grado di proteggere dall’erosione, di controllare la pendenza di fondo e di favorire lo sviluppo dell’habitat di pesci e macroinvertebrati. Gli sforzi per stabilizzare i corsi d’acqua negli USA sono cresciuti molto negli ultimi 20 anni, anche perché l’instabilità della corrente e le erosioni locali provocavano, come affermato da Lagasse et al. nel 1995, il 60% dei crolli dei ponti autostradali statunitensi ed altri danni a proprietà pubbliche o private. Oggi si è giunti ad una buona consapevolezza dell’utilità di queste opere, da parte sia della comunità scientifica che della società civile.
Nonostante i grandi investimenti, secondo quanto riportato nel 1992 da O’Neal e Fitch, nel 1996 da House, nel 2002 da Roni et al., nel 2004 da Moerke e Lamberti e nel 2005 da Bernhardt et al:
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- 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 sono inadeguate;
- c’è la forte necessità di una valutazione d’insieme della maggior parte dei metodi di ripristino utilizzati.
Sono sconosciuti gli effetti delle varie condizioni di sito sull’efficacia delle tecniche utilizzate, così come la loro stabilità nel tempo.
Spesso la mancanza di fondi destinati al monitoraggio in fase di esercizio contribuisce probabilmente a diffusi insuccessi.
Le River Training Structures dissipano l’energia della corrente ed allontanano il flusso dalle sponde proteggendo così queste ultime dall’erosione. In questo modo, queste strutture consentono di eliminare o almeno ritardare la necessità di dragaggio, evitano la necessità di effettuare rivestimenti delle sponde e di altri interventi temporanei.
1.2 Obiettivi e cause frequenti di insuccesso
Nel 2006, Rosgen ha indicato le motivazioni per cui c'è stata e continua ad esserci tanta attenzione allo sviluppo e all'applicazione delle River Training Structures. Gli obiettivi della messa in opera delle su dette strutture sono:
- regolazione del trasporto solido del fondo mobile - riduzione dell'erosione delle sponde
- controllo della pendenza del fondo - riduzione del rischio di esondazione - dissipazione dell'energia in eccesso
- stabilizzare il rapporto larghezza/profondità - facilitare la navigazione interna
- favorire l'habitat della fauna ittica
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Le strutture sopra elencate hanno tutte la capacità di aumentare le tensioni tangenziali al centro del canale per rallentare e trattenere il flusso di piena e il trasporto solido dei sedimenti, mentre diminuiscono le stesse tensioni e la potenza della corrente presso le sponde.
L'obiettivo della progettazione di strutture di ingegneria fluviale è quello di ottenere una stabilizzazione plano-altimetrica del corso d'acqua interessato.
Il monitoraggio della loro efficienza, in realtà ha rilevato che molte strutture, eseguite in modo non conforme alle prescrizioni progettuali, sono state causa di instabilità. Spesso le strutture sono scelte ed installate senza un'adeguata conoscenza del fenomeno del trasporto solido dei sedimenti, finendo per alterare la sezione, il comportamento ed il profilo naturale del corso d'acqua.
Leopold et al. (1964) ha scoperto, in un lavoro da lui condotto, che le caratteristiche di forma un fiume sono associate ad otto variabili indipendenti e il cambiamento di valore di una variabile crea la variazione simultanea delle altre variabili nel sistema della corrente, fino al raggiungimento di un equilibrio.
Le otto variabili sono: pendenza del fondo, larghezza e profondità della sezione, velocità, portata, scabrezza, dimensione e concentrazione dei sedimenti trasportati. L'insuccesso delle strutture è generalmente associato a progetti incompatibili con le "regole del fiume". Il progetto delle strutture fluviali ingegneristiche dovrebbe essere basato su una chiara comprensione e valutazione dei valori delle variabili fluviali che conferiscono stabilità al corso d'acqua.
In molti casi, purtroppo, gli interventi strutturali nei fiumi vengono fatti per correggere un singolo difetto o condizione avversa causata da una già esistente instabilità, piuttosto che intervenire allo scopo di sistemare e armonizzare la morfologia dell'intero alveo ottenendo una stabilità globale.
Esempi che attestano quello che sopra è stato esposto, sono le briglie di consolidamento che esistono in molte realtà ed estendendosi per tutta la larghezza della sezione d'alveo hanno lo scopo di diminuire la pendenza della linea
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delle energie a monte. Dati relativi ai corsi d'acqua naturali indicano una proporzionalità inversa tra sinuosità, proposta dallo stesso Leopold et. al e la pendenza. (Figura 1). Questo implica che, quando la pendenza viene diminuita, vi è un corrispondente incremento della sinuosità favorita dall'erosione delle sponde. Le briglie di consolidamento riducono, generalmente, anche la velocità a monte, la pendenza di fondo e la profondità, mentre incrementano la scabrezza e inducono il deposito dei sedimenti.
Queste alterazioni, se non prese globalmente in considerazione, ma solamente nella singolarità, conducono all'instabilità e contribuiscono all'insuccesso della struttura. Le strutture hanno registrato insuccessi anche a causa di eccessivi depositi al fondo, che hanno portato ad una perdita di capacità di smaltimento del corso d'acqua e al cambiamento successivo delle dimensioni di equilibrio, del comportamento e del profilo del fiume.
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1.3 Descrizione delle principali tipologie costruttive
Le strutture in alveo vengo principalmente classificate in due categorie: Sills e Deflectors. Le prime rispettivamente sono strutture di modesta altezza che si estendono per l'intera larghezza del canale, mentre le altre hanno origine da una sponda e ingombrano solo in parte la larghezza.
Tra le River Training Structures individuiamo otto principali tipologie: - Submerged Vanes - Rock Vanes - Bendway Weirs - Spurs - Constructed Riffles - Cross Vanes - W-Weirs - J-Hook Vanes
Di seguito viene riportata una breve descrizione delle strutture sopraelencate, sulla base di quanto raccolto nel 2006 dallo U.S. Army Corps of Engineers e successivamente nel 2010 da Radspinner et al.
1.3.1 Submerged Vanes
I Submerged Vanes, talvolta anche chiamati Iowa Vanes, sono strutture piccole incurvate doppiamente, brevettate per gestire il trasporto solido dei sedimenti nei fiumi e progettate per la protezione delle sponde dall'erosione, per assicurare la profondità necessaria per la navigazione, per il contenimento delle portate di piena e per controllare il deposito alle diramazione e immissioni degli affluenti.
Sostanzialmente si tratta di sottili lamine, sommerse anche nei periodi di magra disposte obliquamente secondo varie inclinazioni rispetto all'asse del corso d'acqua. (Figura 2 e 3), le quali sono in grado di attenuare l'erosione delle banchine dovuta
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alla corrente e ripristinare l'altezza del fondale grazie all'induzione di correnti secondarie. Sono generalmente utilizzate in batterie e non sono generalmente in contatto con la banchina. Il loro costo si è dimostrato inferiore rispetto a quello del rivestimento delle sponde con massi ( intervento rip-rap ). Nei casi applicativi non è mai stata rilevata la necessità di effettuare interventi di manutenzione consistenti , per cui non dobbiamo considerare particolare costi aggiuntivi legati a questo fattore. I Submerged Vanes sono utili in un'ampia gamma di applicazioni, oltre a quelle sopra citate, possiamo aggiungere la protezione delle pile dei ponti e delle strutture di immissione. Anche dal punto di vista dell'impatto estetico sono validi, in quanto, se correttamente progettate, i sedimenti che trattengono li ricoprono, permettendo anche lo sviluppo di vegetazione. L'ampiezza dei corsi d'acqua nei quali vengono installate queste strutture varia tra 10 e 250 m. L'angolo di inclinazione più comune è quello pari a 20 gradi. Le dimensioni tipiche di questa struttura sono riportate nella seguente Tabella 1.
Vane height, H 1-3 m ( 0.2-0.3 times design flow depth )
Vane thickness 0.05-0.20 m
Vane length, L 3H
Lateral spacing 3H
Longitudinal spacing 30H
Distance to bank or intake 3H
Angle of attack 20 degrees
Vane material wood, sheet pile, concrete
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Figura 2 Submerged Vanes. Fiume Kosi, Nepal Figura 3 Schema struttura in alveo
1.3.2 Rock Vanes
I Rock Vanes sono strutture progettate con lo scopo di ridurre le tensioni tangenziali sulle sponde. Nella loro realizzazione vengono utilizzate rocce quanto più possibile simile in colore e tessitura in quelle esistenti in sito. Le rocce dovrebbero avere una durezza tale da resistere all'azione degli agenti atmosferici e non dovrebbero avere fessurazioni o altri difetti. Non possono essere utilizzate rocce porose come il calcare o rocce soffici come lo scisto, calcestruzzo e macerie. Nel caso siamo in regime di magra la zona laterale emerge mentre la punta rimane comunque sommersa. (Figura 4) I Rock Vanes sono strutture single arm pendenti dalla sponda verso l'estremità libera che si trova in alveo (Figura 6) Planimetricamente hanno un inclinazione da valle verso monte (Figura 5) e allontanano la corrente dalle sponde, creando zone di quiete in corrispondenza delle stesse. La formazione di vasche di erosione crea giovamento all'habitat acquatico.
Una serie di Rock Vanes, crea una circolazione secondaria che provoca erosione nel centro dell'alveo con conseguente approfondimento, mentre nei pressi delle
sponde avviene un interrimento tale da ridurre notevolmente la necessità di eventuali rivestimenti.
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I fattori che possono mandare in crisi queste suddette strutture sono l'eccessivo scavo e l'erosione, che porta alla perdita di stabilità della sponda con conseguente movimento dei massi.
Figura 4 Punta sommersa del Rock Vanes Figura 5 Ammorsmento del Rock Vanes
9 1.3.3 Bendway Weirs - Stream Barbs
Queste due strutture in roccia sono entrambe single arm,vengono posizionate lungo le sponde ammorsate a queste ed aggettanti verso il centro alveo.
Generalmente si presentano sommerse ad eccezione dei casi in cui abbiamo un regime con basse portate. Le strutture Bendway Weirs sono piane per tutta la sua estensione che può essere anche oltre il 50% della larghezza d'alveo.(Figura 7) Le Stream Barbs hanno una pendenza dalla sponda fino all'estremità libera e la sua estensione non supera il 25% della larghezza del corso d'acqua.
Nonostante non ci siano sufficienti documentazioni sul loro funzionamento meccanico, è stato dedotto che entrambe mitigano lo schema erosivo della corrente attraverso la meccanica delle briglie, forzando cioè il flusso perpendicolarmente alla struttura stessa.
Le Stream Barbs sono posizionate più vicine tra loro e sono più efficienti in curve a raggio piccolo (Figura 8).
Le Bendway Weirs sono principalmente inserite nei meandri di grandi fiumi e hanno la tendenza a lavorare meglio in regimi con portate intense, anche se è stato rilevato un adeguato funzionamento anche a basse portate. Sono soggette all'erosione locale della testa e possono avere anche l'inconveniente di creare problemi alla navigazione interna.
Attraverso studi di laboratorio approfonditi è stata verificata l'efficacia di tali strutture determinando il loro allineamento ideale. Posizione ed allineamento alterano le correnti secondarie in modo da spostarle dalla sponda , riducendo cosi il fenomeno erosivo. Il risultato è un canale più largo e più sicuro lungo la curva senza bisogno di effettuare dragaggi manutentivi periodici, inoltre eliminano il bisogno di costruire Dikes dal lato interno dell'ansa preservando la bellezza dell'ambiente naturale. Inoltre attraverso l'uso di queste strutture si è ottenuto benefici significativi per quanto riguarda l'habitat necessario alle specie ittiche per la riproduzione e sviluppo.
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Monitoraggi effettuati per esempio, sui fiumi Missouri e del basso Mississippi, rilevano che specie in estinzione, come lo storione pallido, hanno trovato nelle zone di calma create da queste "scogliere biologiche", habitat protetti.
Nel costruire le Bendway Weirs si procede da valle verso monte orientando le strutture con angoli di 30° verso monte. Nel progetto è importante andare ad individuare l'angolo con il quale la corrente entra nella curva. Nelle curve strette è necessario fare attenzione che siano rispettati gli spazi tra le strutture per un buon funzionamento della serie di Weirs.
Ricapitolando sia i Bendway Weirs che i Stream Barbs spostano e modificano il flusso elicoidale delle correnti secondarie tipicamente associate ai meandri del canale ed in entrambi i casi il loro utilizzo come serie di strutture permette di ottenere un deposito di sedimenti nella regione vicino alle sponde.
11 1.3.4 Spurs
Gli Spurs, conosciuti anche come Groins Jetties o Dikes, sono strutture che si proiettano nel fiume, possono essere permeabili o impermeabili a seconda del materiale utilizzato per la loro costruzione.( Figura 9) Sono utilizzati come opera di restringimento per raddrizzare l'asse della corrente, per indirizzare il deposito e l'erosione dove è necessario, per trattenere il trasporto solido al fondo al fine di costruire nuovi argini e quindi sviluppare canali ben definiti.
Al contrario delle strutture viste nel paragrafo precedente, gli Spurs rallentano o derivano la corrente direttamente. Il flusso passa attraverso o intorno alla struttura a seconda della sua permeabilità, questa variazione del flusso conduce al deposito dei sedimenti e riduce la velocità nei pressi della sponda, rimuovendo cosi i meccanismi di erosione responsabili dell'instabilità del canale e impedisce un eccessivo trasporto solido dovuto al materiale asportato dalle sponde.
Lo scavo dovuto all'erosione viene spostato vicino alla testa dello sperone in modo da spostare il thalweg nel centro e da favorire lo sviluppo rettilineo del corso d'acqua. Eventuali cause di rottura possono essere, la rottura per erosione della testa e deviazioni impreviste della corrente dovute al sormontamento.
Sebbene siano meno efficaci dei muri di sponda nei fiumi con poco trasporto solido e nei canali caratterizzati da pendenze ripide e elevate velocità, sono speso più economici.
Si riportano alcuni accorgimenti costruttivi:
- se la distanza tra i Dikes è troppo breve, l'area di deposito non si forma, mentre se sono troppo distanti tra loro è possibile che avvenga l'erosione delle sponde riducendone l'efficienza.
- un altro aspetto da controllare e monitorare sono le correnti vicine e quelle presenti negli spazi creati tra loro.
- i Dikes possono essere progettati piani o pendenti avendo comunque la stessa efficienza, tenendo in considerazione che quelli pendenti devono essere posizionati
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in modo normale alla corrente o angolati verso monte, mentre quelli orizzontali devono essere messi o normali alla corrente oppure angolati verso valle.
- dobbiamo far attenzione che nei canali stretti ( larghezza < 75m ), il restringimento dovuto allo Spurs, non causi erosone alla sponda opposta.
Nei canali lunghi e dritti una soluzione tipica è quella degli Alternating Dikes. Tali strutture sono posizionate lungo entrambe le linee di sponda in modo alternato (Figura 10 e 11) Lo schema costruttivo genera un andamento sinuoso del flusso nelle aree dove precedentemente il flusso era omogeneo. Il letto del fiume è, inoltre, alterato dalla formazione di buche di erosione intorno alla testa di ogni Spurs, e barre di sabbia lungo le sponde a valle e a monte di ogni struttura.
L'alterazione del flusso, ne crea a sua volta uno lungo la linea di fronte ad ogni testa, che può indurre tendenze erosive. A fronte di quando detto, queste aree possono essere protette con pietra se appartenenti a privati o se non è semplicemente desiderato il movimento di sponda. Se invece siamo in una proprietà pubblica è favorevole permette il normale movimento laterale della sponda che può produrre un andamento leggermente sinuoso.
Per progettare gli Alternating Dikes si usano in genere prove su modello, consentendo cosi di determinare spaziature, lunghezza e peso delle strutture.
In genere ogni struttura ha una lunghezza pari a un 1/3 della larghezza tra le due sponde. Il rivestimento è posizionato per brevi tratti a valle e a monte per proteggerla dallo sfiancamento.e in alcuni casiquesto è previsto anche nella sponda opposta per evitare la formazione di meandri. L'altezza è in genere variabile tra 1/2 e 2/3 dell'altezza delle sponde.
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Figura 10 Sistemazione con Alternating Dikes
Figura 11 Vista dall'alto dell'andamento sinuoso originato dall' Alternating Dikes
1.3.5 Constructed Riffles
Si tratta di conglomerati di roccia posizionati in corrispondenza di allargamenti di sezione, nei quali il tirante idrico decresce. Formano generalmente una serie di riffle-pool. (Figura 12,13,14,15) Essi permettono di regolare il trasporto solido e diversificare i regimi di portata creando risalti idraulici e vortici. Le correnti secondarie create dai riffle permettono di contrastare le condizioni erosive che si presentano usualmente lungo le sponde del corso d'acqua e in corrispondenza alle pile dei ponti. Inoltre migliorano e sostengono la qualità dell'habitat acquatico e diventano eccellenti zone adatte alla riproduzione e crescita della fauna ittica.
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Le vasche e le secche nelle correnti naturali mantengono la morfologia del canale, visto che sono soggette a comportamenti opposti di erosione e riempimento.
In regime di grande portata le vasche sono soggette ad erosione e le secche si riempiono con un assortimento naturale di materiale del letto, dove i materiali grossolani sono depositati nelle secche.
Poiché in regime di bassa portata, l'acqua si sposta più velocemente lungo le secche, i sedimenti sottili depositati vengono rimossi e la corrente si ossigena grazie alla turbolenza creatasi. La pendenza lungo le sezioni della secca risulta più ripida rispetto alla pendenza media della corrente, mentre risulterà quasi nulla la pendenza lungo le sezioni di vasca. Poiché i Constructed Riffles cercano di riprodurre una conformazione naturale del fiume, ne consegue che anch'essi sono soggetti ai processi naturali di degradazione, irrigidimento e spostamento, i quali possono portare ad una diminuzione dell'efficienza o anche alla rottura.
Come in tutte le strutture in roccia, anche in questa è consigliabile l'utilizzo di un filtro generalmente in materiale geotessile, specialmente se siamo in presenza di alvei con sedimenti sabbiosi o a grana fine.
Le sequenze riffle e pool si trovano generalmente in corsi d'acqua alluvionali con pendenza di fondo minore del 2-3%. Nel caso di corsi d'acqua più pendenti, è maggiore la probabilità che si formino serie step-pool o cascade e pool.
Sebbene siano richiesti regimi con portate elevate per erodere e mantenere la forma dei riffle, è proprio nelle suddette condizioni che gli effetti dei riffle pool sono meno visibili.
Nel 2006 sono state elencati da Bates i principali vantaggi e benefici apportati dalle Constructed Riffles come segue:
Benefici
- controllo della pendenza locale
- incremento della profondità media a basse portate (miglioramento delle condizioni per l'habitat dei pesci)
- perdita di energia localizzata sulle rampe (ridotta erosione di fondo e di sponda negli spazi tra le rampe)
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- incremento dell'areazione in prossimità del riffle (ossigeno disciolto) - presa e accumulo dei sedimenti di fondo a breve termine
- struttura trasversale costruita ad intervalli invece in struttura continua a protezione sponde
- bassi costi di manutenzione Svantaggi
- i lavori devono essere condotti in alveo (generalmente in presenza di acqua) - difficoltà di reperimento e costi elevati delle rocce
- scarsa efficacia nella protezione dagli eventi di piena
- possibile difficoltà di adattamento alle caratteristiche della corrente - se installate in modo scorretto, possono costituire una barriera per i pesci (il problema si risolve in genere nel tempo)
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Figura 13 Profilo e planimetria di un andamento riffle-pool
Figura 14 Planimetria, profilo longitudinale e sezione trasversale di un Constructed Riffles
17 1.3.6 Cross Vanes
Sono strutture progettate combinando due Rock Vanes laterali legati ad una briglia centrale disposta in modo normale al flusso.(Figura 16,17).
La funzione principale di queste struttura è quella di ridurre la pendenza di fondo, infatti se ben costruite favoriscono l'interrimento a monte della struttura stessa; inoltre, detta struttura risulta efficace nella riduzione delle azioni tangenziali in prossimità delle sponde e instaura un rapporto stabile tra profondità e larghezza, ed evita variazioni nella capacità di smaltimento acque e alterazioni nella capacità di deposito e trasporto dei sedimenti.
Nel 2006 Rosgen ha affermato che questa struttura contribuisce anche al miglioramento dell'habitat dell'alveo, grazie ai seguenti aspetti:
- l'aumento differenziale della superficie liquida in prossimità delle sponde, crea un incremento del rivestimento delle stesse
- si creano zone di calma, vasche profonde come si vede nelle figure, dove trova riparo la fauna ittica, sia nei periodi in cui si ha bassa o alta portata
- si ha lo sviluppo di aree per l'alimentazione dei pesci nelle zone di separazione della corrente (interfaccia tra acqua veloce e acqua lenta), causate dalle intense forze di downwelling e upwelling al centro del canale
- anche nella parte finale in uscita dalla vasca si creano habitat riproduttivi
I Cross Vanes sono stati testati anche con eventi importanti di piena, per esempio la piena sul fiume San Juan in Pagosa Spring, dove sono stati raggiunti livelli liquidi di 3.5m al di sopra della cima della struttura e pendenza di fondo 0.005.
E' stato rilevato che, pur necessitando di manutenzione post piena, la struttura ha mantenuto un corretto comportamento di diversione e le buone condizioni di habitat per la fauna ittica. Nonostante si sia verificato, in questo esempio di piena, un trasporto solido al fondo di particelle di grandezza superiore a 22 cm di diametro, si è stato constatato che le vasche non si sono riempite di materiale depositato in quanto è stato attestato che le forti correnti di downwelling al centro
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del canale, mantengono un alto trasporto solido al fondo, conservando la profondità e l'efficienza delle vasche
Figura 16 Schema planimetrico e prospettico della formazione delle vasche nei Cross Vanes
19 1.3.7 W-Weirs
Si tratta di una struttura composta da due Rock Vanes unite con due file di rocce poste a v con la punta rivolta verso valle.( Figura 18, 19)
Questa sistemazione genera un doppio thalweg che garantisce una maggiore varietà di portata. Generalmente ha la funzione di controllare la pendenza oltre quella di far divergere una corrente troppo veloce dal centro della sezione d'alveo. Il W-Weirs ha una struttura simile a quella dei Cross Vanes, infatti entrambi i lati sono vanes diretti verso l'interno del canale e aventi simile angolazione verso monte, compresa tra 20°-30°. Anche la pendenza dei bracci è simile tra loro e compresa tra il 2-7%. La cresta delle briglie, che si colloca ad 1/3-1/4 dell'ampiezza del canale, si dirige verso valle, nella parte centrale della sezione, creando due thalweg.
Gli obiettivi di questa struttura sono quelli di garantire un efficace controllo della pendenza sui fiumi di maggiori dimensioni, un efficace incremento della qualità dell'habitat idoneo alla fauna ittica, un efficace stabilizzazione delle sponde e riduzione dell'erosione sulle fondazioni e sulle pile centrali dei ponti, un sostanziale incremento del trasporto solido nella zona a ridosso dei ponti, una più semplice deviazione a scopo irriguo e una miglior navigazione ricreativa.
Nei fiumi molto ampie vengo installate W-Weirs doppie a protezione delle pile centrali dei ponti.
Il miglioramento dell'habitat per la fauna ittica avviene ampliando al massimo le aree destinate all'alimentazione e la riproduzione, infatti generalmente la maggior parte dei pesci si trattengono nelle molteplici corsie di alimentazione create dai due thalweg e dalle vasche .L'habitat più adatto alla riproduzione di solito è individuato nelle zone in uscita dalle vasche a causa dell'assortimento granulometrico più adatto in particolare a certe specie ittiche e in particolar modo dalla presenza delle correnti di upwelling.
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Figura 18. Schema profilo-planimetrico e sezione di una struttura W-Weirs
21 1.3.8 J-Hook Vanes
La struttura J-Hook è costituita da un vane in roccia con dei massi addizionali posizionati alla testa con un certo interasse tra loro formando una disposizione ad uncino.(Figura 20, 21) Forzando il passaggio della corrente nelle fessure della struttura , si crea erosione subito a valle di quest'ultima, con la formazione di vasche di dimensioni e profondità maggiore rispetto a quelle create dai Rock Vanes. L'obiettivo primario della struttura J-Hook è quello di una risistemazione del fondo mobile atto al miglioramento degli habitat per la fauna ittica, ma ha anche lo scopo di dissipare l'energia. Secondo Rosgen (2006) la struttura può essere costituita da una combinazione di massi, tronchi o fascinate, collocate sulla parte esterna delle curve del corso d'acqua, dove le forti correnti downwelling e upwelling e gli alti gradienti di velocità generano importanti sforzi nella regione delle sponde.
La posizione del braccio occupa in genere 1/3 dell'ampiezza della sezione, mentre l'uncino occupa il terzo centrale.
La struttura è progettata per proteggere le sponde dall'erosione, riducendo la pendenza nelle zone vicine ad esse, la velocità, il gradiente di velocità, la potenza della corrente e le tensioni tangenziali. La migrazione di questi parametri con la conseguente localizzazione e incremento avviene nel centro del canale. L'acqua stagnante si forma solamente nelle regioni di sponda e nell'angolo di inclinazione tra struttura e sponda, in genere di piccola entità. Inoltre la vasca di erosione che si forma nel terzo centrale della sezione d'alveo, subito a valle della struttura, porta alla dissipazione dell'energia e risulta essere una zona protetta per la fauna ittica. Le zone di separazione del flusso da corrente veloce e lenta, che segnalano zone delle correnti di downwelling e upwelling risultano habitat favorevoli per certe specie ittiche, in particolar modo per le trote.
Lo sforzo di taglio che si verifica nel centro del canale è incrementato dal vortice che si forma in presenza delle aperture tra le rocce; in genere queste sono dell'ordine di 1/3 1/4 del diametro delle rocce stesse.
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Il centro del canale, coincidente con l'uncino, è favorevole al trasporto dei sedimenti, detriti e al miglioramento della capacità del canale.
I rapporti tra larghezza-profondità vengono mantenuti più o meno costanti dalla riduzione dell'erosione sulle sponde e dal contemporaneo incremento della profondità nella parte centrale del canale, anche in seguito a piene importanti.
Il Maryland Department of Environment Water Management Administration ha fornito delle linee guida per la costruzione delle River Training Structures, nelle quali il J-Hook è inserito in un tratto rettilineo del corso d'acqua, oltre che nell'esterno di una curva, ed è stato rilevato un andamento morfologico del fondo leggermente differente nei due casi. (Figura 22)
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Figura 21 Schema di un J-Hook Vane installato in corrispondenza dell'esterno di una curva
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1.4 Opinioni dei professionisti su i River Training Structures
Nel 2010 è stata realizzata dal "Journal of Hydraulic Engineering" un'indagine nella quale è stato chiesto a professionisti del settore di utilizzare le loro esperienze per migliorare le pratiche di intervento sui corsi d'acqua.
L'analisi sulle testimonianze raccolte, relative alle strutture in alveo, è stata implementata per documentare le condizioni e i parametri utili alla determinazione di standard progettuali al fine di raggiungere l'ottimizzazione nella pratica delle suddette strutture. Ogni tipo di struttura è stato analizzato e valutato sulla base dei seguenti aspetti:
- costo al confronto tra le alternative più probabili
- performance, valutando il grado di stabilità dell'alveo dopo l'intervento - valutazione dell'impatto ambientale all'inserimento della struttura
- ottimizzare l'utilizzo per renderlo più efficace e minimizzare le limitazioni - valutazione dei costi di manutenzione e riparazione
L'esperienze analizzate riguardavano una vasta gamma di tipologie strutturali nel campo delle sistemazioni ambientali, per questo sono state classificate in base percentuale le strutture rispetto all'esperienza che i professionisti aveva fatto:
- 83% - Rock Vanes - 83% - Cross Vanes - 70% - J-Hook - 52% - Constructed Riffles - 30% - W-Weirs - 17% - Spurs - 9% - Bendway Weirs - 0% - Submerged Vanes
L'alternativa che ogni professionista ha identificato rispetto all'effettiva scelta è stata, al primo posto il rivestimento in massi delle sponde.
Il 75% degli intervistati è d’accordo che tutte le strutture, tranne i Constructed Riffles, sono state in grado di arrestare l'erosione sulle sponde e nel letto del fiume;
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il 72% afferma che è stato possibile individuare il deposito di sedimenti in sito in fase di progetto. Almeno il 70% dei professionisti attesta che queste strutture sono in grado di prevenire l'erosione anche durante un evento di piena, come il 64% risulta d’accordo nel constatare l'efficacia delle strutture in esame nel proteggere con successo le infrastrutture.
Per quanto riguarda i Constructed Riffles,il 50% degli interpellati affermano che non sono stati efficienti nel far avvenire il deposito dei sedimenti, un 43% afferma che anche l'erosione di letto e sponde non si è ridotto, e durante l'evento di piena la struttura non è stata di protezione alle infrastrutture.
Per la maggior parte delle strutture è stato valutato molto positivo il ridotto impatto ambientale. Almeno il 78% ritiene che tutte le strutture, ad eccezione degli Spurs e delle Bendway Weirs, migliorano l'habitat acquatico. I risultati per gli Spurs e le Bendway Weirs sono più bassi infatti solo il 62%-57%, per i primi e il 50% per i secondi ritengono di aver osservato miglioramenti dell'habitat o che comunque non creino effetti negativi sull'ambiente. Questo ultimo dato risulta un po' in contrasto con analisi precedenti fatti sulla stessa struttura Bendway Weirs, per questo motivo è stato messa in dubbio l'attendibilità di questa valutazione per vari motivi.
Per quanto riguarda la manutenzione e l'interventi di riparazione sono state fatte recensioni molto positive ad eccezione dei W-Weirs, in quanto è stato rilevato da tutti che quest'ultima struttura richiede manutenzioni nei primi due anni di vita dal completamento del progetto. Il costo di manutenzione risulta tuttavia molto basso, tanto che tra il 50% e il 75% concorda nello stimare questo costo inferiore al 5% del costo totale di progetto. Inoltre tra il 50% e 85% ha verificato l'efficienza delle strutture durante l'evento di piena e la non necessità di interventi di riparazioni significativi dopo questi eventi.
Dati contrastanti sono stati rilevati sull' attendibilità e la completezza delle linee guida esistenti per la progettazione. E' stata espressa, in accordo tra i professionisti, la necessità di linee guida progettuali quantitative basate sulla geometria del canale e sulla profondità media della sezione liquida.
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Nella Figura 23 seguente sono mostrati in un diagramma i rapporti larghezza-profondità corrispondenti ai progetti per ogni tipologia strutturale.
Figura 23 Successi e insuccessi delle varie River Training Structures in funzione del rapporto tra larghezza e profondità del corso d'acqua installati secondo gli studi americani.
In generale gli insuccessi sono stati collocati nei fiumi con bassi rapporti larghezza-profondità, cioè per alvei profondi, dove le correnti possono non essere geomorfologicamente stabili e di conseguenza essere più difficili da controllare con strutture in roccia. La maggior parte dei progetti è stata installata in canali con rapporti larghezza-profondità tra 5 e 20. Sono stati espressi valori minimi della larghezza del canale per un utilizzo efficace dei Rock Vane (30 piedi), con rapporti lunghezza e l'ampiezza dell'alveo entro un range molto ristretto (tra lo 0.44 e lo 0.48) e dei Bedway Weirs larghezza minima (80 piedi).
Per quanto riguarda le pendenze del canale non vi sono andamenti chiari che separano progetti di successo da quelli di insuccesso. Le pendenze più comuni rilevate vanno dallo 0.5% al 5%.
E' stato rilevato che la maggior parte dei progetti di successo impiega più di una struttura; infatti strutture multiple possono avere un effetto addizionale, assieme al garantire la miglior regolazione del flusso rispetto all'utilizzo di una sola struttura.
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In questo modo viene ridotto lo stress su un'unica struttura e questo può partecipare all'efficienza del sistema strutturale nel lungo tempo.
1.5 Studi sperimentali sulle River Training Structures
In letteratura sono presenti pochi studi sperimentali sulle strutture di controllo della pendenza di fondo dei corsi d'acqua.
Bormann e Julien (1991) condussero una serie di esperimenti che includevano 231 misure di profondità di scavo. Costruirono una struttura di controllo della pendenza in lamiera metallica, usando per il lato di valle tre diverse pendenze (verticale, 100% e 33%) L'equazione della profondità di scavo che utilizzarono fu nella forma proposta da Mason e Arumugan (1985), in quanto risultò che si adattava perfettamente a descrivere gli scavi dovuti alle cause più differenti: cascate, getti verticali o sommersi e flussi d'acqua al di sopra della struttura .
Nel 1995, Shields et al. organizzarono uno studio di misurazione sul campo in un tratto di 1 km del corso d'acqua di Goodwin Creek, nel nord-ovest del Mississippi. Le loro indagini riguardavano strutture per il controllo della pendenza in roccia, costruite per consentire il passaggio dei pesci.
Nel 2004 D'Agostino e Ferro, sulla base di dati sperimentali e l'analisi dimensionale, trovarono un parametro unico in grado di stimare approssimativamente la massima profondità di scavo. Questo parametro rappresentativo fu il rapporto tra il carico idrico sopra la struttura e l'altezza della struttura stessa.
Ben Meftah e Mossa (2006) studiarono gli effetti dei Bed Sills sulla geometria di scavo e trovarono che la massima profondità e la lunghezza dello scavo, dipendevano dalla distanza tra i sills. Sulla base di questo, presentarono due formule semplificate per stimare la massima profondità e la lunghezza di scavo.
Pagliara (2007) eseguì una serie di prove in laboratorio su modello a fondo mobile per rilevare lo scavo a valle di rampe in massi in assenza di trasporto al fondo e con risalto idraulico libero. I risultati di questi studi, attestano che sia la profondità che
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la lunghezza di scavo sono funzione della pendenza della rampa, del numero di Froude densimetrico e di un parametro di non uniformità dei sedimenti.
Furono anche in questo studio individuate equazioni per la previsione della lunghezza e profondità di scavo.
Nell'anno successivo Pagliara e Parlermo utilizzarono diversi tipi di Sills, continuo, dentato, in roccia, per controllare lo scavo a valle delle rampe in massi.
Svilupparono ancora equazioni per la stima di parametri geometrici di scavo, lunghezza di scavo e altezza della duna in presenza di un Sills in roccia
Bhuiyan et al. studiarono lo sviluppo dello scavo a valle dei W-Weirs.
Nel 2011, Scurlock ha portato avanti una serie di 27 esperimenti per valutare i principali parametri geometrici di scavo a valle di tre differenti tipi di strutture di controllo della pendenza e sono state ricavate equazioni.
Ad oggi (2014) Pagliara et al. stanno effettuando studi sperimentali sulle River Training Structures ottenendo risultati importanti che permettono, a livello analitico con la determinazione di equazioni rappresentanti i parametri più significativi come massimo scavo, massima duna e lunghezze rispettive, di individuare i comportamenti del fondo mobile in presenza di una delle strutture fin ora descritte.
1.6 Obiettivi della ricerca
Le River Training Structures rappresentano un'ottima soluzione per la sistemazione ecologica e ambientale dei corsi d'acqua, con lo scopo di ristabilire l'equilibrio naturale. Le opinioni raccolte dei professionisti del settore mettono in luce diffuse ambiguità per quanto riguarda la progettazione la messa in opera e la manutenzione di queste strutture. La mancanza di una teoria completa riguardante le linee guida per la realizzazione di queste strutture può essere attribuita al complesso carattere tridimensionale del flusso nella zona adiacente alle strutture, nonché alla significativa variabilità delle caratteristiche della corrente da sito a sito.
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Lo sviluppo, però, di ben definite linee guida potrebbe incentivare l'utilizzo di queste strutture in alveo, scoraggiando cosi l'utilizzo di altri sistemi quali i rivestimenti in massi e metodi simili, noti per l'impatto avverso sull'ambiente e i costi elevati di manutenzione nel tempo.
Risulta di fondamentale importanza, nonostante le difficoltà, sviluppare criteri quantitativi basati su principi scientifici per le strutture in alveo a basso impatto ambientale. Lo studio di queste strutture è necessario per determinare le condizioni ottimali di installazione e le configurazioni geometriche più vantaggiose, che permettono cosi di poterle usare con sicurezza come tipiche soluzioni ingegneristiche.
L’argomento del presente lavoro di tesi si pone come obiettivo quello di effettuare uno studio comportamentale, in termini qualitativi e quantitativi, di un alveo a fondo mobile in presenza di strutture a basso impatto ambientale, nello specifico soglie di fondo in massi naturali J-Hook Vanes. Lo studio in questione, è stato effettuato su un canale curvilineo a pendenza nulla con tratti di raccordo rettilinei, riprodotto come modello in laboratorio. Sono stati effettuati numerosi test, osservando e analizzando i diversi comportamenti al variare delle caratteristiche dimensionali della struttura stessa e dei parametri idraulici. Dall'elaborazione dati è stato possibile ricavare equazioni e tipologie morfologiche che possono fornire informazioni utili al comportamento del fondo mobile in presenza della suddetta struttura e contribuire in questo modo alla scelta progettuale più adatta. In letteratura attualmente, non sono presenti studi completi relativi a questa struttura; comparando i dati rilevati dai test del mio studio e di quelli effettuati da altri tesisti, sulla stessa struttura in condizioni idraulico-geometriche diverse, abbiamo cercato di concludere relazioni riguardanti nella completezza l'efficacia e il comportamento idraulico morfologico del J-Hook Vanes al variare di parametri significativi.
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Apparato sperimentale
2.1 Modello
2.1.1 Delimitazione del modello
Il modello è stato realizzato nel laboratorio del Dipartimento di Idraulica dell'Università di Pisa; è costituito da un canale curvilineo di lunghezza complessiva di circa 14.5 m. Realizzato con moduli di lamiera sagomata,
(Figura 26) saldati tra loro, è sorretto da una intelaiatura di tubi in acciaio. Ha una larghezza costante di 0.50m e un altezza di 0.33m. Il canale è composto da tre curve e da canali rettilinei di raccordo. Le prove sono state effettuate inserendo le strutture, inizialmente solo nelle tre curve in due posizioni diverse. In corrispondenza delle curve di raggio rispettivamente di 2m, 1m, 4m, è stato effettuato un abbassamento del modulo di lamiera di 0.15m, per permettere la creazione del fondo mobile in sabbia. Successivamente è stato effettuato, lo stesso abbassamento, con creazione di fondo anche in un tratto rettilineo interposto tra le curve a raggio 2m e 1m per poter effettuare delle prove anche in questo tratto. Nella parte esterna del canale, sono state ricavate delle finestre di piccole dimensioni, per osservare il fenomeno evolutivo del movimento fondo durante l'esecuzione dei test (Figure 24,25,27,28)
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Figura 25 Vista del canale modello in laboratorio
32
Figura 27 Particolare di curva e raccordo rettilineo su cui sono stati fatti alcuni test
33
Il canale è alimentato da una pompa centrifuga ad asse orizzontale regolata attraverso una valvola a saracinesca manuale a volantino e una a leva; la portata caratteristica della pompa è di 40 l/s (Figura 29,30).
Attraverso un sistema di raccordi e tubi in PVC vengono messe in comunicazione le varie vasche di accumulo di volume complessivo di circa 200 litri (Figura 31). La presenza della valvola di regolazione permette di salvaguardare le tubazioni dagli effetti del colpo di ariete e di fissare in modo preciso la portata di alimentazione. Quest'ultima viene rilevata attraverso un misuratore elettromagnetico a display digitale di marca Krohne (Figura 32).
Per il riempimento preliminare del canale, viene utilizzata una elettropompa ad immersione di tipo mobile, ad asse verticale, collegata ad un tubo in gomma di circa 10 m. Tale dispositivo è stato utile per rendere uniformi le condizioni iniziali di ogni esperimento e partendo da un livello liquido leggermente superiore a quello delle strutture, abbiamo evitato che avvenisse il movimento del fondo mobile prima di aver fissato e portato a regime la portata voluta per ogni test. La stessa pompa mobile è stata utilizzata anche per lo svuotamento delle vasche nel periodo di ricambio dell'acqua. (Figura 33)
34
Figura 30 Valvola a sararinesca manuale a leva
35
Figura 32 Misuratore di portata elettromagnetico
36
raccolta, attraverso una paratoia piana mobile in legno, regolata con un sistema a vite manuale. Nella zona a ridosso di quest'ultima è inserita una griglia orizzontale, avente il compito di trattenere il materiale solido trasportato dalla corrente, per evitare che si depositi nelle vasche. (Figura 34,35).
Figura 34 Paratoia piana mobie
37
Ogni tratto, curva o rettilineo, è dotato di uno o più dispositivi di svuotamento con valvola a farfalla, indispensabile per permette il drenaggio dell'acqua post test, ottenendo così, una morfologia completamente asciutta da sottoporre a scanzione, a garanzia della buona rilevazione dei punti. (Figura 36)
Per assicurare che i filetti fluidi della corrente siano, prima dell'ingresso alla curva, paralleli e rettilinei, sono state realizzate apposite griglie forate, di larghezza pari a quella del canale e inserite verticalmente ad esso. (Figura 37)
Allo scopo di rendere più scabro il fondo del canale nei tratti di raccordo, sono state inserite lamiere in acciaio della larghezza del canale, oppurtunamente sagomate. (Figura 38)
Figura 36 Valvola a farfalla Figura 37 Griglie verticali
38
Le strutture J-Hook Vanes, inserite nel modello e testate nelle prove, sono state costruite con piccole pietre, secondo alcune prescrizioni presenti in letteratura e secondo le modalità tenute nei precedenti esperimenti effettuati da altri studenti, come si può osservare nello schema seguente.(Figura 39)
39
La fondazione della struttura è composta in mattoni pieni sagomati secondo la forma della struttura, la quale costituita da piccole pietre assemblate su una lamierina in acciaio e stata fissata alla fondazione. Per evitare movimemti indesiderati, è stato riprodotto l'ammorsamento alla sponda, fissando alla parete del canale la struttura con mastice e silicone.
La sezione trasversale del fondo mobile è orizzontale al contrario di quanto succede nei corso d'acqua reali.
Procedendo negli esperimenti le strutture sono state sostituite con altre, aventi altezza diversa e sono state spostate all'interno della stessa curva dalla POS 1, che risulta ad inizio curva, alla POS 2 al centro curva.
Il programma della sequenza dei test, è stato definito in corso d'opera, sulla base dei risultati ottenuti. Da un punto di vista della geometria della struttura, avendo fissato l'angolo α=20°come angolo fisso di ancoraggio alla sponda, gli altri parametri considerati sono:
- l0 lunghezza del braccio inclinato della struttura
- l2 lunghezza della testa dellastruttura
- l1 lunghezza dalla sponda all'inizio della testa della struttura - hst altezza media delle pietre costituenti la struttura
- δ larghezza media delle n aperture tra le strutture
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Dal punto di vista della morfologia del fondo mobile del modello, i parametri presi in considerazione, necessari per descrivere il fenomeno e di cui ho cercato di ottenere delle espressioni analitiche finali sono:
- zm: massima profondità di scavo a valle struttura
- lm: massima lunghezza di scavo a valle della struttura, misurata lungo la linea di massimo sviluppo planimetrico passante per il punto di massimo scavo
- z*m: massimo profondità di scavo sulla testa della struttura
- l*m: massima lunghezza di scavo sulla testa della struttura, misurata lungo la linea di massimo sviluppo planimetrico passante per il punto di massimo scavo - z'm: massima altezza della duna formata a valle dello scavo
- l'm: massima lunghezza della duna,misurata lungo la linea di massimo sviluppo planimetrico
2.1.3 Materiale di fondo del canale
Il fondo mobile riprodotto nel modello è composto da sabbia grossa con granulometria piuttosto uniforme avente un σ=(d84/d16)0.5=1.18 ≤ 1.3 (Figura 41)
41
In laboratorio è stata determinata la curva granulometrica ricavata facendo un prelievo dal modello di un campione di 500 grammi di materiale, setacciandolo con quattro setacci soprapposti aventi maglie di diametro di 0.5 mm, 1 mm,
1.4 mm, 2 mm e 2.5 mm, impilati uno su l'altro, partendo dal basso e andando in ordine di diametro crescente, abbiamo pesato il materiale trattenuto da ogni vaglio, nonché il materiale passante da tutti e quattro.I valori sono stati tabellati:
Peso campione 500 g passante in %
Peso passante a 2.5 mm 500 g 100
Peso passante a 2 mm 415 g 83
Peso passante a 1.4 mm 13 g 2.6
Peso passante a 1 mm 2 g 0.4
Peso passante a 0.5 mm 0 g 0
Tabella 2 Dati della curva granulometrica
Dalla curva (Figura 42) abbiamo ricavato graficamente il diametro mediano d50=1.77 mm, il d84=2.08 mm e d16=1.5 mm
Figura 42 Curva granulometrica
0 20 40 60 80 100 120 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
Curva granulometrica
42
Il materiale sabbioso costituente il letto mobile, è stato ricavato mediante vagliatura manuale, utilizzando sabbia di cava acquistata dal dipartimento in sacchi da 25 kg. Sono stati utilizzati nello specifico due vagli che presentano rispettivamente aperture di 2 mm e 1.5 mm; le varie frazioni di sabbia vengono separate in diversi recipienti di plastica.
Figura 43 Strumenti utilizzati per vagliatura
2.2 Strumenti di misura
2.2.1 Laser-Scan
Il rilievi della morfologia del fondo è stata effettuata con l'ausilio di uno scanner laser georeferenziato con sedici target applicati alle pareti del laboatorio. Nello specifico lo strumento è lo Scanner laser HDS4500 della Leica Geosystems, utilizzato per rilievi ad alta definizione o HDS (High desity surveying). Questo è ultraveloce per brevi distanze ed ideale per progetti di rilievo ad alta densità.
Nel rilievo di dettaglio, sia esso finalizzato alla rappresentazione architettonica, industriale, ambientale, o anche nel rilievo in campo ferroviario, questo
43
contributo di completezza e di ricchezza della visualizzazione si traduce in un miglior elaborato finale, progetti più accurati e in tempi brevi (con precisioni che vanno da qualche centesimo di millimetro a qualche decimetro) con significativi risparmi nei costi ed una maggiore velocità di acquisizione del dato.(Figura 44)
44
- Tipo di strumento: scanner laser a velocità, precisione ultraelevata e campo visivo 360°x 310°
- Interfaccia utente: notebook Pc
- Azionamento dello scanner : Servomotore - Precisione delle misure singole
- Posizione: albedo del 20% 7.6 mm fino a 10 m, 16.1 mm fino a 25, albedo del 100% 7.2 mm fino a 10 m, 13.7 mm fino a 25 m;
- Distanza: con albedo del 20% 5 mm +360 ppm, con albedo del 100% 5 m, + 120 ppm.
- Angolo (oriz./vert.) 350 micro-rad
- Acquisizione target 2 mm fino a 10 m, 3.5 mm fino a 25 m - Sistema di scansione laser: a spostamento di fase;
- Colore Rosso (visibile)
- Classe laser 3R (IEC 60825-1)
- Range: 1 a 25 m, Minimal 0.1 m, Maximun 53.5 m - Tempo di scansione: fino a 500.000 punti/sec
- Risoluzione di scanzione: dimensione spot 5 mm a 10 m, 8.5 mm a 25 m - campo visivo (per scansione): Orizzontale 360 (max), Verticale 310 (max)
2.2.2 Idrometro manuale
L’idrometro manuale, è stato utilizzato per effettuare tutte le misure relative all’andamento del pelo libero, all’evoluzione del fondo mobile a valle della struttura nel corso delle prove (ad intervalli di 10 minuti) e al rilievo manuale finale dei punti di massimo scavo e duna.
L'idrometro, dotato di vite di regolazione e di semplice punta metallica disposta verticalmente, ha una precisione pari a 0.1 mm.
45
L'idrometro appena descritto è stato utile per la misura delle coordinate "Y" e "Z", rispettivamente la distanza dei punti significativi dalle pareti del canale e la profondità dello scavo o dell'altezza della duna. L'applicazione alle pareti del modello, sia nei tratti curvilinei che in quelli rettilinei, di cordelle metriche con sensibilità di 2 mm, ha permesso la misurazione della coordinata "X" e cioè della distanza dei punti di interesse dalla struttura testata.(Figura 45)
Figura 45 Idrometro a lettura manuale
46 2.3 Modalità di esecuzione delle prove
2.3.1 Misurazioni effettuate
Le misurazioni hanno inzio sul canale asciutto per poter rilevare dati importanti riguardo le caratteristiche della struttura e del modello. Per ogni struttura utilizzata sono state fatte 11 misure del'altezza hst della stessa, le lunghezze l0, l1, l2,
rispettivamente del braccio inclinato della struttura, della distanza dalla sponda all'inizio della testa della struttura e dalla lunghezza della testa stessa. In più sono state effettuate sei letture δn della larghezza delle aperture della struttura, e
controllata la quota del livello del letto che dovrà essere per tutto il canale Bed level 40.1 cm .
Successivamente, mediante l'utilizzo sempre dell'idrometro si sono prese misure durante e dopo la prova.
Durante la prova sono state misurate:
- le quote dei peli liberi in quattro punti significativi, a monte, subito a valle e a fine della struttura e nel tratto a valle dove il flusso risulta indisturbato.
Queste misure vengono effettuate appena si raggiunge il regime di esecuzione del test stabilito, al tempo t0, dopo un'ora da inizio prova t60 e dopo due ore t120.
- le cordinate x,y,z dei punti di massimo scavo, localizzati osservando il fenomeno di movimento del fondo attraverso una lente di ingrandimento. queste misure vengono effettuate ogni 10 minuti da inizio prova e terminano al momento in cui il fenomeno di scavo e formazione duna è stazionario. La durata della prova è variata nei miei test dai 60 ai 120 minuti.
- al momento che fissiamo l'inzio della prova dobbiamo prendere nota
dell' altezza della parziale apertura della paratoia rilevabile sull'asta graduata che si trova a fianco della guida su cui scorre.
47
- la fine della prova coincide con il momento i cui viene stabilita la stazionarietà del movimento del fondo.
Water
Level Altezza struttura Dati
1A 1B 1C x ∆t h1 [cm] = 46.1 Q [m3/s] = 0.01 47.5 47.3 46.9 0 h2 [cm] = 47.5 α [°] = 20 46.8 46.4 45.9 7.8 60 h3 [cm] = 47.9 B [m] = 0.5 120 h4 [cm] = 48.3 b [m] = 0.3 fine h5 [cm] = 47.4 b/B[adm] = 0.6 2A 2B 2C x ∆t h6 [cm] = 46.9 n = 2 47.5 46.8 46.6 0 h7 [cm] = 47.1 δ1 [m] = 0.045 47 45.4 45.7 7.97 60 h8 [cm] = 48 δ2 [m] = 0.05 120 h9 [cm] = 47.8 δ3 [m] = 0.07 fine h10 [cm] = 46.7 δ4 [m] = 0.035 3A 3B 3C x ∆t h11 [cm] = 46.3 δ5 [m] = 0.06 46.8 46.9 46.7 0 δ6 [m] = 0.075 45.4 45.5 45.6 8.25 60 hmedia [cm] = 47.272727 δ [m] = 0.0558333 120 hst eff. [cm] = 7.1727273 l0 [m] = 0.54 fine hst app [cm] = 7.17 l1 [m] = 0.12 4A 4B 4C x ∆t l2 [m] = 0.18 46.9 47 46.5 0 Hparatoia= 79.1 ε [adm] = 0.6203704 45.1 45.5 45.6 8.35 60 ∆h [m] = 0.0065 120 hst [m] = 0.0717 fine
Riferimenti a monte alveo a valle
Bed Level 40.1 40.1 40.1
40.1 40.1 40.1
MISURE RIFERITE AL FONDO
∆t [min] hm (letture) hv (media letture di valle) ∆h ∆h
0 7.133333333 6.65 0.483333333
0.65
60 6.266666667 5.45 0.816666667
120
48
Scavo MAX x y z Scavo MAX x y z Scavo MAX x y z
1 7.74 35 34.1 1 7.74 33 34 1 7.74 32.5 33.9 2 7.88 30 33.5 2 7.88 30 35.4 2 7.88 30 33.5 3 8.39 45.5 35.4 3 8.39 45.1 35.4 3 8.39 45.1 35.5 4 4 4 5 5 5 t40 t50 t60
Scavo MAX x y z Scavo MAX x y z Scavo MAX x y z
1 7.74 35 33.6 1 7.74 33.5 33.7 1 7.74 34 33.4 2 7.88 29 31.7 2 7.88 29 33 2 7.74 29 32.9 3 8.39 45.1 35.8 3 83.9 45.1 35.6 3 8.39 45.1 36 4 4 4 5 5 5 t70 t80 t90
Scavo MAX x y z Scavo MAX x y z Scavo MAX x y z
1 1 1 2 2 2 3 3 3 4 4 4 5 5 5 t100 t110 t120
Scavo MAX x y z Scavo MAX x y z Scavo MAX x y z
1 1 1
2 2 2
3 3 3
4 4 4
5 5 5
Schema Tipo: 2° foglio excel usato per il rilevamento dati durante la prova
Alla fine di ogni prova procediamo allo svuotamento del canale e al rilevamento manuale, attraverso l'idromentro, delle coordinate x, y,z, del massimo scavo e massima duna, le coordinate di inizio e fine scavo, e le rispettive lunghezze. Vengono poi riportate in tabelle riassuntive i valori dei parametri principali Zm,Z'm, Z*m, lm, l'm, l*m.
In più sono elencate in una tabella i dati necessarie alle elaborazioni successive: - Q: portata liquida di prova
- rapporto b/B che esprime l'ingombro delle struttura nel canale - rapporto di apertura ε=(n*δ)/l2
- Δh differenza tra i peli liberi a monte e valle della struttura
- h0 (tailwater) altezza idrica media calcolata tra i peli liberi a valle - hst altezza media della struttura
49 - rapporto h0/hst
- flusso efficace Q'=(b/B)*Q
- Gs=ρs/ρ espressione del rapporto tra la densità del materiale di fondoe la densità dell'acqua
- d50 diametro mediano del materiale di fondo secondo la curva granulometrica - Fd= Q'/{l*hst*[g*(Gs-1)*d50]0.5} numero Froude densimetrico
Massimo Scavo Fine Scavo Massima Duna Fine Duna
x y z x y z x y z x y z 7.9 28 32.4 8.27 23 40.1 8.43 34.5 43.4 8.95 38.5 40.1 7.88 19 32.5 7.95 7 40.1 8.52 39 41.6 8.62 44 40.1 8.41 48 35.6 8.5 45 40.1
Lunghezze Scavi e Dune
lm1= 40 (Scavo 1 a valle lungo la cresta)
lm2= 33 (Scavo 2 a monte della struttura)
lm3= 20 (Scavo 3) lm'1= 75 ( Duna 1) lm ' 3= 13 (Duna3) Risultati Zm Zm* Zm' Q = 0.0100 [m3/s] 0.077 0.076 0.033 b/B = 0.6000 [adm] Lm Lm* Lm' ԑ = 0.6204 [adm] 40 33 75 ∆h = 0.0065 [m] h0 = 0.0600 [m] hst = 0.0717 [m] h0 / hst = 0.8368 [adm] Q' = 0.0060 [m3/s] l = 0.7200 [m] g = 9.8100 [m/s2] Gs = 2.6500 [adm] d50 = 0.0018 [m] Fd = 0.6867 [adm] zm = 0.077 [m] zm * = 0.076 [m] zm'= 0.033 [m]
50 2.3.2 Procedura tipo di esecuzione della prova
L'obiettivo principali dei test effettuati è quello di determinare il profilo del fondo mobile del modello, al momento in cui, nelle condizioni idrauliche di portata e tirante idrico stabilite per il test, non si osservano variazioni significative nelle misure consecutive di scavo e duna. Inoltre monitoriamo l'evoluzione temporale del fondo durante tutta la prova.
Il fenomeno di scavo del fondo mobile si innesca a causa della presenza della struttura, la quale determina, la formazione di un piccolo salto o "scalino" (Δh) nel livello liquido tra monte e valle della struttura. L'inizio dell prova viene fatto coincidere con l'inizio del movimento del fondo, il raggiungimento dell'equilibrio del fondo, coincide con il termine della prova.
La fase di riempimento del canale, precedente l'inizio della prova è di fondamentale importanza, in quanto è necessario evitare qualsiasi movimento del fondo nel tempo in cui viene raggiunto un tirante idraulico elevato, ridotto successivamente a quello di prova mediante l'apertura della paratoia a valle. Particolari movimenti indesiderati a cui è necessario fare attenzione, possono essere il raggiungimento di elevate velocità e la formazione di bolle d'aria che risalendo in superficie, possono generare turbolenza. Per evitare questi inconveninti, oltre il preliminare compattamento idoneo del fondo, riempiamo il canale pompando con la pompa mobile a immersione, dalle vasche di accumulo, una portata bassa(circa 2 l/s). Vediamo di seguito elencati i passaggi della procedura d'esecuzione dela prova: - Si livella il fondo mobile, fino a renderlo orizzontale e attestandone l'uniformità effettuando numerose misure con l'idrometro
- Si chiude completamente la paratoia piana a valle del canale
- Si accende la pompa mobile sommersa in modo da iniziare il riempimento del modello dalla zona di valle
- Al monento che la struttura risulta completamente sommersa, accendiamo la pompa ad asse orizzontale, controllando attraverso il manometro e l'utilizzo del
51
volantino, erogazione di una piccola portata (2-3 l/s). Avendo due portate di entità simile, proveniente da due direzioni opposte la velocità nel canale è pressochè nulla - Si fa salire il tirante liquido aumentando in modo lento e graduale la portata erogata dalla pompa fissa fino al raggiungimento della portata da testare in prova - Si spegne nello stesso tempo la pomapa mobile e sfiliamo il tubo dal canale ed iniziamo gradualmente ad aprire la paratoia di valle in modo da ridurre il tirante idrico ed aumentare la velocità di deflusso
- Quando osserviamo che il fondo inizia a muoversi facciamo partire il cronometro ed iniziamo le periodiche misurazioni sopra descritte. Osservato l'inizio del movimento, la paratoia deve essere regolata in modo da mantenere costante il tirante idrico raggiunto.
Al termine della prova, è importante tutelarsi dal dilavamento dell'eventuale duna formatasi, perciò risulta importante procedere rigorosamente come di seguito elencato:
- Chiudere completamente la paratoia piana mobile in uscita
- Si chiude gradualmente effettuando manovre delle valvole a saracinesca, l'erogazione della portata e si spegne la pompa fissa al momento che sul manometro leggiamo che la portata è nulla
- A questo punto per permettere lo svuotamento del canale apriamo le valvole a farfalla poste sotto il canale, permettendo cosi il drenaggio dell'acqua che verrà raccolta nelle sottostanti vasche di accumulo
- Al momento che il canale è vuoto possiamo procedere al rilievo del fondo prima manualmente con l'idrometro, successivamente con laser scanner e foto.
52 2.3.3 Rilievo del fondo
Al termine di ogni esperimento, attraverso l'utilizzo del laser scanner descritto precedentemente, sono state effettuate tre o quattro scansioni per ogni test, posizionando lo strumento o su un supporto fatto dai tecnici che può poggiare direttamente sul canale o sul suo treppiede. Il laser permette di ricostruire completamente la morfologia di ogni esperimento.
Dopo aver georeferenziato le acquisizioni mediante i target posti sulle pareti del laboratorio, la scansione completa risultante è stata elaborata con il software GIS ed esportata come mappa a curva di livello in formato cad. A questo punto le mappe sono state ripulite delle parti non significative per il rilievo e inserite nella planimetria cad del modello ottendo un elaborato finale che mette in rilievo attraverso una scala di colori le zone a varie quote (Figura 47) Per ogni prova sono state effettuate anche foto che mettesero in risalto la morfologia (Figura 48, 49)
53
Figura 48 Foto tipo della morfologia dall'alto
54
Analisi Dimensionale
3.1 Teorema di Buckingham
Prima di procedere all'elaborazione dei dati ottenuti dalle prove sostenute e la conseguente discusssione dei risultati, è necessario definire dei parametri adimensionali di riferimento, attraverso l'utilizzo del Teorema di Buckingham e alla Incomplete Self-Similarity citata da Barenblatt (1987).
I principali paramentri utili alla descrizione ed alla spiegazione del fenomeno di movimento e sistemazione del fondo mobile in presenza del J-Hook Vane sono: - la massima profondità di scavo zm
- l’altezza media delle rocce costituenti la struttura hst
- la lunghezza della parte di struttura perpendicolare alla corrente l2 (o la lunghezza totale l, della struttura, ottenuta sommando ad l2 la lunghezza del tratto obliquo di ancoraggio alla sponda l0, costante in tutti gli esperimenti)
- la larghezza del canale B
- il massimo dislivello tra la quota del pelo libero subito a monte della struttura e quella subito a valle del tratto del J-Hook perpendicolare alla corrente che si ha durante la prova, che abbiamo chiamato Δh
- la portata liquida di prova Q - la densità del materiale di fondo ρs - la densità dell’acqua ρ
- l’accelerazione di gravità g
- il diametro mediano del materiale di fondo d50 - altezza idrica a valle della struttura Tailwater h0 - raggio esterno della curva R
L'intero fenomeno può essere schematizzato con una relazione del tipo: f ( zm, hst, h0, R, l2, B, Δh, Q, ρs, ρ, g, d50 ) = 0
