2 Descrizione del fenomeno di scavo

2 Descrizione del fenomeno di scavo

2.1 Premessa

Le principali motivazioni che spingono numerosi studiosi all’analisi dei processi di scavo da parte di una vena liquida che impatta ad elevata velocità su fondo erodibile sono legate alla stabilità strutturale dei manufatti che negli alvei sono costruiti. L’inserimento di una qualsiasi struttura trasversale (anche di modesta altezza) deve essere infatti preceduto da una rigorosa analisi sull’evoluzione morfologica dell’alveo, per non compromettere la stabilità dell’opera stessa.

Sovente il costruttore, in mancanza di indagini relative all’ipotetico scavo di fondo, preventiva la costruzione di opere di difesa del manufatto (taglione di guardia). Tale metodo di azione può comportare un sovradimensionamento dei manufatti accessori alla struttura idraulica, con conseguente aumento dei costi economici e spesso anche dell’impatto ambientale.

Da qui la necessità di una sperimentazione in laboratorio su modelli in scala ridotta, al fine di ricavare formule empiriche da poter applicare ai prototipi per valutare le escavazioni attese.

Capitolo 2 Descrizione del fenomeno di scavo

2.2 Evoluzione del processo di scavo

Il fenomeno di scavo generato da un getto liquido accompagnato da uno scivolo (dotato di una certa scabrezza se vogliamo simulare una rampa), quindi incidente il fondo erodibile con un noto angolo, può essere suddiviso in alcune fondamentali fasi.

1) il getto presenta una forte azione erosiva che dissipa sul fondo mediante la formazione di vortici con conseguente scalzamento. Le azioni tangenziali derivanti dalle elevate velocità superano quelle critiche di moto incipiente.

2) Si verifica un rapido approfondimento dello scavo ed un allontanamento del punto di massimo scavo. Queste grandezze crescono proporzionalmente in modo da mantenere costante la forma stessa dello scavo.

3) Con la crescita dello scavo cresce pure il cuscino d’acqua al suo interno, che provvede alla sua protezione. Diminuiscono in questa fase le azioni tangenziali al fondo.

4) Raggiungimento di una condizione di equilibrio o asintotica allorquando le tensioni tangenziali al fondo scendono al valore critico relativo al materiale di fondo.

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2.3 Risalto idraulico

Il risalto idraulico è un fenomeno che si manifesta ogniqualvolta una corrente da veloce diviene lenta. Si verifica mediante un’espansione improvvisa del getto di monte con trasformazione di una parte dell’energia cinetica in energia potenziale (aumento brusco della quota del pelo libero) e dissipandone in maniera irreversibile la rimanente parte in calore per lo sviluppo di vortici, turbolenze e moti secondari.

Figura 2.3.1 Risalto idraulico e perdite energetiche

Nella pratica il fenomeno del risalto idraulico è molto sfruttato per la dissipazione dell’energia di una corrente veloce.

In riferimento ad un fondo alveo non erodibile (fondo fisso), le forme in cui si può presentare il risalto idraulico variano principalmente con:

a) valore del numero di Froude della corrente veloce di monte b) valore della pendenza di fondo

c) forma della sezione trasversale

Per fondo orizzontale, al variare del numero di Froude di monte (Fr1), si perviene alla seguente

classificazione:

Figura 2.3.2 Classificazione del risalto su fondo fisso orizzontale

Capitolo 2 Descrizione del fenomeno di scavo

Descriviamo solamente il risalto di tipo ondulare, che risulta meritevole di approfondimento ai fini del presente studio

• risalto ondulare 1 < Fr1 ≤ 1.7

La superficie libera non sale in modo brusco ma passa attraverso una serie di piccole ondulazioni ed increspature la cui ampiezza ed il cui periodo diminuiscono gradualmente verso valle; la dissipazione di energia è quasi nulla

Per individuare la posizione del risalto si fa riferimento al teorema globale del moto applicato al volume di controllo VC di Figura 2.3.1, che ha la seguente forma:

G + I + M + P = 0

Se adottiamo le seguenti ipotesi semplificative: • perdite distribuite nulle

• alveo orizzontale

• fenomeno stazionario (I = 0) • sezione rettangolare

dopo alcuni passaggi si perviene all’equazione di Belanger delle altezze coniugate del risalto:

(

)

(

)

Mediante la nota equazione fondamentale alle differenze finite si provvederà alla costruzione del profilo liquido relativo al caso in esame. Il risalto sarà inserito nel punto in cui la corrente veloce di monte raggiunge l’altezza coniugata del risalto y1. A valle del risalto avremo un punto di passaggio

obbligato per la corrente di valle (sezione di controllo), di altezza y2 (Figura 2.3.3).

Figura 2.3.3 Posizionamento del risalto