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1.1. LE ORIGINI DELL’INTERESSE SULLA ROTTURA DI DIGHE IN MATERIALE SCIOLTOLe dighe, e gli sbarramenti in genere, hanno molteplici funzioni e pertanto sono numerosi i benefici che esse portano alla società. Costituiscono uno stoccaggio d’acqua, consentono una gestione dell’irrigazione, sono importanti opere per la mitigazione delle piene e strumento di trasformazione dell’energia idraulica in elettricità. Tali vantaggi sono naturalmente legati ad un ottimo funzionamento dell’opera e, in verità, le probabilità di un crollo sono estremamente basse. Per contro, poiché il pericolo di rottura non può mai essere ridotto a zero, un’eventualità del genere deve essere valutata con grande attenzione dato che le conseguenze che ne derivano possono senza dubbio essere definite devastanti.
Tabella 1. 1 – Utilizzo delle “grandi dighe”, dati ICOLD 2001. I = irrigazione
H = sfruttamento idroelettrico C = controllo delle piene N = navigazione
S = Stoccaggio R = uso ricreativo
Lo svuotamento dell’invaso genera necessariamente un’onda di piena che si propaga nelle zone vallive. L’impatto che essa ha sulle aree sviluppate può anche essere tale da provocarne la completa distruzione. Se dal danno materiale ed economico sarebbe possibile risollevarsi di sicuro resterebbe indimenticabile l’ingente perdita di vite umane, qualora l’avvertimento del pericolo e l’evacuazione non fossero ben programmate. Purtroppo non stiamo parlando di scenari ipotetici. Numerosissimi incidenti, di diversa entità, hanno coinvolto dighe di tutto il mondo. Negli anni, anche a causa del continuo incremento sul territorio della presenza di opere di ogni tipologia e dimensione, tali incidenti hanno continuato a susseguirsi. Quanto abbiamo detto è alla base della nascita dei processi di valutazione di rischio. Lo sviluppo di accurate conoscenze sul “dam break” (termine internazionale che caratterizza questo tema di studio) è lo strumento cruciale per la gestione delle opere esistenti, la progettazione sostenibile di nuove strutture e la generazione di piani d’emergenza veramente efficaci.
L’interesse alle problematiche inerenti la rottura degli sbarramenti è cominciato ad emergere negli anni '50 in Europa e negli anni '70 negli Stati Uniti a causa di numerosi crolli di dighe avvenuti fino a quel momento. Da Middlebrooks, sappiamo che alla fine degli anni '50 erano crollate circa 240 dighe in terra nei soli Stati Uniti. Quest’ultima affermazione ci suggerisce di fare subito un'importante distinzione tra le diverse tipologie strutturali delle opere di ritenuta.
Di carattere del tutto generale è la suddivisione tra dighe murarie e dighe in materiali sciolti (con riferimento al DMLP 24 Marzo 1982). Tale classificazione è però sufficiente per affrontare i due distinti meccanismi di rottura che caratterizzano le strutture sopradette. In accordo con quanto osservato nella realtà, lo scenario che compete ad una diga in cemento armato è quello di rottura istantanea, parziale o totale. Al contrario, per le dighe in materiale sciolto il processo di rottura passa inevitabilmente attraverso la formazione di una breccia. Per quanto la velocità di formazione di tale breccia possa essere grande, la rottura non è mai istantanea, l'onda di piena che ne deriva è meno ripida ed il valore di picco è inferiore al caso di rottura istantanea.
Per ciò che riguarda le cause di tali fenomeni disastrosi, L'United States Committee on Large Dams (USCOLD) nel 1974 - come conferma Costa nel 1985 - riportano che il 30-34% di tutte le rotture delle dighe in materiale sciolto sono causate da inadeguati sfioratori di
sormonto. Circa un 20-30% dei crolli è attribuito al fenomeno del sifonamento, causato dalla prolungata erosione interna al corpo diga, o a livello delle fondazioni; il restante 1/3 è infine riconducibile a difetti di fondazione e slittamenti del corpo strutturale. Questi appena tracciati sono gli scenari che gli studiosi analizzano ormai da più di 40 anni.
Possiamo Ricondurre agli anni '60 sia la nascita dell'interesse per le modellazioni fisiche in questo campo, sia il primo approccio di simulazione numerica dell’erosione caratterizzante la rottura delle dighe in materiale sciolto. A partire da questi anni, sono state sviluppate numerose formule empiriche e molti semplici modelli per la propagazione dell'onda di piena, causata dall'improvviso svuotamento di un serbatoio, e per la stima del picco di portata che si genera in corrispondenza di una breccia.
1.2. APPLICAZIONE DELLE CONOSCENZE AL CAMPO DELL’ANALISI DI RISCHIO
Le attenzioni ingegneristiche non possono solo rivolgersi alla realizzazione di un buon progetto. Esse devono coprire anche altri aspetti pratici: uno di loro, al centro del nostro interesse, è l'individuazione dell'efflusso dalla breccia e il suo tempo di formazione per ciò che riguarda il rischio potenziale di rottura; un altro aspetto è la valutazione di tutte le azioni di aggressione alla struttura per poter dotare le dighe di eventuali dispositivi di prevenzione della formazione della breccia; possono essere effettuati studi affinché la rottura sia controllata e pianificata; in rari casi, infine, può risultare d’interesse conoscere quanto materiale è necessario spostare all'interno di una piccola breccia esistente nel tentativo di richiuderla. In realtà, non si tratta solo di "interessi" ingegneristici: a partire dalla metà degli anni 80 l’Italia affronta, dal punto di vista normativo, lo studio della propagazione di onde rilasciate da sbarramenti di ritenuta (da L. Ubertini, Il rischio idraulico a valle delle dighe
italiane). Molti altri regolamenti nazionali in materia di sicurezza delle dighe prevedono la
redazione di mappe di rischio.
In Francia, i piani di emergenza sono richiesti per dighe alte più di 20 m e con un volume d’invaso maggiore di 15.000.000 m3. Tali piani sono redatti in accordo con i risultati dell’analisi di rischio che stima le condizioni limite per un ipotetico collasso e i danni dell’inondazione conseguente.
Anche in Finlandia, in accordo con il Dam Safety Act (1998), devono essere realizzati dei piani di emergenza nei casi in cui un possibile incidente possa provocare danni alle persone o disastri ambientali.
Un altro esempio è quello del Portogallo il cui regolamento dighe (in vigore dal 1990) prescrive particolari interventi per dighe alte più di 15 m o con un volume d’invaso V> 100.000 m3. Il regolamento si applica, inoltre, a dighe che non rientrano nella precedente classificazione ma che sono giudicate ad elevato livello di rischio.
La Spagna, con il suo regolamento del 1996, introduce una classificazione delle dighe sia in funzione delle dimensioni che del rischio potenziale. Per gli sbarramenti che sono valutati ad elevato rischio deve essere stimato l’idrogramma dell’onda di piena conseguente alla rottura e gli effetti della sua propagazione a valle.
Grafico 1. 1 – Dati del registro ICOLD riguardanti esclusivamente le “grandi dighe”
Anche in Italia, come abbiamo accennato, la normativa detta importanti obblighi nei riguardi della progettazione e gestione delle opere di ritenuta. Con due circolari del 1986 e 1987, il Ministero dei Lavori Pubblici obbliga i gestori delle dighe ad eseguire gli studi necessari all’identificazione delle aree inondabili da onde di piena generate dall’apertura istantanea degli organi di scarico e dall’ipotetico collasso. Di particolare interesse si dimostra la successiva circolare del 1995 (Circ. PCM n° DSTN/2/22806 ). Sempre in tema di mappatura di aree inondabili vengono delineate le ipotesi di collasso e le condizioni idrauliche alla rottura per le diverse tipologie di sbarramento. Sono di seguito indicati i metodi di valutazione delle portate uscenti e le analisi da approfondire nel caso di dighe in serie.
Nuovi crolli di dighe continuano ad avvenire in varie parti del mondo e sottolineano la necessità di occuparsi, con grandi energie, della valutazione delle loro conseguenze sulle aree vallive sottoposte al rischio.
DIGA PAESE ANNO
COSTRUZ. ANNO DEL CROLLO ALTEZZA (m) VOLUME INVASO (hm3) TIPO DI DIGA CAUSA DELLA ROTTURA VITTIME Dale Dyke GB 1863 1864 29 3.2 Terra e rocce sciolte Sifonamento 230
Kantale Sri Lanka 1869 1986 30 18 Rocce
sciolte Sifonamento 127
English USA 1878 1883 30 18 Rocce
sciolte
Crollo della
fondazione -
Mena Cile 1885 1888 17 0.1 Terra Sifonamento 100
Lower
Otay USA 1901 1916 46 52
Rocce
sciolte Sormonto 30
Swift USA 1914 1964 57 37 Rocce
sciolte Sormonto 19
Heiwaike Giappone 1949 1951 22 0.2 Terra Sormonto 100
Pardo Argentina 1949 1970 15 0.1 Rocce
sciolte Sormonto 25
Machu India 1972 1979 26 101 Terra
Organi scarico insuff. 2000 Teton Idaho, USA 1975 1976 93 300 Terra a zone Sifonamento 14
Tous Spagna 1980 1982 77 50 Rocce
sciolte
Organi scarico insuff.
20
Belci Romania 1982 1991 18 12 Terra
Organi scarico insuff.
20
In tempi recenti, il crollo della diga Gauhau, Cina, avvenuta nel 1993 ha provocato la morte di 1000 persone oltre a significative perdite economiche. Nel 1998, la rottura della diga Aznalcollar in Spagna ha addirittura causato la dispersione di sostanze tossiche nel fiume Guadiamar. In Germania, nel maggio 1999, il crollo di una diga ha comportato un miliardo di euro di danni e fortunatamente solo quattro morti (CADAM, Final Report February 1998 -
January 2000).
Grazie ad un'efficace pianificazione dell'emergenza e ad una studiata organizzazione delle misure preventive, le conseguenze di eventi potenzialmente catastrofici possono essere ridotte e, di seguito, può essere fortemente ridimensionato il rischio totale che compete ad un'opera. Attualmente, il rischio potenziale di collasso di una grande diga è circa di 1/10.000 per anno (ICOLD, Role of dams in the 21th Century to achieve a sustainable developement target, Agosto 2005). Gestire correttamente e minimizzare il pericolo è diventato, soprattutto
negli ultimi anni, un obbligo piuttosto che una scelta. Per obbedire alle importantissime richieste di mitigazione del rischio, dunque, la modellazione idrodinamica della propagazione della piena è il solo strumento che può essere usato. Paradossalmente, poiché disponiamo già di efficaci modelli numerici che permettono di valutare le zone inondate da una data piena, potremmo dire di aver risolto il problema più grande; purtroppo non è così. Tali modelli necessitano di condizioni al contorno che, nello specifico di strutture in materiale sciolto, sono rappresentate dall'idrogramma in uscita dalla breccia.
Ecco che abbiamo messo in luce le motivazioni del così grande interesse mostrato sul tema che stiamo iniziando ad affrontare. Sono proprio le condizioni di ingresso ai modelli di propagazione quelle che, ancora oggi, contengono le più grandi incertezze rispetto a tutti gli altri aspetti coinvolti nella rottura di una diga.
L'aspetto veramente cruciale, che consente di mettere in atto la gestione del pericolo d'inondazione, è la profonda comprensione del comportamento delle varie opere di ritenuta. Si richiede di analizzare non solo le condizioni normali d'esercizio ma anche di testare le performances della struttura sotto condizioni di carico estreme e differenti scenari (piene eccezionali, terremoti, etc.). Rispondere alle domande quali “come e quando potrebbe avvenire il crollo di questa struttura?” oppure “quale sarà l’idrogramma d’efflusso che si propagherà a valle?” o ancora “in che modo si svilupperà la breccia e con quale rapidità si avrà il vuotamento del serbatoio?” significa riuscire a prevedere il valore dei parametri che intervengono nella formazione della breccia e, in più, essere capaci di legarli all’efflusso. Significa, in definitiva, creare un buon modello di breccia.
1.3. I MOTIVI CHE CI SPINGONO AD APPROFONDIRE LA RICERCA
E’ sufficiente dare uno sguardo ai paragrafi successivi per renderci conto che il nostro interesse sul processo di rottura di una diga in materiale sciolto non è certo pionieristico. Di recente, tuttavia, si è nuovamente affermato che gli strumenti a disposizione non possono essere considerati adeguatamente precisi, in rapporto all’entità della questione che devono affrontare e risolvere (Chauhan, Bowles e Anderson, Utah State University, 2004). In tema di valutazione del rischio idraulico non è possibile accontentarsi di eventuali sovrastime nel calcolo dell’estensione di un’inondazione. Ciò che occorre è la maggiore accuratezza possibile e verosimiglianza del modello usato nei confronti della realtà ipotizzata.
Questo ed altri motivi, che elencheremo a breve, forniscono delle ottime giustificazioni alla nostra ricerca:
N ICOLD, nel 1986, riporta che in Europa si trovavano più di 3000 grandi dighe, circa l’8% del totale mondiale (la metà di tutte le grandi dighe si trova in Cina e circa il 15% negli USA). Il rischio per la rottura di opere di sbarramento create dall’uomo è distribuito in tutte le parti del mondo.
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Il numero di piccole e medie opere di sbarramento in materiale sciolto è moltoincrementato a partire dalle ultime decadi dello scorso secolo. Soprattutto nel caso di grandi invasi, il rischio per le vite umane è diventato troppo grande. Negli USA si è dimostrato (Graham, 1998) che circa il 90% delle morti causate da rotture di dighe è legato a strutture di piccole e medie dimensioni.
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L’idrogramma d’efflusso generato dalla rottura di una diga dipende dal fenomenoerosivo che si instaura. Tale fenomeno contiene ancora la maggiore incertezza tra tutti i temi che devono essere affrontati e risolti per una buona simulazione d’inondazione.
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L’accurata conoscenza dei passi temporali del fenomeno di rottura è di basilareimportanza per la gestione delle attività d’evacuazione e soccorso a valle di una diga, nel caso di crollo.
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Le stime delle potenziali perdite di vite umane e dei possibili danni economici sono estremamente sensibili alla scelta dei parametri di breccia usati nella modellazione di rottura ed inondazione.1.4. RACCOLTA DEL MATERAILE DI STUDIO
Ricercare lo stato attuale delle conoscenze nel proprio campo di studio è il primo passo necessario da compiere per avere uno strumento, il più aggiornato possibile, che ci permetta di lavorare con la massima efficienza. I mezzi attualmente a disposizione, quali internet, pubblicazioni su riviste scientifiche e contatti personali, hanno permesso di raccogliere un grande numero di informazioni che forniscono un quadro completo di questo complesso soggetto.
Gli aspetti teorici delle rotture di dighe e sbarramenti legate alla formazione di una breccia sono stati descritti e analizzati nei minimi particolari da molti ricercatori; questo ha prodotto l'individuazione di tutta una serie di parametri che ritroviamo nello svolgimento del presente lavoro.
In letteratura si trovano elencati i meccanismi principali che intervengono nel fenomeno studiato. La realizzazione di numerosi test di campo e di laboratorio, inoltre, ci indirizza nelle ulteriori mosse per la riproduzione fisica della realtà di un collasso e la validazione di vari modelli o formule empiriche. Da notare è anche la possibilità di poter consultare diversi database nei quali sono riportati tutti i dati che si sono potuti raccogliere sugli avvenimenti storici che hanno coinvolto le dighe di tutto il mondo. Tali dati sono all'origine di varie trattazioni statistiche messe a punto da numerosi studiosi.
Al di là degli aspetti tecnici propriamente detti, la raccolta della letteratura tecnica esistente consente di avere una rapida visione di tutti i soggetti, singoli o sotto forma di organismi di ricerca, che si sono dedicati nel tempo e sono ancora attivi nel settore del
