6.4 - TRAVERSA DI SBARRAMENTO
6.4.1 - CRITERI DI SCELTA
La traversa oggetto di studio è localizzata in una sezione del Serchio posta circa 100 metri a valle della confluenza del torrente Edron, lungo un tratto del fiume, incassato fra l’ ammasso roccioso della Capriola ed un declivio di notevole pendenza, che termina con la stretta della Sambuca. Questa si configura come un vero e proprio orrido stretto ed accidentato attraverso il quale il Serchio si apre la strada verso valle. La morfologia della zona è dunque particolarmente accidentata e questo determina condizioni idrauliche e dinamiche geomorfologiche difficilmente prevedibili. In particolare le confluenze sono soggette a comportamenti idraulici mutevoli e difficilmente studiabili se non tramite esperienze su modello. Occorre inoltre considerare l’ elevata franosità dei terreni acclivi in riva sinistra e il rischio reale, verificatosi periodicamente, di cadute di massi dalla Capriola con ostruzione parziale del corso del fiume.
Il controllo di tutte queste variabili richiederebbe un impegno economico progettuale e tecnico non ripagato dal modesto bilancio economico della centrale idroelettrica che si desidera realizzare.
Il terreno di fondazione sul quale è impostata la traversa è di natura alluvionale per cui al mutare delle condizioni idrauliche si presentano problemi connessi con lo scalzamento delle fondazioni del manufatto, con il sifonamento ed il conseguente cedimento del manufatto stesso.
Le sollecitazioni differenziali sul terreno e le deformazioni conseguenti tendono a variare gradualmente con il tempo e si ritiene più idoneo adottare strutture che via via possano adattarsi alle nuove situazioni con la minima perdita di stabilità e funzionalità possibile.
Come risulta dall’ esame di manufatti ed opere già realizzate in situazioni analoghe a quella in esame, le opere rigide, pur potendo esplicare in un primo tempo la massima efficacia, sono le prime ad essere compromesse. Pertanto si ritiene opportuno adottare una struttura in gabbioni la quale possiede il pregio di una maggiore flessibilità che permette all' opera di adattarsi ai cedimenti e di sopportare anche elevate deformazioni senza per questo perdere la sua funzionalità.
Con una struttura in gabbioni è inoltre possibile attuare con facilità in qualsiasi momento le modifiche, le riprese, le riparazioni, i rafforzamenti eccetera che possono via via rendersi necessari. Nel caso in esame anche se l’ opera ha una base d’appoggio notevole ed un’ altezza ridotta e quindi il pericolo di cedimenti è minimo, sono sempre possibili dei piccoli assestamenti che sarebbero molto pericolosi per una struttura di tipo rigido mentre sono assolutamente trascurabili per una struttura in gabbioni. Altro vantaggio decisivo ai fini della scelta del tipo di struttura, visto la limitata mole dell’ opera è la possibilità di fondare la struttura in gabbioni direttamente senza fare ricorso a fondazioni profonde senza le quali qualsiasi struttura rigida sarebbe destinata a rovinare.
Le uniche perplessità che possono sorgere sono legate al comportamento delle superfici metalliche soggette all’ abrasione per il passaggio dell’ acqua e dei materiali solidi trasportati ed alla stabilità del riempimento. Per ovviare a tale inconveniente si prevede di sigillare la superficie dell’ opera con mastice bituminoso. L’ impermeabilizzazione della struttura con idonee miscele bituminose fornisce un’adeguata protezione alla rete metallica contro l’ azione abrasiva del materiale solido trasportato dall’ acqua e contro l’ azione dinamica dell’ acqua stessa al piede dello scivolo; essa inoltre evita i moti filtranti nei gabbioni sottostanti e quindi limita il rischio d’eventuale asporto del materiale di riempimento; i maggiori percorsi idraulici di filtrazione che ne conseguono hanno poi un effetto attenuante sul fenomeno del sifonamento. Il sifonamento, che per valori critici di velocità e di portata può determinare il trascinamento dei materiali del subalveo fino a provocare la fluidificazione dello stesso, deve essere eliminato con opere da porsi al di sotto della traversa così da modificare il gradiente idraulico in relazione alla natura dei terreni.
Tenuto conto di tutte queste considerazioni preliminari si è previsto:
- uno sbarramento, in gabbioni rivestito come suddetto, con pareti di valle e di monte inclinate, il quale offre maggiori garanzie sotto l’aspetto idraulico e statico di uno sbarramento con pareti verticali.
- idonei muri d’ ala, anch’ essi in gabbioni impermeabilizzati con mastice bituminoso, al fine di evitare moti di filtrazione aggiranti le estremità della traversa.
- un bacino di dissipazione, rivestito anch’ esso, in modo da scongiurare fenomeni erosivi a valle della traversa che ne potrebbero compromettere la stabilità. Esso ha poi un effetto benefico sul sifonamento.
- due diaframmi affondati in corrispondenza del manufatto con la funzione di contrastare la formazione di correnti al di sotto del manufatto stesso allungando il percorso delle linee di flusso. Tali diaframmi sono ammorsati e proseguiti all’ interno delle sponde per alcuni metri.
- una palificata con pali trivellati collegati in testa da un cordolo in c.a. immerso nella struttura in gabbioni. La palificata ha lo scopo di opporsi allo scorrimento della struttura ma di tale effetto non si terrà di conto nelle verifiche statiche.
planimetricamente la traversa è curvilinea con elevato raggio di curvatura e concavità verso valle così da sfruttare l’effetto arco al fine di migliorare le condizioni di stabilità dell’ intero manufatto. Tale effetto non sarà considerato nelle verifiche statiche.
6.4.2 - IPOTESI DI CALCOLO
Gli sbarramenti con scivolo a valle possono essere assimilati agli sbarramenti in muratura a secco. Il calcolo riesce così alquanto semplificato, poiché non ha più senso parlare di verifiche di ribaltamento, mentre le verifiche di resistenza della struttura in gabbioni sono superflue una volta che sia soddisfatta la verifica allo schiacciamento del terreno di fondazione; è bene che la distribuzione delle tensioni sul suolo sia pressoché uniforme in ogni condizione di esercizio dello sbarramento.
Una volta fatta l’ analisi dei carichi le verifiche sono eseguite nelle condizioni più gravose e sono:
• verifica allo scorrimento orizzontale.
• verifica di resistenza del terreno di fondazione.
• verifica al galleggiamento della platea del bacino di dissipazione.
• verifica al sifonamento.
Noti i risultati degli studi idrologici ed idraulico si procede all’ analisi dei carichi e alle verifiche. Le verifiche sono state effettuate tramite un foglio EXEL
appositamente sviluppato che ha consentito di reiterare facilmente le successive fasi progettuali e di variare le condizioni idrauliche di progetto.
Il foglio di calcolo è costituito da 4 parti:
• definizioni delle proprietà dei materiali e del terreno d’ alveo.
• dichiarazione delle condizioni idrauliche di calcolo e della geometria della struttura.
• calcolo delle forze e dei momenti in gioco.
• esecuzione delle verifiche.
Di seguito alleghiamo gli schemi descrittivi delle condizioni di calcolo mentre per i risultati delle verifiche si rimanda alla consultazione delle tabelle di calcolo negli Allegati.
Le condizioni idrauliche di calcolo sono 3:
• condizione di lavoro: livello idrico a monte alla quota di ritenuta e livello idrico a valle alla quota di deflusso minimo vitale.
• condizioni di deflusso della portata di massima piena avente tempo di ritorno di 200 anni: si veda l’ analisi idraulica. In particolare si noti come la traversa sia interamente rigurgitata da valle.
• condizioni di deflusso della portata di piena che non da luogo al rigurgito della traversa: stimata in 600 mc/s.
6.4.3 - VERIFICHE
Le forze agenti su una traversa variano nel tempo, man a mano che si verifica l’interrimento dell’ alveo a monte di essa; sarà quindi opportuno prendere in esame le due situazioni estreme: quella iniziale, quando a monte non c’è alcun interrimento e quella finale, quando è avvenuto il completo interrimento. Per il dimensionamento statico si prende in esame un tronco di traversa di lunghezza unitaria, prescindendo, a vantaggio di sicurezza dalla presenza dei tronchi contigui. Si consideri lo schema di figura 6.4.3.1
figura 6.4.3.1
Prima fase (prima dell’ interrimento)
Le forze agenti fino al piano della risega di fondazione sono:
• Spinta idrostatica sul paramento di monte e di valle. Swm e Swv.
• Peso della lama stramazzante che insiste sopra la soglia di sfioro e paramento monte. Pw.
• Peso proprio della briglia. SP.
• la Sottopressione. Vw.
• Spinta terreno a valle. Sav.
Seconda fase (interrimento avvenuto)
In ogni punto del paramento a monte della traversa agisce una pressione normale totale, pari a quella effettiva esercitata dal terreno imbibito d’ acqua e della pressione interstiziale dell’ acqua, detta pressione neutra. Le risultanti di tali
pressioni elementari rappresentano la spinta esercitata dal terreno e quella esercitata dall’ acqua. Se il materasso alluvionale retrostante raggiunge le condizioni di saturazione, la spinta da esso esercitata risulta pari a quella di un terreno saturo e la spinta dell’ acqua pari a quella idrostatica.
Le forze agenti in aggiunta fino al piano della risega di fondazione sono:
• Spinta terreno sul paramento di monte. Sam.
• Peso terreno sul paramento monte. Pt.
Condizione particolare di rigurgito da valle
In questa condizione particolare la briglia è rigurgitata da valle sotto un tirante d’ acqua notevole. Occorre considerare il benefico peso dell’ acqua sul paramento di valle.
Pesi materiali
• Acqua: gw = 1000 Kg/mc, per l’acqua torbida arriva fino a 1100 Kg/mc.
• Gabbioni: gg = gs (1-n)
dove gs è il peso specifico del materiale roccioso, assunto come un misto di basalto e arenaria, e pari a 2500 Kg/mc; n è la porosità e vale 0,3. In conlcusione si assume gg = 1750 Kg/mc.
Se il gabbione è saturo di acqua avremo: gg1 = gs (1-n) + n gw , pari a 2050.
• Terreno: assumiamo un gt = 2500 Kg/mc, nelle diverse condizioni avremo: Terreno asciutto: gto = gt (1-n) = 1750 Kg/mc
Terreno saturo d’ acqua: gt1 = gt (1-n) + n gw = 2050 Kg/mc Terreno immerso in falda: gtw = (gt - gw) (1-n) = 1050 Kg/mc
Coefficienti spinta terreno
Assunto per il terreno incoerente d’ alveo un coefficiente di attrito f'=35° avremo: Ka = 0.295
Kp = 3.392
Sottospinta idraulica
Si ammette una distribuzione idrostatica di pressione sulle pareti di monte e di valle, la sottospinta Vw è la risultante del diagramma trapezio o al limite triangolare delle pressioni.
Verifica allo scorrimento
Si considera l'angolo f' = 33°
Tlim = (SP + Pw + Pt -Vw) tanf' Tes = StotM - StotV
FS = Tlim / Tes se > 1,3 la verifica è soddisfatta
Verifica del terreno di fondazione
La verifica è stata eseguita sia con il metodo del trapezio delle tensioni e l’ assunzione di un tensione ammissibile per il terreno, sia con la formula trinomia di Terzaghi. L’ ultimo metodo peraltro ha il vantaggio, tramite l’ uso di opportune coefficienti correttivi, di contemperare o meglio contenere la necessaria verifica a taglio del terreno essendo una verifica generale della sua portanza.
Formula di Terzaghi
qlim = Nq g D + Nc c’ + Ngg B/2
considero le condizioni drenate ed introduco i coefficienti x per i carichi inclinati. Nq = 18.401 Nc = 30.14 Ng = 22.402 x q = (1-qh/(qv+c cotg f))m = 0,790 x c = x q -(1-x q)/ Nc*tgf = 0,780 x q = (1-qh/(qv+c cotg f))m+1 = 0,694 B' = B - 2e qv = (SP-Vw) /B' qh = (StotM - StotV)/B' m = (2+B'/L)/(1+B'/L) D = 1.47 m g = 1,05 t/m3 147
qlim = xq Nq g D + xc Nc c’ + Ngg B/2 qes =(SP + Pw + Pt -Vw) /B’
FS = qlim / qes se > 2 la verifica è soddisfatta
Verifica al galleggiamento della platea del bacino di dissipazione
Con riferimento alla fig., la sottopressione P calcolata in un punto della platea è: P = gw [zo - ((zo - z3) y / Lf) -zx]
detto
h (m) = profondità dell'acqua sulla platea, s (m) = spessore della stessa.
Si definisce coefficiente di sicurezza Sg al galleggiamento della platea il rapporto: Sg = (gg1 s + gw h) / p
Per Sg si ritengono accettabili valori di 1,1 - 1,2.
Verifica al sifonamento del terreno di imposta
Il dislivello provocato dalla presenza della briglia determina un deflusso filtrante, sotto ed ai lati dell'opera, che potrebbe causare l'asportazione del materiale fine di fondazione.
Per un dimensionamento preliminare, al fine di evitare il pericolo di sifonamento dell'opera, si deve verificare che lo sviluppo complessivo L del percorso di filtrazione sotto ed ai lati dell'opera soddisfi alla relazione:
1/3 Lorr + Lvert > c Dh
Dh (m): dislivello fra i peli liberi a monte e a valle dello sbarramento.
c : coefficiente che dipende dalla natura del terreno (vedi tabella seguente):
La verifica al sifonamento è garantita dal lungo sviluppo dei percorsi di filtrazione, dovuto alla estensione della platea del bacino di dissipazione, nonché alla presenza di diaframmi verticali e di un rivestimento d'alveo a monte della traversa.
6.4.4 - CALCOLO IDRAULICO DEL BACINO DI DISSIPAZIONE
Da esperienze condotte a termine sopra modelli di laboratorio e sopra prototipi si è potuto constatare che le condizioni più gravose relativamente al proporzionamento ed alla verifica idraulica della traversa e del bacino di dissipazione posto a valle solitamente non si manifestano per la portata di massima piena ma per situazioni idrologiche intermedie. Infatti per la portata di massima piena non si presentano condizioni critiche di moto ne sulla traversa ne sulla controtraversa di valle e la corrente si mantiene ovunque lenta. Viceversa si ha la formazione di correnti veloci lungo lo scivolo e di conseguenza la formazione del risalto idraulico a valle della traversa per valori più modesti (e più frequenti) della portata di piena. La valutazione delle caratteristiche geometriche ed idrauliche del risalto che si forma al piede dello scivolo della traversa e quindi la determinazione delle altezze coniugate e della lunghezza del risalto stesso dovrebbero essere condotte a termine utilizzando le classiche relazioni relative al fenomeno che si ha quando una corrente veloce si trasforma bruscamente in una corrente lenta.
Il fenomeno sopra descrito si verifica solitamente nei tratti vallivi dei corsi d’ acqua dove l’ alveo si mantiene a debole pendenza anche per le portate di massima piena, e l’ altezza di moto uniforme di valle rigurgita la traversa.
Il Serchio nel tratto di studio si presenta invece a forte pendenza al deflusso delle portate di piena più elevate e pertanto sarebbe da escludere un rigurgito da valle. Nella situazione specifica della traversa di sbarramento alla Capriola il profilo di rigurgito d’alcune portate di piena è invece influenzato da valle, ovvero dalla stretta della Sambuca che circa 430 metri più a valle ostruisce quasi completamente il corso del Serchio. In particolare sopra una certa soglia di portata prima la controtraversa e poi il bacino di dissipazione e la stessa traversa sono rigurgitati da valle. Non è dunque possibile fissare tale soglia se non analizzando globalmente il comportamento idraulico dell’intero tronco fluviale che si origina da una sezione di monte, dove è ragionevole supporre il moto uniforme su entrambi i tronchi di confluenza, e termina in una sezione di valle dove si può ritenere sempre uniforme.
I calcoli idraulici sul tratto del corso d’acqua esaminato sono stati eseguiti a moto permanente gradualmente variato utilizzando il programma HEC-RAS (v. 3.1.3).
Il dimensionamento del bacino è stato fatto reiterando l’analisi idraulica per differenti geometrie del bacino di dissipazione e della controtraversa fino a trovare quella che ha garantito la formazione di un risalto nel bacino per qualsiasi valore di portata di massima piena fino a quella duecentennale.
Considerato che la portata di massima piena con tempo di ritorno duecentennale vale 1146 mc/s, le portate di calcolo sono:
Qmax (mc/s) 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
La determinazione del profilo teorico è ottenuta tramite l'applicazione del cosiddetto "Standard step method". Il coefficiente di scabrezza assunto vale 0.025. Di seguito si mostrano i profili relativi alle portate di:
- 100 mc/s - 600 mc/s - 700 mc/s - 800 mc/s - 1200 mc/s
In particolare si evidenzia come tra 500 e 600 mc/s avvenga il rigurgito da valle della controtraversa.
La geometria definitiva prevede un bacino di dissipazione di lunghezza pari a 15 metri con controtraversa di altezza 0.8 m.
810 820 830 840 850 348 350 352 354 356
def capriola Plan: Qmax gap Q = 200 mc/s
Main Channel Distance (m)
E le va tio n (m ) Legend EG PF 2 Crit PF 2 WS PF 2 Ground Serchio Servalle 810 820 830 840 850 348 350 352 354 356
def capriola Plan: Qmax gap Q = 600 mc/s
Main Channel Distance (m)
E le va tio n (m ) Legend EG PF 11 EG PF 6 Crit PF 11 Crit PF 6 WS PF 11 WS PF 6 Ground Serchio Servalle 152
810 820 830 840 850 348 350 352 354 356
def capriola Plan: Qmax gap Q = 700 mc/s
Main Channel Distance (m)
E le va tio n (m ) Legend EG PF 7 Crit PF 7 WS PF 7 Ground Serchio Servalle 810 820 830 840 850 348 350 352 354 356
def capriola Plan: Qmax gap Q = 800 mc/s
Main Channel Distance (m)
E le va tio n (m ) Legend EG PF 8 Crit PF 8 WS PF 8 Ground Serchio Servalle 153
800 810 820 830 840 850 860 348 350 352 354 356 358 360
def capriola Plan: Qmax gap Q = 1200 mc/s
Main Channel Distance (m)
E le va tio n (m ) Legend EG PF 12 Crit PF 12 WS PF 12 Ground Serchio Servalle 154
