2. Il fenomeno dello scavo
2.1 Premessa
Come accennato in precedenza, l’inserimento in alveo di un’opera trasversale, quale una briglia o una soglia, modifica le caratteristiche del moto in prossimità dell’opera e determi-na un fenomeno erosivo di tipo localizzato a valle di essa.
Quindi, le motivazioni che hanno spinto numerosi ricercatori e studiosi ad occuparsi di tale fenomeno mediante un approccio di tipo sperimentale, sono molteplici.
Innanzitutto si rende necessario il controllo rigoroso dell’evoluzione morfologica dell’alveo stesso in maniera globale, senza poter prescindere dalla considerazione che, questo fenomeno, può provocare lo scalzamento di tali manufatti provocandone instabilità. Con questi studi, quindi, si dà la possibilità al progettista di poter disporre di formule empi-riche che egli può utilizzare al fine di effettuare dimensionamenti nei confronti di opere ac-cessorie a valle di tali manufatti, per prevenire o contenere entro certi limiti, i danni conse-guenti al verificarsi di tale fenomeno.
I dimensionamenti talvolta si sono rivelati eccessivi, a causa della carenza di studi eseguiti in tal senso, ecco perché cautelativamente si è cercato di costruire dei bacini di dissipazio-ne in rilevato (mediante la costruziodissipazio-ne di controbriglie) o in scavo, costruzioni che hanno comportato un notevole aggravio dei costi proprio perché sovradimensionati.
Da qui, appunto, la necessità di effettuare prove di laboratorio su modelli in scala ridotta per ricercare delle correlazioni empiriche in grado di prevedere l’entità dell’escavazione attesa.
Fase I
Inizialmente il getto manifesta una forte azione erosiva sul fondo soprattutto a causa dei vortici che, con la loro azione tangenziale, vanno a rimuovere i sedimenti.
La rimozione avviene quando le tensioni tangenziali al fondo superano quella critica di in-cipiente rimozione;
Fase II
Nei primi istanti di tempo si manifesta un repentino approfondimento dello scavo e un al-lontanamento dal piede della briglia del punto di profondità massima; comunque la forma dello scavo (prevalentemente bidimensionale) rimane sempre simile a se stessa nonostante le sue dimensioni crescano proporzionalmente nel tempo;
Fase III
Con il trascorrere del tempo, a causa dell’approfondimento dello scavo, si manifesta una diminuzione delle azioni tangenziali sul fondo a causa dell’aumento del tirante idrico al suo interno;
Fase IV
Raggiungimento di un valore limite della profondità di scavo (valore asintotico) nel mo-mento in cui il materiale non viene più asportato e le tensioni tangenziali al fondo scendo-no al di sotto del valore critico relativo al materiale di fondo.
Si riporta qui di seguito un grafico tipo che mostra l’andamento temporale della profondità di scavo al trascorrere del tempo. E’ relativo ad una delle prove eseguite sulla briglia in gabbioni in corrispondenza di una portata Q pari a 7 l/sec. Si può notare il valore asintotico cui tende lo zmax al di sopra dei 15 minuti dall’inizio della prova.
Figura 2.2.1 Andamento temporale della profondità di scavo
2.3 Il risalto idraulico
Al piede delle briglie in massi e in gabbioni (ma in generale al piede di qualsiasi manufat-to), si manifesta il passaggio dalla condizione di corrente veloce a quella di corrente lenta. Tale trasformazione si presenta con un brusco sopraelevamento del pelo libero denomina-to risaldenomina-to idraulico.
Questo improvviso rigonfiamento è responsabile della trasformazione di una parte dell’energia cinetica in energia potenziale con conseguenti e rilevanti fenomeni dissipativi che assorbono, talvolta, anche una notevole aliquota di energia.
1. Se Δ è contenuto (cioè y2 e y1 sono all’incirca uguali), il risalto si dice ondulato ed è
costituito da una successione di ondulazioni (onde stazionarie) del pelo libero di en-tità progressivamente decrescente. Questo tipo di risalto dà luogo a perdite di ener-gie minime.
2. Se Δ ≥ 2 il processo cambia decisamente aspetto: il sollevamento ha sede in un trat-to di corrente di lunghezza finita Lr ed è sempre accompagnato dalla formazione di
un vortice ad asse orizzontale detto roller. Nelle prove effettuate ho potuto notare che talvolta questo tipo di risalto si è formato quando il tailwater a valle era piutto-sto basso.
3. In molte prove, mediante la chiusura parziale della paratoia all’estremità del canale, è stato incrementato il livello del tailwater; il vortice si è spostato controcorrente ed è finito per ricoprire quasi interamente il tratto di corrente veloce al piede delle bri-glie.
Questo tipo di risalto viene detto annegato e determina notevoli dissipazioni ener-getiche.
In riferimento ad un fondo alveo non erodibile, le forme e le caratteristiche del risalto di-pendono da:
a. valore del numero di Froude della corrente veloce di monte; b. valore della pendenza di fondo;
c. forma della sezione trasversale.
In seguito a numerose indagini teoriche e sperimentali, l’impostazione analitica del pro-blema rimane quella di Bresse che ha proposto l’applicazione dell’equazione globale dell’equilibrio dinamico al volume di controllo compreso tra la sezione 1 di corrente velo-ce di monte e la sezione 2 di corrente lenta a valle nel caso di alveo cilindrico con fondo orizzontale e trascurando le perdite di energia legate alla resistenza di contorno:
Π1+M1=Π2+M2
Nel caso di alveo a sezione rettangolare proiettando l’equazione (2.1) nella direzione del moto, utilizzando l’equazione di continuità e risolvendo rispetto al rapporto y2/y1, si ottiene
la seguente equazione di secondo grado:
=0 (2.1)
di cui ci interessa la sola radice positiva:
(2.2)
avendo indicato con F1 in numero di Froude della corrente veloce avente tirante idrico pari
a y1.
Mediante l’equazione alle differenze finite si provvederà alla costruzione del profilo liqui-do relativo al caso in esame.
Il risalto sarà localizzato nel punto in cui la spinta totale della corrente lenta di valle Stv è
pari alla spinta totale Stm della corrente veloce di monte.
Quindi, utilizzando la (2.2) si può determinare la y2; questa altezza diventa punto obbligato
di passaggio (sezione di controllo) del profilo M2 che si forma a valle del risalto che,
ov-viamente, viene costruito da valle con il metodo alle differenze finite in quanto la corrente è lenta.
