2. Descrizione dei modelli e delle prove sperimentali.
2.1 Apparato sperimentale.
Lo scopo del presente studio è quello di analizzare principalmente i meccanismi di rottura e i livelli di crisi raggiunti nelle rampe in varie fasi o incrementi successivi di portata (steep) nei test sperimentali svolti
Le sperimentazioni sono state eseguite presso il laboratorio di Idraulica del Dipartimento di Ingegneria Civile dell’Università di Pisa e per i test sono stati utilizzati due canali
denominati 1-D e 1-C.
2.1.1 Canale 1D.
Tale canale è costituito da un circuito chiuso composto da una vasca di aspirazione, da una pompa di sollevamento e da una vasca di calma, posta a monte.
Ha lunghezza di 3,5 m, sezione trasversale rettangolare di larghezza 25 cm e altezza 30 cm; le pareti sono costituite da plexiglas collegate da viti autofilettanti.
L’acqua che alimenta il canale è immessa nella vasca di calma attraverso una tubazione dotata di dissipatore allo sbocco; la tubazione è dotata di una valvola a saracinesca ad azionamento manuale, che permette la regolazione della portata.
Figura 2.2: foto della pompa e della vasca di calma.
A valle del canale è posta una vasca di raccolta dell’acqua dotata di due pannelli in acciaio, microforati, che permettono di ridurre la turbolenza dell’acqua scaricata.
La misura della portata è realizzata attraverso la scala di deflusso dello stramazzo triangolare in parete sottile ( figura 2.3 ), riportata di seguito:
10.448772 idr h 0.093268 2 idr h 0.000206 Q= ⋅ − ⋅ +
dove Q è la portata defluente espressa in l/s e hidr è l’altezza del carico idrico che insiste
Figura 2.3: stramazzo triangolare del canale 1D.
Il rilievo del fondo e del pelo libero viene effettuato mediante un coordinatometro di precisione 0.1 mm, scorrevole lungo l’intera lunghezza del canale.
Inoltre nel canale è presente una paratoia, regolabile manualmente, che permette la regolazione del livello idrico di valle.
2.1.2
Canale 1C.
Il canale 1C ha una lunghezza di 6m altezza 0.5m, e larghezza 0.35m e le pareti realizzate in vetro sono sorrette da una apposita intelaiatura di acciaio.
E’ inserito in un circuito costituito da una pompa di aspirazione e da una vasca di raccolta, posta a valle del canale stesso.
La vasca, di forma quadrata, ha dimensioni 1.5 x 1.5m x 1m di altezza , ed è divisa in due scomparti: l’acqua in uscita dal canale sfiora nello scomparto adibito a vasca di calma, da lì raggiunge il secondo scomparto, dal quale viene aspirata mediante una pompa ad asse orizzontale della potenza di 7.5KW, in grado di raggiungere portate fino ai 30l/s.
La regolazione della portata viene fatta manualmente agendo su due valvole a saracinesca posizionate subito a valle della vasca di aspirazione ( figura 2.4 ).
L’acqua che alimenta il canale è immessa attraverso una tubazione adduttrice in PVC di diametro 80 mm. Il canale è munito di due paratoie piane, regolabili manualmente, quella di monte è necessaria per ridurre le turbolenze del getto di immissione nel canale ,quella di valle per regolare il livello liquido nel canale stesso.
Le portate sono state misurate attraverso un misuratore elettromagnetico di portata della Krohne.
.
Figura 2.5: valvole di regolazione. Figura 2.6 Misuratore elettromagnetico di portata della Krohne.
2.2 Realizzazione
dei modelli sperimentali.
I modelli sperimentali sono stati realizzati all’interno dei canali di misura 1C e 1D. precedentemente descritti. Si compongono principalmente di una rampa in massi, di uno strato di sottofondo di riempimento posto sotto gli elementi che compongono la rampa e, a valle di quest’ultima, di un bacino di dissipazione opportunamente livellato e realizzato con differenti materiali ,i cui assortimenti granulometrici saranno dettagliati nel capitolo 3. La rampa in pietrame è stata realizzata con due strati di vari elementi, disposti in maniera irregolare, per una tratto di lunghezza pari a 40 cm e larghezza pari a 25 cm per il canale 1D, e per uno di lunghezza e larghezza pari rispettivamente a 100 cm e 35 cm per il canale 1C ,e di dimensioni e peso specifico differenti [ 14.2 mm≤ D50 ≤40.7 mm , 2450 kg/m3 ≤
γs≤ 10780 kg/m3] .
Figura 2.8: vista laterale della rampa nel modello 1 C.
Figura 2.9 : vista frontale e laterale della rampa nel modello 1 C.
Le pendenze della rampa utilizzate nei test nel canale 1 D [1V:3H , 1V:4H , 1V:6H , 1V:8H ] sono state ottenute variando la quota, rispetto al fondo del canale , della sommità di un cassone in lamiera fissato tramite appositi bulloni , e disponendo opportunamente il materiale di riempimento di sottofondo della rampa , il quale ha la stessa granulometria del bacino di dissipazione. In questo modello per aumentare la stabilità del sottofondo della rampa, sono state introdotte dei lamierini d’acciaio, disposti procedendo da monte verso valle con altezza decrescente. Inoltre quando il materiale di sottofondo presentava una
frazione troppo fine , per evitare l’asportazione e quindi l’erosione di quest’ultimo, è stato inserito, sotto i massi della rampa un telo di geotessile ( figura 2.11 ).
Geotessile su rampa
Figura 2.11 :realizzazione della rampa con l’inserimento di un telo di geotessile.
sottofondo fondo mobile del canale profili d'acciaio a L geotessile massi della rampa
Figura 2.12 :modello sperimentale nel canale 1 D.
Nel canale 1 C il modello è stato realizzato disponendo i massi sopra una lamiera d’acciaio, opportunamente inclinata e impermeabilizzata mediante adesivo siliconico e stucco idrofobo. La pendenza di quest’ultima è stata ottenuta variando, a monte del modello, la quota di sommità rispetto al fondo del canale di un cassone in lamiera.
Inoltre la superficie della lamiera di base è stata resa scabra mediante materiale fissato con adesivo siliconico. massi della rampa massi di sottofondo fondo mobile del canale lamiera d'acciaio
Figura 2.13 : modello sperimentale nel canale 1 C.
2.3 Caratteristiche e tipologie di rampe indagate.
I test sperimentali sono stati condotti su diverse granulometrie del materiale che compone la rampa e il fondo mobile del bacino di dissipazione .Gli assortimenti granulometrici di questi saranno dettagliati nel capitolo 3.
Le pendenze della rampa indagate sono: 1V:3H , 1V:4H , 1V:6H , 1V:8H. Le tipologie di rampe analizzate e descritte nei paragrafi seguenti sono:
• piede fisso • piede allungato • piede mobile
2.3.1
Rampa a piede fisso
La rampa a piede fisso nei test è realizzata attraverso l’introduzione ,al piede di questa ,di un lamierino ad L di spessore pari a 1mm e di larghezza pari a quella del canale.
Questo supporto rigido posto alla base è stato disposto per impedire alla prima fila di massi di scivolare nella buca di scavo che si viene a formare in quella zona. Di conseguenza, per questa tipologia di rampa, la rottura non potrà mai avvenire per eccessivo scavo e scalzamento alla base. Nelle figure seguenti sono riportati schemi e foto per questa tipologia di rampa. massi della rampa sottofondo fondo mobile del canale
Figura 2.14: modello sperimentale di rampa a piede fisso nel canale 1 D.
lamiera d'acciaio fondo mobile del canale profilo a L massi di sottofondo massi della rampa
Piede fisso
Figura 2.16: foto di rampa a piede fisso.
2.3.2
Rampa a piede allungato.
La rampa a piede allungato è stata realizzata prolungando il piede nel bacino di dissipazione, e quindi lo strato di massi, ad una profondità maggiore rispetto allo scavo massimo che si può riscontrare o prevedere.
Quindi l’instabilità degli elementi che costituiscono la rampa , come per le rampe a piede fisso, potrà avvenire per erosione diretta di questi , quando la corrente è sufficientemente forte da strappare i massi dalla formazione favorendo anche altri meccanismi di rottura
lamiera d'acciaio fondo mobile del canale massi di sottofondo massi della rampa
Figura 2.18: modello sperimentale di rampa a piede allungato nel canale 1 C.
Piede allungato
Figura 2.19: foto di rampa a piede allungato.
2.3.3
Rampa a piede libero.
In questa tipologia , a differenza delle altre , il piede non viene protetto da alcun supporto fisso o altri accorgimenti costruttivi.
Quindi per scavi alla base di una cerca entità, questo tipo di rampa può ad andare incontro ad una instabilità per fenomeni di scalzamento al piede, come riportato nelle figure
massi della rampa
sottofondo
fondo mobile del canale
Figura 2.20: modello sperimentale di rampa a piede libero nel canale 1 D.
massi della rampa massi di sottofondo fondo mobile del canale lamiera d'acciaio
Figura 2.21: modello sperimentale di rampa a piede libero nel canale 1 C.
Piede libero
2.4 Modalità
di
esecuzione
delle prove sperimentali.
Le modalità di esecuzione delle prove sono state analoghe per tutti i modelli utilizzati e per ogni tipo di rampa indagata.
Una volta sistemato il materiale di fondo del canale , spianandolo e livellandolo,e realizzato opportunamente lo strato di sottofondo, è stata costruita la rampa con la pendenza desiderata.
La verifica dell’esatta pendenza longitudinale di quest’ultima è stata eseguita misurando il dislivello tra la sommità e la base. Inoltre posando sul materiale precedentemente steso un’asta rigida e’ stato controllato , tramite la stessa, che non esistessero sulla rampa accumulo o avvallamenti di materiale.
Quindi si è effettuato il rilievo dell’altezza del fondo iniziale mediante coordinatometro con precisione del decimo di millimetro. Per evitare che la punta dell’idrometro penetrasse nel materiale di fondo è stato inserito su questa un cilindro di diametro pari a 1 cm, che permetteva di avere una misura più precisa.
Il fondo è stato rilevato sia trasversalmente che longitudinalmente.
Le sezioni di misura in senso longitudinale sono state scelte a distanza variabile tra 5 e 15 cm, più fitte ai piedi della rampa e sulla stessa per avere una descrizione il più possibile precisa dell’evoluzione dei profili altimetrici in corrispondenza delle varie rotture.. Trasversalmente, sono state misurate cinque quote sia nel 1-D e cinque nel 1-C, prese simmetricamente rispetto all’asse del canale. Queste misure sono state mediate in modo tale da avere una quota media del fondo.
A4 A3 A5 Se zi oni di mis u ra A1 A2
Rilevato il fondo iniziale, è stata avviata la pompa e aperta la valvola di regolazione della portata, facendo defluire sulla rampa un tirante idrico minimo.
Successivamente la portata è stata incrementata gradualmente, mediante step successivi di circa 0.3-0.5 l/sec.
L’intervallo di tempo ∆t tra incrementi successivi di portata, è stato fissato in 5 minuti, tenendo conto del tempo necessario per la stabilizzazione del flusso sulla rampa ed analizzando i risultati di alcuni test specifici che sono stati svolti e riportati nel capitolo 5. Quindi,durante lo svolgimento delle prove, procedendo per step di portata nelle modalità e nei tempi [∆t= 5 minuti ] che sono state precedentemente descritti, sono state misurate e annotate le portate in corrispondenza dei seguenti livelli di crisi raggiunti nella rampa:
• inizio movimento • rottura locale • rottura globale • rottura ultima
Nel presente studio si parla di inizio movimento quando uno o più elementi isolati ( da 1-4 elementi) della rampa abbandonano la loro posizione originaria e percorrono, rotolando o saltellando, il corpo della rampa arrestandosi a valle di questa.
La rampa si considera rotta localmente quando almeno una decina di elementi contigui , costituenti la rampa,abbandonano la configurazione iniziale,lasciando sulla rampa una impronta circolare o semicircolare.
Figura 2.22: rottura locale.
Si parla di crisi globale quando si verificano contemporaneamente vari fenomeni di rottura locale in diverse zone della stessa .
La prova si ritiene conclusa quando la rampa ha raggiunto la rottura ultima .
In corrispondenza di questa crisi si assiste ad un drastico e rapido cambiamento dell’assetto della rampa in quanto si verifica la scopertura del fondo in più punti e a una variazione della sua geometria.
Figura 2.24: rottura ultima.
Queste instabilità saranno descritte e analizzate dettagliatamente nel capitolo 5. Per ogni fase di instabilità,per correlare i meccanismi di rottura con l’evoluzione
altimetrica della rampa, sono stati effettuati dei rilievi del fondo e delle misure di altezza liquida. In corrispondenza delle varie rotture analizzate sono state effettuate delle foto della rampa , frontali e di profilo, e dei filmati, per documentare le elaborazioni successive.
