Capitolo 3

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Capitolo 3

Studio idraulico.

3.1 Problematiche dello stato attuale.

L‟analisi dello stato attuale è stata condotta per determinare l‟adeguatezza o meno del corso d‟acqua a contenere la massima portata in transito. Per far ciò abbiamo quindi effettuato più simulazioni, tramite il software HEC-RAS, del passaggio delle portate massime relative alle durate di pioggia di 0.5, 1 e 1.5 ore e con un tempo di ritorno due centennale; le altezze liquide risultate nell‟alveo hanno scarti fra le varie durate non significativi e dunque è stata scelta la durata critica di 1.5 ore, che produce il massimo deflusso nel tratto a maggiore criticità.

Tali simulazioni sono state effettuate considerando il moto permanente, con portata pari a quella massima al colmo e avendo costruito un modello idraulico del reticolo idrografico, con le sezioni dei corsi d‟acqua, le pendenze, la scabrezza dei vari tratti.

La portata è stata fatta variare linearmente lungo il corso d‟acqua, seguendo il modello idrologico proposto nel precedente capitolo.

Per la schematizzazione del sistema in esame sono stati adoperati i seguenti dati:

• Geometria delle sezioni rilevate (mediante la definizione delle coordinate dei punti del contorno dell‟alveo rispetto a un sistema di riferimento ben definito);

• Distanza fra le sezioni adiacenti;

• Coefficienti di scabrezza (con la possibilità di inserire valori differenti di tali coefficienti per quanto riguarda le sponde e il fondo);

• Condizioni al contorno (quali per esempio, l‟altezza liquida nella sezione di sbocco e le equazioni mediante le quali si definiscono i livelli idraulici in corrispondenza delle confluenze fra i vari corsi d‟acqua; in particolare nel modello utilizzato si sono

utilizzate le equazioni dell‟energia).

I dati geometrici che contengono le informazioni atte a caratterizzare il corso d‟acqua vengono inseriti nella sezione riguardante „Geometric Data‟.

Il codice di calcolo HEC-RAS 4.0 impone di individuare per ogni sezione l‟ascissa limite sulla sponda destra e sulla sponda sinistra (nel programma questi due punti sono i „bank

station’), cioè l‟ascissa dei punti che hanno ordinata di valore maggiore per la sponda

destra e sinistra rispettivamente; se in un certo tratto la sezione del corso d‟acqua non è sufficiente al deflusso della portata di progetto il livello del pelo libero viene calcolato dal programma come se ci fossero due paramenti verticali nei punti di ascissa limite. In tale condizione non appena si supera la quota del rilevato arginale si ha l‟esondazione del corso d‟acqua e gli argini funzionano come sfioratori laterali.

Modellando in tal modo lo “stato attuale” si trovano i profili nei vari canali del reticolo idrografico (relativi alle portate massime generate da eventi due centennali) e si evidenziano le zone di crisi che dovranno essere oggetto di sistemazione.

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Fig 3.1 - Schema del bacino implementato su codice HEC-RAS 4.0.

I profili ottenuti in output hanno evidenziato un‟ inadeguatezza piuttosto diffusa delle sezioni attuali al contenimento delle portate due centennali. Possiamo notarlo dai profili dei corsi d‟acqua del bacino proposti nelle pagine successive. Per una lettura dei profili longitudinali si tenga presente che:

• Con la linea di colore blu e dunque l‟area colorata in celeste (a tratto continuo) è indicato il pelo libero.

• Con la linea viola e con la linea rosa sono indicati le sommità dei rilevati arginali posti in destra e sinistra idrografica.

• Con il colore verde è evidenziata la linea dell‟energia rispetto al fondo.

• Le zone colorate in grigio chiaro rappresentano i ponti che sono inseriti nel programma di calcolo sotto la voce „bridge‟ tra due sezioni conosciute del profilo.

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Fig.3.2 Profilo liquido del corso principale (Rio Certosa).

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Fig.3.4 Profilo liquido del Fosso Maggiano.

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minore di 1; nell‟Allegato 2 si riportano tutti i dati relativi alle sezioni trasversali in forma tabellare.

Le situazioni di totale inadeguatezza, che si rilevano lungo la maggior parte del corso principale e dei suoi affluenti, sono dettate dal fatto che l‟alveo ha una sezione non adatta allo smaltimento delle acque defluenti e la situazione è ulteriormente peggiorata dall‟impossibilità di un eventuale allargamento di sezione per tutto il tratto che scorre parallelo alla strada Sarzanese.

Infatti, la zona che parte dalla confluenza del Fosso Maggiano, anch‟esso affiancato alla strada e di sezione ridotta, fino al punto in cui il Certosa compie una curva a 90 gradi per dirigersi verso il Contesora, è quella che presenta i maggiori pericoli di esondazione.

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Fig. 3.7 Foto del tratto a maggiore criticità.

Qui la situazione è critica, perché arriva una portata di 75.33 mc/s d‟acqua in una sezione che è capace di smaltirne appena 10 mc/s.

In generale, comunque, si rileva un grosso pericolo di esondazione lungo tutto l‟alveo. Inoltre, è già presente una cassa di espansione alimentata da uno sfioratore laterale, posizionato nella sezione 131 a una quota di 20.93 m (s.l.m.) e di lunghezza pari a 5 m.Lo sfioratore smaltisce una portata di 1.35 mc/s e quindi toglie un aliquota irrisoria della portata che arriva da monte.

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3.2 Interventi proposti.

Con il presente studio si è intervenuto in maniera da garantire in ogni tratto dell‟asta fluviale un adeguato franco di sicurezza, onde evitare inondazioni delle aree circostanti. Le verifiche vengono effettuate confrontando i livelli liquidi scaturiti dai profili con i livelli delle sponde.

La difesa idraulica nei territori soggetti a rischio inondazioni si attua generalmente adottando i seguenti criteri:

• Operare in modo diffuso sul bacino attraverso l‟impiego di sistemazioni tese a ridurre i coefficienti di afflusso;

• Aumentare la capacità di portata del corso d‟acqua mediante il risezionamento e la rettifica di alcuni tratti dell‟alveo, il sopraelevamento degli argini, la riduzione della scabrezza;

• Ridurre la portata deviandone parte in altro corpo idrico mediante scolmatori o diversivi;

• Ridurre la portata mediante temporaneo immagazzinamento di parte del volume dell‟onda di piena in serbatoi di laminazione o in casse di espansione. Queste ultime si possono distinguere in casse in linea e in casse in derivazione: nelle prime tutta l‟onda di piena attraversa l‟opera e fuoriesce deformata attraverso manufatti di scarico; nelle seconde solo una parte dell‟onda (quella che sovrasta una portata preassegnata) viene derivata nella cassa, mentre la parte rimanente prosegue indisturbata nel corso d‟acqua.

3.2.1 Interventi sulla sezione di deflusso.

La risagomatura delle sezioni consiste nel modificare la forma della sezione al fine di aumentarne la capacità di deflusso con la movimentazione del materiale d‟alveo, che può essere riutilizzato o meno nell‟ambito del corso d‟acqua stesso.

In generale, l‟asportazione di materiale incide anche sulla pendenza dell‟alveo a monte della zona di intervento e ad una diminuzione della stessa a valle, perché il corso d‟acqua tende a compensare gli effetti dell‟intervento aumentando la capacità di trasporto a monte e riducendola a valle.

Nella parte a monte, questo fenomeno è dannoso per le opere trasversali e longitudinali, obbligando ad ulteriori interventi atti a stabilizzare il profilo longitudinale dell‟alveo. Pertanto gli interventi di ricalibratura dovrebbero essere finalizzati al raggiungimento di uno stato di regime che il corso d‟acqua sia in grado di mantenere nel tempo, senza necessità di ricorrere periodicamente ad interventi correttivi.

Sempre nell‟ambito della risagomatura delle sezioni si possono realizzare le arginature atte a proteggere zone in cui il rischio idraulico va a interferire con le attività che vi si svolgono o sopraelevare le sommità arginali e muri di sponda esistenti, dove necessario. Ricordando, però, che con la costruzione di argini si può compromettere lo scolo di quelle aree lato campagna che si vengono a trovare ad una quota inferiore della sommità arginale. In questo caso si procede anche alla realizzazione di adeguati organi di

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regolarizzazione per impedire il rigurgito delle acque nelle canaline scolanti esterne all‟argine.

Infine, l‟incremento di sezione liquida mediante un aumento dell‟altezza di deflusso dà luogo anche ad un aumento del raggio idraulico e quindi della velocità della corrente.

3.2.2 Serbatoio di laminazione.

Partendo da monte abbiamo individuato le aree idonee all‟immagazzinamento di una parte del volume di deflusso. La prima disponibile è stata la zona subito a monte della Certosa di Farneta, dove il corso d‟acqua ha formato una gola e prosegue, poi, passando sotto il muro antico del monastero attraverso una luce ad arco ribassato di corda 4.4 m e altezza del piedi dritto 1.47m.

Fig.3.9 Passaggio sotto il muro della Certosa di Farneta.

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Sotto si possono vedere immagini della zona destinata al serbatoio.

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I serbatoi vengono tenuti normalmente vuoti, in modo da poter utilizzare tutto il loro volume di invaso per scolmare le piene.

La presenza di un invaso lungo un corso d‟acqua provoca una laminazione dell‟idrogramma di piena che, in assenza di manovre degli organi di scarico, determina una portata al colmo minore di quella entrante.

Conoscendo la curva di invaso e le leggi di efflusso degli organi di scarico, la determinazione dell‟idrogramma laminato in uscita dall‟invaso, può essere facilmente determinato a partire dall‟idrogramma in ingresso tramite l‟applicazione dell‟equazione di continuità.

(3.1)

Dove rappresenta l‟onda di piena in arrivo, la portata uscente che, per assegnate luci di fondo, è funzione del livello liquido h nel lago e la superficie liquida del serbatoio.

Se l‟invaso è destinato unicamente alla laminazione delle piene, di norma esso è dotato di una luce libera in prossimità del fondo. Questa situazione determina un forte effetto di laminazione.

Nel caso in cui l‟invaso sia già dimensionato, la ricostruzione dei deflussi uscenti può essere fatta simulando la laminazione mediante l‟integrazione numerica delle equazioni di continuità e della relazione di efflusso che per luce a battente risulta:

(3.2)

Con µ coefficiente di efflusso della luce a battente, Ω area complessiva delle luci di fondo e h la generica quota liquida nel lago.

Il processo di laminazione può essere simulato tramite integrazione per intervalli finiti ∆t, iterando le equazioni precedenti con la formula:

(3.3)

Dove per e si devono assumere i valori medi in ciascun intervallo e la soluzione della (3.3) si ricava per successive iterazioni di calcolo.

In definitiva, la ricostruzione delle al variare del tempo consente di stimare

l‟idrogramma in uscita delle portate laminate dal serbatoio di caratteristiche note e sulla base di un idrogramma di riferimento.

Nel nostro studio abbiamo utilizzato il software Hec-Hms, creando un invaso (Reservoir) a monte della confluenza del Fosso Farneta.

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Fig. 3.12 Schema del bacino con inserimento del serbatoio a monte della Certosa.

Gli elementi di tipo Reservoir hanno la caratteristica di avere uno o più idrogrammi dei deflussi in ingresso, derivati da altri elementi idrologici costituenti il modello del bacino, ed un idrogramma in uscita.

Il deflusso in uscita viene calcolato in base a una relazione, specificata dall‟utente, tra l‟altezza del liquido invasato e l‟area nel serbatoio in corrispondenza dell‟altezza specificata, ipotizzando che la superficie del pelo libero si disponga orizzontalmente. Inoltre viene indicata la geometria della luce a battente (outlet), con tutti i dati necessari al programma.

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Fig. 3.13 Grafico in uscita dal software Hec-Hms, dove in verde ho indicato il volume immagazzinato, in giallo l’altezza liquida, con la linea continua blu la portata in uscita dal serbatoio e con quella tratteggiata la portata in arrivo.

Dai dati in output del software Hec-Hms, il serbatoio risulta laminare una portata di 7.829 mc/s, riducendo il picco nella sezione di chiusura a 103.494 mc/s. Il picco di portata si verifica in corrispondenza temporale con il massimo volume invasato e la corrispondente massima altezza misurata nell‟invaso.

Per la costruzione del serbatoio si rende necessaria la realizzazione delle arginature, soprattutto sulla parte destra del corso d‟acqua, dove sono presenti sporadiche costruzioni civili.

Inoltre il muro antico del monastero non può essere utilizzato da diga di ritenuta, in primo luogo perché si renderebbe necessaria una improbabile approvazione da parte della Soprintendenza per i Beni Architettonici e Paesaggistici, e in secondo luogo perché non avrebbe un‟altezza sufficiente a contenere il massimo invaso.

A questo punto diventa indispensabile la realizzazione di un argine in terra di riporto di altezza adeguata, posizionato subito a monte dell‟antico muro. Questa opera è facilitata dall‟orografia del terreno che già assume tale forma, distaccandosi dalla muratura per la presenza di un piccolo sentiero.

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Fig. 3.14 Muro della Certosa e il sentiero a ridosso di essa.

La portata, comunque, non risulta ancora adeguata al passaggio indisturbato del deflusso attraverso il corso d‟acqua, per cui si richiedono ulteriori interventi.

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3.2.3 Cassa di laminazione in derivazione.

La cassa di laminazione già esistente alimentata da sfioratore laterale non è sufficiente a smaltire la portata in eccesso, quindi si rileva la necessità di allargare l‟area di invaso e adeguare la geometria dello sfioratore.

Fig. 3.15 Ortofoto della zona adibita a cassa di espansione, prevista dall’Autorità di Bacino del Fiume Serchio.

Le casse di espansione sono superfici di terreno destinate alla raccolta di volumi idrici in modo da laminare l‟onda di piena. Generalmente sono posizionate in zone in cui il territorio è prevalentemente pianeggiante in modo da poter invasare il maggior numero di metri cubi a parità di superficie. Si provvede anche alla realizzazione di arginature laddove non ci sia la presenza di argini naturali.

Per la laminazione delle piene in questione sono state utilizzate casse in derivazione. Generalmente sono alimentate da uno stramazzo laterale, realizzato su una delle sponde del corso d‟acqua, facendo defluire lateralmente una parte della portata in arrivo quando il pelo libero oltrepassa la quota geometrica della soglia dello stramazzo.

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massimo ed è stato ridimensionato lo sfioratore laterale a monte di un restringimento di sezione.

Fig.3.16 Area adibita a cassa di laminazione.

L‟area disponibile raggiunge il valore di 166 293 mq.

Per la determinazione dell‟onda laminata è stato impostato un foglio di calcolo che esegue un procedimento iterativo in varie fasi, di seguito illustrate.

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Calcolo idraulico del restringimento a valle dello sfioratore.

I restringimenti, da inserire a valle degli sfioratori, hanno la funzione di provocare l‟innalzamento del pelo libero della corrente in corrispondenza dello sfioratore, in modo tale da raggiungere tiranti idraulici sufficienti per lo sfioro delle portate in eccesso a quelle che si vogliono far defluire verso valle.

Il calcolo avviene in due fasi: nella prima si verifica se l‟energia della corrente di monte è sufficiente per superare l‟ostacolo provocato dal restringimento di sezione oppure, come si vuole, se ciò non accade e si ha la formazione di un profilo di rigurgito con il passaggio dallo stato critico in corrispondenza della sezione ridotta; in un secondo tempo si calcola l‟altezza idrica in corrispondenza del restringimento e si procede al tracciamento del profilo di rigurgito.

Verifica dell’energia attraverso il restringimento.

In questa fase si è cercata la portata per la quale l‟energia della corrente non è più sufficiente per superare l‟ostacolo rappresentato dal restringimento e inizia a formarsi un profilo di rigurgito. Se non si forma il rigonfiamento a monte la corrente defluisce con un‟altezza h pari a quella di moto uniforme, facilmente definibile con la formula di Gauckler Strickler; a questa condizione corrisponde un‟energia di monte.

(3.4) (3.5) dove:

• A(h) è l‟area della sezione liquida in funzione dell‟altezza idrica • K è il coefficiente di scabrezza di Gauckler Strickler

• R(h) è il raggio idraulico della sezione • è la pendenza del fondo

Supponendo trascurabili le perdite di energia tra la sezione subito a monte del restringimento e la sezione ridotta, si può trovare la portata massima che può passare dal restringimento con quella data energia, che è funzione dell‟altezza h di moto uniforme.

(3.6)

dove

• b è la larghezza della sezione ridotta.

Quando si ha che eguaglia il valore della portata di moto uniforme di monte, abbiamo trovato il valore della portata per la quale inizia a generarsi il profilo di rigurgito. Le dimensioni del restringimento sono state fissate imponendo che la portata per la quale inizia il rigonfiamento fosse minore della portata massima defluente nell‟alveo in esame, ottenendo un‟equazione in funzione dell‟altezza h di monte.

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restringimento e tracciamento del profilo di rigurgito

L‟altezza idraulica in corrispondenza della sezione subito a monte del restringimento al passaggio di una certa portata Q si trova facendo riferimento alla curva caratteristica Q=Q(h) in funzione dell‟altezza, per energia specifica H costante, imponendo che nella sezione ridotta si verifichi lo stato critico.

(3.8)

Una volta trovata l‟altezza h ricercata si procede al tracciamento del profilo di rigurgito, mediante l‟equazione alle differenze finite di seguito riportata

(3.9)

Calcolo idraulico delle soglie sfioranti

Per il dimensionamento delle soglie sfioranti si è proceduto, a differenza delle ipotesi di De Marchi, non considerando la pendenza della linea dell‟energia uguale alla pendenza del fondo dell‟alveo. Pertanto si è ottenuta una trattazione più corretta e le equazioni che regolano il fenomeno sono:

(3.10)

(3.11)

(3.12) (3.13)

(3.14)

in cui H e h sono rispettivamente l‟energia e l‟altezza liquida della corrente, riferite alle quote di fondo dell‟alveo; A rappresenta l‟area liquida; R il raggio idraulico; K il coefficiente della formula di Gauckler-Strickler; Q la portata; p l‟altezza della soglia; l‟indice v contrassegna la sezione terminale dello sfioratore (sezione di valle); l‟indice m la sezione iniziale dello stesso; l‟indice x la sezione a distanza x generica da quella di valle; i la pendenza di fondo dell‟alveo e della sommità della soglia sfiorante, parallela al fondo stesso; L la lunghezza dello sfioratore; la portata sfiorata per unità di lunghezza dello sfioratore; m il coefficiente di efflusso dello sfioratore, per il quale si può assumere un valore di circa 0.4.

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Fig. 3.17 Schema del profilo liquido lungo una soglia sfiorante per corrente lenta.

La (3.10) fornisce l‟energia specifica della corrente nella generica sezione x in funzione di quella nella sezione terminale dello sfioratore; la (3.11) lega l‟energia specifica all‟altezza liquida nella sezione x; la (3.12) fornisce la portata sfiorata in un tratto di lunghezza infinitesima ∆x; la (3.13) e la (3.14) legano, rispettivamente, la portata nella generica sezione x e la portata nella sezione iniziale dello sfioratore alla portata a valle. Le condizioni al contorno sono date dall‟onda di piena

in arrivo dalla sezione di monte e dalla scala di deflusso per la sezione di valle.

Il sistema di equazioni differenziali scritte di sopra non è integrabile matematicamente per cui occorre procedere alle differenze finite.

Il procedimento di calcolo necessario in fase di progettazione diventa molto lungo e laborioso, anche per i numerosi tentativi che occorre effettuare, assegnando vari valori alle dimensioni (lunghezza e altezza) dello sfioratore.

Il calcolo iterativo è stato sviluppato con l‟ausilio del programma Mathcad 2001

professional: fissate la lunghezza L e l‟altezza p dello sfioratore, si è fatto innanzitutto

riferimento all‟istante in cui è in arrivo da monte la massima portata al colmo . Per determinare il profilo liquido lungo lo sfioratore e la portata sfiorata in tale istante è stata divisa la soglia in 20 tratti di lunghezza finita ∆x: si fissa quindi un valore di tentativo per la portata a valle , per cui può essere determinata l‟altezza liquida e la corrispondente energia specifica nella sezione in cui ha termine lo sfioratore, tramite

la scala di deflusso .

A questo punto inizia l‟integrazione alle differenze finite delle equazioni, partendo dal tratto terminale dello sfioratore, lungo ∆x, avendo presente che gli integrali si riducono a sommatorie, per cui la perdita di carico ∆x in detto tratto risulta:

(3.15)

Analogamente, la portata sfiorata nel tratto ∆x risulta:

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(avendo diviso la lunghezza della soglia in tratti di lunghezza ∆x è possibile sostituire agli integrali delle sommatorie), si trova un valore di della portata di monte.

Se questa portata è maggiore della portata effettiva, si ripete il procedimento di calcolo partendo da una portata di valle di tentativo più bassa di quella di primo tentativo; viceversa se il valore di monte è inferiore alla portata effettiva, si applica nuovamente il procedimento di calcolo partendo da un valore di valle più alto di quello di primo tentativo.

Le iterazioni hanno termine quando il valore della portata di monte corrisponde al valore effettivo della portata che si trova a monte della soglia; se il valore di portata massima a valle dello sfioratore non è soddisfacente, si modificano le dimensioni dello sfioratore. Una volta risolto il problema relativo all‟istante in cui è in arrivo da monte il colmo di piena ed è stata determinata la portata di valle, rimangono da stabilire le dimensioni della cassa di laminazione idonea a contenere l‟intero volume sfiorato e ciò può essere fatto solo trovando l‟andamento dell‟onda laminata a valle .

Per la determinazione della , occorre avere presente che tale onda inizia a differire da quella in arrivo a partire dall‟istante in cui ha inizio lo sfioro, istante in cui l‟altezza liquida nel corso d‟acqua raggiunge la quota della soglia sfiorante e la portata assume il valore corrispondente a tale altezza idrica; analogamente, nella fase discendente dell‟onda di piena, lo sfioro ha termine nell‟istante in cui la portata in arrivo diviene minore di .

Quindi, applicando successivamente il procedimento di integrazione sopra esposto, si possono determinare le portate di valle che si verificano in istanti t successivi durante il periodo di funzionamento del dispositivo cioè negli istanti nei quali la portata in arrivo è superiore alla portata massima stabilita per il corso d‟acqua stesso.

Ora è possibile determinare il volume immagazzinato nella cassa che risulterà pari

all‟area compresa fra le curve e ed è a questo punto

quantificabile e confrontabile con i volumi disponibili.

Per ottimizzare il funzionamento del dispositivo si è reso necessario realizzare un restringimento a valle della soglia laterale, attraverso il quale si potesse formare un profilo di rigurgito a monte, in maniera tale da innalzare il tirante idraulico.

Con l‟utilizzo del programma di calcolo HEC-HMS 3.3 sono stati simulati eventi con tempo di ritorno pari a 200 anni e di varie durate di pioggia; rispetto allo schema dello stato attuale, in questo modello compare la cassa a valle della confluenza del Fosso Farneta che è rappresentata come “Diversion”, cioè punto in cui si ha una brusca riduzione delle portate che non sono immesse nel reticolo idrografico durante lo sviluppo dell‟evento di piena, ma solo al termine di esso.

Per computare questi elementi è stata definita la relazione che lega ad ogni portata proveniente da monte la portata sfiorata (“diverted flow”); gli output del programma forniscono i volumi di massimo invaso, pari all‟area compresa fra le curve dell‟idrogramma in arrivo da monte e quella dell‟idrogramma a valle della soglia di sfioro.

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Fig. 3.18 Schema dello stato di progetto.

Nelle pagine seguenti si riportano i risultati ottenuti utilizzando il foglio di calcolo sviluppato con il programma Mathcad 2001 professional (il foglio di calcolo viene inserito nell‟ Allegato 3).

CASSA MAGAZZENO IN DERIVAZIONE LATERALE

Caratteristiche del restringimento a valle dello sfioratore:

• bc=1.5 m Larghezza del restringimento

• Lprof=41,42 m Distanza tra la sezione ristretta e la soglia sfiorante

Caratteristiche della soglia:

• p=0,85 m Altezza della soglia rispetto al fondo del canale • Ls=9 m Lunghezza della soglia sfiorante

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• i=0.0077 Pendenza dell‟alveo

• b=8 m Larghezza del fondo del corso d‟acqua • z1= 1 Scarpa

• K1 =35 Coefficiente della formula di Gauckler Strickler

Risultati ottenuti:

• Qa=40.775 m3/s Portata nell‟alveo

• Qe=11.96 m3/s Portata passante dal restringimento • Qsf=28.747 m3/s Portata sfiorata

Fig 3.8 – Grafico dell’idrogramma entrante e uscente dalla cassa relativo alla durata di pioggia di 1 ora e 30 minuti che determina il massimo picco; con la linea gialla è indicato il volume immagazzinato, con quella blu continua il deflusso in uscita dalla cassa e con la linea tratteggiata la portata entrante.

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Fig.3.20 Area destinata alla realizzazione della cassa in derivazione.

La cassa sarà dotata di organi destinati al suo svuotamento e per motivi di sicurezza di uno sfioratore superficiale, che ha lo scopo di entrare in funzione per evitare l‟esondazione degli enormi volumi di acqua, accumulatisi nella vasca di laminazione, nel caso di mancato o cattivo funzionamento degli organi di scarico veri e propri.

Per quanto riguarda, invece, il sistema destinato allo svuotamento della cassa esso è composto da luci regolate da paratoie, per la cui manovra si può prevedere l‟intervento dell‟operatore oppure disporre sensori di livello opportunamente tarati e collegati ad opportuni dispositivi meccanici; si prevede l‟installazione di almeno due luci in parallelo, in modo tale che, se si verificasse un cattivo funzionamento di una, entrerebbe in funzione quella di riserva.

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3.2.4 Diversivo.

Dopo aver individuato la zona per il posizionamento della cassa di espansione, sono state valutate le nuove portate di progetto laminate.

Il problema maggiore, che presenta questa rete idrografica, rimane in corrispondenza del tratto parallelo alla Sarzanese, posizionato, come già detto in precedenza, subito a valle della confluenza del Fosso Maggiano.

La sezione di questo tratto risulta nettamente insufficiente allo smaltimento della portata due centennale, anche se laminata a monte dalla cassa di espansione e dal serbatoio di laminazione.

Come già illustrato, l‟allargamento di sezione è impedito dalla presenza ai lati di costruzioni civili e della strada statale 439.

Inoltre ci troviamo in una zona urbanizzata, che quindi presenta poche aree libere destinabili a ulteriori casse di laminazione.

Dunque, l‟unica soluzione possibile è risultata la realizzazione di un canale diversivo che faccia da by-pass al tratto. Per di più anche il Fosso Maggiano presenta inadeguatezza al passaggio del deflusso nel tratto terminale; quindi si è ritenuto opportuno oltrepassare

questo con un nuovo alveo che si collega al diversivo.

Fig 3.21 Planimetria della tratto (in color magenta è riportato il diversivo).

Fosso Maggiano

Rio Certosa

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I diversivi sono alvei artificiali che ricevono un‟ aliquota di portata di un corso d‟acqua scaricandola in un altro invaso o nell‟alveo più valle (in questo caso sarebbe più propriamente detto raddoppio di un tronco d‟alveo).

Essi sono sempre alimentati e hanno origine da un incile, libero o regolato; l‟alveo a valle sarà, dunque, interessato da deflussi liquidi sempre inferiori e, di conseguenza, cambierà il suo assetto geomorfologico attraverso un rialzamento del fondo a causa dei depositi. Infatti l‟effetto del diversivo equivale a quello di un allargamento dell‟alveo con conseguente riduzione di velocità; la manifestazione di deposito nell‟alveo originale riduce i vantaggi del diversivo stesso, poiché il corso d‟acqua principale convoglierà portate liquide sempre minori.

Per questi motivi, è necessario, prima di realizzare il diversivo, un intervento di sistemazione dell‟erodibilità del bacino imbrifero, riducendo in tal modo il trasporto solido del corso d‟acqua a monte.

Il nostro diversivo è costruito in una zona valliva, con incile libero e dunque regolato dalle condizioni di valle.

Si analizza il fenomeno a moto permanente e si impone nei punti di confluenza l‟uguaglianza dell‟energia specifica.

Fissata la massima portata di valle per il corso principale, si ricava la portata nel diversivo con la semplice uguaglianza:

(3.17)

Imponendo sezione trapezia, posso ricavare le altezze negli alvei attraverso la formula di Gauckler-Strickler:

(3.18)

Con:

Area della sezione liquida Contorno bagnato

Raggio idraulico

i Pendenza di fondo dell‟alveo

K Coefficiente di Gauckler-Strickler Per il controllo dell‟uguaglianza dell‟energia specifica si utilizza la seguente relazione:

(3.19)

Dove l‟energia non è equivalente si prevede un salto all‟imbocco del canale pari alla differenza tra le due altezze.

Inoltre è stato controllato che nelle due sezioni di imbocco non si verifichi il rigurgito del deflusso, quindi che l‟energia specifica dell‟alveo principale resti più elevata di quella nel diversivo.

In questo modo abbiamo ottenuto che il tratto dal Fosso Maggiano alla confluenza dei due diversivi faccia defluire la portata di 7 mc/s in una sezione trapezia di base 1 m e scarpa1. La deviazione del Fosso Maggiano viene eseguita in corrispondenza della sezione 33 ad una quota di 20.66 m s.l.m. misurata a fondo canale . Raggiunge la confluenza tra i

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questo nuovo alveo è lenta.

Subito a valle della confluenza del Fosso Maggiano, a monte della sezione 127, è situato l‟imbocco del secondo diversivo ad una quota di 18.88 m s.l.m. Raggiunge il punto di confluenza con salto nullo, smaltendo una portata di 18.18 mc/s con una sezione di larghezza di base 1.5 m. Presenta una corrente veloce che formerà dunque un risalto prima di immettersi nell‟altro tratto del diversivo a corrente lenta.

Il tratto che raccoglie le acque dei due diversivi e le riconduce all‟alveo di partenza ha una larghezza di base di 3.5 m e scarpa 1. S‟immette in esso all‟altezza della sezione 110 con un salto di 80 cm.

Tutti i diversivi sono canali in terra non rivestiti e quindi caratterizzati da un coefficiente di Gauckler-Strickler K pari a 33. Si riportano sotto i risultati.

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TRATTO DAL FOSSO MAGGIANO AL PUNTO DI CONFLUENZA :

MOTO UNIFORME (FORMULA DI GAUCKLER STRICKLER)

Caratteristiche geometriche

b 1.00 [m] Larghezza fondo alveo

z 1.00 Scarpa

hmax 3.00 [m] Altezza massima

Caratteristiche geomorfologiche

K 33 Coefficiente di Gauckler Strickler

n 0.0303 Coefficiente di Manning

i 0.005 Pendenza

Caratteristiche geometriche della sezione in funzione della portata

Q 7.00 [m3/s] Portata

h 1.50 [m] Altezza del pelo libero di moto uniforme

V 1.87 [m/s] Velocità della corrente

A 3.75 [m2] Area C 5.24 [m] Contorno bagnato R 0.72 [m] Raggio idraulico E 1.68 [m] Energia specifica Bs 4.00 [m] Larghezza in superficie D 0.94 [m] Profondità idraulica La corrente è lenta

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MOTO UNIFORME (FORMULA DI GAUCKLER STRICKLER)

z 1.00 Scarpa

i 0.030 Pendenza

A 3.92 [m2] Area C 5.35 [m] Contorno bagnato R 0.73 [m] Raggio idraulico E 2.57 [m] Energia specifica Bs 4.14 [m] Larghezza in superficie D 0.95 [m] Profondità idraulica La corrente è veloce

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TRATTO DAL PUNTO DI CONFLUENZA AL RICONGIUNGIMENTO ALL’ALVEO:

MOTO UNIFORME (FORMULA DI GAUCKLER STRICKLER)

z 1.00 Scarpa

i 0.002 Pendenza

A 13.89 [m2] Area C 10.19 [m] Contorno bagnato R 1.36 [m] Raggio idraulico E 2.53 [m] Energia specifica Bs 8.23 [m] Larghezza in superficie D 1.69 [m] Profondità idraulica La corrente è lenta

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78

3.3 Profili longitudinali calcolati per lo stato di progetto.

Una volta implementato il modello su codice di calcolo HEC-RAS 4.0 , si ottengono i profili longitudinali lungo tutto il reticolo idrografico.

Le verifiche sono state condotte per vari tempi di ritorno ed è risultato che il passaggio della portata nelle sezioni dell‟alveo con rispetto del franco avviene per il tempo di ritorno 150 anni.

In questo modo si ottengono profili longitudinali adeguati e di seguito riportati (non in scala, ma a scopo esclusivamente qualitativo).

Si tenga presente che laddove possibile, nella definizione delle sezioni di progetto, è stata seguita il più possibile la fisionomia del terreno e si sono adottate scarpe tali da non dover ricorrere a tecnologie particolari di costruzione.

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Fig.3.23 Profilo liquido del Fosso Farneta.

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3.4 Conclusioni.

La presente tesi ha avuto come oggetto lo studio idrologico ed idraulico del bacino del Rio Certosa, facente parte del comprensorio del Rio Contesora, zona da sempre particolarmente delicata da un punto di vista idraulico.

Il sistema presenta, infatti, allo stato attuale, un‟insufficienza nei riguardi degli eventi due centennali; in particolare nella zona a valle della confluenza del Fosso Maggiano la situazione si presenta critica e risulta necessario un intervento tempestivo per la presenza di abitazioni diffuse.

L‟obiettivo proposto è stato quindi di ridurre questo deflusso, sia invasando temporaneamente il volume d‟acqua in eccesso, sia deviando lo stesso in un alveo artificiale, che eviti il tratto a maggiore criticità. Tutto questo abbinato ad una risagomatura diffusa delle sezioni e ad un modesto rialzamento generale degli argini. Oltre a questi interventi, è risultato inevitabile una riduzione del tempo di ritorno dell‟opera a 150 anni, che resta tuttavia una prospettiva accettabile.

Nello studio degli interventi proposti si è cercato di porre attenzione alla loro fattibilità pratica e alla loro inseribilità nel contesto attuale della zona.