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1. INTRODUZIONE
Evoluzione morfologica e funzionale di opere di sistemazione torrentizia (S. Cavazza, 1990)
1.1 Sistemazioni fluviali a basso impatto ambientale
L’ingegnere idraulico, che si occupa oggi di sistemazioni fluviali, vuole proteggere, “sistemare” i torrenti con strutture che siano molto più simili alla natura rispetto alle opere utilizzate in passato, quindi con strutture che possano interagire con l’ambiente, modificarsi, mantenendo però le proprie funzioni, prevedendo opportune manutenzioni e monitoraggi periodici.
La struttura non deve perciò “forzare” il sistema fiume e non deve essere immutabile ed estranea all’ambiente ma deve ricostruire un paesaggio nuovo, non totalmente naturale, ma progettato nella logica di tener conto e assecondare ciò che la natura da sola tenderebbe a fare, contrapponendosi solo ad evitare ciò che potrebbe creare danno alle persone e alle cose di maggior valore sociale ed economico.
Tali obiettivi sono perseguiti tramite lo sviluppo delle tecniche dell'ingegneria naturalistica, che non devono essere viste semplicemente come metodi per mascherare e mitigare la presenza di opere di forte impatto sull'ambiente.
Le tecniche naturalistiche offrono, infatti, ottime soluzioni per proteggere dall'erosione, per fornire vie vitali alle popolazioni ittiche, per smorzare la forza della corrente, utilizzando materiali totalmente naturali come pietra e legno.
Non tutte le sistemazioni fluviali possono però essere realizzate mediante l'impiego di tali tecniche ed è compito del professionista scegliere le tipologie di opere che meglio si adattano ad una determinata situazione. Sia che si utilizzino tecniche di tipo naturalistico o tecniche più tradizionali, l'obiettivo che si deve perseguire è comunque quello di conservare, per quanto possibile, l'aspetto naturale dei corsi d'acqua, favorendo la continuità ecologica all'interno dell'ecosistema fluviale.
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1.2 La rampa in massi
Caratterizzazione morfologica e funzionale
Le rampe in pietrame sono opere idrauliche non convenzionali a basso impatto ambientale impiegate per produrre significative dissipazioni di energia e assicurare la stabilità del letto dell’alveo nei confronti dell’erosione.
La rampa in pietrame è una scogliera, realizzata con massi di grossa pezzatura e caratterizzata da una pendenza che è generalmente più elevata di quella longitudinale dell’alveo in cui è inserita; non interrompe la continuità morfologica dell’alveo naturale permettendo sia un interscambio biologico tra la zona a monte e a valle del manufatto, sia il ripopolamento ittico.
Rampa torrente Camaiore-n°1- Novembre 2005-
Si tratta, nel caso di opere inserite in un corso d’acqua di tipo fluviale, di strutture di modesta altezza, in genere non superiore ai 2 – 3 metri, caratterizzate da pendenze rilevanti ma in genere non superiori al 15%. Nel caso di manufatti inseriti in corsi d’acqua torrentizi, invece, le altezze possono essere superiori al limite indicato e la pendenza può raggiungere anche valori del 30 – 40%.
I principali parametri caratterizzanti la rampa sono il materiale costituente la rampa (di), la pendenza (i), l’altezza (d) e la lunghezza (Lr) del manufatto, la morfologia della rampa, i boulders (elementi di grande dimensione rispetto alla dimensione media del materiale di rampa) e le varie opere di stabilizzazione strutturale della rampa.
Dal punto di vista idraulico, la rampa può essere schematizzata come un tratto a forte pendenza preceduto e seguito da un tratto a debole pendenza.
La configurazione geometrica della rampa può essere classificata nelle tre seguenti categorie:
a geometria uniforme, con pendenza costante pari al rapporto tra l’altezza H e la lunghezza orizzontale della rampa Lr (a);
a geometria bidimensionale o “step and pool”, che presenta avvallamenti e dossi disposti in modo regolare in senso longitudinale. Questa configurazione ha il pregio di rendere maggiormente discontinuo il flusso idrico con la presenza di zone di calma e ristagno che si alternano a zone in cui hanno sede strutture vorticose (b); a geometria tridimensionale, con variazioni del profilo in senso sia trasversale sia longitudinale (c) H Lr H Lr H Lr (a) (b)
Morfologie di rampa con andamento uniforme (a), a step and pool (b) [Pagliara S., Peruginelli A., Cioni F, 2001]
La realizzazione della rampa può essere effettuata disponendo su un materiale di base, a granulometria di minore dimensione, elementi più grossolani con una nota percentuale di ricoprimento. La posa in opera dei massi di maggiore dimensione può avvenire secondo una disposizione di tipo sia regolare sia irregolare.
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Rampa rinforzata mediante inserimento di boulders, (a) sezione trasversale, (b) disposizione boulders random, (c) diposizione boulders a righe- Boulders reinforced ramp, (a) transversal section, (b) random boulders disposition, (c) row boulders disposition [modificato da Pagliara, Chiavaccini 2006c].
Nelle rampe realizzate con posa in opera di massi in modo irregolare (rip rap) il pietrame viene collocato nell’alveo per mezzo di un escavatore, procedendo da valle verso monte; qualora non sia presente sul fondo del materiale inerte grossolano (pietrame o ghiaia) è opportuno realizzare una base di pietrisco ad azione filtrante. Al fine di rinforzare il piede della rampa, si possono adottare alcuni accorgimenti quali quello di posizionare alla base della struttura del pietrame di dimensioni maggiori oppure fissare sul fondo una fila di pali di legno o di acciaio. Grazie alla flessibilità della struttura l’eventuale presenza di buche è temporanea in quanto esse vengono colmate dal trasporto solido.
Nelle rampe realizzate con posa in opera di massi in modo regolare il pietrame viene da prima collocato in modo che lo spazio tra i massi sia minimo e successivamente ancorato tramite funi di acciaio. Anche in questo caso è necessario realizzare una base costituita da alcuni strati di ghiaia e di pietrisco a granulometria variabile. A differenza dalla tecnica precedentemente descritta, in questo caso si deve operare senza la presenza dell’acqua e quindi durante la fase costruttiva, la corrente va temporaneamente deviata. La scabrosità e l’elasticità di questa tipologia sono inferiori a quelle riscontrabili nei rip rap.
Comportamento idraulico
Nella sezione di ingresso della rampa generalmente si stabilisce l’altezza critica k, sulla rampa la corrente è veloce ed accelerata, mentre nel tratto verso valle la corrente ritorna ad essere lenta ed uniforme. Il passaggio tra la corrente veloce sulla rampa e quella lenta a valle, porta alla formazione del risalto, che essendo un fenomeno dissipativo, porta ad una diminuzione dell’energia della corrente. Per decretare il tipo di comportamento di una rampa in pietrame occorre confrontarne la pendenza di disposizione con quella dell’alveo da sistemare.
Se la pendenza della rampa è confrontabile con quella dell’alveo in cui è inserita, la velocità al piede del manufatto è paragonabile a quella della corrente veloce in moto dell’alveo, quindi il passaggio dalla rampa all’ alveo può avvenire con un semplice tratto rivestito mediante una gettata di massi.
Se invece la pendenza della rampa è maggiore di quella dell’alveo, la velocità al piede della stessa è superiore a quella dell’alveo a valle, si ha la formazione di un risalto più accentuato e quindi la necessità di inserire un manufatto di dissipazione. Nella maggior parte dei casi applicativi la pendenza della rampa in pietrame è più elevata di quella dell’ alveo in cui viene inserita, che spesso è un corso d’acqua fluviale (tipicamente a debole pendenza).
Si possono presentare, perciò, le seguenti condizioni del pelo libero: a) risalto posto al piede della rampa;
b) lama stramazzante che si immette nella corrente di valle caratterizzata dalla presenza di un roller superficiale;
c) risalto di tipo ondulato;
d) corrente lenta su tutta la rampa.
La condizione in cui si verifica il migliore rendimento del manufatto è data dalla condizione “a” con la formazione del risalto immediatamente a valle della rampa. Man mano che il livello si innalza si ricade nei casi b, c ed infine d in cui la corrente rimane lenta anche in corrispondenza della rampa.
Possiamo quindi dire che i meccanismi dissipativi sono controllati dalla pendenza della rampa e dalla scabrezza della sua superficie.
Processo dissipativo
L’analisi del processo dissipativo sulle rampe in massi ha portato interessanti risultati. I dati sperimentali hanno mostrato infatti, un notevole incremento dissipativo sulle rampe scabre rispetto ad altre strutture funzionalmente simili, quali rampe lisce, a gradoni e salti di fondo, nelle stesse configurazioni geometriche e caratteristiche di flusso (Pagliara e Peruginelli 2000, Pagliara e Dazzini 2002). Grazie alle esperienze condotte su rampe con differenti materiali, con differenti condizioni geometriche, di flusso e configurazione uniforme è stato possibile fornire
7 la dissipazione energica relativa della rampa DE/E0, dove DE= E0-E1. E0 è l’energia della corrente in arrivo alla rampa, misurata rispetto al fondo dell’alveo nella sezione al piede della rampa stessa ed è pari a : E0=d+3/2k ed E1 l’energia della corrente veloce al piede della rampa E1=h1+Q
2
/(2gb2h1 2
), avendo indicato con Q la
portata della corrente idrica, b la larghezza del canale e h1 l’altezza della corrente al piede della rampa
Schema rampa in pietrame- Block ramp-
I dati sperimentali raccolti permettono infine di fornire una relazione funzionale che meglio approssima la dissipazione energetica misurata. Tale espressione (Pagliara e Chiavaccini 2006a) è funzione dei parametri A, B, C che dipendono dalla sommergenza relativa e dal rapporto k/d, in accordo con l’espressione
A (1 A)e
(
B C i)
k/d 0 E E= + − + ⋅ Δ [1] Tabella 1 Sommergenza relativa A B C Larga scala (LR) 0,33 1,30 -14,5 Intermedia scala (IR) 0,25 -1,2 -12,0 Piccola scala (SR) 0,15 -1,0 -11,5 Rampa liscia 0,02 -0,9 -25,0Dissipazione energetica relativa, (a) al variare della sommergenza relativa con pendenza costante i=0,125, (b) al variare della pendenza con sommergenza relativa a scala intermedia- Relative energy dissipation, (a) effect of relative submergence with ramp slope i=0,125, (b) effect of ramp slope with intermediate scale of relative submergence [Pagliara, Lotti 2006].
Come mostra la figura (a), la dissipazione energetica relativa aumenta con la riduzione del parametro k/d. Questo significa a che a parità di portata, la dissipazione energetica è direttamente proporzionale all’altezza del manufatto (d) per la stessa pendenza e similmente è direttamente proporzionale alla lunghezza della rampa (Lr). La figura mostra inoltre la forte dipendenza della dissipazione energetica dalla sommergenza relativa e che a parità di tutti gli altri parametri la dissipazione energetica aumenta all’aumentare della sommergenza relativa. In figura è possibile notare il notevole incremento dissipativo rispetto al manufatto in condizioni lisce (rampa liscia).
La figura (b) mostra infine la dipendenza dalla pendenza della rampa (i). La dissipazione energetica relativa aumenta al diminuire della pendenza (i).
I boulders sono utilizzati per incrementare la resistenza strutturale delle rampe. L’effetto stabilizzante dei boulders è da relazionarsi al disturbo provocato nella corrente idrica che tende a diminuire le tensioni tangenziali al fondo sul materiale di base della rampa. I punti maggiormente critici per la resistenza strutturale della rampa sono individuati nei settori finali della struttura stessa. Ecco che il miglior effetto stabilizzante per il manufatto si ottiene mediante il posizionamento di boulders nei settori finale o comprendo l’intero sviluppo della rampa. Simile effetto si ha mediante stabilizzazione a pali.
La concentrazione dei boulders Γ può essere espressa come il rapporto della superficie coperta dai boulders e lo sviluppo superficiale della rampa. Indicando con Nb il numero di boulders, Db il diametro medio dei boulders, la concentrazione è uguale a Γ=(Nb·π·Db2)/(4·b·Lr).
Lo studio delle rampe rinforzate mediante boulders permette di modificare la funzione (1). La dissipazione energetica di una rampa rinforzata con boulders DEb è espressa come, [Pagliara, Chiavaccini 2006b]:
[2] 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 k/d
∆E/Eo eq.(5), i=0,125 LR
eq.(5), i=0,125 IR eq.(5), i=0,125 SR rampa liscia IR SR 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 k/d ∆E/Eo eq.(5), i=0,125 IR eq.(5), i=0,25 IR IR_0,125 IR_i=0,25 Rampa liscia LR (a) (b )
(
)
⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + + ⋅ + − + = Γ Γ Δ F E 1 d / k i C B e ) A 1 ( A 0 E b E9 Dove A, B, C dipendono dalla sommergenza relativa e E, F dalla presenza di boulders (Tab.2). L’espressione (2) è valida nei range sperimentali (0,083≤i≤0.323; 1,75≤Db/d50≤19; 0,04<d50/k<0,98; 0,07<Γ< 0,32; disposizione boulders= random-righe; scabrezza boulders= liscio-scabro).
Tabella 2 coefficiente Disposizione random, superficie liscia Disposizione a righe, superficie liscia Disposizione random, superficie scabra Disposizione a righe, superficie scabra a 0,60 0,90 2,00 2,00 b 0,70 0,90 0,95 0,85 E 0,60 0,55 0,55 0,4 F 13,30 10,50 9,10 7,7
Semisfere, (a) scabre mediante sabbie, (b) lisce, (c) coperte con film di alluminio- Semispheres, (a) sand roughed, (b) smooth, (c) allumine coverei
[Pagliara, Chiavaccini 2006c]. 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 k/d ∆Eb/Eo eq.(5), i=0,125 LR
eq.(11), i=0,125 LR boulders random superficie scabra eq.(11), i=0,125 LR boulders random superficie scabra
G=0,1 (a) 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 k/d ∆Eb/Eo eq.(5), i=0,125 LR
eq.(11), i=0,125,LR, boulders random con superficie liscia
eq. (11), i=0,125,LR, boulders con superficie scabra LR G=0,2_boulders scabri G=0,2_boulders lisci (b) LR G=0,3
Dissipazione energetica relativa in LR con pendenza costante i=0,125 e disposizione boulders random, (a) al variare della concentrazione dei boulders, (b)
al variare della scabrezza di superficie dei boulders-Relative energy dissipation in LR with ramp slope i=0,125, boulders random disposition, (a) varying boulders
1,00 1,05 1,10 1,15 1,20 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 G DEb/DE
Disposizione random superficie liscia Disposizione a righe, superficie liscia Disposizione random, superficie scabra Disposizione a righe, superficie scabra
Andamento di ΔEb/ΔE in funzione della concentrazione dei boulders Γ - Trend of
ΔEb/ΔE in function of boulders concentration Γ [Pagliara, Lotti 2006]. I grafici riportati mostrano il contributo dissipativo dato dai boulders in disposizione random con superficie scabra in sommergenza relativa di larga scala (LR), l’influenza della concentrazione (Γ),e che la dissipazione energetica aumenta all’aumentare della scabrezza di superficie dei boulders. La sperimentazione ha permesso di evidenziare che il maggior incremento dissipativo si ottiene posizionando i boulders sul settore finale della rampa o alternativamente coprendo per l’intero sviluppo la rampa. Boulders sui settori iniziali e centrali hanno invece un effetto del tutto trascurabile sull’incremento energetico.
Le rampe in pietrame mostrano una dissipazione energetica notevolmente superiore rispetto a manufatti funzionalmente simili come rampe a gradoni, rampe lisce e salti di fondo a parità di caratteristiche geometriche e di flusso. Tale dissipazione aumenta ulteriormente con andamenti di rampa bidimensionali o “steep and pools”, tridimensionali. Si ottiene un incremento dissipativo modesto anche con il posizionamento di boulders o pali. I boulders e i pali mostrano invece la loro efficacia nella stabilizzazione della rampa incrementando fino al 60% la portata di in stabilizzazione.
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Riconversione opere tradizionali in rampe in massi
La costruzione di una rampa può avere come obbiettivo, oltre la stabilizzazione del fondo d’alveo, il ripristino della continuità morfologica del corso d’acqua, la creazione di un passaggio per pesci e la trasformazione di una briglia preesistente. La figura sotto mostra la riconversione di due briglie sul torrente Ragone in rampe in pietrame (Pagliara S., Lotti I., “Esempi di riconversione di strutture di sistemazione di corsi d’acqua” Convegno Acquafest, Giardini Naxos 2, Parco fluviale dell’Alcantara, Quaderni di Idronomia Montana n.25, Casa editrice Editoriale Nuova Bios, 245-260, dicembre 2005).
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1.3 Obiettivi della ricerca
La rampa in massi si è dimostrata per quanto detto sopra un’ottima struttura di sistemazione fluviale ed è stata ampiamente studiata per quanto concerne il comportamento idraulico, le modalità costruttive, i processi dissipativi al variare delle configurazioni (base e rinforzate) e la stabilità in dette configurazioni. Particolare attenzione è stata posta nella valutazione dei processi erosivi sulla rampa e al piede della stessa.
La ricerca svolta dalla scrivente ha voluto porre attenzione sull’evoluzione morfologica e strutturale della rampa in massi durante la propria vita d’esercizio. La rampa infatti, è una struttura che “muta”, è una struttura che si adatta ai cambiamenti naturali senza tentare di imbrigliare il corso d’acqua e che permette i naturali scambi tra l’acqua superficiale e l’ambientale circostante, come vuole la moderna filosofia dell’ingegneria naturalistica.
“Evoluzione ed interazione” come chiave di lettura della presente ricerca. Evoluzione morfologica dovuta ai fenomeni di instabilità strutturale della rampa; evoluzione morfologica della rampa dovuta ai fenomeni di riempimento con il materiale solido trasportato dalla corrente ed interazione dei deflussi superficiali e subsuperficiali.
Nel Capitolo 2 saranno analizzate le varie fasi di instabilizzazione strutturale a cui è soggetta una rampa che producono variazioni morfologiche della stessa.
Sarà posta particolare attenzione al raggiungimento delle varie fasi di rottura. Le esperienze sperimentali hanno permesso di individuare quattro fasi di instabilizzazione che vengono qui definite come moto incipiente, rottura locale, rottura globale e rottura ultima.
Verranno misurate in fase di modellistica di laboratorio, le portate liquide corrispondenti a tali fasi di instabilizzazione e sarà quindi possibile fornire una metodologia basata sui dati sperimentali e sull’analisi dimensionale per la valutazione delle portate liquide corrispondenti alle varie rotture, relazioni per l’individuazione delle nuove configurazioni morfologiche d’equilibrio in rottura ultima e formule matematiche per la valutazione degli scavi a valle della rampa in funzione dell’evoluzione morfologica della rampa in fase di instabilizzazione.
Il Capitolo 3 viene dedicato all’interazione tra la struttura ed il materiale solido trasportato dalla corrente, valutando l’evoluzione morfologica, la variazione di scabrezza della rampa dovuta al deposito del materiale solido entro i vuoti “pori” della struttura e la dissipazione energetica in presenza delle nuove configurazioni geometriche.
E’ stata impostata una vasta campagna di sperimentazione di laboratorio al fine di indagare il fenomeno di riempimento delle rampe al variare delle principali grandezze idrauliche, geometriche, e sedimentologiche e studiare gli effetti di tale riempimento sull’efficienza energetica della rampa.
A conclusione dell’indagine svolta è stato possibile valutare l’entità dei depositi che si verificano sulla rampa ed in particolare le portate che permettono, al variare delle grandezze in gioco, di ottenere il massimo ed il minimo riempimento della rampa.
13 Il fenomeno di riempimento è stato inoltre analizzato in funzione dello sviluppo longitudinale della rampa ed è stato quindi possibile fornire una funzione che descriva l’andamento dei depositi lungo la rampa.
Il Capitolo 4 analizza l’interazione tra il deflusso superficiale e il deflusso sub-superficiale entro il letto permeabile e poroso della rampa in massi.
Tale obiettivo è stato raggiunto implementando una campagna sperimentale che ha visto variare i parametri geometrici della rampa, le principali grandezze idrauliche come le caratteristiche filtranti della struttura di base della rampa in blocchi.
L’analisi sperimentale associata all’analisi dimensionale ha permesso di fornire relazioni che permettono di valutare come si suddivide la portata entrante in deflusso superficiale e sub-superficiale.
Tale quantificazione è stata basilare per comprendere la variazione della dissipazione energetica su strutture “permeabili” e quindi di stimare l’errore che si commette trascurando tale fenomeno nella progettazione di queste strutture fluviali.
1.4 Bibliografia
Ferro V., Pagliara S. (2003), Contributo al dimensionamento idraulico delle rampe in pietrame., Rivista di Ingegneria Agraria, num. 1, vol. XXXIV, pp. 23-31, 2003 Ferro V., Dalla Fontana G., Pagliara S., Puglisi S., Scotton P., Opere di sistemazione idraulico- forestale a basso impatto ambientale, McGraw-Hill 2004 Pagliara S. Peruginelli A., "Energy dissipation comparison among steppe d channels, drop and ramp structures" in Hydraulics of Stepped Spillways, pp. 101-, W.Hager-H. Minor, 2000
Pagliara S., Peruginelli, Comportamento idraulico delle rampe di massi, XXVII Convegno di Idraulica e Costruzioni Idrauliche, vol. III, pp. 445-, Genova 2000 Pagliara S., Peruginelli A., Cioni F., La progettazione idraulica delle rampe in pietrame, Dipartimento di Ingegneria Civile Università di Pisa ed. ETS, 2001
Pagliara S., D.Dazzini, Hydraulic of block ramp for river restoration, New trends in water and Environmental Engineering for safety and life, vol. 1, pp. 1-, capri 2002 Pagliara S., Il progetto delle rampe di massi, Atti del corso di aggiornamento 2002 "La progettazione di opere idrauliche in zona montana, vol. 1, pp. 547-574, Milano 2003
Pagliara S., Pozzolini S, The effect of large boulders on the hydraulic of unsubmerged block ramps, XXX Congresso IAHR “Water engineering and research in a learning society: modern developments and traditional concepts”., vol. 2, pp. 199-206, Salonicco (Grecia) 2003
Pagliara S., Chiavaccini P., The use of piles to increase block ramp stability., XXX Congresso IAHR, Thessaloniki Greece, vol. 2, pp. 449-456, Salonicco (Grecia) 2003
Pagliara S., Chiavaccini P., Stability of reinforced block ramp, River Flow, vol. 2, pp. 1291-1296, Naples 2004
Pagliara, S., and Chiavaccini, P. (2006a). “Energy dissipation on block ramps.” J. Hydraul. Eng., 132(1), 41–48.
Pagliara, S., and Chiavaccini, P. (2006b). “Energy Dissipation on Reinforced Block Ramps.” Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 132(3), 293–297.
Pagliara, S., and Chiavaccini, P. (2006c). “Flow Resistance of Rock Chutes with Protruding Boulders.” J. Hydraul. Eng., 132(6), 545–552.
Pagliara, S., Lotti, I. (2006). “Recenti sviluppi sulla stabilità e sulla dissipazione energetica delle rampe in massi”. Quaderni di Idronomia Montana – Le sistemazioni idraulico forestali per la difesa del territorio,27 OTTOBRE 2006. (vol. 26, pp. 315-325). Castrolibero: Nuova Bios s.n.c. (Italy).
