7 Risultati sperimentali: strutture di protezione

7.1 Introduzione

Il principale obiettivo che ci siamo posti con lo studio delle opere di dissipazione è quello di mitigare e smorzare l’azione del getto liquido impattante sul fondo erodibile, di migliorare cioè le caratteristiche dello scavo verso una maggiore sicurezza. Si è cercato quindi di diminuire la lunghezza e la profondità massima dello scavo rispetto al caso di bacino non protetto.

Figura 7.1.1 Schema di profilo di scavo in presenza di struttura di protezione in pietrame

Per questo i dati rilevati nelle prove sperimentali con le opere saranno confrontati con gli analoghi dati relativi al caso di assenza di opere, che siamo in grado di calcolare mediante le relazioni 6.1-6.5 ricavate in precedenza.

E’ stato approfondito lo studio dei sistemi di protezione realizzati in pietrame, in quanto meno gravosi nell’impatto ambientale, e di più moderna concezione.

Per confronto sono anche state eseguite prove riguardanti sistemi di difesa più classici, come le soglie piene e quelle selettive (a pettine).

7.2 Opere testate

Le opere analizzate sono di tre tipi: 1. opere realizzate in pietrame 2. soglie piene

3. soglie selettive (a pettine)

Opere in pietrame

L’opera di difesa realizzata in massi è costituita da elementi lapidei ottenuti da frantumazione di materiale di cava. La forma è allungata, di dimensione massima pari a circa 10 d50 (relativamente al

materiale m1 costituente il fondo). Sono stati necessari pochi elementi, che si sono scelti in modo da

mantenere il più possibile uniformi le dimensioni, per la realizzazione dell’opera trasversale in massi, che è stata interamente testata nel MODELLO 1. La posa in opera è avvenuta appoggiando il fondo dei massi sul materiale presente nel bacino di dissipazione. In tal modo si sono anche potuti controllare eventuali problemi di scalzamento. Sotto vengono presentate alcune foto esemplificative relative alla tipologia di opera realizzata in pietrame ed al suo funzionamento idraulico.

Figura 7.2.2 Vista del funzionamento idraulico dell’opera in pietrame

Soglie piene

L’opera realizzata mediante soglia piena è stata presa in considerazione soprattutto per confronto con le opere realizzate in pietrame. La realizzazione è avvenuta mediante la piegatura ad L di un lamierino dello spessore di circa 1 mm e di larghezza pari a quella del canale di prova, 25 cm. Le dimensioni della L si sono regolate come da Figura e sono state scelte in funzione della profondità del bacino di dissipazione (per evitare che l’opera venisse scalzata) e della possibilità di disporre l’opera al di sotto della superficie (affondata). Tale opera è stata introdotta per simulare il comportamento di opere rigide come soglie in calcestruzzo e la loro ripercussione sui profili di scavo.

Figura 7.2.3 Schema di realizzazione soglie

Soglie selettive (a pettine)

L’opera realizzata mediante soglia a pettine ricalca i metodi descritti per la soglia piena, ottenuta la quale sono stati praticati degli intagli sul paramento verticale per la realizzazione del pettine. Ci si rifà alla soglia piena per ulteriori descrizioni.

L’introduzione di questa tipologia di opera è stata mirata alla ricerca di un comportamento intermedio fra i due precedenti sistemi di protezione. Si è cercato di eliminare la

5.5 25.0 25.0 7.5 7.5 5.5 3.0 1.5 soglia a pettine : sp soglia piena : s

netta discontinuità che recava l’opera in soglia piena verso una situazione più “soft” e naturale, che è quella rappresentata dall’opera in pietrame.

Figura 7.2.4 Test sperimentale con opera realizzata mediante soglia piena

Disposizione delle opere

Sono state studiate tre diverse disposizioni per le opere testate (schema di Figura 7.2.4, relativo alla struttura in pietrame), che riguardano l’affondamento a (relativamente alla superficie del fondo mobile iniziale, misurato in cm) e l’ascissa di sistemazione xs misurata a partire dalla soglia.

I sistemi di protezione sono stati posizionati in superficie (a = 0) alle ascisse xs = 20/30d50 (d50 =

diametro medio del materiale di fondo). Per la prima di queste (xs = 20d50) si è indagata anche la

disposizione affondata (a = 1 cm) rispetto alla superficie. Lo studio è poi proseguito effettuando tests per ogni opera nelle tre precedenti posizioni al variare della portata Q defluente.

h1 h0 xs = 20d50 ; a = 0 xs a xs = 20d50 ; a = -1 cm xs xs = 30d50 ; a = 0 xs

Figura 7.2.4 Schema di disposizione opere

Nel corso di questo capitolo saranno affrontati due tipi di analisi:

1. il primo riguarda la differenza di risultato fra la presenza e l’assenza di opera. In proposito si sono sfruttate le relazioni precedentemente ricavate per il calcolo delle caratteristiche principali dello scavo (lunghezza L0 e profondità media di scavo Zm) nel caso di assenza di

opere e si è poi effettuato il confronto con la situazione in presenza di opere (rilevata dai tests sperimentali).

2. il secondo aspetto riguarda il funzionamento dell’opera nella relativa disposizione al variare della portata Q e quindi del Fd.

7.3 Introduzione grafici e trattamento dati

In questo paragrafo vengono introdotte e commentate le variabili diagrammate nei grafici successivi. l0 lf h1 zM h0 zm zm zmax xm xM lfs ls xs h1 zM zsm2 a zsm1 xsm1 xsm2 xM

Figura 7.3.1 Definition sketch

Le variabili indipendenti utilizzate sono Xs/L0 ed a/zsm, dove:

1

h x

X s

s = ; xs ed h1 sono definite in Legenda.

a = affondamento opera rispetto alla superficie in cm

zsm = max (zsm1 , zsm2), vedere la Legenda per la definizione di zsm1 e zsm2.

zsm = max (zsm1 , zsm2) = massima profondità di scavo del profilo longitudinale medio con opera in

cm

Le variabili dipendenti esaminate sono Zsm / Zm e Ls / L0 per analizzare rispettivamente la

profondità e la lunghezza degli scavi.

Nei grafici relativi alla variabile indipendente Xs/L0 si sono interpolati i dati sperimentali (solo per

le opere in pietrame) con fasci di rette passanti per il punto (0,1). La spiegazione sta nel fatto che se facciamo tendere xs a zero avviciniamo l’opera alla soglia; per xs = 0 l’opera è in corrispondenza

della soglia e perde quindi ogni effetto. Ci riconduciamo perciò al caso di sua assenza. Per questo la profondità dello scavo che otterremo sarà Zsm = Zm, cioè Zsm/Zm = 1.

E’ evidente che i punti sperimentali, al crescere di Xs/L0, dovranno tendere nuovamente all’ordinata

1, in quanto disponendo l’opera molto lontano dalla soglia la sua influenza sarà nulla. Le prove eseguite non hanno però permesso di comprendere per quale valore di Xs/L0 ciò accada. In un primo

tempo si è pensato che la disposizione all’ascissa Xs/L0 = 1 costituisse un altro punto di passaggio

forzato per le curve che avrebbero dovuto descrivere il fenomeno. Alcune recenti prove di laboratorio mirate a questo studio hanno però messo in evidenza che l’opera, anche se al di fuori della buca di scavo relativa al bacino non protetto, influisce sul profilo di scavo perché mediante l’ingranamento del materiale ostacola il movimento degli aggregati ad essa antecedenti.

Fondamentale, nei grafici che ci accingiamo a presentare, è la retta orizzontale di equazione Zsm/Zm

= 1. Tale relazione è riportata in ogni grafico e consente di distinguere le opere efficaci (che limitano lo scavo) e che si trovano nella regione sottostante la retta (Zsm/Zm < 1) da quelle inefficaci

(Zsm/Zm > 1).

In alcuni successivi grafici saranno esaminati tutti i dati sperimentali in funzione della sola variabile indipendente Xs/L0, a prescindere totalmente dall’altra variabile agente, a/zsm (che descrive

l’affondamento dell’opera). In realtà tale procedura non sarebbe corretta, in quanto i dati non sono tutti confrontabili nel medesimo piano. A rigore sarebbe possibile esaminare i dati relativi alle opere in superficie (a/zsm = 0) al variare dell’ascissa di disposizione Xs, o quelli relativi al posizionamento

affondato ma con medesimo valore di Xs/L0. Il problema richiederebbe quindi una visualizzazione

tridimensionale, che non sarebbe comunque efficace per il limitato numero di punti a descrizione della superficie stessa. Per tale motivo si è preferito affrontare il problema come fatto analizzando i dati su due piani cartesiani:

• piano Zsm/Zm , a/zsm. Per i soli dati con la variabile a/zsm ≠ 0 (opere affondate)

I dati sperimentali sono stati ottenuti mediante tests di laboratorio effettuati interamente sul MODELLO 1.

7.3.1 Grafici Z

/Z

, X

/L

Figura 7.3.1.1 Profondità di massimo scavo in relazione alla disposizione planimetrica ; parametro : i opere : massi

Dalla visualizzazione di Figura 7.3.1.1 il primo aspetto da evidenziare è che le opere realizzate in pietrame funzionano in quanto limitano lo scavo rispetto al caso di loro assenza, in condizione di elevata pendenza.

Per pendenze lievi notiamo che l’opera restituisce sempre una profondità di scavo Zsm>Zm. In caso

di pendenza 1:8 l’inserimento dell’opera dà maggiori vantaggi rispetto sia alla pendenza 1:12 che a quella 1:4. Si può quindi supporre che esista una pendenza di massimo vantaggio nell’uso dell’opera in pietrame considerata.

Sono state inserite rette interpolanti i dati per effettuare nelle prossime pagine il confronto fra l’opera realizzata in massi e le altre tipologie di opere.

Passiamo adesso alle opere in pietrame affondate, studiando il problema nel piano Zsm/Zm , a/zsm,

0.5 1.0 1.5 0.0 0.5 1.0 a / z_sm Zsm / Zm i = 1:12 i = 1:8 i = 1:4

Figura 7.3.1.2 Profondità di massimo scavo in relazione alla disposizione altimetrica ; parametro : i opere : massi

Si nota un comportamento analogo al precedente. Rileviamo che l’opera funziona per le pendenze più elevate. In questo caso non possono essere tracciate curve interpolanti in quanto, anche se l’affondamento è nullo, la profondità di scavo dipende anche dal parametro Xs/L0, per cui non

esistono punti di passaggio obbligati.

Riportiamo adesso i più significativi grafici (Figure 7.3.1.3-7.3.1.4) di confronto fra le opere in massi e le altre opere esaminate realizzate mediante soglia. La pendenza di studio è la 1V:8H. Per una maggiore comprensione si sviluppano le seguenti abbreviazioni:

s = soglie piene (sia disposte in superficie che affondate)

sp = soglie selettive (a pettine), disposte sia in superficie che affondate s_0 = soglie generiche disposte in superficie (a=0)

0.5 1.0 1.5 0.0 0.5 1.0 Xs/L0 Zsm/Zm s_0 s_-1 cm sp massi

Figura 7.3.1.3 Confronto fra l’opera in massi e le tipologie di opere realizzate in soglia ; i=1:8

0.5 1.0 1.5 0.0 0.5 1.0 a / z_sm Zsm / Zm massi soglie

C’è da elencare una serie di osservazioni interessanti; per prima cosa, riferendoci alla Figura 7.3.1.3, notiamo che l’opera in pietrame è quella che restituisce, insieme alle soglie piene affondate (s_-1 cm) e a quelle a pettine (sp), le più alte riduzioni della profondità di scavo. Le soglie piene disposte in superficie hanno invece portato ad un aggravamento dello scavo, con una ben evidente serie di dati tutti ben al di sopra dell’ordinata Zsm/Zm =1.

Inoltre le soglie a pettine (a prescindere dall’affondamento) restituiscono risultati confrontabili con le soglie piene in posizione affondata.

L’affondamento per i massi e le soglie conduce infine a risultati confrontabili, sempre vantaggiosi nei riguardi della massima profondità di scavo Zm.

7.3.2 Grafici L

/L

, X

/L

Figura 7.3.2.1 Lunghezza di scavo relativa all’opera in massi

0.5 1.0 1.5 0.0 0.5 1.0 a / zsm Ls / L0 i = 1:12 i = 1:8 i = 1:4

Come già osservato per il piano Zsm/Zm , Xs/L0, l’opera in massi (Figura 7.3.2.1) funziona ancora

per le pendenze più marcate. Esiste ancora una pendenza ottimale di utilizzo superata e prima della quale si verifica un aumento della lunghezza dello scavo.

I dati plottati comprendono anche le opere affondate, che sono esaminate in dettaglio anche nel grafico di Figura 7.3.2.2.

Si nota comunque che non esistono differenze sostanziali fra la disposizione superficiale ed affondata dei massi, per quanto attiene alla lunghezza dello scavo.

In Figura 7.3.2.2, riguardo alla variabile indipendente a/zsm, sono diagrammati solo i dati

sperimentali che riguardano opere affondate (a/zsm ≠ 0) e prescindiamo totalmente dall’ascissa di

disposizione Xs/L0.

Notiamo una sensibile riduzione della lunghezza di scavo solo per la pendenza 1V:8H; per i valori contigui di pendenza (1V:4H e 1V:12H) non è possibile individuare un vero e proprio trend, e l’inserimento dell’opera risulta sconsigliato.

Passiamo adesso all’esame più particolareggiato confrontando le diverse tipologie di opere solo per la pendenza 1V:8H, per la maggiore quantità di dati sperimentali. Le pendenze 1V:4H e 1V:12H vengono solo commentate senza l’ausilio di grafici.

Per una maggiore comprensione delle seguenti Figure (7.3.2.3-7.3.2.5) si sviluppano le seguenti abbreviazioni:

s = soglie piene (sia disposte in superficie che affondate)

sp = soglie selettive (a pettine), sia disposte in superficie che affondate s_0 = soglie generiche disposte in superficie (a=0)

0.5 1.0 1.5 0.0 0.5 1.0 Xs/L0 Ls/L0 s sp massi

Figura 7.3.2.3 Confronto MASSI / SOGLIE (tipologia) ; i = 1:8

0.5 1.0 1.5 0.0 0.5 1.0 Xs/L0 Ls/L0 s_0 s_-1 cm massi

0.5 1.0 1.5 0.0 0.5 1.0 a / zsm Ls / L0 massi soglie

Figura 7.3.2.5 Confronto (MASSI / SOGLIE) affondati ; i = 1:8

Dall’esame di Figura 7.3.2.4 si osserva un simile comportamento che accomuna l’opera massi (retta in grigio) all’opera realizzata in soglia affondata (indistintamente piena o selettiva). Nel piano cartesiano in questione non è possibile comprendere il comportamento delle soglie superficiali. Non si rilevano invece analogie che legano l’opera in massi con quella in soglia distinta per tipologia (Figura 7.3.2.3). Si noti comunque che in entrambi i sopracitati grafici tutte le opere testate restituiscono uno scavo più corto rispetto al bacino non protetto.

Infine, dall’esame di Figura 7.3.2.5, notiamo che le opere in massi e le soglie affondate (senza distinguerne in tipologia per non perdere di generalità) hanno un comportamento simile.

Relativamente alla pendenza 1V:12H, senza riportare Figure al riguardo e dal confronto dei pochi dati sperimentali ricavati, possiamo asserire che l’opera in massi è peggiore delle soglie, e che l’utilizzo di queste ultime non è certo da preferire per la limitatezza dei benefici apportati (Ls/L0

Per la pendenza maggiore (1V:4H), è stato rilevato un comportamento delle soglie (senza specificarne la tipologia) confrontabile con quello dei massi. Anche in riferimento all’affondamento (piano cartesiano Ls/L0 , a/zsm), si verifica la coincidenza dei massi con le soglie.

7.3.3 Opere in massi: grafici Z

, F

Introduciamo adesso una serie di grafici che permettono di analizzare l’opera di protezione in massi nel piano Zsm, Fd50, e cioè di studiare il tipo di opera selezionata al variare della portata (e quindi

del Fd50). Viene effettuato anche il confronto con la situazione di assenza di opere riportando le

curve 6.1 trovate in precedenza, al fine di controllare visivamente l’efficienza dell’opera stessa. Inoltre si va ad esaminare il completo profilo di scavo perché vengono riportate le profondità di massimo scavo (adimensionalizzate in Zsm1 e Zsm2) rilevate sia nel tratto di monte che in quello di

valle del manufatto. Ciò consente di avere un’idea sulla discontinuità che subisce il fondo al variare delle diverse disposizioni dell’opera in massi.

Sono state utilizzate le seguenti notazioni:

Zsm1_0 indica la profondità di massimo scavo rilevata a monte (indice 1) dell’opera massi con

disposizione superficiale (a=0).

Zsm2_-1 cm indica la profondità di massimo scavo rilevata a valle (indice 2) dell’opera massi con

disposizione affondata (a=1 cm).

Se non sussiste indicazione sul parametro a (affondamento), si considerano automaticamente i dati per tutte le disposizioni esaminate.

0.0 1.0 2.0 3.0 F_d50 Z_sm1, Z_sm2 Zsm1 Zsm2 Eq. 6.1

Nel grafico di Figura 7.3.3.1 sono inseriti i dati sperimentali relativi a tutte le disposizioni testate (anche le configurazione affondate) per la pendenza 1V:12H, che come abbiamo visto in precedenza, è quella su cui otteniamo i peggiori risultati. Da notare infatti che lo scavo a monte dell’opera ha sempre profondità maggiore rispetto al caso non protetto (Zsm1>Zm). La profondità

dello scavo che si verifica a valle dell’opera risulta invece inferiore (Zsm2<Zm).

0.0 1.0 2.0 3.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 F_d50 Z_sm1, Z_sm2 Zsm1_0 Zsm2_0 Zsm1_-1 cm Zsm2_-1 cm Eq. 6.1

Figura 7.3.3.2 Confronto fra la disposizione superficiale ed affondata per l’opera in massi ; i=1:12

Se andiamo a confrontare (Figura 7.3.3.2) le opere in pietrame affondate e non, ovviamente sistemate alla medesima ascissa xs, notiamo che quelle posizionate in superficie si comportano

peggio delle opere affondate. La tendenza sembra essere, sistemando le opere al di sotto della superficie iniziale, quella di avvicinare i due valori di profondità di scavo, cioè di ottenere uno scavo a valle più simile, in termini di profondità, a quello di monte. Si ottiene anche un lieve vantaggio per la diminuzione, seppur lieve, dell’entità dello scavo a monte dell’opera rispetto alla disposizione superficiale.

D’altro canto, anche utilizzando opere in pietrame affondate, il risultato è comunque sfavorevole, come già detto in precedenza.

0.0 1.0 2.0 3.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 Fd50 Zsm1 , Zsm2 Zsm1 Zsm2 Eq. 6.1

Figura 7.3.3.3 Confronto fra le profondità di scavo a monte e a valle dell’opera in massi ; i = 1:8

0.0 1.0 2.0 3.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 Fd50 Zsm1 , Zsm2 Zsm1_0 Zsm2_0 Zsm1_-1 cm Zsm2_-1 cm Eq. 6.1

Dall’esame dei due precedenti grafici (Figure 7.3.3.3-7.3.3.4) il primo aspetto da mettere in evidenza è che, per la pendenza esaminata, l’utilizzo di opere in pietrame è sicuramente vantaggioso. Abbiamo infatti che , tranne per un esperimento, tutti i dati esaminati stanno al di sotto della curva relativa all’assenza di opere. Notiamo anche, rispetto alla pendenza 1V:12H, una maggiore affinità fra gli scavi a monte e a valle dell’opera.

Non si rilevano sensibili cambiamenti fra le opere affondate e in superficie (Figura 7.3.3.4).

Per la pendenza più elevata (Figure 7.3.3.5-7.3.3.6) il comportamento delle diverse disposizioni dell’opera in massi, per quanto riguarda la variabile Zsm1, è comune. C’è un solo caso, ottenuto per

Fd elevato, in cui si verifica uno scavo maggiore relativamente all’assenza di opere. Anche lo scavo

a valle dell’opera è di profondità contenuta e sempre inferiore alla profondità dello scavo a monte dell’opera (Zsm2<Zsm1). 0.0 1.0 2.0 3.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 Fd50 Zsm1, Zsm2 Zsm1 Zsm2 Eq. 6.1

Anche in questo caso distinguiamo, per la variabile Zsm2, i diversi tipi di opera in cui questo si

verifica nel prossimo grafico (Figura 7.3.3.6):

0.0 1.0 2.0 3.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 F_d50 Zsm1, Zsm2 Zsm1_0 Zsm2_0 Zsm1_-1 cm Zsm2_-1 cm Eq. 6.1

Figura 7.3.3.6 Confronto fra la disposizione superficiale ed affondata per l’opera in massi ; i=1:4

Si osserva una diminuzione dell’entità dello scavo a valle dell’opera, se questa è posizionata al di sotto del piano di campagna.

7.3.4 Esame approfondito delle opere in massi

In questo paragrafo cercheremo di esaminare sotto più approfonditi aspetti le opere di protezione, in principal modo quelle realizzate in pietrame: Proveremo a fornire alcuni termini di paragone fra queste ultime e altre tipologie di difesa più classiche, come le soglie (piene e selettive) e pure di analizzare le differenze sostanziali, all’interno di ogni singola tipologia, al variare di parametri caratteristici come il numero di Froude e la pendenza della rampa (i).

Per le opere realizzate in pietrame sono stati esaminati i profili di scavo in relazione a due diversi aspetti:

• il primo riguarda l’evoluzione del fenomeno effossorio in funzione del numero di Froude densimetrico Fd per fissata pendenza i.

• il secondo è relativo al confronto fra gli scavi ottenuti per medesimi numeri di Fd al variare

della pendenza della rampa i

L’esame del primo elemento è sviluppato per l’opera in pietrame in disposizione superficiale. Dalla Figura 7.3.4.1, relativa alla pendenza 1V:12H, si osserva che all’aumentare del Fd aumentano

in proporzione anche le profondità di scavo sia a monte che a valle del manufatto.

Anche il profilo liquido varia sensibilmente; si nota una distensione del risalto verso valle accompagnata da una diminuzione stessa della ripidità all’aumentare di Fd. Tale comportamento è

probabilmente dovuto al cambiamento della tipologia del risalto, che si trasforma da sommerso (caratteristico dei bassi valori di portata) a libero tipo wave, come si riconosce chiaramente in Figura 7.3.4.1 disegnato con linea a tratto.

Altra importante osservazione da fare riguarda il profilo del fondo mobile a valle del manufatto. Per tutti i valori di Fd si verifica uno scavo a valle dell’opera per la struttura e la pendenza considerati.

Per bassi Fd si verifica però un deposito subito a valle dell’opera ed uno scavo a questi successivo.

Ciò implica un tratto di bacino in regime di scavo (eventualmente da proteggere) molto più esteso. Aumentando il Fd lo scavo si verifica subito alle spalle dell’opera.

Se innalziamo la pendenza (i=1V:8H, Figura 7.3.4.2), sia la profondità che la lunghezza dello scavo si amplificano progressivamente con il Fd (a differenza del caso precedente).

Nel profilo di scavo relativo a Fd = 3.2 siamo in presenza di una Condizione di Trasporto.

La Figura 7.3.4.3, relativo ad una situazione di pendenza elevata (i = 1V:4H) denuncia un simile andamento del fondo mobile a monte dell’opera a prescindere dal Fd. Per tali valori di pendenza

l’opera rappresenta quindi un vincolo all’andamento del fondo mobile. A valle dell’opera si verifica uno scavo che si approfondisce progressivamente con il Fd, come nel caso di Figura 7.3.4.2.

Fd = 2.2

Fd = 2.6 Fd = 1.9

Figura 7.3.4.1 Variazione dei profili di scavo con il numero di Froude Fd per opera in pietrame superficiale ; i = 1:12

Fd = 3.2

Fd = 2.9 Fd = 2.8

Figura 7.3.4.2 Variazione dei profili di scavo con il numero di Froude Fd per opera in pietrame superficiale ; i = 1:8

Fd = 2.2 Fd = 2.6

Fd = 3.7

Figura 7.3.4.3 Variazione dei profili di scavo con il numero di Froude Fd per opera in pietrame superficiale ; i = 1:4

Dalla Figura 7.3.4.4_b si nota che il profilo di scavo relativo alle pendenze 1V:4H e 1V:12H sono confrontabili, e addirittura a valle si verifichi uno scavo maggiore nel caso di bassa pendenza, ancora a conferma dell’aggravio che si ottiene utilizzando l’opera in pietrame per basse pendenze.

a b c i = 1V:4H i = 1V:8H i = 1V:12H Fd = 2.6 Fd = 2.6 Fd = 2.2 Fd = 2.2 Fd = 3.7 Fd = 3.2 Fd = 2.8

Figura.7.3.4.4 Variazione dei profili di scavo con la pendenza i per opera in pietrame in disposizione superficiale per simili Fd

In riguardo dell’opera realizzata in massi in disposizione affondata abbiamo da fare le seguenti osservazioni (relativamente alle Figure 7.3.4.5-7.3.4.7):

• il profilo del fondo, passando da monte a valle del manufatto, subisce lievissime

discontinuità. L’inserimento dell’opera in disposizione affondata sembra calibrare lo scavo • si osserva una variazione più continua e uniforme della profondità massima degli scavi con

il Fd

• Talvolta la sezione di massimo scavo si verifica a valle dell’opera

Fd = 2.7 Fd = 2.3 Fd = 2.1

Figura 7.3.4.5 Variazione dei profili di scavo con il numero di Froude Fd per opera in pietrame affondata ; i = 1:12

Fd = 2.7

Fd = 3.3 Fd = 3.0

Figura 7.3.4.6 Variazione dei profili di scavo con il numero di Froude Fd per opera in pietrame affondata ; i = 1:8

Fd = 3.8 Fd = 2.6 Fd = 2.2

Figura..7.3.4.7 Variazione dei profili di scavo con il numero di Froude Fd per opera in pietrame affondata ; i = 1:4

In riferimento alla Figura 7.3.4.8, relativa ai profili di scavo al variare della pendenza per simili Fd,

si osserva:

• ottima restituzione dell’opera su pendenze medie (1V:8H), dove si verificano profondità dello scavo inferiori anche alla pendenza 1V:12H

Fd = 2.7 Fd = 2.7 Fd = 2.6 Fd = 2.3 Fd = 2.1 Fd = 2.2 i = 1V:12H i = 1V:8H i = 1V:4H

Figura 7.3.4.8 Variazione dei profili di scavo con la pendenza i per opera in pietrame in disposizione affondata per Fd simili

Passiamo adesso al confronto fra la disposizione superficiale e quella affondata per quanto concerne l’opera in pietrame. Nelle Figure successive (7.2.4.9_7.3.4.17) è esposto l’andamento dei profili del fondo relativi alle due disposizioni.

Gli scavi sono suddivisi per pendenza ed ulteriormente in funzione del valore del Fd. (basso, medio e

alto). Pendenza 1V:12H Fd = 1.9 Fd = 2.1 disposizione superficiale disposizione affondata

Figura.7.3.4.9 Confronto fra i profili di scavo al variare della disposizione dell’opera in pietrame ; i=1:12; Fd basso

Fd = 2.2 Fd = 2.3

Figura 7.3.4.10 Confronto fra i profili di scavo al variare della disposizione dell’opera in pietrame ; i=1:12; Fd medio

Fd = 2.6 Fd = 2.7

Figura 7.3.4.11 Confronto fra i profili di scavo al variare della disposizione dell’opera in pietrame ; i=1:12; Fd alto

Per bassa pendenza (Figure 7.3.4.9-7.3.4.11) si rileva che:

• le due disposizioni per l’opera massi non portano a sostanziali differenze in riguardo al tratto a monte del manufatto

• il tratto a valle dell’opera è più protetto se adottiamo la disposizione superficiale Pendenza 1V:8H

Fd = 3.8

Fd = 3.7

Figura 7.3.4.12 Confronto fra i profili di scavo al variare della disposizione dell’opera in pietrame ; i=1:8; Fd basso

Fd = 2.9

Fd = 3.0

Figura 7.3.4.13 Confronto fra i profili di scavo al variare della disposizione dell’opera in pietrame ; i=1:8; Fd medio

Fd = 3.8

Fd = 3.7

Figura 7.3.4.14 Confronto fra i profili di scavo al variare della disposizione dell’opera in pietrame ; i=1:8; Fd alto

Per pendenza 1V:8H (Figure 7.3.4.12-7.3.4.14) si osserva: • il comportamento delle due disposizioni si fa più simile

• per alti Fd, nel tratto a monte dell’opera, si assiste ad un peggioramento per la disposizione

superficiale rispetto a quella affondata

Fd = 3.8

Fd = 3.7

Figura 7.3.4.15 Confronto fra i profili di scavo al variare della disposizione dell’opera in pietrame ; i=1:4; Fd basso

Fd = 3.8

Fd = 3.7

Figura 7.3.4.16 Confronto fra i profili di scavo al variare della disposizione dell’opera in pietrame ; i=1:4; Fd medio

Fd = 3.8

Fd = 3.7

Figura 7.3.4.17 Confronto fra i profili di scavo al variare della disposizione dell’opera in pietrame ; i=1:4; Fd alto

Infine per pendenza 1V:4H Figure (7.3.4.15-7.3.4.17) si osserva che:

• la situazione è ad appannaggio della disposizione affondata, per quanto riguarda la profondità di massimo scavo che si verifica a monte dell’opera (escluso che per Fd molto

7.3.5 Confronti fra le diverse tipologie di opere

Passiamo all’esame del confronto fra l’opera in massi e le opere rigide, realizzate tramite soglia, ancora con il medesimo piano cartesiano Zsm , Fd50.

Verrà analizzata solo la pendenza i = 1V:8H, dove le opere hanno una maggiore efficacia. Si prescinde dall’affondamento a.

s_0 = soglie piene disposte in superficie (a=0)

s_-1 cm = soglie piene affondate di 1 cm (a=1) rispetto alla superficie sp = soglie a pettine (sia disposte in superficie che affondate)

s = soglie piene (sia disposte in superficie che affondate)

0.0 1.0 2.0 3.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 Fd50 Zsm1 , Zsm2 Zsm1 Zsm2 Zsm1 sp Zsm2 sp Eq. 6.1

Figura 7.3.5.1 Confronto fra l’opera in massi e l’opera generica in soglia ; i=1:8

Osservazioni alla Figura 7.3.5.1:

• per l’opera rigida a valle del manufatto si osserva un miglioramento del profilo: il manufatto in soglia dissipa in quantità maggiore l’energia del getto che modella meno il fondo a valle dell’opera stessa.

0.0 1.0 2.0 3.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 Fd50 Zsm1 , Zsm2 Zsm1 Zsm2 Zsm1 s Zsm2 s Eq. 6.1

Figura 7.3.5.2 Confronto fra l’opera in massi e l’opera in soglia piena ; i=1:8

0.0 1.0 2.0 3.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 Fd50 Zsm1 , Zsm2 Zsm1 Zsm2 Zsm1 s Zsm2 s Eq. 6.1

Osservazioni alle Figure 7.3.5.2-7.3.5.3:

• l’opera in soglia piena è lievemente peggiore di quella realizzata in massi

• si verifica una maggiore corrispondenza, per entrambi i valori di profondità di scavo, dell’opera in massi con l’opera in soglia selettiva

0.0 1.0 2.0 3.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 Fd50 Zsm1 , Zsm2 Zsm1sp Zsm2sp Zsm1 s Zsm2 s Eq. 6.1

Figura 7.3.5.4 Confronto fra l’opera in soglia selettiva (sp) e l’opera in soglia piena (s) ; i=1:8

Passando al confronto fra le due studiate tipologie di soglie (Figura 7.3.5.4) si osserva:

• una superiorità, per quanto attiene alla massima profondità di scavo, della soglia a pettine rispetto alla soglia piena

• La situazione a valle non è influenzata dal tipo di soglia, ma in misura maggiore dall’affondamento della stessa (Figura 7.3.5.5)

0.0 1.0 2.0 3.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 F_d50 Z_sm1 , Z_sm2 Zsm1_0 Zsm2_0 Zsm1_-1 cm Zsm2_-1 cm Eq. 6.1

Figura 7.3.5.5 Confronto fra l’opera generica in soglia fra la disposizione affondata (-1 cm) e superficiale (0) ; i=1:8

Osservazioni alla Figura 7.3.5.5:

• per quanto riguarda l’affondamento, la generica opera in superficie è mediamente peggiore di quella affondata, per ciò che attiene alla profondità di massimo scavo.

Al fine di particolareggiare ulteriormente le differenze intercorrenti fra le tipologie e le disposizioni dell’opera realizzata in soglia, si procede al paragone fra alcuni tests sperimentali riferiti alla pendenza i = 1V:8H e a simili valori della portata defluente Q.

0 10 20 30 40 0 60 L (cm) 120 180 H (cm ) ff sp_-1 pl sp_-1 ff sp_0 pl sp_0

Figura 7.3.5.6 Confronto fra la disposizione superficiale e affondata per la soglia selettiva ; bassa Q

0 10 20 30 40 0 60 _{L (cm)} 120 180 H (cm)) ff sp_-1 pl sp_-1 ff sp_0 pl sp_0

Figura 7.3.5.8 Risultato di test con soglia a pettine disposta in superficie

Figura 7.3.5.9 Risultato di test con soglia a pettine in posizione affondata

Osservazioni alle Figure 7.3.5.6-7.3.5.9:

• l’affondamento, nelle soglie selettive, lascia immutato lo scavo massimo. • il profilo di scavo a valle dell’opera peggiora con la disposizione affondata

• disponendo l’opera in profondità si verifica anche un aumento la lunghezza dello scavo Ls

0 10 20 30 40 0 60 120 180 L (cm) H ( cm ) ff s_-1 pl s_-1 ff s_0 pl s_0

Figura 7.3.5.10 Confronto fra la disposizione superficiale e affondata per la soglia piena ; i=1:8 ; bassa Q

10 20 30 40 H (c m)) pl s_0 ff s_-1 ff s_0 pl s_-1

Osservazioni alle Figure 7.3.5.10-7.3.5.11:

• Per quanto attiene alle soglie piene, il getto liquido in uscita dalla rampa è più disturbato se inseriamo la soglia in superficie. Visionando i filmati delle prove si nota che a valle dell’opera ci sono vortici piuttosto intensi, che modellano fortemente il fondo. Nella situazione affondata questa turbolenza è molto meno pronunciata. Il fondo mobile, in questo caso, è molto più piatto e simile a quello che si otterrebbe in assenza di opera.

• Introducendo la soglia piena in posizione affondata si ottengono maggiori benefici. Si può infatti contare sulla riduzione dello scavo sia a monte che , per portate più elevate,a valle dell’opera stessa.

• Per portate basse si ha una maggiore profondità di scavo a valle rispetto alla disposizione in superficie, ma è un aspetto poco determinante in confronto alla configurazione del fondo a monte dell’opera, nettamente a vantaggio della disposizione affondata.

• Per le portate maggiori, il secondo profilo di scavo, che nasce dall’opera propagandosi verso valle, si approfondisce rispetto alla quota di partenza (in corrispondenza del manufatto) e raggiunge il massimo scavo piuttosto a valle dell’opera stessa, perturbando un notevole tratto del bacino.

Osservazioni conclusive

La principale motivazione del diverso comportamento dei due tipi di soglie sopra elencati in relazione anche alle due diverse disposizioni studiate sono molteplici. La soglia a pettine consente una certa quota di trasferimento di energia da monte verso valle del getto liquido. Non può certo trattarsi di opera “soft”, come quella realizzata in pietrame, ma certo introduce una situazione idrodinamica più favorevole rispetto alla soglia piena. I moti vorticosi in corrispondenza della sezione dell’opera, come già è stato detto, sono meno violenti rispetto al caso di soglia piena. Si osserva infatti un minore impatto della corrente sul fondo mobile, che risulta quasi immobile se si esclude il moto alternativo delle particelle sulle quali agisce una tensione tangenziale circa pari a quella critica di incipiente movimento, quasi come avviene nel caso di assenza di opera. Inoltre si osserva un minore dislivello di fondo passando da monte a valle dell’opera. L’entità di tale dislivello poi è lentamente variabile con la portata, in maniera direttamente proporzionale. Nel caso di soglia piena, invece, si verifica sin da subito un notevole scavo massimo del profilo a monte dell’opera. Passando a valle si osserva un notevole rialzo del fondale.

E’ emersa un’analogia, per quanto attiene alla massima profondità di scavo, fra l’opera in soglia selettiva in disposizione superficiale e l’opera in soglia piena in disposizione affondata.

7.3.6 Profili di riporto

Come ultimo punto studiamo come varia la massima altezza di deposito ZM in funzione del Fd50 se

viene inserita una generica opera di protezione fra quelle precedentemente esaminate.

Nel grafico successivo (Figura 7.3.6.1) si riporta la variabile ZM per tests con opera di protezione in

funzione della pendenza (i). Le curve plottate a tratto fine sono relative al caso di bacino non protetto ricavate nel paragrafo 6.7. Il materiale al quale ci si riferisce è l’m1 (granulometria

uniforme). 0.0 0.5 1.0 1.5 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 F_d50 ZM opere ; i = 1:12 opere ; i = 1:8 opere ; i = 1:4 no opere ; i = 1:12 no opere ; i = 1:4 no opere ; i = 1:8 Figura 7.3.6.1

Per le basse pendenze non si notano variazioni di sorta con l’utilizzo di opere. E’ presente un effetto benefico per la pendenza più elevata (i=1:4), dove l’introduzione dell’opera allinea i valori di massimo deposito a quelli relativi alla pendenza inferiore testata (i=1V:8H).

7.4 Prove speciali su bacino sagomato

Al termine della sperimentazione si sono eseguite alcune prove al fine di fornire un esempio del vantaggio che si può trarre realizzando un bacino di dissipazione preformato ed opportunamente rivestito con massi di maggiori dimensioni.

Questo tipo di vasca è stato ottenuto facendo defluire una certa portata fino al raggiungimento delle condizioni di equilibrio; in tale situazione a valle della rampa si è costituita una zona di scavo caratterizzata da una certa profondità.

Una volta arrestata la prova si è provveduto al rivestimento con pietrame per uno strato avente uno spessore circa 2-2.5 volte il diametro caratteristico del materiale di fondo.

Successivamente si è fatta defluire la stessa portata che aveva originato lo scavo, in modo da valutare qualitativamente gli effetti della protezione realizzata.

Figura 7.4.1 Vista del bacino sagomato durante il tests sperimentale Osservazioni:

• La parte del rivestimento più debole risulta quella della zona subito al piede della rampa. • procedendo verso valle lungo il rivestimento si nota che i massi presentano una maggiore

stabilità

• la conformazione concava del bacino consente la creazione di un cuscino d’acqua che smorza l’energia del getto veloce, mediante lo sviluppo di attriti e la formazione di turbolenze, e protegge il rivestimento

Quanto esposto sembra confermare la necessità di dover realizzare a valle della rampa un graduale passaggio fra l’opera in pietrame e il fondo in modo da stabilizzare maggiormente il piede del manufatto. Tale obiettivo è perseguibile pure con un sistema di protezione da ricercare fra quelli analizzati in questo capitolo.