1.4
Finalità e obiettivi della tesi
Nella presente tesi verrà effettuato uno studio sperimentale sul funzionamento di opere trasversali poste a valle di scaricatori .
In particolare attraverso lo studio di una serie di prove di laboratorio eseguite su di un modello sperimentale creato appositamente, usufruendo anche di altri dati acquisiti su un modello simile, verranno descritti i fenomeni caratterizzanti l’impatto del getto con un fondo composto da materiale incoerente.
In particolare l’obiettivo della seguente ricerca è riuscire a descrivere in maniera qualitativa il funzionamento di queste strutture al variare della loro posizione longitudinale, delle portate del getto, dell’inclinazione del getto, dei tiranti liquidi, dell’indice dei vuoti delle strutture e degli altri parametri caratteristici.
Verrà quindi descritta la geometria del fenomeno con osservazioni sui profili di scavo in alcune posizioni caratteristiche risultate significative nella ricerca delle configurazioni
1.3
Ricerche e risultati di altri autori
Il plunge pool scour risulta essere un fenomeno che genera un significativo rischio per opere idrauliche che risentono del problema dello scavo ai piedi della struttura.
Gli scavi prodotti dai getti risultano rilevanti soprattutto se si è in presenza di opere idrauliche con una massa importane sottoposta a sollecitazioni di monte importanti.
Lo studio nei confronti di questo fenomeno attualmente è nella fase di osservazione e costruzione di modelli per la determinazione della caratteristiche nelle diverse configurazioni possibili che si possono presentare nella realtà.
Canepa e Hager (2003), Rajaratnam e Mazurek (2002), Mason (2002) hanno recentemente effettuato ricerche in questa direzione, in seguito a queste pubblicazioni nuovo materiale si è aggiunto con “Hydraulics of plunge pool scour” e “Further results to Hydraulics of plane
plunge pool scour” di Pagliara, Hager e Minor.
A questi ultimi due articoli si farà riferimento per l’analisi che segue. In particolare, in esi sono presenti delle relazioni sperimentali per descrivere: l’effetto dell’aria contenuta nel getto,la geometria dello scavo,la geometria del materiale di deposito e in particolare l’espressione della massima profondità di scavo.
Il problema principale nell’utilizzo di questi scarichi sta nelle paratoie, in generale l’elevata pressione dell'acqua che spinge su una paratoia fa si che questa sia impossibile da aprire.
Il problema è stato risolto utilizzando due paratoie, la prima, a contatto con bacino, generalmente stagna e di tipo piano, mentre la seconda progettata in modo da poter essere sempre aperta, anche se su essa sono esercitate pressioni elevate, questo però è fattibile tecnicamente solo a scapito della tenuta stagna, rendendo, di fatto, necessario allo stesso momento l'uso della prima paratoia.
Scaricatori di esaurimento
Sono posizionati in fondo alla diga, sono di dimensione ridotta essi servono per svuotare del tutto la diga, quindi svuotare anche gli ultimi rimasugli di acqua lasciati dallo scarico di fondo, poiché questo generalmente è posizionato qualche metro sopra il minimo invaso possibile.
Sono scarichi di natura semplice. Man mano che aumentano il livello liquido e il carico idraulico sono soggetti prima a un funzionamento a pelo libero poi a un funzionamento in pressione con portate tendenti alla portata di saturazione.
Scaricatori di fondo
Gli scaricatori di fondo sono costituiti da una tubazione in pressione chiusa da una o più paratoie, seguita da una galleria a pelo libero provvista di aerofori.
Queste opere, a meno che il bacino non sia stato svuotato difficilmente sono visibili. Infatti sono posizionati sul fondo del bacino e quindi di solito sono coperti dall'acqua.
Il diametro degli scarichi di fondo è solitamente elevato (4-8m), infatti essi devono consentire il rapido svaso dell'impianto.
-
Scarichi di superficie soggetti a saturazione
Un altro esempio di scarico di superficie è quello a calice. Le figure seguenti mostrano come l'acqua venga inghiottita dal calice e convogliata verso il cunicolo di scarico.
La quantità d'acqua che entra nel calice è proporzionale alla circonferenza di quest'ultimo; intuitivamente si comprende come con una circonferenza maggiore si possa far scaricare una quantità d'acqua maggiore.
Fig. 1.19 Vista dei calici della Hoover Dam (USA)
Scaricatori di superficie
- Scaricatori a stramazzo
In molte dighe è previsto che, qualora il livello dell'invaso raggiunga la massima altezza
dello scaricatore, essa venga semplicemente scavalcata dall'acqua utilizzando degli
sfioratori a stramazzo.
Bisogna precisare che la normativa impone che, per tali tipi di scarico, vengano realizzate delle opere atte a diminuire il potere erosivo, dell'impatto col terreno
.
Fig. 1.16 Vista della Crystal Dam Fig. 1.17 Vista della Gebidem Dam
Si possono prevedere anche degli scivoli per allontanare l’acqua e convogliarla verso vasche di dissipazione.
1.2.2 Organi di scarico
Le funzioni assolte gli scaricatori sono:
- svuotamento del serbatoio d’acqua creato dalla diga;
- mantenimento nel serbatoio del livello liquido voluto, diverso in generale da
quello massimo e minimo;
- incanalare parte dell’acqua per destinarla all’uso idroelettrico, o per l’uso
irriguo;
Data l’importanza degli obbiettivi a cui devono assolvere, la loro realizzazione è oggetto di particolare cura, da parte dei progettisti, al fine di assicurare il corretto funzionamento dell’impianto.
La normativa prevede che gli scaricatori siano dimensionati per far fronte alla massima piena sul bacino. Inoltre le eventuali paratie di apertura/chiusura delle condotte devono essere azionabili sia a mano che tramite due meccanismi automatici diversi ( per questo motivo su certe dighe si prevede una piccola turbina che genera energia necessaria ad azionare i motori elettrici per aprire le paratie)
Fig. 1.13 Vista della diga della Valle di Lei (1961) Fig. 1.14 Sezione
Dighe ad arco ed a volta
Sono le dighe più caratteristiche ed è frequente incontrarle sulle vallate alpine, raggiungono dimensioni notevoli. La quarta diga più alta del mondo è una diga ad arco sul fiume Inguri in Georgia con 272 m di altezza e con uno sviluppo al coronamento di 680 m, mentre con i suoi 262 m la diga del Vajont (Diga
del Colomber) è la quinta al mondo.
La struttura è costituita da una parete in calcestruzzo arcuata sul piano orizzontale, e nel caso di dighe a volta, anche su quello verticale. Lo sbarramento è relativamente sottile se rapportato con la sua altezza e rispetto ai tipi di diga a gravità. I lati del corpo diga sono appoggiati direttamente ai due lati della valle e su di essi scaricano le sollecitazioni. Nel caso delle dighe a cupola parte della spinta viene dissipata anche verso il basso.
Fig. 1.11 Diga del Vajont in costruzione
Questo tipo di dighe spingono sui lati della valle ed è particolarmente importante preoccuparsi della solidità di questi ultimi eventualmente attuando lavori di consolidamento.
Altro esempio è la diga delle Tre Gole in Cina che ha uno sviluppo in coronamento di 2,4 km a fronte di una altezza di 185 metri.
Fig. 1.8 Veduta della diga Svizzera Grande Dixence.
Dighe a gravità alleggerite
La diga a gravità alleggerita è in sostanza uno sbarramento di spessore relativamente ridotto appoggiato a dei contrafforti. I contrafforti, che risultano essere relativamente sottili, conducono gli sforzi fino alle fondazioni. Questo tipo di costruzione consente chiaramente di raggiungere dimensioni notevoli e al tempo stesso di risparmiare una grande quantità di calcestruzzo. Confrontandola con la diga a gravità massiccia si può facilmente immaginare come lo studio di questo tipo di dighe sia più difficoltoso in quanto nettamente più complicata risulta essere la distribuzione delle sollecitazioni in seno all’opera.
1.2.1 Tipologie di Dighe
Dighe in terra
Le dighe in terra sono le dighe più semplici. Esse sono costituite da un semplice cumulo di terra con un nocciolo stagno al centro oppure con un rivestimento impermeabile sul lato a monte a contatto con lo specchio liquido. Il loro dimensionamento è effettuato rispettando i limiti di coesione del materiale con la quale sono costruite, quindi solitamente raggiungono altezze limitate e vengono sfruttate più come strutture di contenimento che di sbarramento; esse hanno il vantaggio di una predisposizione non particolarmente problematica.
Dighe a gravità
Sono le dighe in calcestruzzo dalla struttura più semplice. Esse sono realizzate con blocchi di calcestruzzo di sezione trapezia la cui stabilità è garantita dal loro peso che si oppone alla spinta idrostatica.
Fig. 1.7 Esempio di diga a gravità.
Un' esempio è rappresentato dalla diga di Ravedis. Possono anche raggiungere altezze elevate e sviluppi al coronamento notevoli. Per esempio la diga svizzera Grande Dixence risulta essere alta 285 metri (terza diga più alta del mondo) e con uno sviluppo di 695 m al coronamento. Essa è costituita da un volume di 6 milioni di metri cubi di calcestruzzo.
1.2
Opere di accumulazione
Sono definite opere di accumulazione quelle opere che hanno una capacità di invaso necessaria alla ritenzione di volumi idrici nel tempo .
Uno sbarramento o diga è definita come un’opera trasversale che intercetta deflussi.
Tali opere presuppongono la formazione di laghi artificiali che possono essere sfruttati per: - Impianti idroelettrici
- Irrigazione
- Approvvigionamento idropotabile - Navigazione fluviale
- Laminazione delle piene
La prima norma italiana in materia di dighe è costituita dal Regio Decreto n° 2540 del 31/12/1925, dove, in forma di regolamento, sono contenute le prime norme per la progettazione e la costruzione di dighe, nonché alcune disposizioni sull’applicabilità delle norme stesse.
Il successivo Regio Decreto n°1370 del 01/10/1931 specifica meglio il campo di applicazione delle norme ossia: si considerano dighe quelle opere in cui si lo sbarramento
è piu’ alto di 10 m oppure se si creano laghi artificiali di volume maggiore di 100.000 m3.
In seguito il Regio Decreto n°1775 del 11/12/1933 e il decreto del ministero dei lavori pubblici del 24/03/1982 hanno stabilito le norme tecniche per la progettazione e la costruzione delle dighe di sbarramento
Nel momento in cui termina il getto il materiale in sospensione si deposita sul fondo dello scavo, la duna di deposito non trovandosi più in equilibrio con le pressioni dinamiche su di essa esercitate dal getto, crolla disponendosi secondo l’angolo di natural declivio del materiale. Questa osservazione ci fa notare che nel fenomeno coesistono due assetti tipo:
- una configurazione dinamica, nella quale il materiale in sospensione e la pressione del getto sostiene la duna di valle;
- una configurazione dry nella quale il materiale in sospensione è depositato e la duna si disporrà con un angolo ben preciso.
Tale precisazione viene fatta al fine di evidenziare come nella realtà le due configurazioni si susseguano, quantunque si riesca soltanto a valutare la prima. Tuttavia è da rilevare che il valore del massimo scavo si verifica nella configurazione dinamica e risulta essere decisamente maggiore di quello che si verifica a scaricatori chiusi, ovvero in configurazione dry.
Naturalmente la misura dello scavo dinamico la si può realizzare soltanto con esperienze in scala in laboratorio, nella realtà lo scavo nei prototipi è sempre quello statico per ovvie considerazioni di carattere pratico.
Nella presente tesi i rilievi saranno fatti sia in condizioni dinamiche che in condizioni statiche.
Per quanto riguarda la misura in condizioni dinamiche il valore di fine scavo verrà preso quando nella duna di valle non si avrà più passaggio di materiale cioè quando si sarà raggiunto l’equilibrio.
Notevole importanza sarà anche data al livello liquido che può essere considerato come una barriera fisica che si interpone tra il getto e il fondo.
Concludendo si vedrà che lo scavo a valle di opere idrauliche è regolato : - dalle caratteristiche del getto ;
- dall’energia del getto;
- dal livello liquido a valle delle opere; - dall’angolo di incidenza del getto;
- dal peso specifico del materiale di fondo; - dalla granulometria del materiale di fondo;
- dalla presenza di strutture traversali nella zona di impatto che interagiscono con l’ intero fenomeno.
I getti hanno un effetto disgregativo dovuto alla pressione che gli stessi esercitano sulla roccia.
Con il protrarsi del fenomeno nel tempo si verifica la completa disgregazione della roccia impattata, rendendo il fondo incoerente.
L’effetto disgregativo del getto, come dimostrato da molti studi, è dovuto all’energia che questo dissipa sullo specchio liquido.
Fig. 1.3 Vista della Hoover Dam (USA) con scaricatori aperti.
Appare chiaro come il processo erosivo si manifesti solo alla presenza di getti le cui caratteristiche di portata e di velocità siano rilevanti; in particolare questo fenomeno assume un’importanza rilevante negli scaricatori di grandi opere idrauliche quali le dighe.
Lo scavo localizzato in terreni rocciosi può essere studiato sperimentalmente adottando
letti di materiali non coesivi.
Fig. 1.4 Vista del materiale disgregato e
accumulato a valle della Glen Canyon Dam.
Le fasi che danno origine allo scavo all’interno del bacino, sono sostanzialmente tre : - una prima fase disgregativa nella zona d’impatto del getto;
- una seconda fase in cui abbiamo la formazione di una zona vorticosa all’interno
della quale il materiale è tenuto in sospensione;
Il fenomeno erosivo dipende dalle caratteristiche del getto, dal livello liquido e dal tipo di materiale di fondo esaminato. Il fine del presente studio è capire come le diverse variabili influiscano nel processo per prevedere le caratteristiche geometriche dello scavo prima che esso si manifesti.
Il fenomeno erosivo, generato dall’impatto del getto con il fondo, si risolve nella messa in sospensione del materiale della zona impattata nella quale risulta essere massima la turbolenza. Il materiale posto in sospensione è successivamente trasportato verso valle.
Fig. 1.2 Vista del materiale disgregato e accumulato a valle della
Glen Canyon Dam
Il fine del presente studio è analizzare sia la zona di scavo, sia quella di deposito e successivamente definire una disposizione di opere trasversali che riescano a mitigare l’approfondimento dello scavo e il movimento di volumi.
Nella realtà lo scavo a valle di un’opera idraulica può provocare lo scalzamento delle sue fondazioni o più raramente instabilizzare l’intera opera. Pertanto di rilevante importanza risulta essere l’approfondimento di tematiche mirate alla protezione e messa in sicurezza di strutture affette da tali problematiche.
Analizzando alcune ricerche su opere esistenti, si nota come lo scavo a valle di opere idrauliche sia il risultato di una serie di fattori da cui non si può prescindere, soprattutto qualora le risultanze sperimentali siano finalizzate all’applicazione progettuale per grandi opere idrauliche, nelle quali si realizzano scavi anche di diverse decine di metri.
CAPITOLO 1 - Introduzione
1.1
Premesse: Studio dei fenomeni di scavo generati da
getti d’acqua.
Un getto che impatta in un bacino con fondo composto da materiale incoerente è dotato di una certa energia, parte di questa viene dissipata all’interno del bacino stesso dando origine a un fenomeno di scavo, la restante genera un trascinamento del materiale verso valle che viene accumulato in una duna la cui forma e dimensione é funzione dei parametri del sistema.
