VERIFICA SPERIMENTALE DELLO SCARICO A SIFONE DELLA DIGA DI BRIC ZERBINO
L. Natale1, G. Petaccia2
(1) Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura, Università di Pavia, Italia, e-mail:
natale@unipv.it
(2) Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura, Università di Pavia, Italia, e-mail:
petaccia@unipv.it
SOMMARIO
Il 13 Agosto 1935 gli organi di scarico dell’invaso di Ortiglieto non riuscirono a smaltire la portata di piena in arrivo al serbatoio. La diga principale (Bric Zerbino) e la diga secondaria (Sella Zerbino) furono sormontate; mentre la prima non subì danni, la seconda crollò provocando un’onda di sommersione che inondò la valle fino alle città di Molare e Ovada. Con il proposito di ricostruire l’evento storico, il funzionamento degli scaricatori a sifone, costituenti la principale opera di evacuazione delle piene, è stato studiato su un modello in scala nel laboratorio del Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura dell’Università di Pavia.
1 INTRODUZIONE
Le due dighe in calcestruzzo di Bric e di Sella Zerbino sbarravano la valle dell’Orba per invasare le acque del torrente nel serbatoio artificiale di Ortiglieto. Il progetto originale del 1899 fu più volte modificato per portare la capacità del serbatoio dagli iniziali 12 hm3 ai finali 18 hm3 (Anonimo 1925). L’impianto di ritenuta entrò in esercizio nel 1925 e fu collaudato nel 1927. Solamente la diga principale, Bric Zerbino, era dotata di evacuatori di piena: 12 sifoni autolivellatori di tipo Heyn con portata di progetto di 520 m3/s al massimo invaso, 1 sfioratore laterale di 150 m3/s, uno scarico profondo di circa 200 m3/s, uno scarico di fondo di 50 m3/s.
Le opere di scarico non furono in grado di smaltire la piena del 13 agosto 1935 (Alfieri 1936); entrambe le dighe furono sormontate e l’acqua fuoriuscita, erodendo la fondazione della diga di Sella Zerbino, ne causò il collasso. La conseguente onda di piena provocò più di 100 vittime (Natale et al. 2008).
Volendo simulare nel dettaglio l’evento calamitoso del 1935 gli Autori, ritenendo incerto il funzionamento dello scaricatore a sifone, lo hanno verificato su modello idraulico.
Al tempo della costruzione dell’impianto di Ortiglieto gli scaricatori a sifone erano molto utilizzati, grazie alla loro capacità di evacuare in modo automatico la portata di progetto con il minimo sovralzo a monte.
Gli studi sperimentali sul funzionamento di uno scaricatore a sifone risalgono ai primi decenni del secolo XIX (Ramseyer, 1923, Gramatky, 1928). In seguito anche lo U.S. Bureau of Reclamation ha condotto studi sperimentali su questo argomento (1952,
Ervine (1976) ha suddiviso il funzionamento dello scarico a sifone in quattro fasi: a stramazzo a pressione atmosferica; a stramazzo in depressione; flusso di miscela aria- acqua a sezione piena; flusso di acqua a sezione piena. L’analisi di Ervine è stata ripresa da Babaeyan-Koopaei et al. (2002), che hanno sperimentato su un modello in scala 1:10 il sifone della diga Brent, in Inghilterra, per determinare la sua scala di deflusso con diversi tipi di aeroforo. Indagini sperimentali su modello in scala sono presentate anche da Bhattarai (2003). Houichi et al. (2006, 2009) hanno confrontato uno sfioratore a sifone con uno sfioratore a superficie libera con lo stesso profilo di soglia, definendo le condizioni in cui il sifone scarica di più dello sfioratore a superficie libera, e hanno determinato il coefficiente di efflusso. Più recentemente con programmi CFD commerciali basati sulle equazioni di Navier Stokes Ghafourian et al. (2011) e Musavi- Jahromi (2011) hanno riprodotto il campo di pressione misurato nel sifone.
Questa memoria presenta i risultati di una sperimentazione su modello in scala di un sifone tipo Heyn della diga di Bric Zerbino, il cui funzionamento è diverso da quelli descritti nei lavori precedenti.
2 ILSIFONEHEYN
Il sifone autolivellante Heyn fu brevettato nel 1927 dall’ingegnere tedesco W. Heyn (Heyn, 1929). In Italia, ai tempi della realizzazione dell’impianto di Ortiglieto, era più diffuso il sifone tipo Gregotti, che però non venne utilizzato in quanto colpisce il paramento della diga con un getto d’acqua, cosa non ammessa dalle disposizioni governative (Anonimo, 1926).
Il sifone della diga di Bric Zerbino, la cui sezione è mostrata in figura 1, è caratterizzato da due gomiti diritti, uno alto (1) e uno basso (3), collegati tra di loro da un gomito rovescio (2). Nella scala di deflusso la portata scaricata è rappresentata in funzione del carico sulla soglia del gomito 1.
Per la particolare geometria del sifone, la sacca d’aria che si forma nel gomito 1 rimane idraulicamente isolata verso monte e verso valle. Un dente posto appena a valle della soglia del gomito 1 provoca depressione alla base della corrente effluente.
Il modello in scala geometrica 1:30 e in similitudine di Froude del sifone è stato costruito in compensato marino; le pareti in plexiglas consentono l’osservazione del fenomeno. Il modello è posto in un canale lungo 9.30 m e largo 0.48 m, come si vede in figura 2. All’inizio del canale uno stramazzo triangolare misura la portata.
Figura 1. Sifone tipo Heyn e posizione degli strumenti di misura
Figura 2. Vista generale dell’apparato sperimentale
Tre trasduttori PROTAN PR 3110, posizionati nei gomiti 1, 2 e 3 (figura 1), registrano le pressioni nel campo -40 mbar +60 mbar. In figura 1 è indicato con L il misuratore di livello ad ultrasuoni PIL P43-F4Y-2D-1C0-330 che misura il livello d’acqua a monte del sifone con la risoluzione di ± 1 mm. Tutti i segnali strumentali sono stati acquisiti con frequenza di 200 Hz. Il sifone è dotato di aeroforo, indicato con A in figura 1.
Per visualizzare il fenomeno è stata utilizzata una fotocamera ad alta velocità, che registra fino a 250 fotogrammi al secondo. Tutti gli strumenti sono collegati a 2 PC.
vuoto dell’idrometro ed è rappresentato da un gruppo di armoniche con frequenze di circa 90 Hz è stato imputato alla cattiva schermatura del sistema di acquisizione dati. Il segnale di tutti gli strumenti è stato filtrato per eliminare questi disturbi.
Le pressioni assolute registrate dai tre trasduttori sono sempre molto più grandi della tensione di vapore dell’acqua.
3 INTERPRETAZIONEDEIRISULTATISPERIMENTALI
Sono state eseguite 54 prove in moto permanente per determinare la scala di deflusso del sifone. Ciascuna prova è stata protratta finché media e scarto quadratico medio di tutti i segnali non variassero nel tempo. Per portate fino a 2 l/s le prove sono state condotte con aeroforo aperto e aeroforo chiuso.
Le figure 3 e 4 rappresentano, rispettivamente, le scale di deflusso del sifone all’aumentare della portata (prove in salita) e al diminuire della portata (prove in discesa). Il diverso funzionamento del sifone nelle due condizioni era stato già evidenziato da Aguralioglu & Muftuoglu (1989).
Il funzionamento del sifone può essere suddiviso in 5 fasi, separate con le linee tratteggiate nelle figure 3 e 4.
Figura 3. Scala di deflusso del modello per portate crescenti
G
Figura 4. Scala di deflusso del modello per portate decrescenti
Il funzionamento del sifone è condizionato dalla pressione nei gomiti. Il valore della pressione dipende dal bilancio di portata tra aria rilasciata e aria assorbita dalla corrente.
Quando la portata d’aria assorbita dalla corrente che lascia il gomito tende a diminuire rispetto alla portata d’aria rilasciata dalla corrente che entra nel gomito, l’equilibrio tra le due portate si ristabilisce naturalmente con l’aumento di pressione nella sacca d’aria.
La pressione più alta inibisce il rilascio mentre favorisce l’assorbimento d’aria da parte della corrente. All’aumentare della portata la quantità d’aria assorbita dalla corrente uscente dal gomito aumenta e innesca un processo opposto a quello sopra descritto: la pressione nella sacca d’aria diminuisce fino a quando l’equilibrio tra i volumi d’aria entrante e uscente è ristabilito con la diminuzione di pressione nella sacca d’aria.
L’andamento nel gomito 1 delle pressioni relative è riportato rispettivamente in figura 5, per le prove in salita e in figura 6 per le prove in discesa. Nel gomito 2 le pressioni relative sono sempre positive.
Figura 5. Pressioni relative registrate dal T1 in salita
G
Figura 6. Pressioni relative registrate dal T1 in discesa
Nel gomito 3 si registrano pressioni che seguono l’andamento di quelle nel gomito 1; in particolare nelle prime tre fasi si hanno pressioni relative leggermente inferiori allo zero mentre nelle fasi 4 e 5 le pressioni nel gomito 3 risultano sempre più piccole di quelle misurate al gomito 1. Per brevità non viene riportato il grafico delle pressioni nel gomito 3.
All’inizio della prima fase, la corrente nel sifone è molto tranquilla, come mostra la figura 7a: di conseguenza l’equilibrio tra le portate d’aria si stabilisce con pressione relativa positiva nel gomito. All’aumentare della portata e del trascinamento d’aria la pressione relativa diminuisce fino ad annullarsi. Il passaggio da pressione relativa positiva a pressione relativa negativa segna la transizione tra fase 1 e fase 2.
Nel corso della fase 2 la pressione nel gomito 1 continua a diminuire, come evidenziato in figura 5; ne segue che all’aumentare della portata corrisponde una diminuzione del carico , che diventa negativo, come si vede in figura 7b.
Figura 7a. fase 1 del sifone - Figura 7b. fase 2 del sifone
All’aumentare della portata la depressione nella sacca d’aria si mantiene quasi costante e quindi riprende a salire, pur mantenendosi negativo.
La figura 5 mostra che la pressione nella sacca d’aria con aeroforo aperto nel corso della fase 1 e 2 è quasi sempre pari alla pressione atmosferica. A causa delle ridotte dimensioni dell’aeroforo la pressione è prossima a quella atmosferica all’inizio della
fase 1, mentre risulta leggermente minore di quella atmosferica alla fine della fase 2. La portata scaricata dal sifone ad aeroforo aperto supera la portata ad aeroforo chiuso nella fase 1 mentre è minore nella fase 2.
Il passaggio del carico da un valore negativo ad un valore positivo segna la transizione tra la fase 2 e la fase 3. All’aumentare della portata la pressione nel gomito 3 aumenta fino a diventare leggermente positiva. Con ciò il controllo dell’efflusso passa dal gomito 1 al gomito 3. La sacca d’aria si riduce rapidamente e di conseguenza aumenta la pressione del gas in essa contenuta, come mostrato in figura 8a. La fase 3 termina quando le condizioni di equilibrio nella sacca d’aria non possono più mantenersi. La fine della fase 3 è segnata dalla scomparsa della sacca d’aria e dal repentino innesco del sifone con deflusso a sezione piena (figura 8b).
Figura 8a. Fase 3 del sifone Figura 8b. Fase 4 del sifone
Con l’innesco del sifone la portata, a parità di carico e di pressione nel gomito 1, aumenta in modo evidente. Si possono ancora riconoscere 2 distinte fasi di deflusso:
quando nel gomito 1 e nel gomito 3 la pressione relativa è negativa ( fase 4) la corrente defluente nel condotto è composta da un miscuglio di aria e acqua, con portata d’aria che è pari a circa il 30% della portata complessiva quando la depressione è più grande.
All’aumentare della portata e della pressione nei gomiti la concentrazione d’aria diminuisce fino a scomparire quando la pressione nel gomito 1 passa da negativa a positiva: questo passaggio segna la fine della 4° fase.
La 5° fase ha inizio quando:
1) il carico sul gomito 1 ha superato G; 2) la pressione nel gomito 1 è positiva.
L’analisi del segnale del misuratore di pressione consente di individuare la frequenza con la quale l’aria viene rilasciata ovvero assorbita dalla corrente liquida, essendo il fenomeno ciclico.
Quando nel gomito 1 è presente la sacca d’aria, ossia durante la fase 2 e 3, si evidenzia molto chiaramente che il fenomeno di rilascio/assorbimento d’aria è comandato dalla variazione di pressione nella sacca, come mostra il grafico della frequenza spettrale di figura 9. Il 50% della potenza del segnale di pressione è compreso nelle frequenze tra 17.50 e 25.75 Hz. La ciclicità del fenomeno non dipende dalla pressione media dell’aria nella sacca.
Figura 9. Spettro di potenza del segnale del T1 per la seconda fase
La formazione delle bolle d’aria all’interno della corrente nella fase 4 avviene con una frequenza molto più elevata in quanto la scala del fenomeno è molto più piccola del caso precedente, come mostrato in figura 10.
Figura 10. Spettro di potenza del segnale del T1 per la quarta fase
Le fluttuazioni a più bassa frequenza sono del tutto casuali in quanto variano da prova a prova.
4 CONCLUSIONI
Gli Autori hanno analizzato il funzionamento in successivi stati di moto permanente del sifone tipo della diga di Bric Zerbino, la cui scala di deflusso è mostrata in figura 11, riportando i valori di portata in funzione del livello di invaso.
Figura 11. Scala di deflusso del sifone tipo Heyn
Il progetto originale prevedeva che ciascun sifone scaricasse la portata di 43 m3/s, con livello nel serbatoio di 323 m s.l.m..
I risultati sperimentali danno invece in corrispondenza di quel livello una portata di 33 m3/s. Inoltre il livello del serbatoio necessario al completo innesco dei sifoni, che avviene solo in fase 5, risulta essere 3 m al di sopra del valore previsto dal progetto.
Gli esperimenti hanno mostrato che i sifoni si sono completamente innescati a sormonto già iniziato, con un livello nel serbatoio superiore di 25 cm del coronamento della diga di Bric Zerbino.
Le perizie di difesa (Lelli, 1937; De Marchi, 1937) presentate al procedimento penale a carico dei progettisti e dei dirigenti delle Officine Elettriche Genovesi stimarono che al momento della rottura della diga di Sella Zerbino, avvenuta alle ore 13.15 del 13 agosto 1935, quando il livello nel serbatoio raggiunse 326.7 m s.l.m., la batteria di sifoni scaricò circa 588 m3/s. Le indagini sperimentali hanno invece determinato, per quel livello nel serbatoio, una portata scaricata di 450 m3/s, del 23 % inferiore rispetto a quella di ricostruita dai periti.
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