Capitolo: 7 155 Capitolo 7 - Conclusioni e sviluppi futuri -
Come si è avuto modo di evidenziare nei capitoli precedenti, con questo lavoro ci siamo proposti di ricercare in via sperimentale delle espressioni per la valutazione dei volumi sfiorati da sfioratori laterali in parete sottile e longitudinali con funzionamento rigurgitato.
La ricerca sperimentale si basa sull’ipotesi di considerare la portata defluente dalla soglia come somma di due diversi contributi. Con buona approssimazione possiamo considerare la luce suddivisa in due parti;
Il primo legato alla parte superiore della luce di area [A1] = s1 b, funziona come una lucea stramazzo libero soggetto a un carico (hm – hv),
Il secondo legato alla parte inferiore della di area pari ad [A2] = s2 b, funziona come una luce a battente totalmente rigurgitata soggetta ad un carico costante (hm – hv ).
Definita la luce rettangolare di lunghezza pari a [b] e [hm]l’altezza del pelo libero a monte dello stramazzo, [hv] l’altezza del pelo libero a valle dello stramazzo, [h3] l’altezza della soglia, [s1] è la differenza tra le altezze liquide di monte e di valle (hm – hv), [s2] è la differenza tra l’altezza liquida di valle e l’altezza della soglia (hv – h3), [A1] è l’area della porzione della luce che funziona come luce libera a stramazzo, [A2] è l’area della porzione della luce che funziona come luce libera a battente.
Lo studio ha tratto origine dalla constatazione che un simile dispositivo presenta indubbi vantaggi, non ultima la versatilità e facilità di impiego, specie per gli organi di alimentazione delle casse di laminazione in cui diventa un punto tanto più critico quanto minore è l'estensione del bacino idrografico o i tempi di risposta del sistema idrologico alle sollecitazioni, che possono essere anche dell'ordine delle ore.
Risulta quindi essenziale un corretto innesco del sistema di laminazione ai fini della sua efficacia.
Capitolo: 7 156
In questi casi l'uso di paratoie automatiche regolate da organi elettromeccanici, sebbene possa garantire un elevata efficienza di laminazione, presenta sia problemi di affidabilità sia limiti dal punto di vista di inserimento ambientale. I limiti di affidabilità sono legati alla sicurezza dell'innesco che avviene, di norma, soltanto ogni 20 o 30 anni.
Organi meccanici sono quindi suscettibili di malfunzionamento quando sollecitati con tale rarità. Inoltre, la presenza di eventuali materiali flottanti, che spesso si accompagnano alle piene nei corsi d'acqua, può provocare malfunzionamenti altamente pericolosi.
Sotto l'aspetto ambientale, l'inserimento paesaggistico di queste strutture è spesso problematico e crea una cesura nell' ecosistema fluviale. Infine, in costo di investimento iniziale è assai cospicuo, ma soprattutto va previsto un elevato onere di manutenzione.
Dall'esperienza degli sfioratori delle dighe, è provato come il rischio di malfunzionamento di questo tipo di paratoie si manifesti soprattutto in condizioni critiche (nubifragio, black-out, elevato carico di sedimenti e di materiale flottante trasportato dall'acqua, ecc.).
Per contro, queste sono proprio le condizioni in cui l'efficacia del funzionamento deve essere garantita per la salvaguardia del territorio. D'altra parte i classici sfioratori a soglia fissa non rigurgitati, che garantiscono una perfetta affidabilità in quanto strutture statiche, garantiscono una bassa efficienza di laminazione.
La frequenza di allagamento di una cassa è quindi molto alta, e così il volume da invasare.
Nella gestione delle piene non si può generalmente consentire che tutte le aree destinate a laminazione siano inondate ogni anno o più volte l'anno, sia per i danni ambientali diretti e indiretti, sia per i modesti risultati di laminazione.
Uno sfioratore laterale a soglia rigurgitata unisce affidabilità ed economicità rispetto all'efficienza di una soglia dotata di paratoie automatiche e ai classici sfioratori a soglia fissa non rigurgitati ed è quindi di grande interesse pratico.
L'utilizzo del sistema permette di ridurre significativamente la taglia della cassa di espansione.
Questo porta a una diminuzione delle aree inondabili da vincolare e ad una migliore fruizione delle stesse come aree di interesse ecologico, agricolo, ricreativo.
Capitolo: 7 157
Nello stesso tempo, si ottengono importanti economie in materia di esproprio e/o indennizzo. Infine, dal punto di vista della realizzazione delle opere, con l’uso dello sfioratore laterale rigurgitato progettato in modo tale l'inizio del funzionamento rigurgitato della soglia coincida con l'istante in cui si verifica il colmo dell’onda di piena, a pari rapporto di laminazione, si ha un notevole miglioramento dell'uso del volume a disposizione e un significativo aumento del suo tempo minimo di allagamento, senza ledere la sicurezza e l'affidabilità dell'intervento né, tanto meno, gravando sull'onere di manutenzione, aspetti cruciali nella valutazione dell'efficacia della funzione di protezione civile.
L'attuale ricerca idraulica e ambientale mira dunque allo sviluppo di questa tipologia di sfioratori, indipendenti da fonti energetiche esterne. Inoltre, l'innesco automatico rende il sistema meno vulnerabile agli errori umani di esercizio.
L'obbiettivo dell'innovazione è quello di fornire una alternativa, eco-compatibile ed efficiente, nell'ambito della gestione del territorio e della protezione civile dalle piene fluviali. L'assenza di consumi energetici, la semplicità e l'affidabilità del principio di funzionamento, saranno i punti di forza di questo dispositivo.
Il dispositivo si è proposto come uno strumento per migliorare l’efficienza delle opere di scolmamento delle piene.
L'approccio teorico al processo idraulico è di fondamentale importanza per la progettazione di uno sfioratore laterale.
L'analisi condotta ha permesso la realizzazione di due piccoli programmi ( su fogli Excel) in grado di calcolare, in condizioni di moto vario, i livelli idrici nelle sezioni corrispondenti all'intera lunghezza dello sfioratore durante lo svolgersi del fenomeno di piena. Il programma permette inoltre il calcolo dei profili in uscita, dei corrispondenti volumi sfiorati nella cassa e dei parametri di efficienza dello sfioratore. L'elaborazione poggia su un metodo implicito alle differenze finite per la discretizzazione delle equazioni di De Saint Venant per correnti a pelo libero.
Le esperienze di laboratorio condotte sono state nel complesso cinque:
Nelle prime tre esperienze si è proceduti alla ricerca in primo luogo dei coefficienti di deflusso sia per i due stramazzi [B] e [C] presenti nel tratto terminale del canale, che per lo sfioratore laterale [A] e successivamente grazie ai coefficienti trovati al calcolo delle portate da loro sfiorate.
Capitolo: 7 158
Nelle ultime due esperienze abbiamo applicato l’espressione sperimentale per la valutazione dei volumi sfiorati da soglie in parete sottile e longitudinali con funzionamento rigurgitato.
La nostra ricerca ha condotto a risultati in termini di scarto percentuale [%∆Q] molto soddisfacenti, perfettamente in linea con i contenuti delle pubblicazioni scientifiche di altri autori sull’argomento, sia per :
Le portate defluenti nel canale [Qm.1’] derivanti dalla curva di taratura dello stramazzo posizionato nella vasca di calma e quelle ricavate in laboratori [Qc.B.], [Qm.C.], [Qc.A.] .
Le portate sfiorate in condizione di funzionamento rigurgitato, ricavate mediante il metodo delle differenze finite [Qsf.sp] e l’espressione sperimentale [Qc.A.], derivante dal considerare la portata defluente dallo sfioratore come somma di due contributi ; contributo dato dalla luce a stramazzo libero più il contributo della luce a battente.
Il prospetto seguente pone in evidenza per ogni serie di prova e per ogni esperienza;
il relativo grado di precisione mediante il calcolo del [∆Q] espresso in (l/s) e il relativo scarto percentuale [%∆Q] tra alle portate in gioco [Qm.1’] e le [Qc.B.], [Qm.C.], [Qc.A.] .
Capitolo: 7 159
SERIE 80 , 40 / 30 / 00
Risultati finali sulle portate relativi all’esperienze con funzionamento dello sfioratore [A] come stramazzo libero.
N° esperienza
I II III IV V VI VII
Qm.1’
(l/s)
Qc.A.
(l/s)
Qm.B.
(l/s)
∆Q
= (Qm.1’ - Qc.A.)
(l/s)
% ∆ Q
∆Q
= (Qm.1’ – Qc.B.)
(l/s)
% ∆ Q
1 9,42 9,51 9,86 - 0,09 0,96 -0,44 4,67
2 14,90 14,95 15,64 - 0,05 0,34 -0,74 4,97
3 21,07 21,14 22,08 - 0,07 0,33 -1,01 4,79
4 25,85 26,02 25,57 - 0,17 0,66 0,28 -1,08
5 28,07 28,17 27,74 - 0,10 0,36 0,33 -1,18
Risultati finali sulle portate relativi all’esperienze con funzionamento dello sfioratore [A] come stramazzo rigurgitato.
N° esperienza
I II III IV V VI VII
Qm.1’
(l/s)
Qc.A.
(l/s)
Qc.B.
(l/s)
∆Q
= (Qm.1’ - Qc.A.)
(l/s)
% ∆ Q
∆Q
= (Qm.1’ – Qc.B.)
(l/s)
% ∆ Q
6 29,20 29,21 28,67 - 0,01 -0,03 0,53 1,82
7 37,58 37,67 37,41 - 0,09 -0,24 0,17 0,45
8 39,54 39,67 39,45 - 0,13 -0,33 0,09 0,23
9 41,53 41,72 41,95 - 0,19 -0,46 -0,42 -1,01
10 42,39 42,57 42,59 - 0,18 -0,42 -0,20 -0,47
11 43,87 44,06 43,20 - 0,19 -0,43 0,67 1,53
12 45,06 45,25 44,33 - 0,19 -0,42 0,73 1,62
13 51,01 51,26 51,24 - 0,25 -0,49 -0,23 -0,45
14 52,65 52,92 52,25 - 0,27 -0,51 0,40 0,76
15 54,71 55,00 54,59 - 0,29 -0,53 0,12 0,22
16 57,40 57,72 57,06 - 0,32 -0,56 0,34 0,59
17 60,21 60,55 59,90 - 0,34 -0,56 0,31 0,51
18 62,29 62,65 61,52 - 0,36 -0,58 0,77 1,24
19 65,70 66,09 64,88 - 0,39 -0,59 0,82 1,25
20 69,67 70,10 69,55 - 0,43 -0,62 0,12 0,17
21 74,82 75,29 73,71 - 0,47 -0,63 1,11 1,48
22 77,20 77,70 75,89 - 0,50 -0,65 1,31 1,70
23 79,54 80,05 78,44 - 0,51 -0,64 1,10 1,38
24 80,37 80,90 79,34 - 0,63 -0,66 1,03 1,28
Capitolo: 7 160
SERIE 80 , 40 / 30 / 35
Portate calcolate e misurate, differenze e scarti percentuali delle portate in condizione di funzionamento dello sfioratore [A] come stramazzo libero.
N° esperienza
I II III IV V VI VII
Qm.1’
(l/s) Misurato
in [1’]
Qc.A.
(l/s) Calcolato
in [A]
Qc.B.
(l/s) Misurato
in [B]
Qm.C.
(l/s) Misurato
in [C]
Q[A]+[C]
(l/s)
∆Q
=
(Qm.1’ - Q[A]+[C] )
(l/s)
% ∆ Q
1 30,01 10,72 10,85 19,16 29,88 0,13 0,43
2 38,52 15,99 16,11 22,41 38,40 0,12 0,31
3 44,62 19,25 19,34 25,28 44,53 0,09 0,20
4 48,48 20,63 20,76 27,72 48,35 0,13 0,27
5 52,51 21,42 21,59 30,92 52,34 0,17 0,32
6 58,9 24,79 24,93 33,97 58,76 0,14 0,24
Portate totali sfiorate e relative differenze e scarti percentuali.
N° esperienza
I II III IV V VI
Qm.1’
Sfioratore [A]
Stramazzo [B]
Stramazzo
[C] [A] + [C]
[A] - [B]
&
(Qcalc. - Qm.1’)
Qc.A.
=
ΣQ1 + ΣQ2
Qc.B. Qm.C. Qcalc. ∆Q
(l/s)
%∆Q
7 65,74 30,00 29,34 36,40 66,40 0,66 2,20
8 68,10 30,41 30,24 37,86 68,26 0,16 0,54
9 73,56 33,89 33,66 39,90 73,79 0,23 0,67
10 76,53 34,93 34,57 41,96 76,89 0,36 1,04
11 78,71 36,83 35,96 42,75 79,58 0,87 2,37
12 85,81 39,31 38,50 47,32 86,63 0,81 2,05
13 90,84 41,77 41,28 49,56 91,34 0,50 1,19
14 95,15 43,25 42,96 52,09 95,34 0,29 0,30
15 103,13 45,00 44,24 58,89 103,89 0,76 1,68
Capitolo: 7 161
SERIE 100 , 30 / 20 / 35
Portate calcolate e misurate, differenze e scarti percentuali delle portate in condizione di funzionamento dello sfioratore [A] come stramazzo libero.
N° esperienza
I II III IV V VI VII
Qm (l/s) Misurato
in [1’]
Qc.A.
(l/s) Calcolato
in [A]
Qm.B.
(l/s) Misurato
in [B]
Qm.C.
(l/s) Misurato
in [C]
Q[A]+[C]
(l/s)
∆Q
=
(Qm - Q[A]+[C] )
(l/s)
% ∆ Q
1 20,05 19,16 18,65 1,40 20,56 -0,51 2,54
2 26,80 24,47 23,95 2,85 27,32 -0,52 1,94
3 31,75 28,56 27,90 3,85 32,42 -0,67 2,11
Portate totali sfiorate e relative differenze e scarti percentuali.
N° esperienza
I II III IV V VI
Qm.1’
Sfioratore [A]
Stramazzo [B]
Stramazzo
[C] [A] + [C]
[A] - [B]
&
(Qcalc. - Qm.1’) Qc.A.
=
ΣQ1 + ΣQ2
Qc.B. Qm.C. Qcalc. ∆Q
(l/s) %∆Q
4 40,80 36,73 35,68 5,12 41,86 1,06 2,59
5 46,32 41,85 40,40 5,92 47,77 1,45 3,13
6 54,64 45,64 43,90 10,74 56,38 1,74 3,19
7 57,33 47,01 45,10 12,23 59,24 1,91 3,33
8 60,28 48,48 46,58 13,70 62,18 1,90 3,16
9 64,82 50,66 48,73 16,09 66,75 1,93 2,98
10 69,83 53,41 51,50 18,33 71,75 1,92 2,74
11 77,65 57,17 55,10 22,55 79,72 2,07 2,67
12 81,89 59,16 57,79 24,10 83,26 1,37 1,67
13 88,24 61,52 61,20 27,04 88,57 0,33 0,37
14 93,70 63,47 63,45 30,25 93,71 0,01 0,01
Il prospetto seguente pone in evidenza per due serie di prove e per alcune esperienze più significative il relativo grado di precisione mediante il calcolo del [∆Q] espresso in (l/s) e il relativo scarto percentuale [%∆Q] tra alle portate in gioco [Qm.1’] e [Qsp] e tra [Qsf.sp] e [Qc.A.].
Capitolo: 7 162
SERIE 80, 40 / 30 / 35 Funzionamento Rigurgitato
L’esperienza n° 9 : Qm.1’ = 73,56 (l/s)
Dati di riferimento Dati di calcolo [∆Q] (l/s) [%∆Q]
∑Qsf.sp. = 35,41 (l/s) Qc.A. = 33,89 (l/s) - 1,52 4,29 Qm.1’ = 73,56 (l/s) Qsp. = 75,31 (l/s) + 1,72 2,51
L’esperienza n° 12 : Qm.1’ = 85,81 (l/s)
Dati di riferimento Dati di calcolo [∆Q] (l/s) [%∆Q]
∑Qsf.sp. = 40,70 (l/s) Qc.A. = 39,31 (l/s) - 1,39 3,41 Qm.1’ = 85,81 (l/s) Qsp. = 88,02 (l/s) + 2,21 2,57
L’esperienza n° 15 : Qm.1’ = 103,13 (l/s)
Dati di riferimento Dati di calcolo [∆Q] (l/s) [%∆Q]
∑Qsf.sp. = 45,80 (l/s) Qc.A. = 45,00 (l/s) - 0,80 1,75 Qm.1’ = 103,13 (l/s) Qsp. = 105,69 (l/s) + 2,56 2,48
Capitolo: 7 163
SERIE 100, 30 / 20 / 35 Funzionamento Rigurgitato
L’esperienza n° 6 : Qm.1’ = 54,64 (l/s)
Dati di riferimento Dati di calcolo [∆Q] (l/s) [%∆Q]
∑Qsf.sp. = 47,35 (l/s) Qc.A. = 46,24 (l/s) - 1,11 2,35 Qm.1’ = 54,64 (l/s) Qsp. = 58,09 (l/s) + 3,45 6,32
L’esperienza n° 10 : Qm.1’ = 69,83 (l/s)
Dati di riferimento Dati di calcolo [∆Q] (l/s) [%∆Q]
∑Qsf.sp. = 55,44 (l/s) Qc.A. = 54,57 (l/s) - 0,87 1,57 Qm.1’ = 69,83 (l/s) Qsp. = 73,77 (l/s) + 3,94 5,65
L’esperienza n° 14 : Qm.1’ = 93,70 (l/s)
Dati di riferimento Dati di calco [∆Q] (l/s) [%∆Q]
∑Qsf.sp. = 66,66 (l/s) Qc.A. = 63,47 (l/s) - 3,19 4,79 Qm.1’ = 93,70 (l/s) Qsp. = 96,71 (l/s) + 3,01 3,22
Capitolo: 7 164
Dalla lettura del prospetto si evince come gli scarti massimi relativo alle portate ricavate con il metodo delle differenze finite [∑Qsf.sp] e quelli ricavate tramite l’espressione sperimentale [∑Qc.A.], basata sull’ipotesi di considerare la portata defluente dalla soglia come somma di due diversi contributi, funzionamento a stramazzo libero più funzionamento luce a battente, siano comunque contenuti.
I risultati a cui siamo pervenuti sono abbastanza soddisfacenti, dal momento che gli esiti delle prove condotte non solo non hanno disatteso i risultati sperimentali cercati, ma si sono rivelati in linea con trattazioni sullo stesso argomento da parte di altri Autori.
Si conclude dicendo, quindi che l’espressione sperimentale non solo si presta al calcolo della portata defluente dalla soglia con una buona approssimazione, ma in più presenta due ulteriori vantaggi che questo espressione implica; sono dati dalla semplicità delle operazioni di calcolo che esso richiede, ma anche dalle semplici rilevazioni idrometriche di cui necessita.
