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RELAZIONE GEOLOGICA E ANALISI IDRAULICA
INDICE
1 – INTRODUZIONE pag.2
2 – COROGRAFIA DELL’AREA OGGETTO D’INTERVENTO pag.3
3 – VINCOLI E RISCHIO IDROGEOLOGICO pag.5
4 – INQUADRAMENTO GEOLOGICO DELL’AREA pag.6
5 - LINEAMENTI GEOMORFOLOGICI E IDROGEOLOGICI pag.8
6 - CRITICITA’ ED INTERVENTI DI RIPRISTINO pag.10
7 - FATTIBILITA’ DELL’INTERVENTO pag.12
8 – ANALISI IDRAULICA pag.13
9 – CONCLUSIONI pag.53
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3 1 - INTRODUZIONE
Il presente progetto pilota mira alla sistemazione e difesa idraulica del corso d’acqua del Torrente Salandrella in agro di Garaguso (MT) mediante “interventi di compensazione”. Tale sistema consiste nella realizzazione di interventi di ripristino e mantenimento dell'officiosità dei corsi d'acqua del demanio idrico regionale conseguenti a calamità naturali o diretti a prevenire situazioni di pericolo, tramite l’affidamento dei lavori a ditte specializzate, mediante avviso pubblico di manifestazione di interesse, sulla base di un progetto definitivo, relativo alle aste fluviali appartenenti al Demanio Idrico dello Stato. L’intervento oggetto della presente relazione persegue l’obiettivo di ripristinare l’officiosità del Torrente Salandrella in agro di Garaguso (MT) mediante la pulizia dell’alveo dai depositi in eccesso e dalla vegetazione che ostruisce il regolare deflusso delle acque. I rilievi diretti effettuati in sito e lo studio di ortofoto temporali, associati ai dati bibliografici disponibili in letteratura e riportati in appendice hanno permesso di individuare le principali criticità sia lungo gli argini che in alveo. In particolare, gli interventi programmati sono volti prioritariamente alla riduzione del rischio idrogeologico, mediante azioni di manutenzione quali ad esempio il ripristino della sezione di deflusso inteso come eliminazione, nelle tratte critiche per il deflusso delle portate idriche, dei materiali litoidi, trasportati e accumulati in punti isolati dell'alveo, pregiudizievoli al regolare deflusso delle acque.
Infine, in riferimento alle diverse fasi progettuali si evidenzia che l’impostazione progettuale è stata definita tenendo conto di quanto previsto ai sensi del DM50/2016 - art.23 comma 4 secondo cui “la stazione appaltante, in rapporto alla specifica tipologia e alla dimensione dell’intervento indica le caratteristiche, i requisiti e gli elaborati progettuali necessari per la definizione di ogni fase della progettazione. E’ consentita, altresì, l’omissione di uno o di entrambi i primi due livelli di progettazione, purché il livello successivo contenga tutti gli elementi previsti per il livello omesso, salvaguardando la qualità della progettazione”.
2. COROGRAFIA DELL’AREA OGGETTO DI STUDIO
L’intervento di ripristino dell’officiosità idraulica del Torrente Salandrella si estende in agro del Comune di Garaguso (MT) nel tratto compreso tra i punti A-B le cui coordinate sono di seguito riportate (Tab.1)
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UTM – WGS84 Lat (°N) Lon (°E) H (m) Riferimenti
A 40°32’35.5604″ 16°13’12.4437″ 361.441 --
B 40°32’34.5055″ 16°13’37.2875″ 354.031 --
Tab.1: Coordinate geografiche del Torrente Salandrella oggetto di intervento
In particolare, l’area oggetto di intervento è localizzata a sud-ovest dell’abitato di Garaguso (MT) in prossimità della strada comunale che si sviluppa in sisnistra idraulica del Torrente Salandrella (Fig.1).
Fig.1: Area oggetto di studio: Torrente Salandrella, Bacino Fiume Cavone
In tale tratto il Torrente Salandrella presenta un alveo di sezione variabile, delimitata in sx da terreni boscati e dx idraulica dalla strada comunale con accumuli di materiale sia nell’alveo attivo che nelle vicine aree golenali.
A B
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5 3. VINCOLI E RISCHIO IDROGEOLOGICO
L’analisi dei vincoli, effettuata attraverso la consultazione del Portale Regionele RSDI evidenza come l’area oggetto di intervento non rientri in area ZPS (Zona a Protezione Speciale), EUAP (Elenco Ufficiale delle aree Protette) o in aree a vincolo idrogeologico (Fig. 2).
Figura 2a: Vincoli ZPS – EUAP: l’area d’intervento non rientra nella zona vincolata
Figura 2b: Vincolo Idrogeologico: l’area d’intervento non rientra nella zona vincolata a)
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6 4 – INQUADRAMENTO GEOLOGICO DELL’AREA
La descrizione delle unità litostratigrafiche interessate dal presente studio, scaturiscono dagli accertamenti eseguiti in sito e dalla consultazione degli studi riportati in bibliografia. L’analisi geologica ha interessato anche le aree limitrofe del sito oggetto di intervento di ripristino e sistemazione idraulica del Torrente Salandrella in agro di Garaguso (MT). Nell’area oggetto di intervento (Fig.3) affiorano estesamente depositi terrazzati sabbioso-conglometatici, trasgressivi sui depositi pio-pleistocenici, riferiti ai diversi cicli sedimentari. In generale i depositi terrazzati sono essenzialmente conglomeratici nelle aree più interne, sabbioso-ghiaiosi e subordinatamente limosi. La natura litologica di tali depositi dipende soprattutto dalla natura del substrato e dalla granulometria degli apporti fluviali.
Fig.3: Stralcio Carta Geologica 1:50.000, Foglio 471 IRSINA (www.isprambiente.gov.it) LEGENDA:
ba: Deposito alluvionale attuale
bb: Depositi alluvionali recenti (Olocene) ADB: Argille Diatomitiche
Bianche di Monticelli (Pliocene) PAA2: Formazione di Serra Palazzo
(Langhiano-Serravalliano)
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7 La valle del TORRENTE SALANDRELLA presenta, a diverse altezze, dei depositi alluvionali terrazzati, depositatisi nel Pleistocene medio-superiore a causa di sollevamenti dell’area e di variazioni del livello marino. Generalmente sono costituiti da terrazzi di tipo poligenico, aventi superfici subpianeggianti, leggermente inclinate verso l’alveo e limitate da scarpate ripide e rappresentati, prevalentemente, da ghiaie e ciottoli con lenti sabbioso—limose (Fig.4a/b).
Fig.4a: Sezione Geologica rappresentativa (Fg.471 Irsina, www.isprambiente.gov.it)
Tenendo conto del rilievo dell’area e dei dettagli consentiti dallo stato attuale dei luoghi si riporta di seguito la descrizione dei depositi alluvionali presenti lungo il Torrente Salandrella:
- I depositi alluvionali recenti sono costituiti da limi e limi sabbiosi di colore grigio-avana in cui sono presenti cospicui livelli di sabbie con ghiaie. Lo spessore di tali depositi, dell’ordine di diversi metri, è rilevabile nelle incisioni presenti lungo il Torrente dove affiora il substrato costituito dai sedimenti conglomerati grossolani con intercalazioni di lenti di sabbie e peliti laminate (Pleistocene Inferiore);
- I depositi alluvionali attuali si rinvengono lungo l’attuale corso d’acqua e sono costituiti da limi argillosi e sabbiosi con ciottoli e ghiaie. Lo spessore di tali depositi e variabile e comunque dell’ordine di qualche metro. Questi tipi di depositi sono stati rilevati lungo il fondovalle del Torrente e lungo le principali incisioni.
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8 Fig.4b: Sezione Geologica di dettaglio e litologie affioranti
depositi alluvionali attuali
depositi alluvionali recenti quarzareniti
argille
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9 5 - LINEAMENTI GEOMORFOLOGICI E IDRAULICI
L’area oggetto di intervento rientra nel Bacino Idrografico del Fiume Cavone, lungo il tratto del Torrente Salandrella ubicato a sud-ovest dell’abitato di Garaguso (MT) (Fig.5).
Fig. 5: Bacino Idrografico del Fiume Cavone (www.adb.basilicata.it)
Nelle aree pianeggianti e coperte di vegetazione, soprattutto arborea-arbustiva, i terreni sono da considerarsi stabili, per contro i fianchi collinari presentano una conformazione morfologica accidentata determinata da solchi erosivi con profilo longitudinale e trasversale mediamente ripido.
In tali aree, generalmente prive o con scarsa copertura vegetale, sono presenti dei dissesti, frane di smottamento e colamento, erosione idrica superficiale ed, in aree limitate, gravi fenomeni di demolizione rapida del versante. ll corso di questo torrente presenta un andamento meandriforme con una larghezza media dell’alveo pari a circa 80-90m. In relazione alle forme del rilievo l’area può essere divisa in 2 zone principali:
- la prima corrisponde ad una superficie di erosione fluviale incisa essenzialmente nei depositi sabbioso-conglomeratici.
- la seconda zona è rappresentata dalla piana alluvionale del T. Salandrella dove si individuano depositi alluvionali attuali caratterizzati da ciottoli di varie dimensioni con angoli ben arrotondati e con un diametro medio di circa 20cm.
area oggetto di intervento
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10 Dal punto di vista idraulico, sono state analizzate le sezioni interessate dall’intervento sia tenendo presente dello stato di fatto che di quello di progetto (Fig.6). Scopo dell’analisi idrologica è la determinazione delle portate al colmo di piena di assegnato tempo di ritorno, nel caso in esame pari a 200 anni, in ingresso nell’asta fluviale (DTM ris. 5.0m – area bacino idrografico 78.00 kmq).
Figura 6: Esempio di analisi idraulica e verifica sezioni: a) Stato di Fatto, b) Stato di Progetto
0 20 40 60 80 100 120 140 160
354 356 358 360 362 364
Salandrella_Stato_Fatto Sez.7
Station (m )
Elevation (m)
Legend
EG Tr 200 Crit Tr 200 WS Tr 200 Ground Bank Sta
.033 .033 .033
0 20 40 60 80 100 120 140 160
354 356 358 360 362 364
Salandrella_Stato_progetto Sez.7
Station (m )
Elevation (m)
Legend
EG Tr 200 WS Tr 200 Crit Tr 200 Ground Bank Sta
.033 .033 .033
a)
b)
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11 6. CRITICITA’ ED INTERVENTI DI RIPRISTINO
Le variazioni dell’andamento fluviale influenzate da differenti fattori tra i quali: la portata liquida, quella solida, la pendenza, la resistenza all’erosione delle sponde, la sinuosità e la geometria della sezione idrica. Gli interventi riguardanti le opere di difesa del suolo realizzate in passato hanno agito sulla dinamica fluviale determinando una diminuzione dell’energia idrica del corso d’acqua. Inoltre, per ridurre l’erosione spondale, sono stati creati alcuni argini in gabbioni che hanno contribuito solo parzialmente alla naturale espansione delle portate di piena ed alla conseguente divagazione naturale dei meandri.
Tenendo conto delle criticità presenti nel tratto oggetto di intervento (~400m), i lavori di ripristino dell’officiosità riguardano la sistemazione dell’alveo sia in sx idraulica che in dx idraulica a protezione della strada comunale (Fig.7-8).
Figura 7: Torrente Salandrella: Ortofoto - Sezione di ripristino (sez.8) - Alveo Torrente sez_8
riporto scavo
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12 Figura 8: Torrente Salandrella: a) schema intervento, b) profilo longitudinale, c) alveo torrente
scavo 13.034,37mc taglio vegetazione
4.027,00mq – 391ql a)
b)
c)
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13 7. FATTIBILITA’ DELL’INTERVENTO
Nel presente paragrafo viene discussa la fattibilità dell’intervento con particolare riferimento alla possibilità di escavazione in alveo e al relativo calcolo dei volumi di materiale in eccesso presente in alveo.
POSSIBILITA’ DI ESCAVAZIONE IN ALVEO
In riferimento ai rilievi effettuati ed alla consultazione dei dati bibliografici disponibili, le possibilità di prelievo di materiale in alveo sono possibili nell’area oggetto di intervento in quanto sussistono le seguenti condizioni:
• alveo ampio e sovralluvionato;
• sezioni trasversali caratterizzate da convessità al centro;
• arginature e muri a gravità che necessitano di interventi di sistemazione;
• presenza per alcuni tratti in alveo di vegetazione spontanea;
• possibilità di divagazione dell’alveo attivo, con ulteriore aggravio delle già precarie condizioni di stabilità degli argini.
Tale situazione giustifica sufficientemente la possibilità di prelievo di materiali. In merito alla pendenza dell’alveo, non è prevista nessuna modifica dello stesso visto che le lavorazioni riguarderanno solo l’asportazione di materiale in corrispondenza delle convessità in alveo ed il rincalzo lungo gli argini.
In particolare, è stata verificata la possibilità di prelievi di materiali cercando di adattare il più possibile l’andamento della savanella al corso dell’attuale livello di base (vedasi sezioni trasversali e longitudinale).
CALCOLO DEI VOLUMI
I volumi definiti in via preliminare sono stati calcolati secondo il “metodo delle sezioni ragguagliate” i cui dettagli grafici sono riportati nelle specifiche tavole di progetto. Il volume totale di movimentazione del materiale alluvionale è di circa 13.034,37mc (sez_1 – sez_11) che verranno stoccati dalla Ditta in sito idoneo e acquisiti a patrimonio della Ditta stessa a compensazione delle lavorazioni effettuate.
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14 8 – STUDIO IDRAULICO
La presente relazione è relativa alla verifica idraulica in merito all’esecuzione di azioni di ripristino dell'officiosità e di regolarizzazione del naturale displuvio delle acque del torrente "Salandrella" località "Riciglio". Considerato che lo scopo degli interventi proposti è quello di mitigare il rischio idraulico dell’area, tale studio idraulico è finalizzato a determinare l’incidenza di tali interventi sulla mitigazione.
Ai sensi dell’art. 4 – comma 4 delle Norme di Attenuazione del “Piano Stralcio per la Difesa dal Rischio Idrogeologico – aggiornamento 2015” redatto dall’Autorità Interregionale di Bacino della Basilicata,“i progetti di opere e/o interventi che interessano corsi d’acqua e/o aree limitrofe, non ancora oggetto di studio da parte dell’AdB, dovranno comprendere, obbligatoriamente, uno studio idrologico e idraulico che consideri una portata di piena avente periodo di ritorno pari a 200 anni. Il livello di approfondimento e dettaglio degli studi dovrà essere adeguato alle condizioni di pericolosità e di rischio idraulico esistenti sull’area ed alla tipologia ed importanza delle opere da realizzare.”
Ciò considerato, le analisi sono state condotte nel rispetto delle prescrizioni contenute nel presente Piano.
AREA DI INTERVENTO
L’area oggetto del presente studio si colloca geograficamente nella parte alta del bacino del Fiume Cavone nel territorio di Garaguso (MT).
Il corso d’acqua considerato è il torrente Salandrella, che nasce dal versante settentrionale del Monte dell’Impiso nel comune di Accettura. A partire dalla confluenza con il Torrente Salandra (poco più a valle dell’attraversamento della S.S. 176) e fino alla foce a mare esso viene identificato come Fiume Cavone (Fig.9-10).
Il tratto investigato si sviluppa per una lunghezza di circa 380 m ed è ubicato immediatamente a valle della confluenza tra il torrente Salandrella e il fosso Riciglio.
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15 Figura 9 - Bacino del Fiume Cavone.
Figura 10 – Area di interesse
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16 In tale tratto il torrente presenta pendenze dell’ordine del 1.6% e ridotte velocità che portano al deposito di materiale detritico, alluvionale e vegetativo tale da ostacolare il regolare deflusso della corrente
Per i suddetti motivi risulta necessario provvedere all’esecuzione dei lavori di ripristino dell’officiosità della sezione idrica dell’alveo fluviale mediante la rimozione del materiale e della vegetazione presente in alveo al fine di regolarizzare la sezione di deflusso la realizzazione di una savanella di dimensioni tali da consentire il deflusso e lo smaltimento di una portata di piena con tempo di ritorno di 200 anni. Ciò al fine di regolarizzare lo sviluppo planimetrico del meandro attivo e di ridurre i tiranti idrici.
L’intervento di sistemazione e regolarizzazione di deflusso delle acque è comunque da intendersi di durata limitata nel tempo, cioè avente un’efficacia di diversi anni prima che il naturale deflusso delle acque, con il proprio trasporto solido, modifichi nuovamente la propria morfologia (Fig.11).
Figura 11 – Tratto dell'alveo fluviale interessato dall'intervento di ripristino dell'officiosità
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17 2. ANALISI IDROLOGICA
Scopo dell’analisi idrologica è la determinazione delle portate al colmo di piena di assegnato tempo di ritorno, nel caso in esame pari a 200 anni, in ingresso nell’asta fluviale (sia in testa che lungo di essa) da utilizzare nella successiva analisi idraulica.
2.1 BACINO IDROGRAFICO DI INTERESSE
Ai fini del calcolo delle portate al colmo di piena con assegnato tempo di ritorno risulta necessario stimare l'area del bacino idrografico del Torrente Salandrella alla sezione di chiusura del tratto oggetto degli interventi.
Utilizzando un DTM con risoluzione spaziale 5 metri è risultato un bacino idrografico con un'area pari a 78 kmq rappresentata nel seguito (Fig.12):
Figura 12: Delimitazione del bacino idrografico del T. Salandrella alla sezione di interesse
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18 2.2 STIMA DELLE PORTATE AL COLMO DI PIENA
L’analisi idrologica utilizzata per valutare le massime portate al colmo di piena per assegnati tempi di ritorno è stata effettuata utilizzando i risultati e le metodologie dell’indagine VAPI già presente per la Basilicata (Valutazione delle Piene) e contenuta nel Rapporto di sintesi per la Regione Basilicata (bacini del versante ionico) a cura di P. Claps e M. Fiorentino.
Tale metodologia fa riferimento ad un approccio di tipo probabilistico per la valutazione dei massimi annuali delle portate di piena. Per ridurre le incertezze legate alla presenza di eventi estremi molto rari in ogni singolo punto ed alla variabilità da sito a sito del valore indice della piena, si adotta una metodologia di analisi regionale che si avvale anche di modelli concettuali di formazione dei deflussi di piena a partire dalle precipitazioni intense sul bacino. Tale approccio consente di utilizzare non solo tutta l’informazione idrometrica ma anche quella pluviometrica, posseduta su un dato territorio.
In particolare viene adottato un modello probabilistico a doppia componente (TCEV) che interpreta gli eventi massimi annuali come il risultato di una miscela di due popolazioni distinte: la prima produce gli eventi massimi ordinari, più frequenti ma meni intensi; la seconda produce gli eventi massimi straordinari, meno frequenti ma spesso catastrofici. Si fa poi riferimento a una procedura di regionalizzazione gerarchica in cui i diversi parametri del modello probabilistico vengono valutati a scale regionali differenti, in funzione dell’ordine statistico del parametro stesso. Tale metodologia si basa su analisi a scala regionale che tendono a trascurare la presenza di eventuali anomalie locali.
In analisi e studi locali, a scala di bacino, l'elaborazione di tali anomalie può rivestire carattere essenziale ai fini della corretta valutazione della distribuzione di probabilità dei massimi annuali delle portate di piena: in tutti questi casi potrebbero rendersi necessarie indagini idrologiche ad hoc. A tal proposito va evidenziato che fattori decisivi nella definizione della distribuzione di probabilità delle piene sono quelli climatici “caratteristici”, cioè medi, dei bacini, in aggiunta a quelli geopedologici e di uso del suolo. I primi risultano attivi nel definire il numero medio annuo di piogge intense e la “resa” delle sollecitazioni in termini
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19 di numero medio annuo di piene. I fattori d’uso del suolo e geopedologici concorrono essenzialmente a determinare la “resa” delle piogge intense in termini di valore medio e numero delle piene. Nel caso di bacini in cui sono presenti uno o più manufatti che provocano squilibri sul regime naturale delle portate di piena, occorrerà valutarne l’effetto con modelli di simulazioni del comportamento idrologico/idraulico delle opere stesse. A seguito dei risultati ottenuti da tali studi si potrà effettuare una modellazione più raffinata per arrivare poi ad una simulazione fisico-matematica completa dell’effettivo comportamento idraulico dei manufatti durante gli eventi di piena presi a riferimento.
Tale studio indica la possibilità di stima delle portate al colmo di piena “QT”, con assegnato tempo di ritorno “T”, come prodotto della piena indice “E(Q)” per il fattore probabilistico di crescita “KT”:
QT = KT E(Q)
E’ ben noto che la piena indice, la cui variabilità è fortemente influenzata dall’area del bacino, può essere stimata tramite una legge del tipo:
E(Q) = α Aβ
Nello studio VAPI sono riportate due relazioni per il calcolo della piena indice, relative alle due aree nelle quali è stata suddivisa la Basilicata, ritenute omogenee ai fini del calcolo della suddetta piena indice:
Area omogenea 1 Area omogenea 2
Bacini del Bradano, Basento,Cavone e Agri
Bacini del Sinni, del Lao e del Noce
E(Q) =2.13 A0.766 E(Q) = 5,98 A0.645
Tabella 1 – Aree omogenee ai fini del calcolo della piena indice
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20 Ai fini del calcolo del fattore probabilistico di crescita KT , si è suddiviso il territorio in tre zone omogenee a ciascuna delle quali corrisponde una coppia di valori dei parametri “a” e “b” da inserire nella seguente relazione:
KT = a +b ln (T)
Con T è il tempo di ritorno.
Tali zone omogenee sono di seguito descritte:
• Zona A: si identifica praticamente con l’intero bacino del Bradano. Tale bacino è in assoluto quello caratterizzato dalla maggiore aridità di tutta la regione.
• Zona B: comprendente il basso bacino del Basento, le cui caratteristiche sono non molto dissimili da quelle della zona A, anche se il numero medio degli eventi è leggermente maggiore. Ai fini di questa suddivisione, il basso Basento si può approssimativamente far iniziare a valle della città di Potenza.
• Zona C: si fa rientrare l’Agri, il Sinni e l’alto bacino del Basento ovvero la zona a monte di Potenza. In quest’ultima sottozona il numero degli eventi piovosi significativi ai fini delle piene è molto maggiore rispetto agli altri bacini del versante ionico.
Zona A Zona B Zona C
Bacini del Bradano Basso bacino del Basento
Bacini dell’Agri, del Sinni, del Cavone, del Noce e alto bacino del Basento
a b a b a b
- 0.5673 0.9930 - 0.2354 0.7827 0.0565 0.5977
Tabella 2 – Zone omogenee ai fini del calcolo del fattore probabilistico di crescita KT e relativi coefficienti
L’area analizzata in questa prima fase progettuale interessa un tratto del Torrente Salandrella lungo circa 380 metricaratterizzato da diffuso deposito di
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21 materiale inerte e vegetativo che ha sostanzialmente modificato il percorso dell’asta principale del fiume.
Utilizzando dunque i valori per aree omogenee relative al bacino idrografico del fiume Agri si è calcolato il fattore probabilistico di crescita KT, per periodo di ritorno di 200 anni e per il valore di superficie sottesa dal bacino, alla sezione di chiusura del tratto investigato, pari a circa 78 kmq si è ottenuto:
Bacino Salandrella alla sezione di chiusura
Area del bacino sotteso
(kmq)
Piena Indice
Fattore di crescita KT=200
Portata al colmo
di piena QT=200
78 59.93 3.223 193
Tabella 3 – Portate VAPI del tratto di torrente considerato (Tr=200 anni)
3 ANALISI IDRAULICA
Scopo dell'analisi idraulica è quello di confrontare il comportamento idraulico del tratto di Torrente Salandrella interessato prima e dopo la realizzazione degli interventi proposti al fine di dimostrare, attraverso simulazioni idrodinamiche, che tali interventi non determinano condizioni di rischio idraulico e/o non aggravano le condizioni di rischio idraulico preesistenti. Sono stati quindi valutati due diversi scenari, il primo relativo allo stato di fatto in cui versa il tronco fluviale e il secondo allo stato di progetto, considerando cioè gli interventi proposti.
3.1 IL MODELLO IDRAULICO
Le verifiche idrauliche sono state condotte mediante il modello di simulazione Hec–Ras (River Analysis System), sviluppato presso l’Hydrologic Engineering Center, dall’United States Army Corps of Engineers che consente il calcolo dei profili idraulici di moto permanente gradualmente vario, in reti di canali naturali o artificiali.
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22 Nel caso specifico, nota le portata al colmo di piena duecentennale è stata condotta rispetto ad essa l’analisi idraulica mediante l’applicazione del suddetto modello per simularne la propagazione lungo il reticolo idraulico considerato e per determinare quindi l’altezza che il livello idrico raggiunge nelle varie sezioni.
Il modello consente di definire le caratteristiche principali delle sezioni, ovvero è possibile specificare per ciascuna sezione coppie di valori "progressiva - quota", la posizione di eventuali argini presenti, eventuali ostruzioni al flusso, i valori della scabrezza dell'alveo in diverse zone della sezione.
Equazioni di base
Il modello di calcolo HEC-RAS simula il moto permanente gradualmente variato in canali aperti con contorni fissi, anche in condizione di portata variabile lungo l’alveo e di variazioni del regime di corrente.
Il calcolo di base risolve l'equazione monodimensionale dell'energia; le perdite energetiche sono calcolate tramite l'equazione di Manning e i coefficienti di contrazione ed espansione. Nei casi in cui il profilo della superficie idrica è rapidamente variato, si utilizza l'equazione di conservazione della quantità di moto. Si possono considerare anche gli effetti di eventuali ostruzioni, come i ponti, ed è possibile analizzare anche gli effetti dei potenziali interventi di mitigazione delle piene.
L'equazione base è quella della conservazione dell'energia tra le generiche sezioni trasversali di monte e di valle, rispettivamente indicate coi pedici 2 e 1:
Z2 + Y2 + α2 V2 2/2g = Z1 +Y1 + α1 V12 /2g + ΔH
in cui Y2 e Y1 sono le profondità d’acqua, Z2 e Z1 le quote dei punti più depressi delle sezioni trasversali rispetto a un piano di riferimento (superficie libera del medio mare), V2 e V1 le velocità medie (rapporto tra portata e area bagnata della sezione), α2 e α 1 coefficienti di Coriolis di ragguaglio delle potenze cinetiche, g l’accelerazione di gravità e ΔH le perdite di carico nel tratto considerato.
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23 La perdita di carico totale tra due sezioni successive del corso d’acqua viene calcolata come somma delle perdite di carico per attrito lungo il contorno bagnato e delle perdite di carico per espansione o contrazione della corrente.
L’equazione che esprime la perdita di carico complessiva assume dunque la forma:
_
ΔH= LSf + C (α V22 /2g - α V1 2/2g) _
in cui L è la lunghezza del tratto in analisi, Sf è un valore medio rappresentativo della cadente (perdita di carico per unità di lunghezza) nel tratto medesimo e C è il coefficiente di contrazione o espansione; in tal modo, si tiene conto sia delle perdite di carico continue o distribuite, rappresentate dal primo addendo del membro di destra, sia delle perdite di carico localizzate o concentrate, rappresentate dal secondo addendo del membro di destra e dovute alle variazioni di sezione trasversale e/o alla presenza di ostacoli strutturali.
Per ciascun tratto fluviale compreso tra due sezioni trasversali si considerano la lunghezza del canale centrale, Lch, e le lunghezze delle banchine laterali, Llob e Lrob rispettivamente per la golena sinistra e quella destra. Per la determinazione delle perdite di carico continue, si adopera un valore della lunghezza pari alla media pesata di Lch, Llob e Lrob sulle portate medie riferite anch’esse all’alveo centrale e alle golene (Qch,m, Qlob,m e Qrob,m), pertanto la distanza pesata L viene calcolata tramite l’equazione:
L = (LlobQlob,m + Lch Qch,m + Lrob Qrob,m) / (Qlob,m + Qrob,m + Qrob,m)
Il metodo di soluzione adottato da HEC-RAS per l'equazione di continuità dell'energia applicata al moto permanente gradualmente vario richiede l'assunzione che la perdita di carico in una sezione sia la stessa che si avrebbe in moto uniforme a parità di sezione e velocità dell'acqua.
HEC-RAS usa la formula del moto uniforme di Manning per valutare le perdite di carico distribuite, ossia la pendenza della linea piezometrica in alveo:
Sf = (Q/K)2
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24 dove K, fattore di trasporto, viene calcolato come:
K =1/n*A*R2/3 in cui:
n: il coefficiente di scabrezza di Manning A: l’area della sezione
R: il raggio idraulico della sezione bagnata.
Il sistema delle due equazioni consente la determinazione del profilo idrico della corrente una volta note la geometria e la scabrezza dell'alveo e le condizioni del moto alla sezione dalla quale deve iniziare il calcolo del profilo.
Nel caso di passaggio da regime supercritico a subcritico tramite risalto idraulico, la corrente perde il carattere gradualmente variato e l’equazione dell’energia non può essere applicata. In questo caso si ricorre all’equazione di conservazione della quantità di moto:
2 0
2 1 1 1,
2 1 1 2
1 2
1 ,
2 2 2
2 2
2 − − =
+
−
+ +
+ b m AY b
gA J Q
A L i A
A L Y A
gA A
Q
in cui si sono indicate con i pedici 2 e 1 rispettivamente le sezioni di monte e di valle del tratto considerato; il primo e il quinto termine rappresentano le spinte idrodinamiche dovute alle quantità di moto (con β coefficiente di ragguaglio dei flussi di quantità di moto), il secondo e il sesto termine le spinte idrostatiche dovute alle pressioni (essendo Y2,b e Y1,b gli affondamenti dei baricentri delle sezioni bagnate), il terzo termine la componente del peso lungo la direzione del moto (essendo i la pendenza longitudinale del fondo dell’alveo, calcolata in base alle quote medie in ciascuna sezione) e il quarto termine la resistenza al moto.
Metodo di soluzione numerica
Per la risoluzione dell'equazione di conservazione dell’energia in alvei a sezione variabile HEC- RAS impiega un metodo noto come "standard step method".
Secondo tale metodo, il programma procede nel calcolo iterativamente, determinando per approssimazioni successive l'altezza dell'acqua alla successiva sezione di calcolo, sulla base dell’altezza già calcolata alla sezione corrente.
In generale la procedura è la seguente:
________________________________________________________________________________________
25 a) la quota dell'acqua e la portata sono note alla sezione di inizio calcolo (sez.
1);
b) si calcola l'energia della sezione sulla base dei dati a) e della geometria della sezione;
c) la geometria della sezione successiva (sez. 2) è nota insieme alla distanza tra le due sezioni;
d) si assume una quota dell'acqua alla successiva sezione 2 e se ne calcola il raggio idraulico e l'area sulla base della geometria della sezione stessa. Quindi si determina un valore medio della capacità di deflusso delle due sezioni. La capacità di deflusso di una sezione di un alveo è, per una determinata altezza d'acqua, la portata che può transitare nell'alveo con una pendenza piezometrica unitaria;
e) si calcola la perdita di carico ripartita sulla base del valore medio della capacità di deflusso, della lunghezza del tratto e della portata;
f) si calcola il carico cinetico pesato, V2/2g, nella seconda sezione;
g) si calcolano le ulteriori perdite di carico dovute alla contrazione ed all'allargamento della sezione sulla base di quanto determinato in f);
h) si calcola la variazione della quota dell'acqua tra le due sezioni, come variazione della somma del carico cinetico e delle perdite di carico i) si calcola la quota dell'acqua nella seconda sezione come somma del primo livello idrico e delle variazioni di quota calcolata in h);
j) si calcola l'errore tra il livello d'acqua nella sezione 2 assunto in d) e quello calcolato in i);
k) se l'errore e minore di 1 cm la procedura è ripetuta per le sezioni successive dell'alveo, altrimenti è ripetuta per le stesse due sezioni ma con una nuova stima iniziale dell'altezza d'acqua nella sezione 2 (punto d).
Approssimazioni del calcolo
Le principali ipotesi su cui si basa il modello matematico utilizzato si possono sintetizzare nella condizione che l’onda di piena possa essere assimilata ad una corrente a pelo libero di tipo unidimensionale.
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26 Questa assunzione non si discosta molto dal vero se l’alveo ha un andamento regolare, con curve non troppo brusche e con le sezioni trasversali che variano gradualmente nel senso della corrente, tuttavia nella pratica è possibile che la topografia delle valli non soddisfi queste condizioni.
Per tale motivo, come sovente accade in Idraulica, la schematizzazione adottata non consente di spiegare ogni singolarità del fenomeno, ma permette di descrivere in modo soddisfacente l’andamento globale o medio. Nel caso dell’onda di piena, ciò si traduce in una descrizione della corrente media, in quanto ogni grandezza viene considerata costante su tutta la sezione trasversale.
Sotto queste condizioni l’onda di piena viene inclusa nella categoria delle correnti lineari o gradualmente variate e descritta tramite le equazioni esposte. La soluzione fornita è pertanto affetta da approssimazioni in tutte quelle situazioni in cui l’onda reale assume caratteristiche diverse dalla condizione di corrente a pelo libero di tipo lineare fino a divenire spiccatamente bidimensionali.
La presenza, infatti, di una curva molto stretta della valle o di una rapida apertura di una piana di espansione molto ampia producono variazioni delle caratteristiche della corrente, quali velocità e livello del pelo libero, non solo nella direzione longitudinale dell’asse, ma anche nella direzione ad esso perpendicolare.
Un’attenta ubicazione delle sezioni trasversali della valle ed una loro accurata descrizione in termini di canale, golene ed aree di solo invaso può ridurre l’approssimazione nel caso delle piane di esondazione, mentre per le curve molto brusche, qualora necessario, la sopraelevazione in curva del pelo libero può essere stimata utilizzando metodi empirici.
Un’altra approssimazione importante del modello deriva dalla formula di Manning, con la quale vengono calcolate le perdite di carico distribuite, ed in particolare dai valori attribuiti al coefficiente di scabrezza n. Quando sia possibile una buona stima di questo coefficiente il modello matematico è in grado di calcolare la propagazione di un’onda di piena con una approssimazione accettabile ai fini pratici. In assenza di conoscenze dettagliate delle
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27 caratteristiche fisiche delle sezioni ed in considerazioni del basso valore di portata esaminato, risulta opportuna l'adozione di valori comunque cautelativi.
Ultima e forse più importante approssimazione del calcolo indotta dal modello adottato è connessa all’ipotesi che l’alveo si mantenga a fondo fisso durante la propagazione della piena, senza risentire dell’azione modellatrice della corrente.
Nella realtà, il passaggio di una piena sia naturale che artificiale altera inevitabilmente la morfologia della valle; tuttavia i mutamenti risultano assolutamente imprevedibili.
Coefficiente di scabrezza
Il coefficiente di scabrezza in un alveo naturale rappresenta una misura globale della resistenza al moto della corrente, in cui si compendiano una molteplicità di fattori tra i quali la forma e la regolarità della sezione, la presenza quali- quantitativa di vegetazione e le caratteristiche litologiche del materiale d’alveo.
La sua determinazione deve quindi essere condotta con grande attenzione, valutando attentamente le caratteristiche specifiche dei materiali che compongono l’alveo e la copertura vegetale delle sponde e delle aree golenali adiacenti interessate al deflusso lungo tutto lo sviluppo dell’asta fluviale di interesse.
Nella pratica tecnica il valore numerico del coefficiente rappresentativo del termine di resistenza nell’equazione del moto può essere determinato facendo ricorso a relazioni e tabelle di natura sperimentale ampiamente disponibili in letteratura tecnica. Tali relazioni forniscono il valore del coefficiente di scabrezza sulla base di analogie delle caratteristiche morfologiche e vegetazionali dell’alveo di interesse ad una serie di situazioni tipiche dei corsi d’acqua naturali già investigate sperimentalmente.
________________________________________________________________________________________
28 3.2 APPLICAZIONE DEL MODELLO IDRAULICO - STATO DI FATTO
Il tratto del Torrente Salandrella oggetto dell'analisi è stato schematizzato in 11 sezioni normali al flusso.
Per il calcolo dei profili di corrente sono state adottate le ipotesi di monodimensionalità e di regime permanente del moto, quest'ultima ipotesi prevede Q costante lungo il tratto, trascurando l'escavazione del fondo durante gli eventi di piena e quindi considerando il fondo del letto del fiume fisso. Inoltre, assumendo le caratteristiche di corrente mista, si sono stabilite le condizioni al contorno (reach boundary conditions) di monte e di valle del tratto oggetto dell’intervento. In entrambi i casi la condizione assunta è quella di Normal Depth in cui si stabilisce che l’altezza d’acqua è uguale alla profondità di moto uniforme che il programma calcola per il profilo. In tal caso, quindi, si inserisce la pendenza della linea dei carichi totali, che può essere approssimata mediante la pendenza media dei tratti di canale a monte e a valle prima e dopo l’intervento.
Infine, in tutte le sezioni del tratto idrico indagato è stato ipotizzato un valore del coefficiente di scabrezza n di Manning pari a 0.033 m1/3s sia per il canale principale che per le aree golenali in totale accordo con quanto previsto nelle simulazioni proposte dall’AdB ai fini della definizione dell’aggiornamento del PAI in tronchi fluviali con analoghe caratteristiche morfologiche e di scabrezza.
Le condizioni al contorno sono state scelte come di seguito specificato: altezza di moto uniforme sia per la sezione di monte che per quella di valle.
Si riportano di seguito i risultati dell'analisi idraulica, in particolare i livelli idrici raggiunti dalla portata duecentennale in tutte le sezioni trasversali considerate procedendo da monte verso valle, i valori delle grandezze idrauliche in forma tabellare e il profilo di moto permanente per il periodo di ritorno considerato.
________________________________________________________________________________________
29
0 20 40 60 80 100 120 140
358.0 358.5 359.0 359.5 360.0 360.5 361.0
Salandrella_Stato_Fatto Sez.1
Station (m )
Elevation (m)
Legend
EG Tr 200 Crit Tr 200 WS Tr 200 Ground Bank Sta
.033 .033 .033
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
358 359 360 361 362
Salandrella_Stato_Fatto Sez.2
Station (m )
Elevation (m)
Legend
EG Tr 200 Crit Tr 200 WS Tr 200 Ground Bank Sta
.033 .033 .
0 3 3
________________________________________________________________________________________
30
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
358 359 360 361 362 363
Salandrella_Stato_Fatto Sez.3
Station (m )
Elevation (m)
Legend
EG Tr 200 WS Tr 200 Crit Tr 200 Ground
Levee Bank Sta
.033 .033 .
0 3 3
0 20 40 60 80 100 120 140 160
356 358 360 362 364 366
Salandrella_Stato_Fatto Sez.4
Station (m )
Elevation (m)
Legend
EG Tr 200 Crit Tr 200 WS Tr 200 Ground Bank Sta
.033 .033 .
0 3 3
________________________________________________________________________________________
31
0 20 40 60 80 100 120 140 160
357 358 359 360 361 362 363 364
Salandrella_Stato_Fatto Sez.5
Station (m )
Elevation (m)
Legend
EG Tr 200 WS Tr 200 Crit Tr 200 Ground Bank Sta
.033 .033 .033
0 20 40 60 80 100 120 140
355 356 357 358 359 360
Salandrella_Stato_Fatto Sez.6
Station (m )
Elevation (m)
Legend
EG Tr 200 Crit Tr 200 WS Tr 200 Ground Bank Sta
.033 .033 .
0 3 3
________________________________________________________________________________________
32
0 20 40 60 80 100 120 140 160
354 356 358 360 362 364
Salandrella_Stato_Fatto Sez.7
Station (m )
Elevation (m)
Legend
EG Tr 200 Crit Tr 200 WS Tr 200 Ground Bank Sta
.033 .033 .033
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
354 355 356 357 358 359 360 361 362
Salandrella_Stato_Fatto Sez.8
Station (m )
Elevation (m)
Legend
EG Tr 200 WS Tr 200 Crit Tr 200 Ground Bank Sta
.033 .033 .
0 3 3
________________________________________________________________________________________
33
0 50 100 150 200
355.0 355.5 356.0 356.5 357.0 357.5 358.0 358.5 359.0
Salandrella_Stato_Fatto Sez.9
Station (m )
Elevation (m)
Legend
EG Tr 200 WS Tr 200 Crit Tr 200 Ground Bank Sta
.033 .033 .
0 3 3
0 50 100 150 200
354 356 358 360 362 364 366 368
Salandrella_Stato_Fatto Sez.10
Station (m )
Elevation (m)
Legend
EG Tr 200 WS Tr 200 Ground Bank Sta
.033 .033 .033
________________________________________________________________________________________
34 Figura 13. Stato attuale. Livelli idrici raggiunti nelle sezioni trasversali in condizioni di moto
permanente per la portata al colmo di piena con tempo di ritorno T = 200 anni.
Figura 14 – Stato di fatto: Profilo di corrente per Q di piena con tr pari a 200 anni
Tabella 4 – Stato di fatto: Risultati della simulazione idraulica in moro permanente per Q di piena con tr 200 anni
0 20 40 60 80 100 120 140 160
352 354 356 358 360 362
Salandrella_Stato_Fatto Sez.11
Station (m )
Elevation (m)
Legend
EG Tr 200 WS Tr 200 Crit Tr 200 Ground Bank Sta
.033 .033 .033
0 100 200 300 400
352 354 356 358 360 362
Salandrella_Stato_Fatto
Main Channel Dis tance (m )
Elevation (m)
Le gend
EG Tr 200 WS Tr 200 Crit Tr 200 Ground Salandrella 1
1 193 358.02 360.03 360.3 360.84 3.98 50.17 101.16 1.23 2.01
2 193 358 359.69 359.78 360.26 3.36 57.43 66.62 1.16 1.69
3 193 358 359.58 359.58 359.96 2.72 70.93 94.49 1 1.58
4 193 357 359.16 359.21 359.53 2.69 71.7 127.63 1.15 2.16
5 193 357 358.29 358.29 358.67 2.74 70.31 91.64 1 1.29
6 193 355.01 357.25 357.4 357.86 3.45 56 91.57 1.41 2.24
7 193 355 356.82 356.83 357.27 2.98 64.82 73 1.01 1.82
8 193 355 356.76 356.53 356.95 1.95 98.82 110.55 0.66 1.76
9 193 355 356.44 356.4 356.74 2.43 80.21 117.65 0.92 1.44
10 193 354 356.19 356.44 2.19 88.21 130.34 0.85 2.19
11 193 353.01 355.43 355.43 355.85 2.88 66.91 80.22 1.01 2.42
Area Bagnata (m2)
Larghezza in superficie
(m)
Froude Sezione
Tirante idrico (m) Q (Tr200)
(m3/s)
Quota di fondo alveo (m)
Livello idrico (m)
Altezza critica (m)
Energia totale (m)
Velocità (m/s)
________________________________________________________________________________________
35 3.3 APPLICAZIONE DEL MODELLO IDRAULICO - STATO DI PROGETTO
La simulazione è stata ripetuta con ipotesi analoghe a quelle utilizzate nello stato di fatto e considerando l'intervento proposto di ripristino dell'officiosità idraulica.
0 20 40 60 80 100 120 140
358.0 358.5 359.0 359.5 360.0 360.5 361.0
Salandrella_Stato_progetto Sez.1
Station (m )
Elevation (m)
Legend
EG Tr 200 WS Tr 200 Crit Tr 200 Ground Bank Sta
.033 .033 .033
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
358 359 360 361 362
Salandrella_Stato_progetto Sez.2
Station (m )
Elevation (m)
Legend
EG Tr 200 WS Tr 200 Crit Tr 200 Ground Bank Sta
.033 .033 .033
________________________________________________________________________________________
36
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
358 359 360 361 362 363
Salandrella_Stato_progetto Sez.3
Station (m )
Elevation (m)
Legend
EG Tr 200 Crit Tr 200 WS Tr 200 Ground
Levee Bank Sta
.033 .033 .033
0 20 40 60 80 100 120 140 160
356 358 360 362 364 366
Salandrella_Stato_progetto Sez.4
Station (m )
Elevation (m)
Legend
EG Tr 200 Crit Tr 200 WS Tr 200 Ground Bank Sta
.033 .033 .
0 3 3
________________________________________________________________________________________
37
0 20 40 60 80 100 120 140 160
357 358 359 360 361 362 363 364
Salandrella_Stato_progetto Sez.5
Station (m )
Elevation (m)
Legend
EG Tr 200 WS Tr 200 Crit Tr 200 Ground Bank Sta
.033 .033 .033
0 20 40 60 80 100 120 140
355 356 357 358 359 360
Salandrella_Stato_progetto Sez.6
Station (m )
Elevation (m)
Legend
EG Tr 200 Crit Tr 200 WS Tr 200 Ground Bank Sta
.033 .033 .033
________________________________________________________________________________________
38
0 20 40 60 80 100 120 140 160
354 356 358 360 362 364
Salandrella_Stato_progetto Sez.7
Station (m )
Elevation (m)
Legend
EG Tr 200 WS Tr 200 Crit Tr 200 Ground Bank Sta
.033 .033 .033
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
354 355 356 357 358 359 360 361 362
Salandrella_Stato_progetto Sez.8
Station (m )
Elevation (m)
Legend
EG Tr 200 WS Tr 200 Ground Bank Sta
.033 .033 .033
