LAMINAZIONE DELLE PIENE Interventi strutturali attivi: serbatoi e casse di espansione

Interventi strutturali attivi: serbatoi e casse di espansione

I fondamenti concettuali del processo di laminazione delle piene che si applicano ai serbatoi e alle casse di espansione sono sostanzialmente comuni.

Le differenze dal punto di vista tecnico possono essere invece significative per il diverso impegno, gestionale e anche economico, delle due tipologie di opere.

Il metodo più diretto per il controllo delle piene è senz’altro rappresentato dall’invaso dei deflussi nella parte montana del bacino.

A questo fine, i serbatoi di laminazione delle piene costituiscono un intervento strutturale attivo per la gestione degli eventi di piena. La funzione principale è di provvedere all’invaso di un’aliquota dei volumi di piena e al successivo rilascio in maniera

LAMINAZIONE DELLE PIENE

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Interventi strutturali attivi: serbatoi e casse di espansione

Un serbatoio, quindi, funziona sostanzialmente come una capacità utile, nella quale parte del volume idrico che costituisce l’onda di piena viene immagazzinato per un certo tempo, per essere poi scaricata a valle, più tardi e con portate ridotte rispetto a quelle che si avrebbero nello svolgimento indisturbato del fenomeno.

In altre parole la funzione del serbatoio è di ridurre le portate in arrivo al tronco a valle a valori compatibili con la capacità di convogliamento del tronco stesso, determinando di fatto un incremento della durata dell’evento di piena, dal momento che deve essere scaricato il medesimo volume idrico corrispondente all’onda di piena in ingresso al serbatoio.

LAMINAZIONE DELLE PIENE

Interventi strutturali attivi

I serbatoi di laminazione e le casse di espansione

.

S Serbatoio di laminazione Tratto montano

LAMINAZIONE DELLE PIENE

LAMINAZIONE DELLE PIENE INVASI DI LAMINAZIONE: CLASSIFICAZIONE

La difesa dalle inondazioni tramite misure attive mira a ridurre le portate al colmo di piena, laminando le piene per mezzo di invasi disposti a monte delle zone da proteggere.

Gli invasi per la laminazione delle piene possono essere classificati come segue:

- serbatoi ad usi multipli, in cui il volume d’invaso destinato alla laminazione delle piene è solo una parte della capacità di un serbatoio destinato anche ad altri usi;

- serbatoi di laminazione e casse di espansione in linea, in cui l’invaso include l’alveo del fiume;

- casse di espansione in derivazione, in cui l’invaso non include l’alveo fluviale.

Le modalità della laminazione sono diverse nei tre casi.

LAMINAZIONE DELLE PIENE INVASI DI LAMINAZIONE

L’efficacia della laminazione dipende, oltre che dalla capacità

dell’invaso e dalle modalità di gestione, anche dalla posizione del

serbatoio, ed è tanto maggiore quando più il bacino sotteso dall’invaso costituisce una frazione grande del bacino della zona da proteggere.

Un invaso disposto troppo a monte lamina una frazione troppo piccola della piena e può risultare poco efficace, anche se di considerevole

capacità, perché non lamina i contributi dell’ampio bacino a valle.

Le opere di difesa attiva hanno effetti anche sull’equilibrio degli alvei:

- alterando il regime delle portate a valle, modificano l’attitudine erosiva e la capacità di trasporto solido del corso d’acqua;

- le casse in linea e i serbatoi intercettano in tutto o in parte il trasporto solido.

È necessario, perciò, che la progettazione di un intervento di difesa

LAMINAZIONE DELLE PIENE EVENTI DI PROGETTO

Per dimensionare gli invasi di laminazione delle piene non è sufficiente conoscere la portata al colmo dell’evento, ma è necessario tenere conto dei volumi della piena.

In effetti, anche per piene caratterizzate da volume uguale,

l’attenuazione del colmo può risultare molto differente a seconda della forma dell’idrogramma.

Un esempio è mostrato nella figura successiva, in cui a tratto grosso è indicata la portata laminata in una cassa ideale di capacità

limitata. Nonostante che i volumi transitati siano gli stessi per entrambi gli idrogrammi, la diversa posizione del picco porta a efficienze di laminazione ben diverse.

Al fine di valutare la riduzione del rischio in base alla diminuzione della probabilità del danno, è necessario attribuire una distribuzione probabilistica agli idrogrammi di piena.

LAMINAZIONE DELLE PIENE

LAMINAZIONE DELLE PIENE: SERBATOI

LAMINAZIONE DELLE PIENE

LAMINAZIONE DELLE PIENE

LAMINAZIONE DELLE PIENE

LAMINAZIONE DELLE PIENE

LAMINAZIONE DELLE PIENE

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Serbatoi di laminazione

LAMINAZIONE DELLE PIENE

Laminazione delle piene: casse di espansione

Un’alternativa, rispetto ai serbatoi, nella creazione di capacità finalizzate al controllo delle piene, è rappresentata dalle casse di espansione.

La differenza tra i due tipi di capacità risiede nel fatto che il serbatoio è realizzato sbarrando una sezione del corso d’acqua e, pertanto, è sempre attraversato dalla corrente, sia di magra sia di piena, mentre la cassa d’espansione può essere realizzata anche lateralmente all’asta fluviale, con un collegamento in parallelo, ed entra in funzione soltanto durante gli eventi di piena.

Lo scopo di questi manufatti è quello di ottenere l’allagamento preordinato e razionale degli spazi golenali o, comunque, delle zone limitrofe al corso d’acqua, talvolta naturalmente predisposte a contenere i volumi in arrivo, in altri casi delimitate da apposite arginature se la loro conformazione non risulta adeguata al

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Laminazione delle piene: casse di espansione

Casse d’espansione

Zona delimitata da un’arginatura soggetta ad allagamenti preordinati.

b) In derivazione

a) In linea

Laminazione delle piene: casse di espansione

Idrogrammi di piena a monte e valle della cassa

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Laminazione delle piene: casse di espansione

Laminazione delle piene: casse di espansione

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Laminazione delle piene: casse di espansione

DMV

Laminazione delle piene: casse di espansione

22

Laminazione delle piene: casse di espansione

‘

Laminazione delle piene: casse di espansione

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Laminazione delle piene: casse di espansione

La sezione di controllo generalmente è a sezione rettangolare ed è inserita nel corpo dell’opera di regolazione, spesso realizzata con una briglia (cfr. figura), posta direttamente sul corso d’acqua.

La sezione viene dimensionata in modo da consentire il deflusso della portata di piena ordinaria - che generalmente impegna l’alveo di modellazione, o di bankfull (a ripe piene) - senza impegnare la cassa e viene raccordata con le sezioni correnti dell’alveo sia a monte che a valle.

Laminazione delle piene: casse di espansione

A seconda della geometria delle sezioni e delle loro dimensioni, si possono avere:

- raccordi convergenti, quando la sezione

dell’alveo è sensibilmente maggiore della sezione di controllo (Fig. 11)

- raccordi divergenti, in caso contrario (Fig. 12)

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Laminazione delle piene: casse di espansione

Laminazione delle piene: casse di espansione

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Laminazione delle piene: casse di espansione

Laminazione delle piene: casse di espansione

‘

30

Laminazione delle piene: casse di espansione

LAMINAZIONE DELLE PIENE

L’attivazione della cassa in derivazione avviene

mediante soglie

tracimabili poste ad una quota alla quale

corrisponde in alveo un valore di portata uguale o leggermente inferiore a quello che si desidera non venga superato.

Con questa disposizione la cassa viene allagata

soltanto quando nel corso di una piena la portata supera il valore di soglia prefissato.

LAMINAZIONE DELLE PIENE

In genere la necessità di

derivare, in condizioni di piena, parte della portata eccedente facilitandone la derivazione verso la cassa di espansione

comporta, in aggiunta alle opere di derivazione, la realizzazione di opere fisse di sostegno a valle che possono essere:

▪ traverse (fig. 17);

▪ soglie di fondo, in caso di elevato trasporto solido associato al deflusso della piena (fig. 18);

▪ restringimenti del corso d’acqua, realizzando una sezione di controllo delle massime portate da

indirizzare verso valle (fig. 19).

LAMINAZIONE DELLE PIENE

Le casse in derivazione consentono di ottenere una più efficace laminazione dell’idrogramma di piena, dal momento che

l’idrogramma di piena in uscita, rispetto a quello delle casse in linea, manca del volume invasato nella fase iniziale della piena.

LAMINAZIONE DELLE PIENE

Le casse in derivazione apportano anche benefici locali, perché

riducono la frequenza d’inondazione delle aree destinate all’invaso.

Scopo della cassa è infatti proprio evitare che queste aree s’allaghino per portate modeste, per riservare le capacità disponibili alle portate più elevate, da cui è necessario difendersi.

Quando però la cassa si riempie, i tiranti idrici possono raggiungere valori molto maggiori di quelli che si sarebbero verificati senza cassa, soprattutto nelle zone più a valle, dato che ovunque si stabilisce il livello idrostatico di monte.

Se la cassa è dotata di sfioratore, il livello massimo è definito dal carico sulla soglia di sfioro.

Per quanto il terreno della cassa sia generalmente utilizzato per uso agricolo, la presenza d’insediamenti o abitazioni non vi è, di norma, tollerata.

LAMINAZIONE DELLE PIENE

Per contenere l’altezza degli argini che si estendono lungo il corso d’acqua, si può costruire una cassa multipla, ossia una cassa suddivisa in compartimenti in serie. Ogni compartimento, una volta riempito, scarica nel compartimento di valle mediante uno sfioratore.

LAMINAZIONE DELLE PIENE

Laminazione: decremento e ritardo del valore di colmo dell’onda di piena.

Invaso statico (serbatoi di laminazione e casse di espansione): all’interno

dell’invaso la velocità è nulla e il transitorio è governato dalla traslazione verticale della superficie orizzontale del pelo libero.

Invaso propagatorio (aree golenali): moto di trasporto dell’acqua con componenti di velocità trasversali e longitudinali (modelli di calcolo monodimensionali che portino in conto l’effetto dell’invaso, ovvero bidimensionali).

Parametri

- Forma e durata dell’idrogramma di piena in ingresso (volume di piena entrante) - Capacità d’invaso disponibile (W_max)

- Q ammissibile a valle (q_umax)

- Modalità di efflusso dall’invaso:  a stramazzo (L); a battente ()

 controllato o meno da paratoie Problema

Determinare le dimensioni degli scarichi (L; ) e il W invasato, noti l’idrogramma di piena entrante e la portata ammissibile a valle.

LAMINAZIONE DELLE PIENE

I fattori che influiscono sull’effetto di laminazione operato da una cassa di espansione sono, in linea generale, il volume massimo disponibile, la geometria della cassa e le caratteristiche della luce di scarico.

Equazioni di riferimento

(1) Eq. di continuità

- q_e : portata entrante - q_u : portata uscente - W : volume invasato

(2) Eq. d’efflusso

(3) Curva dei volumi d’invaso

dt q dW

q

−

=

h

c q

= 

h

W

W =



LAMINAZIONE DELLE PIENE

Nella equazione (2) possiamo distinguere tra due diverse modalità di efflusso:

A battente

( = 0.5)

A stramazzo

( = 1.5)

gh q

= 

 2

gh Lh

q

= 

2

h

c

q

= 

LAMINAZIONE DELLE PIENE

Dalla (2) si ottiene: ^

1

 

 



= 

c h q

Sostituendo nella (3) : in cui:







 ⁿ

u n

n u n

u

q k q

c W c

W q

W  = = 



 



 

=

 n

c

k = W

- W₁ , n : forma dell’area allagabile

- c,  : dimensioni e tipologia delle luci di efflusso

Dalla (1) si ha:

  − = 0

 

+ W

q

dW



(4)

LAMINAZIONE DELLE PIENE

Per invaso in area pianeggiante (n = 1), la (4) diviene:

= 0

 −



 



+  q

k W dt

dW

Incognite: - W(t) e, quindi, W

-  o L (contenute in k, tramite c)

Procedura per tentativi:

➢ si fissa W_max e, quindi,

➢ si risolve numericamente la (4) - ad es. alle differenze finite - avendo

definito le caratteristiche della luce di efflusso, nota q_e(t), ricavando W_max

➢ si itera la procedura, sino alla coincidenza dei valori di W_max

 n

qu

k W

max

= max

I valori massimi di W, H e Q_usi verificano nella fase di decrescita della piena entrante e, in particolare, nell’istante in cui la portata in uscita Q_udiventa pari alla portata entrante Q_e; in tal caso, infatti,

l’equazione di continuità mostra che dW/dt=0, che indica la condizione di massimo W_maxdella

funzione W(t), con conseguente condizione di massimo anche delle funzioni Q_u(t) e H(t), dati i legami biunivoci che legano tali funzioni al volume di invaso W.

Riportando in grafico le onde entranti e uscenti da un invaso generico, il massimo volume d’invaso W_maxè dato dall’area compresa tra le due curve fino al raggiungimento della portata uscente massima Q_umax.

E’ evidente che l’effetto di laminazione consiste sia nella riduzione della portata uscente Q rispetto

LAMINAZIONE DELLE PIENE

Le (4) e (5) possono essere adimensionalizzate, ottenendo:

0

_

_

− =

 





 



+  q

k w d

dw





essendo:

T

= t

 T : tempo di picco dell’onda in ingresso

T q

w W

e 

=

max

Q_emax·T : volume massimo di piena

max

_ ( )

e e

e q

t q = q







1 1 1

max

_ w

T k q

k =  ^e =

−

Grado di laminazione

max max e u

q

= q



i u

W

= W

 ^Efficienza: rapporto tra volume utile e volume invasato complessivamente dalla cassa

(6)

LAMINAZIONE DELLE PIENE

Risolvendo la (6) per diversi valori di T, Q_emax e k, per efflusso a battente, sono state ricavate, per diversi idrogrammi di piena, delle curve d’interpolazione cubica per mettere in relazione il grado di laminazione  con il volume

massimo invasabile w_max. L’espressione generale è:

max 1

2 max 3

max

max = aw +bw + cw +



IDRO

Tipo  Tipo ²

LAMINAZIONE DELLE PIENE Grado di laminazione

max max e u

q

= q





−

=

−

=

=

 1

q 1 q W

W

max e

max u i

u

Efficienza: rapporto tra volume utile e volume invasato complessivamente dalla cassa

W

R = W

Grado di riempimento: rapporto tra volume invasato e volume massimo invasabile

(percentuale di utilizzo effettivo della cassa)

Per q_umax = 0   = 1 L’efficienza  aumenta al ridursi del rapporto Per q_umax = q_emax   = 0

max max e u

q

= q



LAMINAZIONE DELLE PIENE

A parità di q_umax e di idrogramma di piena in ingresso, l’utilizzo di luci a battente dà luogo ad un minor volume da invasare (Marone).

LAMINAZIONE DELLE PIENE

L’idrogramma di piena in uscita da una cassa in derivazione, rispetto a quello delle casse in linea, manca del

volume invasato nella fase iniziale della piena.

Le casse in derivazione, quindi, necessitano di volumi d’invaso minori rispetto alle casse in linea.

LAMINAZIONE DELLE PIENE

LAMINAZIONE DELLE PIENE

Wmax

R = Wⁱ



−

=

−

=

=

 1

q 1 q W W

max e

max u i

u

LAMINAZIONE DELLE PIENE

MODELLI SEMPLIFICATI DI CALCOLO DEI VOLUMI DI LAMINAZIONE

MODELLI SEMPLIFICATI DI CALCOLO DEI VOLUMI DI LAMINAZIONE

MODELLI SEMPLIFICATI DI CALCOLO DEI VOLUMI DI LAMINAZIONE

MODELLI SEMPLIFICATI DI CALCOLO DEI VOLUMI DI LAMINAZIONE

LAMINAZIONE DELLE PIENE

CASSE DI ESPANSIONE Fiume Secchia (RE)

LAMINAZIONE DELLE PIENE

CASSE DI ESPANSIONE Fiume Secchia (RE)

LAMINAZIONE DELLE PIENE

CASSE DI ESPANSIONE Fiume Secchia (RE)

Circa 260 ettari di riserva naturale (all'interno di 800 ettari di area di riequilibrio ecologico), caratterizzati da specchi d'acqua permanenti con isolotti e penisole, e un tratto del corso del fiume Secchia.

La vegetazione è tipica degli ambienti umidi di pianura.

Discreta ricchezza di specie:

arboree, arbustive,

nell'acqua troviamo specie erbacee igrofile e le ninfee.

Tra gli animali selvatici gli uccelli sono la componente più vistosa per l'abbondanza delle specie nidificanti.

Tra i mammiferi sono comuni la volpe, la donnola, la faina, il tasso, la volpe e il ghiro.

Buona la presenza di specie ittiche degli ambienti fluviali e palustri padani.

LAMINAZIONE DELLE PIENE

i

SISTEMAZIONI FLUVIALI

Casse in serie

Possibili problemi per la realizzazione di un’unica cassa:

➢ presenza di insediamenti antropici;

➢ caratteristiche geologiche, topografiche o agricole del suolo;

➢ costi di esproprio.

In tali casi può essere opportuno realizzare più casse in serie.

L’idrogramma, però, si presenta, alle casse successive, con forma più “allungata” rispetto all’onda di piena incidente. Ne consegue un effetto di laminazione ridotto, in modo tanto più marcato quanto maggiore è il numero di invasi (volume richiesto maggiore).

SISTEMAZIONI FLUVIALI

q

k w d

dw

5 . 0

_ 1

1

1

=













 + 



5 . 0

_ 1 5

. 0

_ 2 2



 



 

 =

 



 

+ w w

d dw



Nella ipotesi di indeformabilità dell’onda di piena in uscita dalla prima cassa, ossia di assenza di fenomeni propagatori tra una cassa e la successiva (ipotesi poco attendibile per modeste pendenze di fondo e per notevoli lunghezze tra le casse), si può fare riferimento al seguente sistema di equazioni adimensionali:

Casse in serie

SISTEMAZIONI FLUVIALI: LAGHETTI COLLINARI

SISTEMAZIONI FLUVIALI: LAGHETTI COLLINARI

SISTEMAZIONI FLUVIALI: LAGHETTI COLLINARI

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