un serbatoio, grazie all’azione di una pompa di sollevamento ad asse orizzontale. L’acqua, percorso il canale, viene scaricata, una volta oltrepassata una paratoia mobile piana in lamiera, in un bacino di raccolta in muratura (Figura 3.3), munito di un’apertura sul fondo protetta da una griglia. Attraverso tale apertura l’acqua scaricata ritorna nel serbatoio dal quale viene pompata, ed in questo modo si ha la chiusura del circuito idraulico.
Figura 3.1 - Particolare del canale di laboratorio in cui è stato realizzato il modello fluviale.
Figura 3.2 - Vista d’insieme del canale di laboratorio.
Figura 3.3 - Paratoia mobile di uscita dal canale e vasca di raccolta.
3.1.1 Delimitazione modello
Il modello su cui sono stati effettuati gli esperimenti è stato ricavato all’interno del canale. In pratica, sono stati realizzati tre parallelepipedi di lamiera vuoti al loro interno e sprovvisti di una delle sei facce (quella inferiore, che sarebbe stata a contatto con il fondo del canale). Tali parallelepipedi, di dimensioni B x l x h = 0,8 m x 0,6 m x 0,5 m (Figura 3.4), sono stati posizionati poi in serie sul fondo del canale e fissati alle pareti e al fondo mediante silicone. Tra il parallelepipedo che si trova più a monte e quello di mezzo è stato lasciato uno spazio vuoto di 2 m, nel quale è stato ricavato il modello fluviale (Figura 3.5). Sulla faccia superiore del parallelepipedo di mezzo è stato posto un foglio di lamiera forata (maglie circolari con diametro di circa 3 mm), allo scopo di intrappolare e trattenere il più possibile la sabbia. Tra il parallelepipedo di mezzo e quello di valle è stato lasciato uno spazio lungo circa 1,5 m, che in pratica funziona come una vasca di sedimentazione (Figure 3.6 e 3.7), installata al fine di evitare che del materiale costituente il fondo mobile del modello potesse, trasportato dalla corrente, finire nel serbatoio ed essere quindi perso, oltre a costituire potenziale causa di usura degli organi meccanici della pompa di sollevamento.
Il modello fluviale, a fondo mobile, delimitato dai primi due parallelepipedi e quindi di dimensioni planimetriche 2 x 0,8 m, non è stato completamente riempito di sabbia, ma sono stati utilizzati altri parallelepipedi cavi di altezza inferiore a quella dei parallelepipedi di delimitazione e differenziata tra la zona più a monte, dove ci si aspettava la formazione di uno scavo durante gli esperimenti, e la zona più a valle, presumibilmente di formazione di una duna (Figura 3.8). In pratica, si è rialzato, in questo modo, il livello del letto, per una più agevole misurazione durante le prove. Tutte le “scatole” di lamiera utilizzate, tranne la prima a monte, sono state adeguatamente “finestrate” lato valle per circa l’80% della faccia corrispondente, e
Figura 3.4 - Parallelepipedi di delimitazione del modello.
Figura 3.5 - Vista del modello fluviale dall’interno del canale.
Figura 3.6 - Vista della vasca di sedimentazione dall’interno del canale.
Figura 3.7 - Vista della vasca di sedimentazione dall’esterno del canale.
Figura 3.8 - Vista del modello fluviale dall’esterno del canale.
Figura 3.9 - Aperture lato valle dei parallelepipedi di delimitazione della vasca di sedimentazione, riempiti con blocchi di calcestruzzo ai fini della stabilità.
Figura 3.10 - Schema completo del tratto di canale utilizzato, comprendente il modello e la vasca di sedimentazione.
3.1.2 Pompe, tubi e vasche
L’impianto idraulico di alimentazione del canale, utilizzato per le prove di laboratorio, è dotato, come detto, di una pompa ad asse orizzontale. Oltre a essa, di tipo fisso, è stata utilizzata anche una elettropompa sommersa di tipo mobile (Figura 3.11), ad asse verticale, dotata di un tubo di gomma di lunghezza di circa 10 m per lo scarico dell’acqua. Tale dispositivo è stato utile per regolare i livelli idrici durante la preparazione e l’effettuazione degli esperimenti.
La tubazione di alimentazione della vasca posta all’ingresso del canale è in acciaio e ha un diametro di circa 40 cm (Figura 3.12). La presenza di una valvola di regolazione (Figura 3.13) nel tratto finale del tubo permette di interdire all’acqua l’accesso alla vasca o di fissare la portata di alimentazione.
La vasca metallica posta all’ingresso del canale, di forma rettangolare, è dotata di soglia sfiorante. La portata di afflusso al canale dipende dal carico sullo sfioratore. Anche la vasca in muratura posta all’uscita del canale è rettangolare e ha dimensioni tali da evitare la tracimazione in qualsiasi condizione di portata.
Figura 3.11 - Elettropompa sommersa utilizzata per il riempimento e lo svuotamento del modello.
Figura 3.12 - Esterno della vasca di alimentazione del canale, che riceve l’acqua in arrivo dal serbatoio.
Figura 3.13 - Valvola di regolazione.
3.1.3 Valvole e paratoie
All’interno della tubazione di ingresso, nei pressi dello sbocco nella vasca di alimentazione, è presente una valvola di regolazione comandata da un volantino. La portata di afflusso al canale è quindi regolata manualmente. Anche la paratoia mobile piana, posta al termine del canale, si alza e si abbassa manualmente per mezzo di un volantino (Figura 3.14). Il bordo superiore della paratoia completamente abbassata si trova circa 25 cm al di sotto dell’altezza dei pannelli laterali del canale. Questa configurazione permette di avere un franco di sicurezza che evita il rischio di tracimazione del canale dai lati, a paratoia chiusa, almeno per le portate utilizzate in questo studio (al massimo 50 l/s). In caso di alte portate, per mantenere un livello liquido sufficiente a mantenere la velocità della corrente al di sotto del valore critico proprio del materiale di fondo, si è regolata la paratoia in modo da far defluire l’acqua sia dal battente, al di sotto, che attraverso la soglia sfiorante, al di sopra.
Figura 3.14 - Paratoia mobile di uscita, con volantino di regolazione.
3.1.4 Strutture testate
Seguendo le prescrizioni presenti in letteratura, già riportate precedentemente, è stata inserita nel modello una struttura in legno, secondo lo schema di Figura 3.15. Alcune pietre sono state interrate nel materiale di fondo, come fondazione della struttura, e a loro volta fondate su una base regolare di mattoni pieni sovrapposti. Su tale fondo è stata inserita la struttura in legno costituita da un tronco principale poggiante su due tronchi più piccoli, il tutto collegato tra loro con del fil di ferro. La fondazione, facente parte della struttura, è costituita da due massi, di opportune dimensioni, collocate in mezzeria alla struttura. Quanto sopra costituisce il Log Vane vero e proprio, vale a dire una struttura continua (senza aperture) e parziale (occupante solo una porzione della larghezza del canale).
Figura 3.15 - Pianta e sezione di Log Vane.
Figura 3.16 - Esempio di modellino di Log Vane .
Figura 3.17 - Esempio di modellino di Log Vane .
La sezione trasversale del fondo mobile del canale, al contrario di quanto accade per i corsi d’acqua reali, è orizzontale.
Procedendo con gli esperimenti la struttura è stata via via variata. Il programma è stato definito in corso d’opera, sulla base delle informazioni ricavate durante le prove stesse.
Dal punto di vista della geometria della struttura i parametri presi in considerazione sono stati:
- l'angolo orizzontale (α) tra il fondo del letto e l'opera; - la lunghezza (lst) della di struttura;
- l’altezza media del tronco di legno che "poggia" sul fondo del canale (hst).
Dal punto di vista della morfologia del fondo mobile del modello, i parametri presi in considerazione necessari per descrivere il fenomeno morfologicamente sono: - zm: massima profondità di scavo;
- lm: massima lunghezza di scavo, misurata lungo l'asse passante per il punto di massimo scavo;
- w: massima larghezza di scavo, misurata ortogonalmente al flusso della corrente; - xm: pari alla distanza tra l’inizio dello scavo e il punto di massimo scavo;
- z’m: massima altezza delle duna formatasi a valle dello scavo;
- l’m: massima lunghezza della duna, misurata lungo la linea passante per il punto di massima duna;
- d: distanza trasversale del punto di massimo scavo dalla parete del canale.
Figura 3.18 - Schema geometrico delle strutture testate, con indicazione di scavi e dune che si sono formati durante gli esperimenti.
Figura 3.19 - Esempio di scavo e duna.
Figura 3.20 - Curva granulometrica del materiale di fondo. 3.2 Strumenti di misura
3.2.1 Misura delle portate
La misura delle portate di afflusso al canale, e quindi al modello, è basata su una scala di deflusso (Figura 3.21) ottenuta con la formula di Poleni, che fornisce la portata di una luce a stramazzo in funzione del carico sulla soglia sfiorante.
Negli anni di utilizzo del canale, poi, sono state via via misurate delle portate, corrispondenti a determinati carichi sullo sfioratore di afflusso dalla vasca, attraverso l’utilizzo di una vasca tarata. La vasca tarata riceve le acque provenienti da un collettore a pelo libero alimentato direttamente dalla vasca di raccolta presente all’uscita del canale. Per misurare le portate, è sufficiente deviare l’acqua in uscita dal canale nella vasca tarata, per qualche secondo. Il volume invasato diviso per il tempo di afflusso alla vasca tarata dà, ovviamente, la portata defluente nel canale.
Si può notare come le misurazioni di portata si discostino in maniera del tutto trascurabile dalla curva ottenuta mediante la formula di Poleni, attestandone la completa attendibilità.
Il carico sullo sfioratore è misurato mediante un idrometro posto all’interno di una colonna cilindrica cava di vetro, chiusa alla base inferiore e comunicante, attraverso un piccolo tubo flessibile, con la vasca di alimentazione al canale (Figure 3.22 e 3.23).
La colonna è disposta verticalmente accanto alla vasca, mentre l’asta graduata al decimo di millimetro presente al suo interno termina inferiormente con un uncino metallico (Figura 3.24) ed è fissata da un supporto alla parete della vasca. Ovviamente, l’asta graduata può scorrere verticalmente nel supporto, attraverso una vite di regolazione. Posizionando l’asta ad un livello tale da avere la punta dell’uncino esattamente al livello del pelo libero presente nella colonna, è possibile leggere il valore della quota liquida relativa presente nella vasca di alimentazione. La scala di deflusso correla direttamente il valore letto sull’asta graduata con la portata di afflusso al canale. La precisione della portata misurata è stata stimata pari a 0,001 m3/s.
Figura 3.21 - Scala di deflusso per la misura delle portate di afflusso al canale. Confronto tra la formula di Poleni (curva in rosso) e i dati ottenuti mediante misurazioni con
vasca tarata (cerchi bianchi).
Figura 3.22 - Vasca di alimentazione, con soglia sfiorante e colonna laterale per la misura del livello liquido.
Figura 3.23 - Idrometro per la misurazione del carico sullo stramazzo della vasca di alimentazione.
Figura 3.24 - Punta a uncino dell’idrometro manuale.
3.2.2 Idrometro manuale
Oltre all’idrometro utilizzato per misurare la portata di afflusso, è presente un idrometro manuale, che può scorrere verticalmente entro un supporto, a sua volta collegato rigidamente a una barra filettata, girevole tramite manovella. La barra è fissata su un carrello, in grado di scorrere orizzontalmente, in direzione longitudinale al canale, su dei binari posti sui bordi laterali, nella zona dove è stato realizzato il modello (Figura 3.25). Girando la manovella, è possibile spostare il supporto anche in direzione trasversale al canale.
L’idrometro, dotato di vite di regolazione e di semplice punta metallica disposta verticalmente, ha precisione pari a 0,1 mm, ed è stato utilizzato per le misurazioni di livello liquido e di livello del fondo mobile del modello, effettuate durante lo svolgersi degli esperimenti.
Figura 3.25 - Idrometro manuale per le misure da effettuare sul modello.
direttamente la distanza, misurata lungo la verticale, del fondo dal sensore, e quindi ricavare facilmente la quota relativa del fondo.
L’idrometro al quale è fissato il sensore è tenuto fisso a una quota nota, letta sull’asta graduata. Prima dell’utilizzo dello strumento per il rilievo del fondo, è stato necessario effettuare la taratura. Semplicemente, ponendo lo strumento e il suo idrometro in un punto qualsiasi al di sopra del letto del modello completamente livellato orizzontalmente a quota pari a quella delle scatole di lamiera che lo delimitano, si è abbassata l’asta idrometrica di un centimetro alla volta e, a ogni lettura sull’asta graduata, si è associato il valore corrispondente di tensione registrato dallo strumento a distanze dal fondo via via decrescenti. In tal modo si è ottenuta una retta in un grafico con in ascissa il voltaggio e in ordinata la lettura sull’idrometro. Scegliendo successivamente una posizione fissa per l’asta idrometrica, si è associato il voltaggio relativo alla distanza strumento-fondo in tale configurazione alla quota 508 mm, che è la quota relativa del fondo prima dell’inizio di ogni prova, letta sull’idrometro manuale usato nelle misurazioni durante gli esperimenti. A questo punto è stato possibile associare direttamente alle quote i voltaggi registrati precedentemente per le distanze e, quindi, ottenere la retta di taratura rappresentata in Figura 3.28, la cui equazione è in grado di trasformare direttamente le misure registrate dallo strumento (x) in quote (y). Qualora si rendesse necessario, per rilevare il fondo al termine di un esperimento, spostare in alto o in basso l’idrometro su cui è fissato lo strumento, a causa del fatto che la distanza dal fondo deve sempre essere compresa tra 60 e 400 mm (limiti dovuti alla capacità di misurazione dello strumento stesso), sarebbe sufficiente aggiornare l’equazione togliendo o aggiungendo al secondo membro il valore in millimetri dello spostamento attuato.
Figura 3.26 - Idrometri manuali e sensore ultrasonico Baumer.
Figura 3.27 - Computer e dispositivi di conversione dei segnali rilevati dagli strumenti.
Figura 3.28 - Curva di taratura del sensore ultrasonico Baumer.
3.2.4 Precisione strumentale e confronto tra strumenti
Il sensore Baumer registra i valori medi presenti in un cerchio di area 5 cm2 attorno al suo centro; pertanto, la quota ricavata è una quota media dei punti presenti in questo cerchio planimetrico, e non esattamente la quota del punto che si trova sulla verticale dello strumento.
Per verificare che l’errore, dovuto a quanto sopra non fosse significativo, e controllare la precisione dello strumento, si è provveduto, al termine di un esperimento, a confrontare un profilo longitudinale del fondo ricavato con il sensore Baumer con quello ottenuto mediante misurazione diretta con idrometro manuale. Il risultato del confronto è mostrato in Figure 3.29 e 3.30.
Figura 3.29 - Profili longitudinali del fondo ottenuti con l’idrometro manuale e con il sensore ultrasonico Baumer.
Figura 3.30 - Confronto dei punti ottenuti nel piano xy ponendo x = misura della quota del fondo con sensore Baumer e y = misura della quota del fondo con
idrometro manuale, con la retta y = x.
taratura, la posizione che occupa lungo la barra.
La taratura, analogamente a quanto fatto per il sensore di distanza Baumer, è stata effettuata annotando i voltaggi registrati in corrispondenza di varie ascisse. In pratica, si è spostato il carrello da monte a valle lungo tutto il modello, e le ascisse relative sono state lette lungo una striscia graduata orizzontale disposta lungo il bordo laterale del canale (visibile in Figura 3.32). Fissata convenientemente, poi, un’origine delle ascisse nei pressi dell’inizio del modello, dove è collocata la struttura testata, si è ottenuta la retta di taratura rappresentata in Figura 3.33, dove si ha in ascissa il voltaggio registrato (x) e in ordinata la distanza orizzontale dall’origine, misurata parallelamente alla direzione del flusso e con verso concorde a quello della corrente (y). L’equazione riportata in Figura 3.33 consente la conversione.
Il notevole vantaggio fornito dal trasduttore di posizione è la possibilità di associare un’ascissa alla quota rilevata mediante il sensore di distanza. In questo modo, posti gli idrometri, i quali possono scorrere anche trasversalmente al canale lungo il carrello cui sono fissati, in corrispondenza di un’ordinata nota, letta lungo una striscia graduata al millimetro presente sul carrello (Figura 3.34), anch’essa trasversalmente al canale, è possibile rilevare un profilo longitudinale del fondo facendo semplicemente scorrere il carrello da monte verso valle.
Figura 3.31 - Particolare del cursore magnetico a slitta del trasduttore di posizione Gefran.
Figura 3.32 - Trasduttore di posizione rettilinea Gefran, con cursore magnetico vincolato al carrello.
Figura 3.33 - Curva di taratura del trasduttore di posizione Gefran.
Figura 3.34 - Carrello di supporto degli idrometri, con striscia graduata per misurare le ordinate.
