Capitolo 7
Opere accessorie
7.1 Opere idrauliche a servizio delle casse di espansione
Gli organi a servizio delle casse di espansione essenzialmente sono: • soglia sfiorante
• argini di contenimento dei volumi liquidi invasati
• manufatto di svuotamento, mediante cui si ha la restituzione delle acque sfiorate alla rete idraulica.
Il manufatto più importante è la soglia sfiorante, realizzata praticando un’apertura nel corpo del rilevato arginale. Date le velocità con cui l’acqua defluisce attraverso la soglia, per evitare l’erosione della base e per garantire il mantenimento di un’altezza in accordo con quella prevista dal progetto, la superficie di tale manufatto viene generalmente realizzata in massi legati con cemento. Per quanto riguarda il paramento, sul lato campagna, si prevede una sagoma arrotondata in modo da agevolare il deflusso delle acque verso le zone allagabili. Per provocare la dissipazione dell’energia dei filetti fluidi che ruscellano all’interno della cassa, la soluzione di progetto prevista comporta la realizzazione di un bacino di dissipazione subito al piede dell’argine, lato campagna.
7.2 Profilo soglie sfioranti e vasche di dissipazione.
Le soglie sono state sagomate secondo il profilo Creager-Scimemi, in modo da assicurare l’aderenza della vena liquida al paramento lato campagna.
L’equazione del profilo è la seguente:
8 . 1 0 0 47 . 0 ) ( ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⋅ ⋅ = h x h x y
con x e y le coordinate orizzontali e verticali rispetto all’origine degli assi cartesiani
Sono state inoltre previste vasche di dissipazione. Esse sono utilizzate per prevenire fenomeni di erosione al piede degli sfioratori e sono state realizzate mediante la costruzione di una platea in calcestruzzo, con successiva controsoglia, allo scopo di creare, al piede di essa, un cuscino d'acqua in grado di attutire l'impatto della lama stramazzante. L’altezza e distanza della controsoglia sono determinate sul principio che il dispositivo deve contenere la vena d’acqua e permetterne la diffusione, in modo che la corrente si trasformi da veloce a lenta superando la controsoglia.
Per il dimensionamento delle vasche di dissipazione è stato necessario ricostruire i profili liquidi a valle delle soglie, in modo da localizzare e definire l’ampiezza del risalto idraulico che si forma.
Tali profili permettono di verificare che il risalto avvenga all’interno della vasca di dissipazione, consentendo di determinare la larghezza della vasca e l’altezza del “dente” di valle (Figura7.4). Le equazioni che regolano il fenomeno sono le seguenti:
(
0 1)
1 2 g H h h h B Q= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + − (7.1) (7.2) (7.3)on Q portata massima sfiorata; B larghezza della vasca; h1 altezza liquida al piede della
oglia; H altezza della soglia rispetto al fondo della vasca; h0 battente idrico sulla soglia; Fr1
rrente Hc: 1 1 1 h g h B Q Fr ⋅ ⋅ ⋅ = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + ⋅ − ⋅ ⋅ = 1 8 1 2 1 2 1 1 2 h Fr h c s
numero di Froud della corrente in uscita dallo sfioratore; h2 altezza coniugata del risalto
rispetto all’altezza h1 della corrente veloce al piede della soglia.
Integrando la (7.1) si ottiene l’altezza liquida h1 al piede della soglia; mediante la (7.2) e la
(7.3) si ottiene l’altezza coniugata h2.
Sulla controsoglia di altezza Δz la portata defluisce con altezza pari a quella critica kc, per cui è definibile l’energia specifica della co
3 2 2 g B Q Kc ⋅ = Hc = ⋅Kc 2 3
igura 7.4: schema di un risalto idraulico
ubito a monte della controsoglia l’altezza liquida h3 risulta perciò:
F S 2 2 3 2 g B Q z H h c ⋅ ⋅ − Δ + =
ffinché si verifichi un risalto annegato deve essere: >
er cui è definibile l’altezza Δz della controsoglia.
e pari a:
⋅ =
el progetto della cassa di laminazione alimentata da due soglie, avendo per la prima soglia
Lunghezza 200 m Larghezza 6 m
A
3
h h2
p
La lunghezza L della vasca di dissipazione si assum
L 6 h2
N
una portata di sfioro pari a 102mc/sec (paragrafo 5.1 tabella 5.1.1), una lunghezza di soglia pari a 200 m, ed un’altezza H rispetto al fondo della vasca pari a 3m, è stato ottenuto il seguente dimensionamento:
er la seconda soglia, avendo a disposizione una portata di sfioro pari a 48mc/sec (paragrafo
Lunghezza 105 m Larghezza 6 m
P
5.1 tabella 5.1.3) ed una lunghezza di soglia pari a 107 m, si è ottenuto il seguente dimensionamento:
Nell’altra soluzione, cassa alimentata da un’unica soglia sfiorante di lunghezza pari a 180 m,
Lunghezza 180 m Larghezza 9 m
avendo invece una Q sfiorante di 161 mc/sec (paragrafo 6.1, tabella 6.1.1), si è ottenuto un manufatto con le seguenti caratteristiche:
’ possibile notare in quest’ultimo caso, che la larghezza del manufatto è superiore a quelle
.3 Argini e loro problematiche: generalità
li argini sono costituiti da rilevati artificiali in terra, di altezza generalmente inferiore ai
i impedire ogni comunicazione fra l'alveo e il territorio laterale ed fisiche e
sa e limosa, in grado
E
ottenute per le due soglie sfioranti, essendo il carico sull’unica soglia presente superiore.
7
G
10/12 m e si realizzano allo scopo di contenere le acque di piena preservando da inondazioni le aree poste lateralmente.
Hanno inoltre la funzione d
obbligano la corrente in piena a passare per una sezione convenientemente limitata. Gli argini vengono realizzati con terreno compattato, aventi caratteristiche
meccaniche adeguate a renderlo stabile e a trattenere e contenere l'acqua. La tipologia dei materiali con cui vengono realizzati condizionerà la forma della sezione.
Si utilizzano generalmente materiali a bassa permeabilità di natura argillo
di assicurare la stabilità del complesso argine-terreno di fondazione. Le sezioni sono dunque formate con materiali omogenei muniti di filtri e drenaggi oppure mettendo in opera il materiale più permeabile e meno erodibile lato fiume. Quando necessario si può assicurare l’impermeabilità del rilevato arginale mediante geosintetici, sia in superficie che all’interno dell’argine, allo scopo di limitare i fenomeni erosivi (figura 7.2.1).
Nella casistica dei problemi che possono interessare un corso d’acqua (naturale od artificiale)
Figura 7.2.2: fenomeno del fonamento Nella prima fase il
i
sifonamento rappresenta circa il 20% delle rotture ed è in genere ostacolato mediante il
Figura 7.2.3: i diaframmi oltre che al piede degli argini possono
una posizione preminente occupa infatti il fattore erosione.
La capacità erosiva di una corrente d’acqua canalizzata è regolata essenzialmente dalla interazione della massa d’acqua col terreno. Considerando che si è in presenza di erosione quando c’è distacco di materiale, gli interventi previsti per porre rimedio a tale questione tendono a limitare o impedire drasticamente tale fenomeno. Per far fronte a tali situazioni si prevede un opportuno rivestimento spondale.
Gli argini di grandi dimensioni hanno inoltre pendenza più dolce verso campagna allo scopo di contenere la linea di filtrazione, garantire la stabilità del rilevato, contrastare il pericolo di perdita di consistenza del terreno e di sifonamento (figura 7.2.2).
Quest’ultimo fenomeno è dovuto all'incremento della pressione dell'acqua nel terreno di fondazione. L'acqua infatti, oltre che attraverso l'argine filtra anche nel terreno di fondazione e l'incremento di pressione che ne deriva è in grado di sollevarlo oltre l'argine (fontanazzi) ed innescare un fenomeno di tipo erosivo.
si
terreno oltre l'arg ne si fluidifica e l'acqua affiora abbondantemente erodendo il terreno. Nella seconda fase l'erosione è arretrata ormai verso il fiume, creando un vero e proprio canale e provocando il collasso dell'argine a causa dell'asportazione di terreno al di sotto di esso
Il
rafforzamento dell’argine od impedendo la filtrazione dell'acqua con diaframmi in argilla, calcestruzzo e palancolate (figura 7.2.3).
essere utilizzati per impermeabilizzare il corpo stesso del rilevato e rafforzarlo.
7.3.1 Gli argini nel nostro progetto.
’ stato ipotizzato che gli argini longitudinali e trasversali non fossero perfettamente
un rivestimento nel paramento degli argini lato fiume con materassi tipo Reno; presenza di argini zonati
Materassi Reno sono una struttura modulare formata da elementi parallelepipedi di notevole
E
impermeabili e che al loro interno fosse presente un moto di filtrazione. Per eliminare quindi il pericolo che la linea di saturazione potesse intersecare il paramento di valle sono state previste due possibili soluzioni:
• • I
grandezza e piccolo spessore; gli elementi sono costituiti con rete metallica a doppia torsione e riempiti con ciottoli o pietrame da cava (figure 7.3.1.1 e 7.3.1.2).
igura7.3.1.1: materasso Reno F
igura
F 7.3.1.2: rivestimento flessibile di tipo Reno.
li argini zonati sono invece costituiti da un nucleo impermeabile, realizzato con materiali di G
La larghezza dei rilevati arginali è stata posta pari a 4 metri, con una pista di servizio centrale in misto granulare (larghezza 3 metri), atta al transito dei mezzi meccanici impiegati per la manutenzione.
Le quote delle arginature sono state calcolate in funzione dei massimi livelli raggiunti dalla
piena, con tempo di ritorno Tr =200anni.
7.4 Manufatto di svuotamento
Lo svuotamento delle casse di espansione si attua mediante scarichi di fondo.
Lo scarico di fondo deve essere dimensionato in modo da effettuare lo svuotamento dell’invaso in un tempo breve poiché stabilisce dopo quanto tempo la cassa è nuovamente in grado di ripristinare le condizioni preesistenti e fronteggiare quindi eventi di piena consecutivi. E’ preferibile che la cassa non abbia tempi di svuotamento eccessivi per non aggravare i problemi di sifonamento degli argini. Gli scarichi possono essere di diverso tipo: scarichi privi d’organo d’intercettazione, sempre aperte in grado di scaricare anche durante la piena, oppure dotati d’organo d’intercettazione, chiusi durante la laminazione e aperti soltanto al termine dell’evento per svuotare la cassa.
Gli scarichi dotati di un organo d’intercettazione (figura 7.4.1) possono scaricare portate molto maggiori, ma è necessario manovrarli alla fine della piena, il che può non essere gradito all’ente di gestione.
Figura 7.4.1 - Scarico di fondo con paratoia d’intercettazione
Anche nel nostro progetto ciascun modulo della cassa è dotato di organi di scarico, che consentono lo svuotamento della cassa nelle ore successive all’evento di piena.
Per il secondo modulo esso è costituito da una semplice paratoia piana (carichi a gravità), mentre per il primo modulo, dal momento che il suo punto più depresso si trova ad una quota leggermente inferiore rispetto a quella raggiunta dall’acqua nell’abituale deflusso, è stato previsto in aggiunta alla semplice paratoia l’utilizzo di pompe da cantiere per le quali sono state predisposte apposite zone pavimentate. In condizioni normali gli scarichi di fondo fungono da recapito per la rete di drenaggio delle acque all’interno della cassa.
7.5 Valutazione dell’efficienza della cassa di espansione
Per poter valutare correttamente le prestazioni dalle casse di laminazione progettate è necessario definire prima alcuni parametri fondamentali che le caratterizzano.
Il primo importante parametro è il rapporto di riempimento, indicante la percentuale di uso effettivo della cassa:
W Winvv
=
η
In cui Winv rappresenta il volume invasato mentre W il volume massimo invasabile.
L’altro importante parametro è l’efficienza di laminazione. Essa si definisce nel seguente modo: max max max max 1 Q Q Q Q Q Q Qv v Δ = − = − = ε
Dove Qmax rappresenta la portata in arrivo con l’onda di piena, mentre Qv la portata massima a
valle.
Tale espressione non appare tuttavia del tutto adeguata nella valutazione dell’efficienza massima poiché essa è ottenibile solamente per Qv tendente a zero, condizione che si verifica quando tutta la portata proveniente da monte si riversa nella cassa di espansione e il tronco fluviale di valle viene prosciugato.
Una valutazione più corretta è ottenibile definendo l’efficienza della cassa di espansione nel modo che segue:
sf e c V V = ε
dove Ve rappresenta il volume effettivamente sfiorato che concorre alla riduzione della portata a valle” e Vsf il volume effettivamente invasato nella cassa.
Il primo caso analizzato (cassa di laminazione alimentata da due sfioratori) è dunque rappresentato dalle grandezze evidenziate nelle seguenti figure (figura 7.5.1 e 7.5.2).
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 11.53 12 12.5 13 13.5 14 14.5 15 15.5 15.75 t (ore) Q (po rta ta )
Efficienza del primo modulo . εc=0.42
Figura 7.5.1
La prima figura mostra il volume che concorre effettivamente alla riduzione della portata(per il primo sfioratore).Tale volume è rappresentato dall’area confinata tra la retta orizzontale (massima portata a valle) e l’idrogramma in ingresso. L’area compresa tra i due idrogrammi, in ingresso e in uscita dal manufatto di sfioro, rappresenta invece il volume effettivamente invasato.
Per il primo modulo si è ottenuto quindi un’efficienza di 0.42.
Mentre per il secondo modulo l’efficienza è 0.28.
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 11.6 12 12.5 13 13.5 14 14.5 15 15.5 15.9 t (ore) Q (po rta ta )
Efficienza del secondo modulo . εc=0.28
Per finire, nel caso della cassa di laminazione alimentata da un’unica soglia sfiorante, si è ottenuta un’efficienza pari a 0.48.
1095 1195 1295 1395 1495 1595 1695 1795 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.5 15 15.5 t (ore) Q (po rta ta )
Efficienza della cassa di
laminazione εc=0.48
Figura 7.5.3:
I risultati ottenuti sono soddisfacenti e congruenti alle nozioni fornite dalla letteratura tecnica confermando come l’efficienza delle casse di espansione in genere non sia superiore a 0,50. Si è dunque ritenuto accettabile l’efficienza ottenuta e si è deciso di non procedere nella modifica delle caratteristiche geometriche degli sfioratori.
