CAPITOLO 1 - INTRODUZIONE
1.1
Studio dei fenomeni di scavo generati da getti d’acqua
multipli e incrociati tra loro
L’erosione dell’alveo di un corso d’acqua generata dagli scaricatori delle dighe è un fenomeno preoccupante nel settore della progettazione delle strutture idrauliche.
Numerosi studi sono stati condotti in passato per analizzare questo fenomeno e per cercare di mitigare il più possibile i rischi strutturali che possono compromettere le strutture che insistono sul bacino.
L’utilizzo di getti multipli incrociati tra loro può svolgere un ruolo importante nel ridurre il fenomeno di scavo del letto di un corso d’acqua in funzione di parametri idraulici e geometrici che sono stati utilizzati e variati continuamente nel presente studio.
A oggi pochi studi effettuati includono l’erosione a valle delle strutture idrauliche generata dai getti multipli incrociati e vi è anche una mancanza di ricerca in tale campo; tuttavia l’uso di getti multipli può essere osservato in alcune dighe tra cui la grande diga di Hoover situata nel Black Canyon del fiume Colorado, sul confine tra lo stato dell'Arizona e del Nevada negli USA.
In un bacino, un getto che impatta con il fondo composto di materiale incoerente, genera un fenomeno erosivo. L'energia del getto viene in parte dissipata all'interno del bacino dando origine ad un fenomeno di scavo, ed in parte da origine al trascinamento del materiale verso valle che viene accumulato in una duna la cui forma e dimensione è funzione dei parametri del sistema.
Il fenomeno erosivo dipende dalle caratteristiche del getto, dal livello liquido e dal tipo di materiale di fondo. L'impatto del getto con il fondo mette in movimento il materiale nella zona di impatto, che in parte è trasportato verso valle dove sedimenta formando una duna, mentre in parte rimane in sospensione nella buca di scavo.
Fig. 1.2 Vista del materiale disgregato e accumulato a valle di una diga
In questo studio verrà analizzato il fenomeno erosivo provocato da un getto d’acqua risultante dall’incrocio di due getti distinti prendendo in considerazione più angolazioni di incrocio dei getti, vari angoli di incidenza tra getti e pelo libero, varie altezze d’acqua su cui orientare il getto risultante, varie portate e diverse distanze tra pelo libero e punto in cui si origina il getto risultante al fine di trovare relazioni tra tali parametri idraulici e geometrici e le erosioni che ne derivano e cercare di capire quali vantaggi in termini di
riduzione dell’erosione comporta l’utilizzo di getti multipli incrociati piuttosto che getti singoli.
Lo scavo a valle di un’opera idraulica può provocare lo scalzamento delle sue fondazioni e in alcuni casi instabilizzare l’intera opera, pertanto di rilevante importanza risulta essere l’approfondimento di tematiche mirate alla protezione e messa in sicurezza di strutture affette da tali problematiche.
In molti studi è stato dimostrato come l'effetto disgregativo del getto sia funzione dell'energia che viene dissipata nello specchio liquido a valle. Appare chiaro come questo fenomeno si manifesti solo nel caso di getti le cui caratteristiche di portata e di velocità siano notevoli. Pertanto il fenomeno erosivo assume un' importanza rilevante nel caso di sfioratori di grandi opere idrauliche come le dighe.
Fig. 1.3 Vista di una diga con scaricatori aperti
Il getto esercita una pressione sulla roccia tale da produrre un forte effetto disgregativo che si accentua con il protrarsi del fenomeno nel tempo, trasformando il fondo in un materiale incoerente. In uno studio sperimentale, lo scavo localizzato in terreni rocciosi, può essere quindi assimilato a quello che si ha in condizioni di materiale non coesivo.
Le fasi che danno origine allo scavo all’interno del bacino, sono sostanzialmente tre :
- una prima fase disgregativa nella zona d’impatto del getto;
- una seconda fase in cui abbiamo la formazione di una zona di turbolenza in cui il
materiale è tenuto in sospensione;
- una terza fase di deposito.
Nel momento in cui termina il getto il materiale in sospensione si deposita sul fondo dello scavo, la duna di deposito che si è formata a valle non trovandosi più in equilibrio dinamico con il getto crolla, disponendosi secondo l’angolo di naturale declivio del materiale e rimanendo in equilibrio sotto l'azione di forze di tipo statico.
Il fenomeno è quindi caratterizzato da due assetti tipo:
- una configurazione dinamica, nella quale il materiale in sospensione e la pressione
del getto sostengono la duna di valle;
- una configurazione dry (statica) nella quale il materiale in sospensione si deposita
e la duna si dispone con un angolo preciso.
E' da rilevare che il valore del massimo scavo si verifica nella configurazione dinamica e risulta essere maggiore di quello che si verifica a scaricatori chiusi, ovvero in configurazione dry specialmente in quei casi in cui i due getti incrociati sono caratterizzati da un basso angolo di incrocio e quindi generano un getto risultante abbastanza compatto e quindi capace di creare elevate turbolenze con grandi quantità di materiale in sospensione che poi si deposita sul fondo una volta che il test dinamico giunge a termine.
Nella presente tesi sono stati fatti rilievi sul modello sia in condizioni dinamiche che in condizioni statiche e per alcune prove è stato realizzato anche un rilievo dello scavo a step temporali in modo da poter fare delle considerazioni anche sulla evoluzione temporale dello scavo e della duna generati dal getto risultante. Parallelamente sono state eseguite anche prove nelle quali è stata miscelata all’acqua una quantità ben precisa di aria allo scopo di studiare anche gli effetti di tale mix aria- acqua sul letto del canale.
Nelle prove il valore di fine scavo in condizioni dinamiche è stato misurato dopo quaranta minuti dall’inizio della prova e cioè il tempo, stimato in precedenti studi, necessario affinché la duna di deposito si assesti e raggiunga l'equilibrio non essendoci più trasporto di materiale a valle.
Notevole importanza è stata data al livello liquido che può essere considerato come una barriera fisica che si interpone tra il getto e il fondo attenuando la forza erosiva dell’acqua. Concludendo si vedrà che lo scavo a valle di opere idrauliche è regolato :
- dalle caratteristiche del getto risultante;
- dall’energia del getto risultante;
- dal livello liquido a valle delle opere idrauliche;
- dall’angolo di incidenza del getto risultante;
- dal contenuto d’aria nella miscela aria-acqua;
- dall’angolo di incrocio dei due getti distinti;
- dalla granulometria del materiale di fondo;
- dalla distanza che intercorre tra il punto in cui si forma il getto risultante e il pelo
1.2
Opere di accumulazione
Sono definite opere di accumulazione quelle opere che hanno una capacità di invaso necessaria alla ritenzione di volumi idrici nel tempo.
La diga è definita come un’opera di sbarramento di alvei naturali entro cui defluisce un corso d’acqua con lo scopo di creare un determinato volume d’invaso che può essere sfruttato per:
- Impianti idroelettrici
- Irrigazione
- Approvvigionamento idropotabile
- Navigazione fluviale
- Laminazione delle piene
La prima legge italiana in materia di dighe è costituita dal Regio Decreto n° 2540 del 31/12/1925, dove in forma di regolamento, sono contenute le prime norme per la progettazione e la costruzione di dighe, nonché alcune disposizioni sull’applicabilità delle norme stesse.
Il successivo Regio Decreto n°1370 del 01/10/1931 specifica che: “si considerano dighe quelle opere in cui lo sbarramento è piu’ alto di 10 m oppure se si creano laghi artificiali
di volume maggiore di 100.000 m3”.
In seguito il Regio Decreto n°1775 del 11/12/1933 e il decreto del ministero dei lavori pubblici del 24/03/1982 hanno stabilito le norme tecniche per la progettazione e la costruzione delle dighe di sbarramento.
1.2.1
Tipologie di dighe
Le dighe sono classificate in base ai materiali utilizzati per la costruzione. La scelta del tipo di diga dipende, oltre che dalle sollecitazioni a cui sarà sottoposta, anche da un insieme di elementi tra i quali primeggiano quelli geometrici, geologici e relativi alla reperibilità e qualità dei materiali da impiegare nella costruzione. Per cui si distinguono dighe murarie (a gravità, ad arco ed a volta) e dighe in materiali sciolti o terra.
Dighe in materiali sciolti o in terra
Le dighe in materiali sciolti per serbatoi artificiali sono tra quelle più impegnative, poiché pongono problemi di tenuta e di stabilità sia nel rilevato che in fondazione insieme a notevoli esigenze di sicurezza. Rispetto alle dighe murarie in genere trasmettono ai terreni d’imposta sollecitazioni relativamente ridotte e sono più deformabili per cui il numero di queste opere e notevolmente aumentato, inoltre il volume utile all’invaso e l’altezza sono minori, in quanto il loro dimensionamento è effettuato rispettando i limiti di coesione della terra o della roccia con cui sono costruite.
Queste dighe possono essere suddivise in: dighe omogenee e dighe zonate; le prime sono praticamente formate da un solo materiale, mentre le seconde sono formate da materiali di tipo diverso posti nelle varie parti del corpo diga. Le dighe zonate sono composte abbastanza spesso da un nucleo di terra impermeabile contenuto da zone formate da sabbia, ghiaia e pietrame. La pendenza che viene assegnata alle scarpate dipende dalle caratteristiche dei materiali del corpo diga e da quelle dei terreni di fondazione. Nelle dighe omogenee il contenimento dell’acqua si ottiene con un manto appoggiato sul paramento di monte o con un diaframma, il manto può essere formato con materiali diversi quali calcestruzzo, conglomerato bituminoso. La resistenza alla spinta dell’acqua è sopportata per effetto del solo peso proprio; esempi di questo tipo di diga sono quelle di Rogun (335 m di altezza) e di Nurek (300 m di altezza) entrambe situate in Tajikistan.
Dighe murarie a gravità massicce
Le dighe murarie a gravità massicce sono dighe realizzate in calcestruzzo e caratterizzate da una struttura particolarmente semplice ad asse planimetrico rettilineo o a debole curvatura con profilo trasversale triangolare e sezioni orizzontali piene. Possono raggiungere altezze elevate e sviluppi notevoli al coronamento.
Fig. 1.6 Vista della diga Grande Dixence
Queste dighe garantiscono grande stabilità, assicurata principalmente dal peso proprio e richiedono in generale poca manutenzione.
L’equilibrio statico sotto l’azione delle forze esterne si realizza con il peso della muratura e l’eventuale componente verticale della spinta idrostatica.
Esempi di questo tipo di diga sono la diga svizzera Grande Dixence alta 285 metri con uno sviluppo di 695 metri al coronamento, costruita con un volume di 6 milioni di metri cubi di calcestruzzo e la diga delle Tre Gole in Cina che ha uno sviluppo al coronamento di 2,3 km a fronte di una altezza di 185 metri.
Dighe murarie a gravità alleggerite
La diga a gravità alleggerita è in sostanza un grande muro si spessore relativamente ridotto appoggiato a dei contrafforti costituiti da elementi indipendenti con profilo triangolare, a reciproco contatto lungo il paramento di monte. La spinta orizzontale del bacino si scarica sui contrafforti che di conseguenza la scaricano sul terreno a differenza della diga a gravità massiccia che contrasta tutte le spinte su di essa con il suo solo peso proprio. Quindi se non abbiamo delle solide fondamenta sui contrafforti, questi non riescono a scaricare la spinta del bacino, causando tensioni in tutta la diga.
Rispetto alla diga a gravità massiccia si ha un accrescimento dell’inclinazione del paramento a monte, questo fa si che si sfrutti a favore della stabilità la componente verticale della spinta idrostatica. La diga risulta alleggerita da vani o cavità verso il paramento di valle. Questo tipo di costruzione consente chiaramente di raggiungere dimensioni notevoli risparmiando una grande quantità di calcestruzzo (dal 35% al 50% del calcestruzzo necessario per costruire una diga a gravità massiccia di pari dimensioni). La distribuzione delle sollecitazioni in seno all’opera risulta però essere molto più complessa rendendo più difficoltosa la realizzazione.
Dighe ad arco ed a volta
Le dighe ad arco sono tra le strutture più affascinanti create dall'uomo. La loro struttura è particolarmente leggera grazie alle caratteristiche di resistenza degli archi, che consentono di scaricare ai vincoli laterali (e quindi alla montagna) il carico dell'invaso. Le dighe ad arco possono essere a curvatura semplice, lavorando come una serie di archi orizzontali sovrapposti (tipiche per le valli con "forma ad U") o a doppia curvatura lavorando come una cupola (tipiche per le valli con "forma a V"); la struttura riceve la spinta dell'acqua dell'invaso (ed altre azioni secondarie) e la scarica sulle sponde della vallata, dette "spalle".Le dighe ad arco sono realizzate in calcestruzzo generalmente non armato con le opere accessorie (scarichi di superficie e di fondo, opera di presa, etc.). Raggiungono dimensioni notevoli come la diga sul fiume Inguri in Georgia alta 272 metri e con uno sviluppo al coronamento di 680 metri, e la diga del Vajont alta 262 metri.
1.2.2
Organi di scarico
Le funzioni assolte dagli scaricatori di dighe sono:
- svuotamento del serbatoio d’acqua creato dalla diga;
- mantenimento nel serbatoio del livello liquido voluto, diverso in generale da quello massimo/ minimo;
- smaltire le portate eccedenti, quelle derivabili, ed in particolare quelle di piena che possono sopraggiungere;
Data l’importanza la loro realizzazione è oggetto di particolare cura, da parte dei progettisti, poiché assicurano il corretto funzionamento dell’impianto.
La normativa prevede che gli scaricatori siano dimensionati per far fronte alla massima portata di piena sul bacino, inoltre che le eventuali paratoie di apertura/chiusura delle condotte siano azionabili sia a mano, che tramite due forme di energia diverse (per questo motivo su certe dighe si prevede una piccola turbina che genera l’energia necessaria ad azionare i motori elettrici per aprire le paratoie, oltre all’energia fornita dalla linea).
Gli scaricatori di una diga possono essere classificabili in due tipologie:
- Scaricatori di superficie
- Scarichi di svuotamento che a loro volta possono essere suddivisi in:
- Scarichi di fondo - Scarichi intermedi - Scarichi di esaurimento
Scaricatori di superficie
In molte dighe è previsto che, qualora il livello dell'invaso raggiunga la massima altezza dello scaricatore, essa venga semplicemente scavalcata dall'acqua utilizzando degli sfioratori a stramazzo.
E’ la forma più semplice di scaricatore di superficie e consiste in una soglia alla quota di massima regolazione. Si possono prevedere anche scivoli e canali di raccolta delle acque sfiorate.
Bisogna precisare che la normativa impone, per tali tipi di scarico, di predisporre un adeguato smorzatore per evitare erosioni e trasporto di materiale di fondo dovute all’impatto con il terreno dell'acqua che tracima. Nelle dighe in terra tali manufatti di sfioro sono separati dal corpo diga.
L'acqua di sfioramento può essere allontana o con canali superficiali a forte pendenza (scivoli) o tramite gallerie inclinate che la convogliano a vasche di dissipazione fino a raggiungere il corso a valle.
Fig. 1.9 Scaricatori di superficie aperti
Un altro esempio di scarico di superficie è quello a calice. L'acqua si riversa nel calice e viene poi convogliata verso il cunicolo di scarico.
La quantità d'acqua che entra nel calice è proporzionale alla circonferenza di quest'ultimo; intuitivamente si comprende come con una circonferenza maggiore si possa far scaricare una maggiore quantità d'acqua.
Sono scarichi di natura semplice: aumentando il livello liquido e il carico idraulico, sono soggetti prima a un funzionamento a pelo libero, poi a un funzionamento in pressione con portate tendenti alla portata di saturazione.
L'acqua viene fatta defluire in modo da garantirne un flusso pulito e lineare per tutta la condotta evitando il formarsi in questo modo di moti turbolenti che potrebbero penalizzare la funzione di scarico.
Fig. 1.10 Vista dello scarico a calice
Scaricatori di fondo e intermedi
Gli scaricatori di fondo hanno l’imbocco in prossimità del fondo del serbatoio mentre quelli intermedi hanno l’imbocco ad un’opportuna quota intermedia ed entrambi sono costituiti da una tubazione in pressione che attraversa la diga in muratura; tale tubazione è provvista di dispositivi di chiusura e regolazione del deflusso (paratoie) e di aerofori. Nella galleria a valle la corrente defluisce a superficie libera. Il diametro degli scarichi di fondo è solitamente elevato (4-8 m), poiché devono consentire il rapido svuotamento dell'impianto.
Al livello delle paratoie vi è un'elevata pressione dovuta all'acqua dell'invaso che spinge su di esse, rendendone impossibile l'apertura. Questo limite nell'utilizzo di questi scarichi è stato superato utilizzando due organi in serie: il primo di intercettazione a tenuta totale che si trova a monte, il secondo di regolazione. La prima paratoia è stagna e di tipo piano, si trova a contatto con il bacino mentre la seconda può essere aperta quando necessario. A seguito della chiusura della paratoia a valle lo spazio tra i due organi di regolazione viene riempito tramite un piccolo condotto (tubo di sorpasso) fino ad avere la stessa pressione che spinge sulla paratia stagna (carico equilibrato). A questo punto è possibile aprire la paratoia stagna di intercettazione e regolare il deflusso aprendo l'altra saracinesca.
Fig. 1.11 Scaricatore di fondo in costruzione
Le forti velocità di deflusso determinano però l’inclusione di aria nella corrente; se l’alimentazione di aria dall’esterno è insufficiente insorgono nella corrente delle zone di depressione che, se risalgono fino alla parete e se viene raggiunta la cavitazione provocano usura e corrosione, per evitare tutto questo sono necessari aerofori che forniscono aria alla galleria. La galleria defluisce nell’alveo naturale a valle, spesso la corrente in alveo risulta a regime lento; condizione fondamentale è che il risalto idraulico che si interpone tra la corrente veloce della galleria e quella lenta dell’alveo recettore si mantenga sul dissipatore, esterno alla galleria, per tutte le varia altezze liquide che si possono avere a valle nell’alveo naturale.
Scaricatori di esaurimento
Sono costituiti da una tubazione che attraversa la struttura poco sopra il punto più basso di fondazione. Servono a evacuare del tutto l’acqua contenuta a monte della diga. Sono di dimensione ridotta e il dispositivo di chiusura è una saracinesca raggiungibile e manovrabile solo dopo che il livello dell’invaso è stato abbassato alla soglia dello scarico di fondo.
1.3
Ricerche e risultati di altri autori
Il plunge pool scour è un fenomeno che genera un significativo rischio per la stabilità delle opere idrauliche che presentano problemi di erosione ai piedi della struttura ed è stato oggetto di importanti ricerche negli ultimi anni.
Mih (1982) e Mih e Kabir (1983) hanno studiato il fenomeno della rimozione dei sedimenti da un letto granulare utilizzando un ugello ad alta velocità.
Un primo studio, che ha descritto gli effetti sullo scavo dell'aria contenuta nel getto, è stato fornito da Mason (1989). Altri studi condotti da Rajaratnam e Aderibigbe (1993) hanno descritto come poter ridurre il fenomeno di erosione interponendo strutture di protezione. In seguito Rajaratnam e Mazurek (2002) hanno studiato l'erosione di un letto di materiale non coesivo generata da un getto circolare inclinato trovando delle relazioni di previsione delle principali caratteristiche di scavo.
Mason (2002), Canepa e Hager (2003), Pagliara (2004), Dey e Sarkar (2006a) e Dey e Sarkar(2006b) hanno fornito un considerevole contributo nello studio dei principali parametri idraulici e geometrici che regolano il fenomeno di scavo. Più recentemente, Pagliara (2008) ha fornito alcune utili formule per prevedere la massima profondità di scavo e i principali parametri geometrici dello scavo che viene generato.
A oggi pochi studi sono stati condotti su scavi generati da getti multipli e incrociati tra loro utilizzando acqua o un mix di acqua e aria.
1.4
Finalità ed obiettivi della tesi
Nella presente tesi verrà effettuato uno studio sperimentale sugli scavi generati da getti multipli e incrociati tra loro cercando di comprendere quali parametri caratterizzano tale fenomeno, capire quanto due getti incrociati tra loro riescono a dissipare energia e quindi capire quanto è possibile ridurre l’erosione che si genera.
Attraverso lo studio di una serie di prove di laboratorio eseguite su di un modello sperimentale creato appositamente verranno descritti i fenomeni caratterizzanti l’impatto del getto, risultante da due getti orientabili, con un fondo composto da materiale non coesivo ed in assenza di strutture protettive.
Lo studio verrà strutturato combinando i vari parametri che influenzano il fenomeno di scavo quali l’angolo di incrocio dei due getti, l’angolo di incidenza che i getti formano con l’orizzontale, la distanza tra il punto di intersezione dei due getti e il pelo libero, la portata utilizzata e quindi il numero di Froude densimetrico, l’altezza d’acqua che si interpone tra i getti e il fondo e il contenuto d’aria miscelata all’interno dei getti.
In particolare l’obiettivo della seguente ricerca è quello di riuscire a descrivere in maniera
qualitativa il fenomeno dell’erosione del fondo granulare e analizzare quantitativamente gli scavi generati al fine di ricercare delle relazioni analitiche che possano condurci a risultati attendibili.
Verrà quindi descritta la geometria del fenomeno con osservazioni sui profili di scavo e sulle dune che si formano e verranno elaborati i dati raccolti cercando di relazionare i vari parametri idraulici e geometrici utilizzati allo scopo di ricercare e individuare le configurazioni più significative che minimizzano più di altre gli scavi generati.
