53
Capitolo 3
Studio idraulico
3.1 Premessa
Partendo dai risultati dello studio idrologico sintetizzati nel capitolo precedente, si può effettuare lo studio idraulico del corso d’acqua nel tratto in esame.
La simulazione del modello idraulico è stata eseguita utilizzando il programma HEC-RAS (Hydrologic Engineering Service- River Analysis System) distribuito dal WRCS (Water Resources Consulting Service) per conto dell'U.S. Army Corps of Engineers sul codice di calcolo UNET.
Esso si avvale di una schematizzazione monodimensionale (variazioni graduali della sezione dell’alveo, limitata curvatura dei filetti liquidi, distribuzione della velocità pressoché uniforme nelle sezioni trasversali) su alveo assunto a fondo fisso sia per il moto permanente che per quello vario. Il regime qui adottato è quello a moto permanente in cui la procedura di calcolo si basa sulla soluzione dell’equazione monodimensionale dell’energia. Le perdite valutate sono quelle di attrito (equazione di Manning) e quelle causate dalla contrazione o espansione delle sezioni (tramite un coeff. che moltiplica la variazione dell’altezza cinetica). L’equazione della quantità di moto è utilizzata nei punti dove il profilo del pelo libero subisce forti variazioni. Questo si verifica, in condizioni di regime misto, nei punti di passaggio da corrente veloce a corrente lenta (risalti idraulici) oppure in corrispondenza di ponti o delle confluenze di più rami di una rete.
54
3.2
Definizione e analisi del modello idraulico.
Il modello idraulico permette di definire il profilo liquido relativo al corso d’acqua in esame a seguito dell’inserimento dei dati geometrici e di portata relativi al corso d’acqua in esame.
Oggetto di questo studio è il tratto del fiume Serchio compreso tra la sezione a monte n° 4040 e la sezione a valle n° 4015, pari ad una lunghezza di 15 Km, rappresentata nei fogli n° 250100, 250140, 250150 della Carta Tecnica Regionale (C.T.R.) in scala 1:10000.
Sez. 4040
Sez. 4015
55
56
Figura 3.3 - Sez 4030-4018
57
Attraverso la finestra “geometric data” del programma Hec - Ras è stato disegnato il tratto di alveo in questione e le relative sezioni, tramite il seguente schema:
- Inserimento della geometria delle sezioni tramite le coordinate dei punti del contorno dell’alveo rispetto ad un sistema di riferimento noto (x=distanze orizzontali, y=quote rispetto al livello del mare);
- Distanza parziale tra le sezioni adiacenti (lato destro, sinistro, e centralmente);
- Coefficienti di scabrezza (Manning) suddividendo tra alveo di magra e zone golenali. Per il coeff. di Manning sono stati adottati i valori 0.035 per l’alveo di magra su fondo di ghiaia, e 0.060 per le zone golenali in cui sono presenti cespugli ed alberi.
Una volta inseriti i dati di base è stato possibile definire ulteriormente la geometria incrementando il numero delle sezioni laddove ce ne fosse bisogno. Questa operazione è avvenuta tramite l’opzione di interpolazione individuando come distanza massima tra le sezioni il valore pari a 30 m. Inoltre il programma ha permesso di verificare, e quindi modificare, le coordinate dei punti che individuano le sezioni interpolate, nel caso in cui l’operazione di interpolazione avesse fornito valori non conformi all’andamento plano-altimetrico rappresentato sulla cartografia.
Infine, per una migliore simulazione della realtà, Hec-Ras individua la possibilità di far defluire l’acqua solo nella porzione destra o sinistra di un punto ben determinato della sezione, anche se oltre questo il terreno si presenta a quote inferiori. Ciò è possibile attraverso il comando “levees” che definisce i valori delle coordinate dei punti della sezione trasversale che rappresentano le sommità arginali. Nella presente tesi questo comando è stato utilizzato in prossimità del rilevato ferroviario che costeggia l’alveo del fiume in sinistra e perciò rappresenta un ostacolo fisico al deflusso reale. Senza tale impostazione il programma avrebbe simulato come zona di possibile deflusso anche l’area a sinistra del rilevato poiché essa si trova ad una quota inferiore dei livelli liquidi massimi.
58
Figura 3.5 - Tracciato planimetrico su Hec-Ras
59
Figura 3.7 - Es. di rappresentazione d’alveo in prospettiva su Hec – Ras
Definita la geometria del terreno sono stati inseriti i manufatti esistenti lungo l’alveo. Nel tratto studiato sono presenti sei ponti che sono stati configurati su Hec-Ras tramite il comando “Bridge” della finestra “geometric data”.
Hec-Ras valuta le perdite di energia causate da queste strutture in tre modalità:
perdita dovuta all’espansione del flusso che si verifica immediatamente a valle; perdita dovuta all’opera stessa;
perdita dovuta alla contrazione del flusso che si verifica immediatamente a monte. Per questo motivo per ogni ponte sono state definite quattro sezioni (due relative alla struttura vera e propria, e due rispettivamente a valle ed a monte, ad una distanza di modellazione in cui il flusso non risente più della struttura). Per ogni ponte sono stati inseriti prima i dati geometrici dell’impalcato con il comando “deck”, e successivamente quelli delle pile tramite il comando “pier”.
Nelle figure seguenti si riportano i sei attraversamenti fluviali presenti nel tratto d’alveo esaminato:
60
Figura 3.8 - Ponte sez 4039 (Ponte di Campia)
61
Figura 3.10 - Ponte sez 4030.5 (Località Fornaci di Barga)
62
Figura 3.12 - Ponte sez 4022 (Località Turrite)
63
Il passo successivo consiste nell’introduzione dei dati di portata, procedendo da monte verso valle. Il programma richiede un valore di portata per ogni ramo della rete, ma permette di inserire anche portate diverse all’interno dello stesso ramo, mantenendole costanti nei vari tratti. In questa simulazione è stata fornita la portata di monte nella sez. n° 4040, e le portate nelle sezioni a valle delle varie confluenze, in particolare nelle sez. n°4035, n°4031, n°4021, n°4015.
Si devono infine inserire le condizioni al contorno necessarie per stabilire il livello del pelo libero dell’acqua all’estremità del sistema. Tali condizioni servono per la determinazione dell’integrale particolare dell’equazione differenziale che regola il moto permanente. Nel caso presente sono stati forniti i livelli del pelo libero, corrispondenti alle portate duecentennali, per la sezione di monte n°4040 pari ad h = 195.86 m s.l.m., e per la sezione di valle n° 4015 pari ad h = 115,45 m s.l.m.
Inseriti tutti i dati geometrici e idraulici si può passare al calcolo dei profili in moto permanente. Essi sono stati determinati con lo schema di calcolo:
- corrente mista (mixed flow)considerando che potrebbero verificarsi transizioni da un tipo di corrente all’altro dando luogo ad una successione di tronchi con differenti caratteristiche di moto, che nel caso di transizione da corrente veloce a lenta porteranno alla formazione di risalti idraulici. Tale corrente, come già specificato, necessita che siano definite due diverse condizioni al contorno in corrispondenza delle due sezioni estreme (di monte e di valle) del tratto considerato.
Nella Figura 3.14 si riporta il profilo liquido dello stato attuale ottenuto in seguito alla simulazione a moto permanente.
64
