9.1 Premessa
In letteratura esiste una grande quantità di risultati sperimentali relativi allo studio del risalto su fondo fisso. Su fondo mobile il fenomeno è però molto più complesso, perché la capacità modellante della corrente varia continuamente i parametri dai quali il risalto stesso dipende.
Cerchiamo adesso di spiegare il fenomeno di oscillazione fra i tipi di risalto libero tipo wave e sommerso (descritti nel capitolo 5) che si verifica sempre per pendenze elevate (1V:4H e 1V:3H) ad eccezione che per i F più bassi (dove prevale il risalto tipo sommerso). Nei casi osservati si è visto che spesso non viene raggiunta una condizione di stabilità a favore di una tipologia di risalto. Si verifica un’oscillazione continua fra il risalto libero (FMB) tipo wave e quello sommerso (SMB) al piede della rampa, anche se pare che sia il risalto wave, in tempi lunghi, a dover prevalere.
9.2 Risalto libero tipo wave
Il risalto tipo wave si presenta con un’onda stazionaria molto evidente che ricade in maniera piuttosto intensa sul fondale. La peculiarità più interessante è l’esistenza di un nucleo di vorticità interno che agisce sul fondo spostando il materiale da valle verso monte, al piede della rampa. E’ spesso legato ad una configurazione del fondale scavata e piatta, con una duna piuttosto allungata in misura variabile al parametro s del materiale costituente il fondo (Figure 9.2.1-9.2.2)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 L (cm) H ( cm fondo iniziale fondo finale profilo liquido
0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 L (cm) H (cm ) fondo iniziale fondo finale profilo liquido
Figura 9.2.2 Configurazioni liquide e del fondale per risalto wave su materiale m3 (s=2.8)
Le altezze coniugate corrispondono al tirante idrico sulla rampa per la corrente veloce (h1) , a quella di moto uniforme h0 (ricavata dai tests sperimentali) per la corrente lenta di valle. La condizione di instabilità per questo tipo di risalto risiede nel fatto che esiste un nucleo di vorticità centrale la cui esistenza dipende dalla variabile s, come si nota dalla Figura 9.2.3 relativa al risalto wave con salto di fondo su fondo fisso.
Figura. 9.2.3 Principali caratteristiche del risalto wave su fondo fisso con gradino di fondo
Esiste una relazione di esistenza per la tipologia del risalto e le caratteristiche del gradino di fondo, rappresentata da un numero di Froude limite F1L che ha la seguente forma:
47 . 0 1 2.9 s
FL = ⋅ dove con s è indicata l’altezza del gradino.
Oltre tale valore di F1L si verifica l’irripidimento dell’onda ed il successivo frangimento verso monte, sotto la spinta della corrente lenta di valle.
Ovviamente tale relazione non è applicabile al caso di fondo mobile, ma il comportamento instabile del risalto sembra obbedirgli.
Nelle prove sperimentali effettuate il gradino è rappresentato dal fondo modellato che in corrispondenza della soglia si abbassa (Figura 9.2.4).
Il nucleo vorticoso, nel caso di fondo mobile, è posizionato ben all’interno della buca di scavo, distante dalla soglia. Il tratto di fondo che risulta discriminante alla stabilità del risalto è quello sottostante il nucleo stesso, per cui una misura qualitativa della variabile s è quella riportata in Figura.
s
h1
Figura 9.2.4 Regime dei flussi per il risalto tipo wave
9.3 Ciclo wave-sommerso
La condizione di instabilità su fondo mobile per il risalto wave si verifica con l’appiattimento dello scavo (Figura 9.3.1); il nucleo vorticoso viene premuto verso l’alto e l’onda wave si irripidisce fino a diventare instabile.
Si verifica a questo punto il frangimento, analogamente a quanto succede nel caso di fondo fisso con gradino di fondo.
Una prima importante osservazione da fare è che la maggiore presenza di una tipologia di risalto dipende in maniera importante anche dalle caratteristiche granulometriche del materiale di fondo. Si è notato infatti che rivestono un ruolo importante le dimensioni degli elementi più grossolani la cui presenza si è visto stabilizzare molto la situazione.
In alcuni casi si è constatato che anche la scabrezza della rampa incide;. a seconda che si ricada nelle condizioni di macro o microscabrezza, infatti, la formazione del risalto risulta influenzata, in particolar modo per la variazione della compattezza del getto in uscita dalla rampa stessa.
Il fenomeno che ci accingiamo a descrivere è stato osservato anche su fondo fisso sagomato (vedi Figura 9.3.2).
Figura 9.3.2 Vista dell’evoluzione dei profili liquidi su fondo fisso sagomato
Alcune delle fasi sono analoghe a quanto accade su fondo mobile, come le fasi a-c e g.
Nei tests sperimentali eseguiti in proposito, si sono potute evidenziare alcune fasi che vengono adesso descritte mediante fotografie e schemi ricavati dall’osservazione dei filmati girati. Il materiale a cui tale analisi si riferisce è l’m2 (s=1.8).
Figura 9.3.4 Regime dei flussi per risalto wave
In questa prima fase (Figure 9.3.3-9.3.4) si osserva il risalto wave completamente sviluppato. Dai filmati si è anche cercato di individuare il regime dei flussi, che evidenziano l’azione di modellamento sul fondo. Dallo schema si nota che il nucleo di vorticità evidenziato richiama materiale dal centro dello scavo verso monte. Ciò genera lo spostamento di materiale al di sotto del vortice, e un conseguente irripidimento dell’onda stazionaria (Figura 9.3.5).
Figura 9.3.5 Irripidimento del risalto wave
Successivamente si raggiunge il frangimento e la formazione di un risalto di tipo sommerso al piede della rampa (Figure 9.3.6-9.3.7), che provoca un approfondimento molto marcato del fondo con formazione di due scavi e duna intermedia. In tale situazione la corrente veloce di monte modella il fondo in maniera da ricercare la spinta necessaria a ristabilire il precedente tipo di risalto, che è quello che consente la parziale evacuazione del materiale di fondo che costituisce la duna (risalto wave).
Figura 9.3.7 Regime dei flussi per il risalto sommerso
Con il modellamento del fondo da parte del risalto sommerso la corrente veloce di monte acquisisce la spinta necessaria a ristabilire il risalto wave (Figure 9.3.8-9.3.9). L’altezza di moto uniforme a valle del risalto rimane pressochè costante nell’evolvere della transizione risalto wave-sommerso. Si forma di nuovo l’onda wave che ricade sul fondo investendo la duna, che viene progressivamente demolita.
Figura 9.3.8 Ristabilimento del risalto wave con demolizione della duna
Figura 9.3.9 Regime dei flussi relativo alla Figura 9.3.8
Figura 9.3.10 Allungamento del risalto wave
Una volta che la duna è stata completamente rimossa (in parte richiamata a monte ed in parte espulsa verso valle,come vedremo meglio nel seguito) si torna al risalto tipo wave (Figura 9.3.11) ed il ciclo ricomincia.
Figura 9.3.11 Ristabilimento delle condizioni di inizio ciclo
Nella Figura 9.3.12 è presentata l’evoluzione del fondo mobile e del profilo liquido durante il ciclo, che è stato suddiviso in 6 fasi fondamentali.
6 5 4 3 2 1 ' ' 3 6 5 5 43 2 3 1 6 1 2 6 4 3 A
Il passaggio fase 1-2 riguarda l’irripidimento dell’onda stazionaria del risalto tipo wave. In tale fase non si verificano variazioni per il fondale (fondo 1≡2). Si noti come al raggiungimento della massima ripidità dell’onda stazionaria del risalto wave (nella fase 2) si arrivi mediante la sensibile rotazione del profilo liquido attorno al punto A in modo da avvicinare l’angolo a’ ad a (b=angolo formato dal profilo liquido relativo alla fase precedente).
Passando alla fase 3 si ha la rottura del risalto wave che, spinto dalla corrente lenta di valle, frange sulla rampa generando un risalto sommerso. In tale fase si verifica una grande perturbazione del fondo mobile, che viene a possedere due scavi divisi da un’alta duna.
Oltre tale fase si ha la graduale demolizione della duna (fasi 4-5-6) che, come vediamo dalla Figura 9.3.11, viene spinta in parte verso valle ed in parte richiamata nella buca di scavo innalzandone il livello. Notiamo anche che l’aliquota più importante del materiale costituente la duna è richiamata verso monte, in quanto il livello a valle della duna, nelle fasi 4-5-6 varia molto poco. Per tale motivo il processo di oscillazione transitoria fra il risalto wave e quello sommerso, supponendo che esista una sua fine, ha una durata necessariamente lunga, tale almeno da consentire l’allontanamento di gran parte del materiale costituente la duna.
In corrispondenza dei profili del fondo relativi alle fasi 1-2-3 è stato plottato anche il fondo della fase 6, che risulta molto simile a quello della fase 1. Non si sarebbe quindi verificato un sensibile allontanamento del materiale della duna verso valle e sembrerebbe allora esistere una ciclicità del fenomeno che si manifesterebbe ininterrottamente.
9.4 Parametri influenti sul ciclo
Si è osservato che non per tutti i materiali testati il fenomeno transitorio wave-annegato possiede le stesse caratteristiche. Talvolta si sono registrate prove sperimentali in cui un simile fenomeno avviene in maniera meno marcata. Per esempio, nel caso di materiale con s=1.2 (m1), a granulometria uniforme, i due risalti non si succedono in fasi distinte. Si nota l’instabilità di entrambe le forme di risalto, soprattutto per la loro difficoltà nel modellare il fondo. La granulometria uniforme del materiale permette infatti un maggior grado di ingranamento fra gli aggregati. Passando ad esaminare i materiali m2 (s=1.8) ed m3 (s=2.8) il fenomeno si amplifica con una suddivisione netta tra le varie fasi.
Analizzando il materiale di fondo è stata notata la presenza di un fenomeno di segregazione nella buca di scavo, dove rimane una maggiore quantità il materiale grossolano che la corrente non riesce a trasportare. Ciò è stato anche evidenziato mediante lo studio della curva granulometrica di
campioni del materiale di fondo prelevati in diverse zone dello scavo (Figura 9.4.1). Riportiamo di seguito i più significativi (Figure 9.4.2-9.4.4).
scavo 1
scavo 2
duna
h
1
Figura 9.4.1 Vista dei punti di campionamento
0% 25% 50% 75% 100% 0 5 10 15 20 d (mm) % passante
Figura 9.4.2 Curva granulometrica scavo 1
d50 = 3.44 mm
d90 = 11.90 mm
0% 25% 50% 75% 100% 0 5 10 15 20 d (mm) % passante
Figura 9.4.3 Curva granulometrica scavo 2 d50 = 12.79 mm d90 = 18.14 mm s = 1.78 0% 25% 50% 75% 100% 0 5 10 15 20 d (mm) % passante
d50 = 6.09 mm d90 = 16.76 mm
s = 2.55
Ricordiamo che la prova in questione è relativa al materiale m3, con le seguenti caratteristiche granulometriche:
d50 = 5.00 mm d90 = 16.59 mm
s = 2.77
Si nota che nella posizione scavo 1 è presente il materiale di granulometria più contenuta e costante (minore parametro s) rispetto all’originario. L’azione del getto in questa posizione è quindi selettiva per il materiale di fondo. La spiegazione sta nel fatto che il risalto annegato con molta energia asporta al piede della rampa molto materiale verso valle. C’è però una zona del bacino schermata dal gradino che si forma al termine della rampa (Figura 9.4.5), in cui agiscono dei vortici che si oppongono all’asportazione del materiale. In tale zona è conservato il materiale più minuto della miscela.
Figura 9.4.5 Schema di regime dei flussi
Nella posizione scavo 2 (Figura 9.4.1) ritroviamo un materiale di dimensioni molto maggiori rispetto a quello originario. Anche il parametro s diminuisce. In tale zona si accumula il materiale più grossolano che la successione dei risalti non riesce ad evacuare.
Per ultimo il campione di miscela sulla duna afferma che il materiale in questa zona del profilo di fondo è molto simile a quello originario.
Ciò è contro le ipotesi, in quanto ci saremmo aspettati di trovare qui il materiale più fino su cui la corrente esplica una maggiore azione rimovente. Ciò può far supporre che la corrente non esplichi allontanamenti selettivi del materiale, e la presenza di materiale grossolano nella buca di scavo sia il risultato di un rimescolamento locale, o che il materiale evacuato venga allontanato in eguali quantità per tutte le frazioni granulometriche.
