7. GLI INTERVENTI

128

7. GLI INTERVENTI

Uno degli obiettivi del presente lavoro è quello di fornire informazioni riguardanti gli aspetti funzionali ed economici delle possibili soluzioni da adottare per la messa in sicurezza del torrente Baccatoio. Gli scenari di progetto sono essenzialmente due: uno prevede la risagomatura delle sezioni nei tratti in cui queste sono insufficienti a contenere la portata duecentennale con demolizione e ricostruzione del ponte in via delle Colmate, l'altro prevede la realizzazione di una o più casse di espansione in derivazione tra il ponte di via delle Colmate e l'Autostrada A 12. Per quanto riguarda la rimodellazione delle sezioni si può dire che un intervento di questo tipo può essere utilizzato laddove sia accettabile trasferire portate maggiori verso le sezioni di valle, accertandosi quindi, che cercando di migliorare la situazione in un certo tratto, non sia peggiorata la situazione nella porzione più valliva del corso d’acqua. Le casse in derivazione vengono invece realizzate in presenza di corsi d’acqua arginati e aventi pendenze di fondo piccole e la loro superficie viene sempre delimitata mediante arginature.

7.1. Scenario A: adeguamento delle sezioni e rifacimento del ponte di via delle Colmate

Lo scenario A prevede in primo luogo l'adeguamento delle sezioni nei tratti in cui nella situazione attuale si verificano esondazioni o non è garantito il franco minimo di 80 cm ed in secondo luogo il rifacimento del ponte in via delle Colmate. L'adeguamento sarà ottenuto mediante risagomatura delle sezioni, innalzamento della quota degli argini e regolarizzazione del profilo longitudinale del fondo del torrente. Il tratto da adeguare va dalla sezione 16.5 appena monte del ponte di via Padule fino alla sezione 32 appena a valle dello sfioratore della cassa della Falascaia. Nell'immagine seguente, che rappresenta il profilo idraulico della situazione attuale, ho evidenziato con una forma rossa la zona critica per la quale si deve intervenire nei modi sopra detti.

129 Fig. 7.1 – Estratto del profilo idraulico della situazione attuale

Dal profilo idraulico si nota tra l'altro come il fondo del torrente risulti irregolare con diversi tratti addirittura in contropendenza. Uno degli obiettivi previsti dalla presente soluzione sarà quindi la regolarizzazione del fondo del torrente. Il tratto in esame è stato poi evidenziato, insieme all'ubicazione del ponte di via delle Colmate, su un estratto della planimetria dello stato attuale.

Fig. 7.2 – Estratto della planimetria dello stato attuale: gli interventi RIFACIMENTO

PONTE

ADEGUAMENTO DELLE SEZIONI

130 7.1.1. Modello Idraulico

Per realizzare il modello idraulico devo modificare le sezioni del torrente nel tratto sopra indicato e la geometria del ponte di via delle Colmate. Per fare ciò devo anzitutto riportare le sezioni attuali su un foglio di calcolo excell ed in base a criteri idraulici, statici e funzionali ricostruire il profilo della sezione. Vediamo nello specifico quali sono i suddetti criteri:

 Criteri idraulici: variazione del raggio idraulico della sezione; variazione della quota della sommità arginale ed eventuale regolarizzazione del profilo longitudinale del fondo del canale

 Criteri statici: pendenza delle scarpate interna ed esterna che non deve essere superiore a 1:2 sul lato esterno per scongiurare il fenomeno del sifonamento dell'argine e 2:3 sul lato interno.

 Criteri funzionali: larghezza della sommità dell'arginale che deve essere pari ad almeno 3,50 m per poter eseguire la manutenzione.

In base a tali criteri ho ricostruito le sezioni di cui in figura 7.3 riporto un esempio.

Fig. 7.3 – Sezione stato attuale e stato di progetto su foglio di lavoro excell 0

1 2 3 4 5 6

0 5 10 15 20 25 30

Sez 29

PROG

131 Una volta ricostruito il profilo questo deve essere riportato sul programma HEC-RAS utilizzando il solito comando Cross Section Data a cui si accede dalla finestra generale Geometric Data come mostra la figura 7.4.

Fig. 7.4 – Cross Section Data, sezione 29 attuale e di progetto

Analogamente è stata inserita la geometria del nuovo ponte utilizzando il comando Bridge Culvert Data sempre nella finestra generale Geometric Data di cui in figura 7.5 riporto un estratto.

Fig. 7.5 – Cross Section Data, ponte via delle Colmate attuale e di progetto

Vale la pena precisare che sono state necessarie alcune soluzioni di tentativo per ricavare quella che vede le portate contenute nelle sezioni adeguate con il rispetto del franco.

132 7.1.2. Risultati delle simulazioni

Una volta costruito il modello geometrico può essere avviata l'analisi del sistema sollecitato con la solita pioggia di progetto duecentennale. Per quanto detto sopra la soluzione riprodotta nel modello sarà capace di garantire il deflusso delle massime portate con il rispetto del franco minimo. Nella figura seguente riporto un estratto del profilo idraulico del torrente.

Fig. 7.6 – Profile Plot, stato di progetto

Come si riscontra dalla figura 7.6 lungo tutto il tratto oggetto dell'intervento si ha contemporaneamente all'innalzamento delle quote degli argini, una sensibile riduzione del profilo liquido corrispondente alla portata di progetto. Risulta anche evidente la regolarizzazione del fondo del torrente. Vediamo ora gli effetti prodotti in corrispondenza del ponte di via delle Colmate.

133 Fig. 7.7 – Cross Section, effetto sul ponte di via delle Colmate

Il ponte di via delle Colmate non va in pressione e rispetta un franco di 60 cm.

L'Autorità di Bacino Toscana Nord, nelle indicazioni del PAI, sostiene che il franco minimo per un ponte, inteso come differenza di quota tra intradosso e profilo liquido, deve essere di 0.5 l'altezza cinetica della corrente relativa ad una piena duecentennale e comunque non inferiore ad un metro. Nel caso in esame essendo la velocità della corrente pari a circa 3 m/s il franco deve essere il massimo tra 0.25 m ed 1 metro.

Tuttavia data l'ubicazione del ponte, l'urbanizzazione della zona e la morfologia del territorio il valore del franco ottenuto dalla simulazione risulta sicuramente accettabile. Riporto infine alcune figure in cui si riscontra l'effetto ottenuto su alcune sezioni di interesse.

Fig. 7.8 – Cross Section Data, ponte via delle Colmate attuale e di progetto

134 Fig. 7.9 – Cross Section Data, ponte via delle Colmate attuale e di progetto

Tutte le sezioni sono verificate rispettando il franco per la portata duecentennale.

7.2. Scenario B: realizzazione casse di espansione

L'Autorità di Bacino Toscana Nord in seguito a studi effettuati sul bacino del torrente Baccatoio ha individuato le possibili aree da adibire a cassa di espansione in derivazione. Oltre all'area localizzata in località Falascaia in cui è già stata realizzata la prima cassa di espansione, sono state individuate due aree sempre in destra idraulica;

una appena a valle del ponte di via delle Colmate (d'ora in poi cassa delle Colmate) ed un'altra appena a monte dell'Autostrada (d'ora in poi cassa dell'A12). Come si può riscontrare dalla figura 7.10, [Autorità di Bacino Toscana Nord, 2007]altre due aree più a valle, nelle vicinanze dell'impianto idrovoro del Teso, sono state individuate come possibili camere di accumulo per le acque basse che negli di piena rilevanti non possono essere pompate nel torrente. In figura 7.11 riporto la legenda della tavola in questione.

135 Fig. 7.10 – Estratto della tavola Carta Tutela del Territorio del PAI del Bacino Regionale Toscana Nord

Fig. 7.11 – Legenda della tavola Carta Tutela del Territorio del PAI del Bacino Regionale Toscana Nord

136 7.2.1. Generalità sulle casse in derivazione [Milano V., 2010]

Le superfici delle casse in derivazione sono ubicate in adiacenza all’alveo del corso d’acqua e vengono invase solo saltuariamente e precisamente quando la portata supera un determinato valore. Sono dotate di dispositivi che ne consentono lo svuotamento, una volta cessata l’onda di piena, mediante scarico a gravità nello stesso corso d’acqua. Le casse in derivazione, nella maggior parte dei casi, vengono riempite mediante soglie sfioranti; esse entrano in funzione quando nell’alveo del corso d’acqua si raggiunge un determinato livello idrico. Le soglie sfioranti sono disposte in senso longitudinale rispetto al senso di deflusso della corrente e sono realizzate previa un’interruzione dell’argine per un certo tratto, lungo il quale vengono costruiti manufatti in muratura, con soglia arrotondata posta a una quota inferiore rispetto alla sommità arginale; dal punto di vista idraulico, si comportano quindi come degli sfioratori laterali. Il funzionamento delle soglie sfioranti non risulta così semplice. Infatti, se si indica con Qv,max la portata che non si intende superare a valle nel fiume e con Z_v la corrispondente quota liquida, la massima portata da sfiorare risulta pari a Q_max - Q_v,max; poiché, però, per sfiorare tale portata occorre un certo carico, qualora si posizionasse la soglia di sfioro alla quota Z_v prefissata, tale quota verrebbe superata e verrebbe superata anche la portata Q_v,max stabilita. È quindi necessario porre la soglia sfiorante a una quota più bassa di Z_v. Essendo le casse di espansione realizzate in zone pianeggianti, dove la corrente fluviale è certamente lenta, per stabilire la quota e la lunghezza della soglia di sfioro occorre procedere applicando la teoria degli sfioratori laterali per correnti lente. Le equazioni che regolano il fenomeno vengono scritte con riferimento al caso generale di pendenza iH della linea dell’energia non parallela al fondo: detta Qv,max la portata a valle, hv la corrispondente altezza di deflusso, da determinare appunto in base alle condizioni divalle, e Hv la relativa energia specifica, le equazioni sono le seguenti:

137

in cui H e h sono rispettivamente l’energia specifica e l’altezza liquida della corrente, riferite alla quota di fondo dell’alveo; A l’area liquida; R il raggio idraulico; K il coefficiente della formula di Gauckler-Strickler; Q la portata; p l’altezza della soglia;

l’indice v contrassegna la sezione terminale dello sfioratore (sezione di valle);

l’indice m la sezione iniziale dello stesso; l’indice x la sezione a distanza x generica da quella di valle; i la pendenza di fondo dell’alveo; L la lunghezza dello sfioratore;

q_sfx la portata sfiorata per unità di lunghezza dello sfioratore; µ il coefficiente di efflusso dello sfioratore, per il quale si assume un valore di 0.4.

La (7.1) fornisce l’energia specifica H_x della corrente nella generica sezione x in funzione di quella H_v nella sezione terminale dello sfioratore; la (7.2) lega l’energia specifica Hx all’altezza liquida h_x nella sezione x; la (7.3) fornisce la portata sfiorata in un tratto di lunghezza infinitesima d_x; la (7.4) lega la portata Q_x nella sezione generica x a quella Q_v a valle. Le condizioni al contorno sono date dall’onda di piena Q_m = Q_m (t) in arrivo per la sezione di monte e dalla scala di deflusso Q_v = Qv (hv) per la sezione di valle. Il sistema di equazioni differenziali scritto sopra non è integrabile matematicamente, per cui occorre procedere alle differenze finite.

Fissate la lunghezza L e l’altezza p dello sfioratore, si fa innanzi tutto riferimento all’istante in cui è in arrivo da monte la massima portata al colmo Qm,max. Per determinare il profilo liquido lungo lo sfioratore e la portata sfiorata in tale istante, occorre innanzi tutto suddividere lo sfioratore in un certo numero di tratti di lunghezza ∆x piccola, ma finita; si fissa quindi un valore di tentativo per la portata a valle Qv,max, per cui può essere determinata l’altezza liquida hv e la corrispondente energia Hv nella sezione in cui ha termine lo sfioratore, tramite la scala di deflusso Qv

= Qv (hv).

A questo punto inizia l’integrazione alle differenze finite delle equazioni, partendo dal tratto terminale dello sfioratore, lungo ∆x, avendo presente che gli integrali si riducono a delle sommatorie, per cui la perdita di carico (iH ∆x) in detto tratto risulta:

Analogamente, la portata sfiorata nel tratto ∆x risulta:

138

Come primo tentativo si calcola la portata sfiorata ∆Q introducendo nella (7.6) l’altezza h_v della sezione di valle, anziché il valore medio di h nel tratto ∆x; si calcola quindi la portata Q_x = Q_v + ∆Q e quindi la perdita di carico nel tratto ∆x introducendo nella (7.5) la portata media (Q_v+Q_x) /2 nel tratto ∆x, mentre per l’area liquida e il raggio idraulico si introducono i valori A_v e R_v relativi alla sezione di valle, anziché i valori medi delle stesse grandezze nel tratto in esame; con la (7.1) si determina poi l’energia specifica Hx nella sezione x (l’integrale si riduce dunque al solo termine dato dalla (7.5)); mediante l’equazione (7.2) della curva caratteristica della portata per energia specifica Hx costante, si calcola l’altezza hx nella sezione x.

Si ripete quindi il procedimento, introducendo questa volta nelle equazioni i valori medi delle varie grandezze nel tratto ∆x, e si proseguono le iterazioni fino a quando non si perviene a due successivi valori di hx o di Qx prossimi tra loro, cioè compresi entro un intervallo fissato. A questo punto si prosegue passando all’integrazione, con lo stesso procedimento iterativo, nei successivi tratti di lunghezza ∆x in cui è stata suddivisa la soglia; si perviene quindi a un valore della portata massima nella sezione di monte, che risulta in genere diverso da quello effettivo Qm,max per cui occorre ripetere tutto il procedimento esposto, assumendo dati di partenza differenti. Se si vogliono mantenere inalterate le dimensioni dello sfioratore, qualora si sia pervenuti a una Q_m > Q_m,max, occorrerà ripetere il procedimento di integrazione partendo da una portata Q_v,max a valle minore, e viceversa se la Q_m trovata è minore di Q_m,max.

Una volta risolto il problema relativo all’istante in cui è in arrivo da monte il colmo di piena, cioè è stata determinata la Q_v,max che si ha con uno sfioratore avente determinate dimensioni, per stabilire le dimensioni della cassa di laminazione occorre determinare l’intero volume sfiorato e ciò può essere fatto solo trovando l’andamento dell’onda laminata Qv = Qv (t) a valle. Per determinate la Qv = Qv (t) , occorre avere presente che tale onda inizia a differire da quella in arrivo a partire dall’istante in cui ha inizio lo sfioro, istante in cui l’altezza liquida nel corso d’acqua raggiunge la quota ZA della soglia sfiorante e la portata assume il valore QA

corrispondente a tale altezza idrica; analogamente, nella fase discendente dell’onda di piena, lo sfioro ha termine nell’istante in cui la portata in arrivo diviene minore di QA. Quindi, applicando successivamente il procedimento di integrazione esposto, si possono determinare le portate Qv che si verificano in istanti successivi, nei quali la

139 portata in arrivo va aumentando da Q_A a Q_m,max nella fase ascendente dell’onda e va diminuendo da Q_m,max a Q_A nella successiva fase discendente.

Quindi il procedimento di calcolo necessario in fase di progettazione diventa molto lungo e laborioso, anche per i numerosi tentativi che occorre effettuare, assegnando vari valori alle dimensioni (lunghezza e altezza) dello sfioratore. Si fa presente che, a parità di volume sfiorato, e quindi di volume della cassa, si riesce a ridurre maggiormente la portata massima a valle con soglie sfioranti più lunghe e più alte, che ritardano l’inizio e anticipano la fine dello sfioro. A parità di massima portata a valle, se si vuole ridurre il volume sfiorato, e quindi della cassa, occorre ancora impiegare sfioratori più lunghi e più alti. Naturalmente, esiste un limite per la lunghezza dello sfioratore, dettato da motivi di carattere economico e di carattere idraulico: basti infatti pensare al fatto che, se lo sfioratore supera una certa lunghezza, il profilo liquido, che si abbassa verso monte, viene a intersecare la sua sommità e lo sfioro cessa; è opportuno arrestare la lunghezza dello sfioratore molto prima che ciò accada, in quanto il tratto di sfioratore con carico sulla soglia troppo ridotto presenta un rendimento molto basso.

Una volta chiarita la teoria degli sfioratori laterali è possibile affrontare la fase progettuale con una maggiore consapevolezza in merito ai dati di input ed output di tutti gli elementi correlati agli sfioratori stessi anche se non sarà generalmente possibile applicare manualmente la richiamata teoria. La cassa di espansione della Falascaia, già realizzata, ha un funzionamento rigurgitato; le altre casse in fase di studio, come vedremo nei paragrafi seguenti, hanno anch'esse un funzionamento rigurgitato almeno durante gli eventi che comportano il raggiungimento del massimo livello idrico. La scelta progettuale è giustificata dal fatto che una cassa a funzionamento rigurgitato risulta avere a parità di superficie un maggior effetto di laminazione dell'onda di piena. In un territorio popolato o comunque impiegato per l'attività agricola come quello del bacini vallivo del torrente Baccatoio le scelte progettuali devono essere mirate alla salvaguardia delle attività antropiche. Le aree destinate a cassa di espansione sono molto limitate e per questo devono essere sfruttate al meglio.

Poichè il funzionamento degli sfioratori laterali rigurgitati è assai complesso, modelleremo nel modo più realistico ed accurato possibile le casse ed i relativi sfioratori utilizzando il programma HEC-RAS mentre ci limiteremo ad analizzare

140 mediante le basi teoriche trattate sopra i risultati delle simulazioni ottenuti dallo stesso programma.

7.2.2. Modello Idraulico

Mantenendo inalterate tutti gli elementi del modello realizzato per simulare la situazione attuale, ho creato tre differenti modelli geometrici: uno con la cassa delle Colmate, uno con la cassa dell'A12 ed uno con entrambe le casse. Successivamente i modelli verranno sollecitati con la stessa pioggia di progetto utilizzata in precedenza con il modello rappresentativo della situazione attuale. Nella figura 7.12 riporto a titolo di esempio la geometria della soluzione con entrambe le casse.

Fig. 7.12– Geometric Data (soluzione con entrambe le casse)

Precisando che lungo il tratto di studio del torrente Baccatoio è possibile realizzare soltanto casse di espansione in derivazione (il corso d'acqua risulta arginato per la sua lunghezza totale), le casse verranno introdotte mediante il comando "Storage Area" e poi modellate grazie al comando "Storage Area Editor"

in cui è possibile inserire la curva quota-volume. In figura 7.13 riporto la finestra Storage Area Editor per la cassa delle Colmate.

141 Fig. 7.13 – Storage Area Editor (cassa di espansione delle Colmate)

Il programma da anche la possibilità di schematizzare la cassa come un recipiente a forma di parallelepipedo impostando semplicemente un valore medio della superficie e la minima elevazione della stessa; il dato inserito risulterebbe assai approssimato. Su consiglio del Prof. Carlo Viti e grazie alla disponibilità dell' Ing.

Nicola Croce che mi ha gentilmente fornito il DEM (Digital Elevation Model) della zona in esame ho optato per la soluzione che prevede l'inserimento nel programma della curva quota-volume ottenendo una migliore corrispondenza tra la cassa modellata e quella reale. Per ottenere la curva ho utilizzato il software Autocad Map 3d 2013 il quale mi ha permesso una volta "disegnato" il contorno della cassa sul DEM di rappresentare delle curve di livello intervallate di un valore da me fissato. A questo punto con il comando "area" ho determinato la superficie della cassa compresa tra due curve contigue e attribuendo tale superficie alla quota media corrispondente alle due curve di livello ho potuto ricavare la curva quote-superficie.

Da questa, noto l'intervallo in quota tra due curve di livello, ho costruito la curva quota-volume. Nella figura seguente riporto l'immagine della cassa delle Colmate sul DEM.

142 Fig. 7.14– DEM della casa di espansione delle Colmate

Poichè la cassa è in derivazione risulta necessario eseguire un'incisione lungo l'argine del torrente, in questo caso il destro, e modellare quindi lo sfioratore laterale.

Questa operazione si esegue mediante il comando "Lateral Structure Editor" grazie al quale si può stabilire con precisione la posizione, le caratteristiche geometriche ed idrauliche dello sfioratore.

Siccome non è nota a priori la geometria dello sfioratore, sono state eseguite diverse simulazioni per capire quali fossero l'apertura e la quota della sommità dello sfioratore a garanzia della maggiore efficienza del sistema. Dalle simulazioni abbiamo ottenuto che migliori risultati si ottengono realizzando uno sfioratore con le seguenti caratteristiche:

 p = 3 m (quota della soglia)

 l = 20 m (lunghezza dello sfioratore)

Per quanto riguarda la posizione rispetto alla cassa lo sfioratore è stato realizzato nella parte più a monte. La scelta è giustificata dal fatto in questo modo si riesce a ridurre maggiormente le quote del profilo liquido nel torrente come si riscontra dalle figure seguenti in cui sono rappresentati i profili idraulici per le due soluzioni.

143 Fig. 7.15 – Profile Plot (cassa delle Colmate con sfioratore a monte)

Fig. 7.16 – Profile Plot (cassa delle Colmate con sfioratore a valle)

Si nota che nella prima soluzione il ponte di via delle Colmate non va in pressione. Infine riporto il confronto tra il grafico dei livelli idrici relativi alle due soluzioni.

144 Fig. 7.17 – Confronto tra i livelli idrici in corrispondenza del ponte di via delle Colmate per la diversa ubicazione dello sfioratore

Lo stesso procedimento è stato eseguito anche per la cassa di espansione dell' A12: dalle simulazioni si ricava che i migliori risultati si ottengono realizzando uno sfioratore dalle seguenti caratteristiche:

 p = 2.5 m (quota della soglia)

 l = 30 m (lunghezza dello sfioratore)

Per quanto riguarda la posizione rispetto alla cassa lo sfioratore è stato realizzato nella parte più a monte della cassa stessa.

Infine il terzo ed ultimo modello previsto per lo scenario B (cioè quello con realizzazione solo di casse di espansione) è quello in cui si ipotizza la presenza di entrambe le casse; quella delle Colmate e quella dell'A12. A questo punto i tre modelli sono pronti per essere elaborati dal programma HEC-RAS.

7.2.3. Risultati delle simulazioni

Analizzeremo ora i risultati delle tre simulazioni confrontando tra loro i livelli idrici e le portate valutati in alcuni sezioni "strategiche" come quelle situate in corrispondenza di attraversamenti o di sfioratori laterali. In particolare l'analisi sarà mirata a valutare quali siano gli accorgimenti progettuali più efficaci nella risoluzione delle criticità che si manifestano nella situazione attuale. Riportando su di un foglio di calcolo di excell i risultati ottenuti dalle simulazioni ho potuto

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

00:00 01:12 02:24 03:36 04:48 06:00 07:12 08:24 09:36 10:48 12:00

Livello H (m)

Tempo

Sfioratore a valle

Sfioratore a monte

145 anzitutto confrontare gli andamenti dei livelli idrici e delle portate nelle sezioni in corrispondenza dei ponti di via delle Colmate (ricordiamo che nella situazione attuale ha un funzionamento in pressione), di via Padule e di via Aurelia.

Fig. 7.18 – Confronto tra i livelli idrici in corrispondenza del ponte di via delle Colmate per le diverse soluzioni progettuali

Come si riscontra dalla figura 7.18 l'effetto più importante della realizzazione della cassa delle Colmate è l'abbassamento del massimo livello raggiunto dall'acqua in corrispondenza dell' omonimo ponte. La riduzione del livello idrico è di circa 38 cm, valore sufficiente a garantire un corretto funzionamento del ponte ed un franco di 20 cm. L'Autorità di Bacino Toscana Nord, nelle indicazioni del PAI, sostiene che il franco minimo per un ponte, inteso come differenza di quota tra intradosso e profilo liquido, deve essere di 0.5 l'altezza cinetica della corrente relativa ad una piena duecentennale e comunque non inferiore ad un metro. Nel caso in esame essendo la velocità della corrente pari a circa 3 m/s il franco deve essere il massimo tra 0.25 m ed 1 metro. Tuttavia data l'ubicazione del ponte, l'urbanizzazione della zona e la morfologia del territorio il valore del franco ottenuto dalla simulazione risulta accettabile. Dal grafico dei livelli si nota che la realizzazione della sola cassa dell'A12 non comporta nessuna variazione rispetto alla situazione attuale e la soluzione con entrambe le casse comporta livelli idrici praticamente coincidenti con quelli relativi alla soluzione che prevede la sola realizzazione della cassa delle Colmate.

4.77

4.39

0 1 2 3 4 5 6

00:00 01:12 02:24 03:36 04:48 06:00 07:12 08:24 09:36 10:48 12:00

Livello H (m)

Time

Ponte via Colmate

H attuale H Colmate H A12

H Colmate e A12

146 Per quanto riguarda le portate accade un fenomeno contraddittorio ma atteso: la realizzazione della cassa delle Colmate comporta un irripidimento dell' idrogramma di piena.

Fig. 7.19 – Confronto tra le portate in corrispondenza del ponte di via delle Colmate per le diverse soluzioni progettuali

Il fenomeno della chiamata causato dal funzionamento dello sfioratore se da un lato abbassa il livello idrico a monte dall'altro riduce la capacita di invaso del torrente nello stesso tratto aumentando la portata di picco. Quindi nei modelli in cui è presente la cassa delle Colmate si registra un aumento di portata fino allo sfioratore della cassa di Falascaia tanto che il funzionamento di questo ne è influenzato.

L'efficienza di laminazione percentuale della cassa della Falascaia, intesa come rapporto tra riduzione della portata e portata di monte, cala sensibilmente con la realizzazione della cassa delle Colmate:

 Senza cassa Colmate

(QMonte - QValle) / QMonte = 43%

 Con cassa Colmate

(QMonte - QValle) / QMonte = 34%

Quanto detto si riscontra anche dal diagramma dei deflussi sullo sfioratore: nel primo caso il flusso verso la cassa è maggiore. Tuttavia risulta conveniente ridurre

0 20 40 60 80 100 120

00:00 02:24 04:48 07:12 09:36 12:00

Q (mc/s)

Time

Ponte via Colmate

Q attuale Q Colmate Q A12

Q Colmate e A12

147 lievemente la capacità di laminazione della cassa di Falascaia per ridurre efficacemente il profilo liquido nel tratto di torrente che presenta criticità. In figura 7.11 è riportato il diagramma dei flussi sullo sfioratore; il flusso negativo è dovuto al fatto che essendo la cassa rigurgitata quando il livello idrico nel canale si abbassa si verifica una portata che va dalla cassa al torrente.

Fig. 7.20 – Confronto tra i deflussi sullo sfioratore della cassa della Falascaia

Passiamo ora ad analizzare cosa succede più a valle e precisamente in corrispondenza del ponte di via Padule. Dagli idrogrammi riportati in figura 7.21 si capisce immediatamente che la realizzazione di casse di espansione riduce notevolmente la portata al colmo: realizzare la sola cassa delle Colmate comporta già una importante riduzione della portata, riduzione lievemente accentuata nel caso di realizzazione della sola cassa dell'A12 ed ancora di più nel caso di realizzazione di entrambe le casse.

-40 -20 0 20 40 60 80

00:00 02:24 04:48 07:12 09:36 12:00

Q (mc/s)

Time

Q infllow attuale Q inflow Colmate

148 Fig. 7.21 – Confronto tra gli idrogrammi in corrispondenza del ponte di via Padule

Analogamente, per il ponte di via Aurelia si hanno effetti simili a quelli registrati al ponte di via Padule.

Fig. 7.22 – Confronto tra gli idrogrammi in corrispondenza del ponte di via Aurelia

In figura 7.23 riporto una delle sezioni che nella situazione attuale risultano insufficienti a contenere la portata duecentennale mentre nello stato di progetto contengono tale portata rispettando il franco richiesto.

0 20 40 60 80 100 120

00:00 02:24 04:48 07:12 09:36 12:00

Q (mc/s)

Time

Ponte via Padule

Q solo Falascaia Q Colmate Q A12

Q Colmate e A12

0 20 40 60 80 100 120 140 160

00:00 02:24 04:48 07:12 09:36 12:00

Q (mc/s)

Time

Q solo Falascaia

Q Colmate e A12

149 Fig. 7.23 – Effetti della realizzazione delle casse di espansione sulla sezione 24

Infine riporto un estratto dei profili liquidi nel tratto di torrente che va dallo sfioratore della cassa della Falascaia fino a quello della cassa dell'A12 per avere una visione globale degli effetti delle casse di espansione sulla situazione attuale. Sul grafico sono riportati il profilo dato dalla situazione attuale (solo cassa della Falascaia) indicato come "Plan Fala", il profilo dato dalla soluzione con la cassa delle Colmate indicato come "Chi CN II facom", il profilo relativo alla soluzione con la casa dell'A12 indicato come "Chi CN II falaA12", ed il profilo per la soluzione con entrambe le casse indicato come "3 casse chi". Nello stesso grafico ho evidenziato con una forma rossa un tratto di torrente che presenta alcune criticità analizzate nel seguito.

150 Fig. 7.24 – Estratto del profilo idraulico; sono riportati i profili relativi a 4 simulazioni

151 Come si può notare anche dal profilo idraulico appare evidente che la soluzione in cui è prevista la realizzazione della sola cassa dell'A12 è assolutamente da scartare poichè non apporta alcun effetto benefico nel tratto di torrente che presenta le maggiori criticità ed al ponte di via delle Colmate che continuerebbe a funzionare in pressione. Possiamo inoltre sostenere che la soluzione che prevede la realizzazione della sola cassa delle Colmate produce un abbassamento localizzato dei livelli idrici nei punti critici ma non sufficiente a garantire il rispetto del franco minimo che in corsi d'acqua di questo tipo può essere assunto pari ad 80 cm. La soluzione che prevede la realizzazione di entrambe le casse comporta invece una efficace riduzione del livello idrico nei punti critici. Concludendo la realizzazione di entrambe le casse risulta giustificata dal fatto che si riesce a garantire il franco desiderato lungo tutto il tratto di studio ovvero dalla cassa di Falascaia al ponte di via Aurelia con l'unica eccezione di poche decine di metri in prossimità del ponte di via delle Colmate (tratto evidenziato all'interno della forma rossa). Precisamente dalla sezione 33 (appena a valle dello sfioratore della cassa della Falascaia) alla sezione 28 (appena a valle dello sfioratore della cassa delle Colmate) si ottiene un franco che va da 20 a 30 cm. Questo non è accettabile anche in considerazione del fatto che in tale tratto si ha lo sfioratore della cassa delle Colmate il quale produce a valle un profilo di rigonfiamento. Dimostreremo in seguito che il massimo livello idrico raggiungibile nella cassa delle Colmate per un evento pluviometrico con tempo di ritorno di 200 anni e durata pari a 5 ore è di 4,09 m. Ne consegue che la sommità arginale della cassa così come quella del torrente nel tratto interessato dovrà essere almeno pari a 4,91 m. In pratica gli argini del torrente dovranno essere innalzati dalla sezione 28 alla sezione 33 per garantire il rispetto del franco di 80 cm. In figura 7.25 riporto un estratto della planimetria dello stato di progetto in cui ho evidenziato con un tratto rosso il tratto compreso tra le due sezioni di cui sopra.

152 Fig. 7.25 – Estratto della planimetria dello stato di progetto

Nelle tavole allegate al presente lavoro sono riportati i profili completi del torrente e la planimetria dello stato di progetto.

7.2.4. Verifica del sistema

La trattazione sviluppata nei paragrafi precedenti ha portato alla sistemazione del Torrente Baccatoio per la situazione più critica possibile, ovvero quando nel sistema defluiscono le portate massime. Dunque considerando le portate massime in ogni nodo si è cercato di valutare la situazione più critica dal punto di vista del

“canale”, ovvero dei livelli liquidi raggiunti nelle varie sezioni del corso d’acqua: in definitiva, per il momento il sistema è stato sistemato proprio per questa situazione critica. Bisogna però specificare che, in genere, la condizione che mette in crisi le casse di espansione differisce da quella che mette in crisi il corso d’acqua; in altre parole, il dimensionamento delle casse deve essere fatto, naturalmente, considerando la situazione più critica per le casse stesse, situazione che non conosciamo a priori e che potrebbe in alcuni casi differire da quella fittizia già ampiamente trattata. In sostanza si può dire che considerando eventi di durata maggiore rispetto a quella che

CASSA FALASCAIA (GIA' REALIZZATA)

CASSA COLMATE

CASSA A 12

INNALZAMENTO ARGINI

153 genera le portate massime nel sistema si abbassano i valori massimi delle portate al colmo di ciascun elemento; di contro aumentano il volume sotteso al grafico (che rappresenta la quantità d’acqua caduta sul bacino depurata delle perdite). Inoltre man mano che la durata di pioggia aumenta la forma dell’idrogramma si appiattisce nella zona delle alte portate: ciò, per le casse in derivazione, potrebbe produrre un volume sfiorato (e dunque un volume da immagazzinare) maggiore. Di conseguenza potrebbe essere necessario aumentare le dimensioni della cassa o in alternativa, nel caso in cui ciò non sia possibile, modificare le dimensioni della soglia sfiorante limitando così il volume sfiorato al valore massimo immagazzinabile nella cassa con quella certa superficie. Si può dire che in un approccio ingegneristico noi potremmo limitarci allo scenario già valutato nei capitoli precedenti esclusivamente se fossimo sicuri che esso rappresenti la situazione più critica sia per il Torrente Baccatoio sia per le opere idrauliche previste per la sistemazione del suo bacino. Ma visto che, per i motivi sopra detti, in genere ciò non accade si può dire che, in sostanza, tutti questi aspetti devono essere attentamente valutati: in particolare deve essere scongiurato il pericolo di sottodimensionare le casse di espansione, che altrimenti verrebbero invase da volumi che non riescono a contenere; questo potrebbe portare, nella peggiore delle ipotesi, al collasso delle strutture e al peggioramento della situazione, con fenomeni alluvionali di estrema violenza ed intensità. Quindi sono stati considerati diversi scenari, ovvero è stata valutata la risposta del sistema (nella configurazione di progetto finale) sollecitato da piogge di durata via via crescente ed intensità costante (in modo da massimizzare i volumi e non più le portate), maggiori di quella che genera le portate massime nel sistema, fino a che i volumi immagazzinati in ogni cassa non sono tornati a diminuire. Siccome il pluviogramma tipo Chicago scelto per valutare le portate massime ha durata pari a 3 ore, verificheremo il sistema sollecitandolo con piogge ad intensità costante e durate di 3, 4, 5 e 6 ore. Nella figura seguente si riportano, a titolo di esempio, gli idrogrammi del tratto 2 (ricordo che l'idrogramma del tratto 2 è quello inserito nel punto più a monte del modello idraulico di HEC-RAS) riferiti ai 4 scenari: si dimostra come la portata al colmo vada riducendosi e come si modifica la “forma” dell’idrogramma all’aumentare della durata della pioggia. Naturalmente essi sono stati determinati tramite l’ausilio del codice di calcolo HEC-HMS sull’utilizzo del quale non è necessario aggiungere nulla a quanto già detto nel capitolo 4 di questo lavoro.

154 Fig. 7.26 – Estratto della planimetria dello stato di progetto

Noti gli idrogrammi per le varie durate agli altri elementi del modello idrologico passo al modello idraulico. Anche in questo caso il programma HEC-RAS mi permette di simulare un evento inserendo come condizioni a contorno gli idrogrammi relativi ad alcune sezioni opportunamente scelte. Quindi partendo dal modello geometrico che rappresenta lo stato di progetto ed inserendo gli idrogrammi relativi ai diversi eventi pluviometrici ho potuto eseguire le verifiche richieste per le casse di espansione. Vediamo ora nel dettaglio cosa accade per la cassa delle Colmate e per quella dell'A12 riportando gli output delle simulazioni su dei grafici di excell.

-20 0 20 40 60 80 100 120

0 100 200 300 400 500 600 700

Q (mc/s)

Time

tp 3 ore tp 4 ore tp 5 ore tp 6 ore

155

 Cassa delle Colmate

In figura 7.27 è possibile analizzare l'andamento delle portate in ingresso nella cassa attraverso lo sfioratore.

Fig. 7.27 – Portata sfiorata per diverse durate di pioggia

Come atteso la massima portata sfiorata si ha per la pioggia tipo Chicago; con l'aumentare di tp tale portata si riduce.

In figura 7.28 sono riportati i grafici dell' andamento del livello idrico nella cassa sempre al variare di tp.

Fig. 7.28 – Livello liquido nella cassa per diverse durate di pioggia

Il livello idrico massimo è 4,09 metri e viene raggiunto per un tp pari a 5 ore. Attualmente gli argini del torrente lungo il tratto di torrente in cui si

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35

00:00 02:24 04:48 07:12 09:36 12:00

Q (mc/s)

Time

Q Chicago Q 3 ore Q 4 ore Q 5 ore Q 6 ore

4.09

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

00:00 02:24 04:48 07:12 09:36 12:00

H (m)

Time

H Chicago H 3 ore H 4 ore H 5 ore H 6 ore

156 sviluppa la cassa variano tra un minimo di 4,45 m ad un massimo di 4,60 m quindi l'innalzamento degli argini trattato nei precedenti paragrafi dovrà tener conto di tale condizione prevedendo una quota in sommità di 4,90 m. Il massimo volume invasato è pari a 154600 m³.

Riporto infine schematicamente tutte le caratteristiche della cassa nella tabella 7.1.

25 3.00 4.09 154 600 49 940 4.90 28.55%

Rendimento* (Qm-Qv)/Qm

Quota della soglia sfiorante (m) Lunghezza sfioratore (m) CASSA DELLE COLMATE

Quota argine (m)

Volume massimo sfiorato (mc) Livello idrico massimo (m) Superficie (mq)

*il rendimento è valutato nella condizione di portata massima da monte Tab. 7.1 – Principali caratteristiche della cassa delle Colmate

 Cassa A 12

In figura 7.29 riporto il grafico delle portate sfiorate verso la cassa per le diverse durate.

Fig. 7.29 – Portata sfiorata per diverse durate di pioggia

Anche in questo caso la portata maggiore viene sfiorata per la pioggia tipo Chicago. Poichè lo sfioratore in esame occupa una posizione spostata verso valle rispetto allo sfioratore della cassa delle Colmate, la pioggia ad

-10 -5 0 5 10 15 20 25

00:00 02:24 04:48 07:12 09:36 12:00

Q (mc/s)

Time

Q Chicago Q 3 ore Q 4 ore Q 5 ore Q 6 ore

157 intensità costante che comporta la portata sfiorata maggiore non è quella di tre ore ma quella di 5 ore. Dopo tale durata la portata va calando. Vale la pena sottolineare che lo sfioratore della cassa non ha un funzionamento rigurgitato per la pioggia tipo Chicago e per quelle costanti di durate 3 e 6 ore; la cassa risulta quindi avere un rendimento di laminazione piuttosto basso per le portate più grandi (quelle relative alla pioggia tipo Chicago). Riducendo la quota della soglia sfiorante tale rendimento aumenterebbe ma aumenterebbe anche il livello idrico nella cassa per eventi con maggiori volumi di pioggia.

La scelta progettuale della soglia è stata condizionata quindi dal voler garantire il franco minimo nella cassa mantenendo inalterata la quota degli argini del torrente in adiacenza alla cassa.

Ma vediamo nel dettaglio l'andamento dei livelli idrici relativi ai diversi scenari aiutandoci con la figura 7.30.

Fig. 7.30 – Livello liquido nella cassa per diverse durate di pioggia

Osservando il grafico si nota che il livello massimo nella cassa è pari a 2,91 m raggiunto per lo scenario con durata di pioggia di 5 ore. Attualmente gli argini del torrente lungo il tratto in cui si sviluppa la cassa variano da un minimo di 3,60 m ad un massimo di 3,86 m, valori compatibili con la quota degli argini della cassa che dovranno essere pari a 3,70 m. Il massimo volume invasato è pari a 129490 m³.

Riporto infine schematicamente tutte le caratteristiche della cassa nella tabella 7.2.

2.91

-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

00:00 02:24 04:48 07:12 09:36 12:00

Q (mc/s)

Time

H Chicago H 3 ore H 4 ore H 5 ore H 6 ore

158 30

2.50 2.91 129 490 39 950 3.60 21.75%

Rendimento* (Qm-Qv)/Qm Quota della soglia sfiorante (m) Lunghezza sfioratore (m) CASSA A 12

Quota argine (m) Superficie (mq)

Volume massimo sfiorato (mc) Livello idrico massimo (m)

*il rendimento è valutato nella condizione di portata massima da monte Tab. 7.1 – Principali caratteristiche della cassa delle Colmate

Per quanto riguarda la cassa della Falascaia, già realizzata, non riporto i grafici dei livelli e delle portate. Tuttavia dalle simulazioni si ottiene un livello massimo nella cassa pari a 4,34 metri raggiunto per lo scenario "tp 5 ore". Essendo la quota dell'argine della cassa pari a 5,2 metri, la cassa rispetta il franco minimo di 0,8 metri con un volume massimo invasato di 260040 m³