Studio degli effetti sull’idrodinamica e sul trasporto solido di opere di laminazione:...

Studio degli effetti sull’idrodinamica e sultrasporto solido di opere di laminazione:modellazione numerica e fisicaMarco Colombini e Alessandro StocchinoDipartimento di Ingegneria Ambientale, via Montallegro 1 - 16145 Genova; [email protected]

RiassuntoNella progettazione di opere di laminazione, che hanno come obiettivo la difesa del territorio dalleinondazioni, una crescente attenzione è stata recentemente dedicata a limitare gli effetti dell’operastessa sul trasporto complessivo di sedimenti, sempre più spesso inteso come indicatore dellanaturalità e della qualità ambientale di un corso d’acqua. Nel presente contributo vengono riassuntii principali risultati ottenuti nell’ambito di una serie di prove sperimentali e di simulazioni numericheaventi come oggetto l’idrodinamica e la dinamica del trasporto solido all’interno di casse dilaminazione e gli effetti sulla propagazione delle piene e sul bilancio sedimentario del corso d’acquaassociati alla presenza di tali opere. Nello sviluppo dello studio è stata posta particolare attenzione adevidenziare gli aspetti di interesse ai fini della pianificazione, della progettazione e della gestione diopere di laminazione, per quanto riguarda sia il trasporto di sedimenti sia gli aspetti prettamenteidrodinamici.

1. INTRODUZIONELe opere di laminazione analizzate nell’ambito del presente studio sono costituite

da uno sbarramento trasversale, con stramazzo e bocca tarata (Fig. 1) che genera, alpassaggio di un’onda di piena, un invaso temporaneo in un’area a tale scopo individua-ta, inducendo quindi una riduzione del picco di portata. L’opera svolge dunque unruolo attivo nella riduzione del rischio di esondazione nel tratto di valle ma, alcontempo, influisce sulla dinamica dei sedimenti trasportati dalla corrente e, quindi,sull’apporto solido al tratto localizzato a valle dell’opera stessa. La quantificazione ditali effetti riveste particolare importanza sia per il funzionamento e l’efficacia del-l’opera di laminazione sia per l’equilibrio morfologico dell’alveo, che viene influenza-to dalla presenza di tali opere in misura ovviamente crescente al crescere del numerodi opere. In bacini, come quello in esame, in cui non sono disponibili volumi di invasoconsiderevoli si tende ad aumentare il numero delle opere per sfruttare al meglio ipiccoli volumi disponibili, ottenendo buone efficienze complessive di laminazione mamoltiplicando i possibili problemi morfodinamici.

COLOMBINI e STOCCHINO - Effetti di opere di laminazione sul trasporto solido112

Le configurazioni analizzate fanno riferimento a due principali tipologie di realizza-zione delle opere: i) cassa in linea, in cui l’area di invaso, posta lateralmente all’alveoinciso è costituita dalla naturale area di espansione golenale; ii) cassa mista, in cui èpresente un argine longitudinale che delimita l’area di espansione, argine che puòessere interamente o parzialmente sormontabile (Fig. 2). La dinamica di invaso risulta,nei due casi, differente: nella cassa in linea, in cui l’argine longitudinale è assente,l’area di espansione partecipa parzialmente al deflusso e viene riempita progressiva-mente al crescere del livello in alveo. L’introduzione di un argine longitudinale chedelimita lateralmente l’area di espansione (cassa mista) ha l’obiettivo di renderedisponibile alla corrente l’intero volume di invaso al termine della fase ascendentedell’evento di piena di progetto, in modo da utilizzare al meglio il volume disponibilee da ottenere una maggiore laminazione. In questo secondo caso l’argine longitudinale

Fig. 1. Modello in scala dell’opera trasversale: particolare delle gallerie e dello sfioratore superficiale.

sbarramento

bocca tarata

argine longitudinale

Fig. 2. Planimetria dell’area interessata dalla cassa VARA1: configurazione mista.

alveo

versante

COLOMBINI e STOCCHINO - Effetti di opere di laminazione sul trasporto solido 113

è di altezza tale da contenere la corrente nell’alveo inciso e viene realizzato, inprossimità dell’opera trasversale, uno stramazzo laterale la cui altezza e lunghezzadeterminano la portata scolmata in funzione sia dei livelli in alveo sia del livelloall’interno del volume di invaso, che viene riempito in modo statico.

Lo studio è stato affrontato attraverso prove sperimentali su un modello fisico di unacassa di espansione denominata VARA1 situata nell’alto bacino del Fiume Vara inprossimità dell’abitato di S. Pietro Vara. Al fine di valutare l’efficacia di modellinumerici nella previsione delle caratteristiche di funzionamento di tali opere, i risultatidelle prove sperimentali effettuate nelle diverse configurazioni sono stati poi confron-tati con i risultati di simulazioni numeriche realizzate mediante l’implementazione diun modello monodimensionale a fondo fisso e mobile in cui l’opera trasversale è stataschematizzata attraverso una scala di deflusso ottenuta sperimentalmente. Tale model-lo è stato poi utilizzato per ottimizzare le caratteristiche geometriche e identificare ilfunzionamento idrodinamico di un’opera di eguale tipologia costruttiva, da realizzarsiimmediatamente a valle di quella analizzata su modello fisico (cassa VARA2). Per ildettaglio delle prove realizzate su modello fisico e delle caratteristiche del modelloidro-morfodinamico si rimanda a SEMINARA e COLOMBINI (2005, 2006). Nel seguitoverranno presentate le principali conclusioni a cui questo studio ha condotto relativa-mente all’influenza di opere di laminazione sull’idrodinamica e sulla dinamica deltrasporto solido.

2. EFFETTI SULL’IDRODINAMICALa progettazione di opere di laminazione delle tipologie precedentemente descritte

prevede la definizione di alcuni dati di progetto. In particolare:– la portata di progetto (a cui è associato un tempo di ritorno), per la quale la cassa deve

realizzare la massima efficienza di laminazione (nei casi esaminati la portatatrentennale);

– la quota di massimo invaso, raggiungibile all’interno della cassa in corrispondenzadi un evento estremo (nei casi esaminati l’evento duecentennale);

– la portata minima per cui l’opera deve iniziare a intervenire (nei casi esaminati laportata con tempo di ritorno 5-10 anni).Il principale risultato della progettazione di massima consiste nella determinazione

dell’efficienza idrodinamica, definita come:

dove Qe e Qu sono rispettivamente la portata di picco entrante e quella uscentedall’opera di laminazione.

La progettazione di massima dell’opera di laminazione procede inizialmente attra-verso la definizione della geometria dell’opera trasversale, sulla base delle variabili diprogetto sopra descritte. In particolare, il ruolo dello sfioratore superficiale dellosbarramento è quello di consentire il transito della massima portata in occasione dieventi estremi senza che venga superato il livello massimo di invaso previsto. Alcontempo, il livello raggiunto in corrispondenza del passaggio dalla portata di progettonon deve superare la quota di sfioro. In altre parole, la massima efficienza dilaminazione si realizza quando il livello della corrente per la portata di progetto è parialla quota di sfioro e lo sfioratore è dimensionato per smaltire l’eccesso di portata

e

ue

QQQ −

=ε


associato ad eventi estremi senza che venga superato il livello massimo di invaso.Essendo questo un dato di progetto e dovendo la larghezza dello sfioratore essereconfrontabile, per ovvie ragioni costruttive, con la larghezza dell’alveo di valle, siidentifica in questo modo il livello della soglia di sfioro. Una volta identificato talelivello si determina immediatamente l’area della sezione della bocca tarata necessariaa far defluire la portata di progetto. La larghezza ed altezza della bocca tarata sonoquindi univocamente determinate essendo assegnata la portata minima per cui la boccainizia il funzionamento a luce di fondo.

La procedura sopra descritta consente di definire un’opportuna scala di deflussoassociata all’opera, che esprime il legame tra portata defluente (attraverso bocca taratae sfioratore superficiale) e livello a monte dell’opera stessa. La determinazione delleefficienze di laminazione per eventi di diversa intensità e tempo di ritorno richiede poil’implementazione di un modello numerico non stazionario del funzionamento dellacassa che può fondarsi sull’adozione di uno schema di corrente monodimensionalenecessariamente non stazionario. Il confronto tra i risultati sperimentali e quellinumerici ha infatti mostrato come gli effetti di bidimensionalità, pur presenti, possanoessere trascurati in prima approssimazione (cioè in sede di analisi di fattibilità)semplificando in questo modo la modellazione numerica. L’utilizzo di una modella-zione bidimensionale, senz’altro più accurata di quella monodimensionale nellarappresentazione del comportamento idraulico della corrente (in particolare per cassein linea), può essere utilmente rinviato ad un’eventuale fase di progettazione prelimi-nare. La realizzazione di un modello fisico ad hoc appare infine necessaria nel corsodella progettazione definitiva.

Riveste invece particolare importanza in fase di analisi di fattibilità il dimensiona-mento delle bocche tarate e dell’opera di sfioro. Se il livello massimo raggiunto dallacorrente a monte dell’opera in corrispondenza del passaggio della piena di progettorisulta infatti apprezzabilmente inferiore (o superiore) alla quota di sfioro, l’efficienzadell’opera risulta sensibilmente inferiore a quella massima ottenibile. Ciò conduce adun’errata valutazione della capacità di laminazione dell’opera e, in definitiva, della suautilità ai fini della riduzione del rischio di inondazione per cui l’opera stessa èprogettata.

Come già accennato, il dimensionamento dell’opera di sbarramento richiede laconoscenza delle leggi che regolano il deflusso nei diversi regimi di funzionamentodell’opera stessa. Pur essendo possibile una stima per via teorica di tali leggi, le provenumeriche e sperimentali effettuate durante lo studio hanno mostrato che la scala dideflusso risente in modo sensibile dei valori dei coefficienti di portata che sonoempiricamente determinati. Nel corso dello studio si è dunque provveduto a determinaresperimentalmente i coefficienti di portata realizzando una serie di prove stazionarie sulmodello in scala e interpretando i risultati sperimentali attraverso relazioni analitichedescritte in dettaglio nelle già citate relazioni (SEMINARA e COLOMBINI, 2005, 2006). Sisottolinea che tali relazioni consentono di estendere il risultato relativo alla cassaVARA1 ad altre opere di eguale tipologia ma caratterizzate da diverse dimensioni.

I risultati della progettazione di massima eseguita applicando la procedura descrittaalla cassa denominata VARA1 sono sintetizzati nel grafico di figura 3, in cui vieneriportato l’andamento dell’efficienza di laminazione in funzione della portata iningresso, cioè la funzione ε(Qe) precedentemente descritta. In figura sono ancheriportati i risultati delle misure effettuate su modello fisico nelle due configurazioni in


linea e mista.Nonostante siano presenti alcune differenze tra i risultati numerici e le osservazioni

sperimentali, in particolare per il caso di cassa in linea più difficilmente rappresentabi-le nell’ambito di uno schema monodimensionale, i risultati della modellazione nume-rica interpretano correttamente il funzionamento dell’opera di laminazione e la stimadelle efficienze alle varie portate risulta sufficientemente accurata per uno studio difattibilità.

Al di là del risultato specifico relativo alla cassa VARA1, l’insieme delle valutazio-ni numeriche e sperimentali svolte nell’ambito del presente studio si presta ad una seriedi considerazioni di carattere generale utili a fini progettuali e pianificatori.i. L’efficienza di laminazione è massima per la portata di progetto e diminuisce sia

per portate inferiori (perché il volume di invaso viene utilizzato in misuraminore) sia per portate superiori (perché il volume di invaso è gia quasi del tuttooccupato quando sopraggiunge il colmo dell’onda di piena). In particolare, alloscopo di individuare parametri che esprimano in maniera sintetica il comporta-mento di una generica opera di laminazione appare importante determinare nonsolo il valore massimo dell’efficienza (quello che si realizza in corrispondenzadella piena di progetto) ma anche l’andamento della stessa al variare della portatadi picco in ingresso. Se l’unico parametro di riferimento è infatti l’efficienzamassima, la mancata ottimizzazione delle caratteristiche dell’opera trasversalerelativamente all’evento di progetto conduce, ad esempio, ad una sottostimadell’efficienza che può fortemente condizionare le scelte pianificatorie. Inoltre,essendo Qu = Qe (1 - ε (Qe)), la conoscenza della funzione ε(Qe) non fornisce solouna misura dell’efficacia dell’opera, ma consente di determinare le portate inuscita dalla cassa attraverso un semplice calcolo. La quantità (1 - ε(Qe)) rappre-

Fig. 3. Efficienza di laminazione: Cassa VARA1, configurazione in linea e mista; confronto tra simu-lazioni numeriche e prove sperimentali.


senta infatti la portata in uscita normalizzata rispetto alla portata in ingresso e,quindi, è interpretabile come la risposta idrodinamica della cassa ad un datoingresso. Un ulteriore parametro sintetico di interesse relativo al funzionamentodi una singola cassa può essere individuato nell’intervallo di portate ΔQ50caratterizzate da efficienze superiori al 50% del valore massimo. Tale parametroè una misura della “ampiezza” della curva dell’efficienza ed individua l’interval-lo di portate in ingresso per cui la laminazione è comunque ancora sensibile. Ingenerale, è palese che l’efficienza di laminazione dipende fortemente dal volumedi invaso disponibile. In presenza di ridotti volumi di invaso, come nei casiesaminati, le efficienze massime sono dell’ordine del 15-20% e il ΔQ50 èdell’ordine del 50% della portata di progetto.

ii. L’efficienza globale di un sistema di due casse in serie è definita dalla formula:

(1) La relazione per tre casse risulta, ad esempio: εT= ε1 + ε2 (1- ε1) + ε3 (1- ε2) (1- ε1) con ovviosignificato dei simboli.

dove ε1 e ε2 sono le efficienze delle singole casse. Tale relazione indica comel’efficienza totale sia sempre superiore a quella di ognuna delle due casse e puòessere facilmente generalizzata al caso di più casse in serie(1) e quando sianopresenti affluenti intermedi. L’importanza di questa semplice relazione nel caso sivogliano programmare interventi diffusi sul bacino appare evidente. A questoriguardo può essere utile presentare il risultato di questa analisi per il sistema dicasse VARA1-VARA2 esaminato nello studio. In questo caso entrambe le cassesono state progettate per presentare la massima efficienza nel caso di un evento dipiena trentennale, per il quale risulta ε1=0,2 e ε2=0,15. L’applicazione della (1)conduce quindi a un’efficienza complessiva massima pari a 0,32, del tutto confron-tabile con il risultato della simulazione realizzata su tutto il tratto (comprendentele due casse ed un affluente intermedio) che prevede un’efficienza del 30%. Poichéinoltre la funzione la portata di picco in ingresso può essere facilmente correlata aiperiodi di ritorno, il calcolo può essere effettuato con riferimento a eventi caratte-rizzati da un certo periodo di ritorno consentendo di stimare l’efficienza comples-siva quale funzione del periodo di ritorno, cioè indipendentemente dalle scelte diottimizzazione delle singole casse.

iii. I risultati presentati in figura 3 suggeriscono che, nel caso esaminato, le dueconfigurazioni in linea e mista producono efficienze del tutto confrontabili. Leprincipali differenze si osservano nel ramo ascendente della curva, cioè per portateinferiori alla portata di progetto. In particolare le efficienze della cassa mistarisultano inferiori perché il volume di invaso non viene utilizzato fino a quando ilivelli in alveo non superano la quota dello sfioratore laterale, al contrario di quantoavviene per la configurazione in linea. La configurazione mista è in generale ingrado di produrre un’efficienza massima superiore a quella ottenibile nella confi-gurazione in linea. Per portate superiori a quella di progetto, le due configurazioniproducono efficienze di laminazione molto prossime (si noti che le efficienzestimate numericamente sono inferiori alle sperimentali per il già citato effettolegato alla forte bidimensionalità del moto): il volume di invaso è infatti in entrambii casi sostanzialmente già utilizzato al passaggio del picco di piena. Nello specifico

εT = ε1 + ε2 (1-ε1) (1)


caso esaminato, il lieve miglioramento in termini di massima efficienza non apparetale da giustificare la realizzazione di un’opera più complessa e di maggiore impattoambientale. Si sottolinea come questo risultato sia legato anche al ridotto volumedisponibile per l’invaso che caratterizza questo particolare intervento.

3. EFFETTI SULLA DINAMICA DEL TRASPORTO SOLIDOLe opere di laminazione qui considerate incidono invariabilmente sulla dinamica

del trasporto solido, in misura dipendente dell’intensità dell’evento considerato. Ilrallentamento della corrente che, in ultima analisi, produce il richiesto effetto dilaminazione non può che indurre una tendenza alla formazione di aree di depositoall’interno della cassa, un processo che si osserva in tutte le prove sperimentali cosìcome nelle simulazioni numeriche.

In particolare, l’azione dell’opera di sbarramento in questa tipologia di casse èquella di innalzare sensibilmente il livello all’interno della cassa, in modo da generareinvasi consistenti pur con limitate aree di espansione disponibili. In prossimità del-l’opera trasversale, dunque, è quasi nulla la capacità di trasporto della corrente, conconseguente deposito della intera portata solida proveniente da monte durante l’eventodi piena.

Questo effetto è particolarmente sensibile in alvei montani caratterizzati da elevatependenze come quelli esaminati, tipicamente a carattere torrentizio anche per portatecon tempi di ritorno dell’ordine dei 5-10 anni, in cui la profondità di moto uniforme èdell’ordine del metro a fronte di profondità dell’ordine della decina di metri indottedallo sbarramento. Altre tipologie di casse in cui l’opera di sbarramento è assente, adesempio le casse in derivazione, avrebbero probabilmente un impatto minore sultrasporto di sedimenti ma risulterebbero decisamente meno efficaci per la laminazionepoiché i volumi disponibili per l’invaso diminuirebbero drasticamente.

L’analisi condotta sugli effetti morfodinamici dell’opera di laminazione si è dunqueindirizzata verso due specifici obiettivi:i. Analisi a scala di evento: si propone di valutare l’effetto del trasporto solido sul-

l’efficienza idrodinamica della cassa, l’entità del deposito e la sua distribuzioneplanimetrica nelle configurazioni in linea e mista. Il volume complessivo disedimenti depositati all’interno della cassa è definito percentualmente nella forma

dove Ve e Vu sono rispettivamente i volumi di sedimenti entranti e uscenti dallacassa durante un evento di piena. La quantità (1-ΔV) rappresenta il volumecomplessivo di sedimenti in uscita normalizzato con il volume in ingresso e quindi,in modo sintetico, esprime la risposta morfodinamica della cassa.

ii. Analisi a lungo termine: si propone di individuare, ove possibile, condizioni diregime dal punto di vista del bilancio complessivo di sedimenti sulla base deirisultati ottenuti sollecitando l’opera attraverso successioni di eventi di piena o conportate stazionarie. È infatti importante sottolineare che la scala temporale su cuievolvono i processi sedimentologici è decisamente maggiore di quella caratteristicadei singoli eventi. I processi morfodinamici, anche importanti, associati a ciascunodi essi contribuiscono lentamente al raggiungimento di condizioni asintotiche diregime sul lungo termine.

(2)Ve - Vu

VeΔV =


3.1. Analisi morfodinamica a scala di eventoIl complesso delle prove sperimentali e numeriche eseguite ha consentito di costrui-

re un quadro conoscitivo relativamente ampio sulla risposta morfodinamica ad eventidi piena di diversa intensità. L’intervallo di tempi di ritorno esaminato è ampio (5-200anni); Sono stati analizzati con maggior dettaglio eventi caratterizzati dai tempi diritorno più modesti (5, 15, 30 anni) che, per la modellazione morfodinamica, sirivelano tuttavia più significativi di eventi senz’altro più intensi ma più rari.

Un prima osservazione di carattere generale riguarda il confronto tra il comporta-mento della configurazione in linea rispetto a quella mista. Se, da un lato, le dueconfigurazioni producono simili comportamenti idrodinamici a fondo fisso (tanto chele massime efficienze di laminazione sono quasi identiche), l’assenza di un arginelongitudinale nella configurazione in linea consente alla corrente di depositare anchenell’area di espansione quando quest’ultima viene utilizzata.

Non essendo la corrente più in grado di movimentare il materiale solido accumulatonell’area golenale, regioni sempre più ampie dell’area di invaso vengono progressiva-mente riempite da sedimenti. La quasi totalità del volume di sedimenti entrante nellacassa durante un evento di piena viene depositato (ΔV = 100%) al suo interno,interrompendo l’alimentazione solida del tratto del corso d’acqua localizzato a valledell’opera. Questo aspetto risulta fortemente penalizzante per un duplice motivo: i)l’utilizzo dell’area di espansione per altri fini (es. agricoli) risulta compromesso; ii) ildepauperamento in termini di apporto solido a valle risulta massimo.

Si osservi come la realizzazione di un argine longitudinale sormontabile, in massi oin materiale permeabile, se da un lato non conduce a particolari benefici dal punto divista idraulico, dall’altro consente il contenimento del trasporto solido in alveodiminuendo al contempo l’impatto ambientale associato ad un argine solo parzialmen-te sormontabile.

È ragionevole aspettarsi che i limiti evidenziati siano generalizzabili all’interacategoria delle casse in linea. Nel prosieguo di questa relazione si è fatto quindiparticolare riferimento alla configurazione mista. Alcune prove sperimentali realizzatecon argine longitudinale interamente sormontabile hanno infatti mostrato come, dalpunto di vista idrodinamico e morfodinamico, non si osservino particolari differenzerispetto alla configurazione di cassa mista dove l’argine è sormontabile solo incorrispondenza dello stramazzo laterale.

Per quanto riguarda la distribuzione del deposito all’interno della cassa, il fenomenoè di non semplice interpretazione, pur presentando alcune caratteristiche di regolarità(Fig. 4). In particolare, partendo dalla stessa configurazione topografica iniziale, alpassaggio del primo evento di piena si assiste sempre alla formazione di tre ampie zonedi deposito alternate a zone di relativo scavo che assumono la forma di barre centralistazionarie. La prima si osserva nel tratto di monte, dove inizia la zona di espansionee l’alveo si allarga, l’ultima è posta immediatamente a monte dell’opera di sbarramen-to, mentre una terza area di deposito, in genere la più intensa, è localizzata in unaposizione intermedia tra le due. Dopo questo primo assestamento del fondo, ilpassaggio di identiche piene produce un deposito più distribuito e di minore intensità,a cui corrisponde un sensibile aumento del trasporto solido in uscita. In conclusione, ivolumi di sedimenti mobilitati durante il primo evento vengono interamente utilizzatiper modificare l’assetto iniziale mentre eventi successivi tendono verso una configu-razione di equilibrio in cui i volumi erosi e quelli depositati durante l’evento si


bilanciano, assetto a cui corrisponderebbe un volume di sedimenti in uscita pari aquello in ingresso (ΔV = 0%). Questa configurazione di equilibrio si raggiunge primaper le sezioni prossime allo sbarramento e successivamente per le sezioni più a monte.

In figura 4 è presentato un confronto tra le mappe di erosione e deposito conseguential passaggio di un singolo evento di piena trentennale, misurate su modello fisico esimulate numericamente. Le simulazioni appaiono in buon accordo con le misuresperimentali per quanto riguarda l’entità complessiva dei volumi accumulati durante ilpassaggio di un’onda di piena, come confermato dalla figura 5 dove sono riportati gliandamenti longitudinali della variazione della quota media del fondo conseguente alpassaggio di due identici eventi. Si noti come non solo le entità dei depositi ma anchela loro distribuzione longitudinale siano predette con ottima approssimazione. Si notiinoltre come anche la distribuzione planimetrica delle zone di erosione e deposito,

Fig. 4. Mappe di erosione e deposito dopo il passaggio di un singolo evento di piena trentennale:sopra, prova sperimentale; sotto, simulazione numerica. La freccia indica la direzione della corrente.




informazione a carattere tipicamente bidimensionale, sia riprodotta efficacemente dalmodello numerico, risultato quest’ultimo di particolare rilievo visto la natura monodi-mensionale del modello utilizzato. L’assetto planimetrico finale è, infatti, il risultatodella sovrapposizione di fenomeni di erosione e deposito che avvengono durantel’intero evento di piena, interessando regioni via via più estese (ridotte) al crescere(decrescere) della profondità. La marcata bidimensionalità dell’assetto del fondo èdunque più fortemente legata al carattere non stazionario del fenomeno (correttamenteprevisto dal modello numerico monodimensionale) piuttosto che alla bidimensionalitàdella corrente.

Il buon confronto qualitativo e quantitativo tra i risultati delle simulazioni numeri-che e le misure effettuate su modello fisico in termini di assetto del fondo successivoal passaggio di un evento di piena appare quindi incoraggiare l’utilizzo di modellinumerici idro-morfodinamici anche in fase di progetto.

Per quanto riguarda infine l’effetto del trasporto solido sull’efficienza di laminazio-ne, il grafico in figura 6 presenta un confronto tra i risultati ottenuti, sperimentalmentee numericamente, sia a fondo fisso sia a fondo mobile, al passaggio di un singoloevento di piena.

Fig. 5. Profili longitudinali della variazione media della quota del fondo dopo un evento di pienatrentennale (sopra) e dopo due eventi di piena trentennali (sotto).


Si osserva una lieve riduzione dell’efficienza legata alla sottrazione di volume diinvaso da parte dei sedimenti depositati, anche se questo effetto non appare particolar-mente significativo. Le efficienze diminuiscono in particolare per portate inferiori allaportata di progetto, cioè quando il volume di invaso è solo parzialmente utilizzato equindi il volume sottratto dai sedimenti è percentualmente superiore. Le variazionirispetto al caso di fondo fisso sono comunque minime, anche se è da attendersi unmaggiore effetto sull’efficienza al crescere del deposito cioè a seguito di ulteriorieventi in assenza di interventi di rimozione del deposito stesso.

In sede di pianificazione di interventi si ritiene dunque che l’informazione ricavatadall’analisi a fondo fisso sia sufficiente, in prima approssimazione, per il dimensiona-mento dell’opera di sbarramento e che, in particolare, la curva di efficienza ottenuta inqueste condizioni sia rappresentativa del comportamento della cassa ai fini dellalaminazione di eventi di piena anche nel caso di fondo mobile. In un’eventualeprogettazione preliminare dell’intervento potranno essere richieste analisi a fondomobile più approfondite che consentiranno di raffinare l’analisi e la valutazione di taliefficienze. Una modellazione fisica dell’opera potrà infine essere utilmente prevista infase di progettazione definitiva dell’intervento, fornendo in quella sede precise infor-mazioni sugli effetti idrodinamici e morfodinamici indotti dalla presenza dell’operastessa.

È da notare come anche per le portate più basse (tempo di ritorno 5 anni), in cuil’opera trasversale produce solo un modesto rigurgito legato al restringimento, ilprocesso di deposito proceda in maniera analoga. Questo suggerisce che il tratto dialveo in cui insiste l’opera di laminazione VARA1 manifesti una tendenza al depositoindipendentemente dalla presenza dell’opera trasversale. Tale osservazione è confer-mata indirettamente dal confronto di due rilievi altimetrici realizzati a distanza di circa

Fig. 6. Andamento dell’efficienza di laminazione in funzione della portata di picco a fondo mobile:confronto tra risultati sperimentali e simulazioni numeriche.


10 anni (1992-2003), che ha mostrato come il tratto di alveo considerato sia statooggetto di un diffuso deposito di spessore medio dell’ordine di 1,5-2 m. Se da un latoquindi i consistenti depositi che si osservano per l’evento quindicennale e trentennalesono indubbiamente accentuati dalla presenza dell’opera, anche in assenza dellosbarramento si assisterebbe probabilmente alla comparsa di aree di deposito, unaspetto di rilievo per la valutazione dell’influenza morfodinamica dell’opera.

È stata inoltre realizzata una prova sperimentale in cui ad un evento trentennaleseguiva una serie di eventi quinquennali, per valutare quanto eventi relativamente piùfrequenti ma meno intensi fossero in grado di modificare l’assetto del fondo generatoda un evento meno frequente ma più intenso. Il risultato di tale prova ha mostrato comesi ottenga un lieve abbassamento del fondo solo nella regione prossima all’opera,mentre i depositi più a monte continuino ad aumentare. Anche in questo caso, dunque,la corrente tende a depositare indipendentemente dalla presenza dell’opera e non è ingrado di eliminare gli ingenti depositi associati all’evento intenso, se non nella regioneposta nelle immediate vicinanze dell’opera stessa.

Un’ultima informazione, utile ai fini di un’eventuale manutenzione della cassa, èrelativa al volume complessivo depositato da singoli eventi di diversa intensità apartire dalla medesima configurazione iniziale. Tali volumi sono sostanzialmente parial volume totale di sedimenti in ingresso alla cassa e dunque stimabili per via teoricauna volta noto l’idrogramma in ingresso.

3.2. Analisi morfodinamica a lungo termineL’evoluzione morfodinamica all’interno della cassa procede, come detto, su scale

temporali molto più lente di quelle del singolo evento.La tendenza evolutiva, in presenza dell’opera, è evidentemente dipendente dalla

sequenza di idrogrammi con cui viene sollecitata l’opera stessa e, quindi, dall’idrolo-gia del bacino a monte dell’opera, caratterizzabile solo in termini probabilistici.

Si è ritenuto dunque di analizzare il comportamento asintotico dell’opera, solleci-tandola, sia sperimentalmente su modello fisico sia numericamente, attraverso unasequenza di eventi caratterizzati da un periodo di ritorno o attraverso portate staziona-rie associabili a eventi di durata infinita. Tali prove sono dunque rappresentative di ciòche si osserverebbe, in assenza di interventi di manutenzione sulla cassa, su un arco ditempo sufficientemente elevato, ancorché per effetto di una sola tipologia di eventi.

L’esame della figura 7, in cui è riportata la percentuale del volume entrante cheviene depositato per una sequenza di identici eventi trentennali e quindicennali, mostrache in entrambi i casi la percentuale di volume depositato ΔV è pari al 100% duranteil primo evento e scende quindi gradualmente fino al 40% dopo quattro-cinque eventisuccessivi. Ulteriori eventi, simulati per il solo caso trentennale, conducono adun’ulteriore diminuzione, anche se più lieve, dell’entità dei depositi. Il processomorfodinamico è dunque ancora lontano dal raggiungimento di una configurazione diequilibrio per gli eventi considerati anche se il volume restituito a valle (pari a 1-ΔV)comincia ad essere una percentuale significativa (60%) del volume entrante dopocinque eventi.

È da notare come un eventuale intervento di rimozione dei depositi dopo un eventodi piena particolarmente intenso che riportasse l’alveo alla configurazione inizialeazzererebbe di fatto questo processo, rendendo nuovamente la cassa disponibile adaccogliere l’intero volume in ingresso e interrompendo dunque nuovamente, nel-


l’evento seguente, l’alimentazione di sedimenti a valle dell’opera.Il grafico di figura. 8, analogo al precedente, mostra il risultato delle prove effettuate

con portate stazionarie pari alla portata di picco degli eventi quindicennale e quinquen-nale. Nelle prove stazionarie l’esperimento è stato interrotto a intervalli regolari perrilevare l’assetto del fondo. In questo caso quindi in ascisse non viene riportato ilnumero di eventi ma la durata della prova al vero. A tale proposito si sottolinea comein un evento non stazionario la cassa sia sollecitata con i valori di portata al picco soloistantaneamente, mentre nelle prove stazionarie la cassa è sollecitata con quel valore di

Fig. 7. Percentuali dei volumi in ingresso depositati durante successioni di eventi.

Fig. 8. Percentuali dei volumi in ingresso depositati durante prove stazionarie.


portata per tutta la durata della prova. Anche in questo caso il fondo tende ad assestarsisu una condizione di regime che consente di trasportare a valle una percentuale pari acirca il 50% del volume complessivo entrante.

4. CONCLUSIONILo studio effettuato ha condotto ad una approfondita comprensione dei fenomeni

idraulici e morfodinamici che si realizzano all’interno di un’opera di laminazione edegli effetti da essi indotti sul corso d’acqua a valle dell’opera stessa. I risultati dellostudio possono estendersi a opere di analoga tipologia realizzativa e hanno consentitodi formulare alcuni suggerimenti utilizzabili sia nella fase di pianificazione sia neidiversi stadi della progettazione di tali opere. L’analisi dei processi idro-morfodinami-ci che si realizzano all’interno della cassa durante il passaggio di un’onda di piena èstata svolta attraverso una modellazione sia fisica sia numerica e questo ha permesso,tra l’altro, di individuare gli strumenti modellistici più indicati per affrontare le diversefasi della pianificazione e della progettazione.

Le opere di laminazione qui considerate costituiscono ancora oggi uno deglistrumenti più efficaci a disposizione del pianificatore per la riduzione del rischio diesondazione. Tuttavia tali opere non possono che alterare, a lungo termine, il naturaleequilibrio del sistema fluviale e anzi, come qualunque altro intervento di sistemazione,esse vengono realizzate con il preciso obiettivo di controllare tale equilibrio. Sia in fasedi progettazione sia in fase di esecuzione e, non ultima, in fase di esercizio, gli effettisull’idrodinamica e sul trasporto solido indotti dalla presenza dell’opera devonodunque essere attentamente valutati, in particolare per quantificare i costi e i beneficiassociati alla realizzazione dell’opera stessa.

Se da un lato, infatti, l’efficienza idraulica delle opere non sembra risentire partico-larmente dell’accumulo di materiale solido conseguente al passaggio di piene intensee l’assetto del fondo mostra una tendenza ad assestarsi su un nuovo assetto diequilibrio, dall’altro lato questa tendenza si sviluppa su un arco di tempo dell’ordinedelle decine di anni, durante il quale la quantità di materiale trasportato vienedrasticamente ridotta, con conseguente comparsa di fenomeni erosivi a valle dell’ope-ra stessa e con un complessivo depauperamento in termini di bilancio sedimentario cherisulta inoltre tanto più discontinuo quanto più sono numerose le opere di laminazionepreviste lungo il corso d’acqua.

Alcune scelte realizzative (cassa in linea o cassa mista, argine longitudinale obarriera sormontabile di contenimento del solo trasporto solido al fondo) si dimostranoefficaci nel limitare l’effetto dell’opera sul trasporto solido e in questo senso contri-buiscono a diminuire i costi ambientali senza influire particolarmente sui benefici ditipo idraulico.

In conclusione, nonostante il sistema fluviale mostri una tendenza ad adattarsi allenuove condizioni imposte dalla presenza di casse di laminazione, la corretta progetta-zione, il monitoraggio e la manutenzione di queste opere appaiono di fondamentaleimportanza per una gestione attenta e sostenibile del corso d’acqua, non solo perquanto riguarda il mantenimento della richiesta efficienza di laminazione per cuil’opera stessa è progettata ma anche per la conservazione della non meno importantequalità ambientale del corso d’acqua su cui la cassa agisce.


Riferimenti bibliografici

STOCCHINO A., SIVIGLIA A. & COLOMBINI M. (2005) – Flood control of the Vara river. Proc. 4rd

IAHR Symposium on River, Coastal and Estuarine Morphodynamics, Urbana Illinois (USA),October 4-7.

STOCCHINO A., CESIO A. & COLOMBINI M. (2006) – Influenza di casse di espansione sull’idro-morfodinamica di un alveo: il caso del Fiume Vara. Giornata Mondiale dell’Acqua: lecondizioni dei fiumi italiani, Accademia Nazionale dei Lincei, Roma, 22 Marzo 2006.

SIVIGLIA A., NOBILE G. & COLOMBINI M. (2006) – Non-conservativity effects on the one dimensionalDe Saint Venant-Exner Model. (Sottomesso al Journal of Hydraulic Engineering).

SEMINARA G., COLOMBINI M. (2005) – Studio degli effetti sull’idrodinamica e sulla dinamica deltrasporto solido di opere di laminazione da realizzarsi nel bacino montano del Fiume Vara –Relazione finale parte 1.

SEMINARA G., COLOMBINI M. (2005) – Studio degli effetti sull’idrodinamica e sulla dinamica deltrasporto solido di opere di laminazione da realizzarsi nel bacino montano del Fiume Vara –Relazione finale parte 2.

SEMINARA G., COLOMBINI M. (2006) – Approfondimenti sullo studio degli effetti della realizzazionedi opere di laminazione sull’idrodinamica e sulla dinamica del trasporto solido con applicazionealle opere previste nel bacino montano del Fiume Vara – Relazione finale.

Studio degli effetti sull’idrodinamica e sul trasporto solido di opere di laminazione:...

Documents

Transcript of Studio degli effetti sull’idrodinamica e sul trasporto solido di opere di laminazione:...